基于單片機的超聲波測距課程設(shè)計報告書

1、 PAGE18 / NUMPAGES19單片機應(yīng)用實習(xí)任務(wù)書學(xué)生系部專業(yè)班級指導(dǎo)教師職稱是否外聘題目名稱設(shè)計的容、意義與技術(shù)指標(biāo)要求1、設(shè)計容與意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測距就是利用其反射特性，超聲波發(fā)生器不斷地發(fā)射出40kHz超聲波遇到障礙物后反射回反射波，超聲波接收器接收到發(fā)射波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。相比于其它定位技術(shù)超聲波定位技術(shù)成本低，制作容易，非常適合于短距離測量定位。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)

2、計超聲波測距儀的意義。2、技術(shù)指標(biāo)要求以單片機發(fā)射40khz的方波與數(shù)碼管顯示距離以CX20106A接收信號摘 要本設(shè)計采用以STC89C52單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。關(guān)鍵詞：STC89C52; 超聲波；測距第1章 總體設(shè)計方案1.1 總體設(shè)計方案 方案一基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)，是利用單片機編程產(chǎn)生頻率為 40kHz 的方波 ，

3、經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖 1.1 所示。超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)電路溫度傳感器超聲波發(fā)射器功率驅(qū)動電路顯示電路單片機40kHz脈沖圖1.1這種以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間 。 當(dāng)收到超聲波的反射波時 ， 接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變 ， 在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號 ， 單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給 LED 顯示 利用單片機準確計時 ，

4、 測距精度高 ， 而且單片機控制方便 ， 計算簡單 。 許多超聲波測距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計方法。方案二基于 CPLD 的超聲波測距系統(tǒng)，這種測距系統(tǒng)采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device) 器件，運用 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage) 編寫程序，使用 MAX+plusII 軟件進行軟硬件設(shè)計的仿真和調(diào)試，最終實現(xiàn)測距功能。CPLD 器件部的宏單元是其最基本的模塊，能獨立地編程為 D 觸發(fā)器 、 T觸發(fā)器、RS 觸發(fā)器或 JK 觸發(fā)器工作方式或組合邏

5、輯工作方式。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由 MAX 來實現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅鳌⒔邮蘸桶l(fā)送電路，即可組成一個測量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測距儀。本系統(tǒng)利用 CPLD 器件控制超聲波的發(fā)射，并對超聲波發(fā)射至接收的往返時間進行計數(shù)，將計算結(jié)果在 LED 上顯示出來。配合使用 MAX+plusII 開發(fā)軟件，可集設(shè)計輸入、設(shè)計處理、設(shè)計校驗和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短 。其系統(tǒng)框圖如下圖 所示。晶振啟動復(fù)位顯示模塊分頻脈沖模塊復(fù)位模塊計數(shù)模塊發(fā)射放大發(fā)射傳感器整形接收放大接收傳感器圖1.

6、2通過以上我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計簡單、方便 ，而且測精度能達到工業(yè)要求。本設(shè)計測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 v，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。接收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波 ，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收

7、到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離，結(jié)果輸出給數(shù)碼管顯示。1.2 軟硬件功能分析第2章 硬件電路設(shè)計2.1 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計單片機最小系統(tǒng)是單片機能正常工作的最小外接電路單元，是設(shè)計電路的核心部分，也是整個作品最關(guān)鍵的最重要的部分。單片機最小系統(tǒng)包括：復(fù)位電路、晶振電路、P0口外接一個排阻，同時EA引腳必須接在外部電源的正極。2.2 數(shù)碼管電路設(shè)計（小四號黑體）本設(shè)計是最終距離需要數(shù)碼管顯示。我使用的是四位功能共極數(shù)碼管。用于顯示距離。采用

8、動態(tài)顯示方法顯示數(shù)據(jù)，即所有段選接在一起接到P0口，把各位選分別接在P2。4-P2.7口上。同時所有位選必須接在NPN三極管的集電極，三極管的發(fā)射極分別接一個2K的電阻。2.3超聲波接收電路設(shè)計集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收和超聲波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器，通過外接電阻可以調(diào)整檢波頻率，如圖。實驗證明，用CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。R4決定檢波頻率,220k時為38kHz。適當(dāng)?shù)母腃4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。使用CX20106A集成電路對接收探頭收到的信號進行放大，濾波，其總放大增益80dB，CX2010

9、6A電路說明如下所示。引腳號說明1超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R1=1K，C1=1F。3該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3f。4接地端5該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f

10、0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6該腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。8電源正極，4.55.5V。2.4超聲波發(fā)射電路設(shè)計發(fā)射電路主要由反相器74HC04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機P1.0端輸出的40KHZ方波信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反相器后超聲波換能器的令一個電極，用這種推挽形

11、式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強度，輸出端采用兩個反相器的并聯(lián)，以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R2R3,一方面可以提高反相器74HC04輸出高電平的能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振動的時間。2.人機接口電路設(shè)計2.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計（小四號黑體）本供電部分采用9v電池塊加7805芯片轉(zhuǎn)換成5V給整個單片機系統(tǒng)供電。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用7805三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路部還有過流、過熱與調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便。第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1 軟件總體

12、設(shè)計思路3.2 主程序流程設(shè)計本設(shè)計軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如下圖所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。開始單片機初始化定時中斷程序有回波嗎外部中斷子程序外部中斷服務(wù)子程序3.3 中斷服務(wù)子程序設(shè)計定時中斷入口定時器初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完否停止發(fā)射返回外部中斷入口關(guān)外部中斷讀取時間值計算距離結(jié)果輸出開外部中斷返回外部中斷服務(wù)子程序課程設(shè)計總結(jié)（包括：設(shè)計質(zhì)量分析、待完善和改進之處和心得體會）在接收電路中對于所接收的方波進行濾波整形等步驟，但由于條

13、件和技術(shù)有限，其中存在的很多誤差沒有得 到有效的效正。 比如溫度的誤差等。實驗過程中總是出現(xiàn)4個8 的狀態(tài)， 或者就是4 個0 一直在閃爍，后來就對著電路原理圖又核實了以一遍，最后發(fā)現(xiàn)是發(fā)射的74HC04沒有接地，所以說最重要是認真。在設(shè)計中用到了很多以前學(xué)習(xí)到的知識，C語言，一些基本的操作。盡管我們了很多低級的錯誤，但錯誤也讓我們獲益匪淺，了解了超波原理，放大電路的設(shè)計也掌握了51的開發(fā)過程中所用的方法。動手能力與自學(xué)能力得到了提高，對待事物的態(tài)度也發(fā)生了變化，理論總是與實踐結(jié)合的。本學(xué)期終于迎來了單片機課程設(shè)計，說這次實習(xí)，我認為最重要的是對于程序的調(diào)試，認真完成所給的題目，這其中有很多的

14、問題，1，由于對課本理論知識了解不夠深入，導(dǎo)致焊錯了很多線，以與一些虛焊的地方。2。其次就是在做設(shè)計的過程中能想 到以后作為一名搞技術(shù)設(shè)計的人員，首先要具備的能力就是嚴謹。 這其中最讓人回味的就是團隊的配合，在團隊中，我們互幫互助，對整個課程設(shè)計來說，這是至關(guān)重要的，缺少每一個人都會對我們的設(shè)計產(chǎn)生影響。還有要感指導(dǎo)老師在我們遇到困難時，給予我們的建議與鼓勵。參考文獻（1）專著 序號主要作者.專著名稱文獻類型標(biāo)志M.出版地：出版單位，出版年：參考頁碼圍.例：（2）連續(xù)出版物中的析出文獻，即期刊 序號 主要作者.析出文獻題名文獻類型標(biāo)志J.連續(xù)出版物題名：其他題名信息，年，卷（期）：頁碼引用日期

15、. 例： 附 錄附錄1 總原理圖附錄2 源程序#includereg52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit s40hHz=P10;uint s,t;uchar d4;uchar temperature;uchar ultrasonic_counter;uchar sign_failure;uchar sign_complete;void delay()uchar i; for(i=0;i0;t-) for(i = 0;i4;i+) P0 = BCD_7di; P2|=0 x10i; delay(); P2&=0

16、x0f; void measure()sign_failure = 0; sign_complete = 0; TH2 = 0 ;TL2 = 1; TH0 = (256-12); TL0 = (256-13); ultrasonic_counter = 0; TR0 = 1; TR2 = 1; while(ultrasonic_counter16); TR0 = 0; while(sign_complete = 0) if(sign_failure) TR2 = 0; return; TR2 = 0; s=t*0.157; main()uchar i; TMOD = 0 x02; T2CON

17、= 0 x09; EA = 1; ET0 = 1; ET2 = 1; s = 0; for (i=0;i4;i+)di = 0; while(1) measure(); display(120); void T0_ISR()interrupt 1 using 1if(TH0=(256-12)TH0=256-13;else TH0=256-12;s40hHz =! s40hHz;ultrasonic_counter+;void T2_ISR()interrupt 5 using 1if(TF2)TF2 = 0;sign_failure = 1; else EXF2 = 0; t = RCAP2H*256+RCAP2L; sign_complete = 1; 單片機應(yīng)用指導(dǎo)教師