超聲波測距儀的設(shè)計.doc

.題目：超聲波測距儀的設(shè)計超聲波測距儀的設(shè)計一、設(shè)計目的：以51單片機(jī)為主控制器，利用超聲波模塊HC-SR04，設(shè)計出一套可在數(shù)碼管上實時顯示障礙物距離的超聲波測距儀。通過該設(shè)計的制作，更為深入的了解51的工作原理，特別是51的中斷系統(tǒng)及定時器/計數(shù)器的應(yīng)用；掌握數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示的方法和超聲波傳感器測距的原理及方法，學(xué)會搭建51的最小系統(tǒng)及一些簡單外圍電路(LED顯示電路)。從中提高電路的實際設(shè)計、焊接、檢錯、排錯能力，并學(xué)會仿真及軟件調(diào)試的基本方法。二、設(shè)計要求：設(shè)計一個超聲波測距儀。要求：1.能在數(shù)碼管上實時顯示障礙物的實際距離；2.所測距離大于2cm小于300cm，精度2mm。三、設(shè)計器材：STC89C52RC單片機(jī)HC-SR04超聲波模塊SM410561D3B四位的共陽數(shù)碼管9014三極管（4）按鍵（1）電容（30PF2，10UF1）排阻（10K），萬用板，電烙鐵，萬用表，5V直流穩(wěn)壓電源，鑷子，鉗子，導(dǎo)線及焊錫若干，電阻（200歐5）。四、設(shè)計原理及設(shè)計方案：（一）超聲波測距原理超聲測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進(jìn)行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計時。 通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L。基本的測距公式為：L=(t/2)*C 式中 L要測的距離 T發(fā)射波和反射波之間的時間間隔 C超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為344m/s 聲速確定后，只要測出超聲波往返的時間，即可求得L。根據(jù)本次設(shè)計所要求的測量距離的范圍及測量精度，我們選用的是HC-SR04超聲波測距模塊。(如下圖所示)。此模塊已將發(fā)射電路和接收電路集成好了，硬件上不必再自行設(shè)計繁復(fù)的發(fā)射及接收電路，軟件上也無需再通過定時器產(chǎn)生40Khz的方波引起壓電陶瓷共振從而產(chǎn)生超聲波。在使用時，只要在控制端Trig發(fā)一個大于15us寬度的高電平,就可以在接收端Echo等待高電平輸出。單片機(jī)一旦檢測到有輸出就打開定時器開始計時。當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就停止計時并讀出定時器的值，此值就為此次測距的時間，再根據(jù)傳播速度方可算出障礙物的距離。 （二）超聲波測距模塊HC-SR04簡要介紹HC-SR04超聲波測距模塊的主要技術(shù)參數(shù)使用方法如下所述：1. 主要技術(shù)參數(shù)：使用電壓：DC5V靜態(tài)電流：小于2mA電平輸出：高5V電平輸出：低0V 感應(yīng)角度：不大于15度探測距離：2cm-300cm HC-SR04超聲波測距模塊實物圖高精度：可達(dá)2mm2. 接線方式：VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND使用方法：給Trig端發(fā)一個15uS以上的高電平，就可以在接收口Echo端等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器計時,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值，此時就為此次測距的時間,方可算出距離。3.工作原理：采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號 (在我們的程序中我們?yōu)榱舜_保有效觸發(fā)，給了約持續(xù)15us時間寬度的高電平)；模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過Echo輸出一高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間測試距離=(高電平時間*聲速(344M/S)/2；（三）總體設(shè)計方案：以51單片機(jī)作為主控制器，在超聲波模塊HC-SR04的Trig端加一個大于10us的高電平，本次設(shè)計中我們?yōu)榱舜_保有效觸發(fā)，程序中設(shè)置了約為15us的高電平進(jìn)行觸發(fā)。觸發(fā)發(fā)射端產(chǎn)生超聲波，同時在接收端(Echo端)等待高電平的輸出，一旦檢測到有高電平的輸出就打開定時器0進(jìn)行計時。根據(jù)所給超聲波模塊的技術(shù)資料可知：Echo端高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。當(dāng)超聲波遇到障礙物，回波被接收端接收到后，Echo端變?yōu)榈碗娖?。此時關(guān)閉定時器0(令TR=0)，讀出定時器的值。這個值即為超聲波的傳播時間(單位為us)。根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，方可算出距離。【測試距離(高電平時間*聲速(344M/S)/2】將此距離進(jìn)行處理，在數(shù)碼管上利用動態(tài)掃描法實時顯示。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：STC89C52電源電路單片機(jī)外圍電路超聲波測試模塊障礙物顯示電路我們將整個系統(tǒng)劃分為：超聲波模塊、顯示模塊，以及51單片機(jī)外圍工作電路模塊。（四）動態(tài)顯示模塊：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機(jī)對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O端口，而且功耗更低。在本次設(shè)計中，我們選用P0口作為段碼，連接SM410561D3Ba,b,c,d,e,f,g,dp，每一段的亮滅。選用P2.4P2.7分別對應(yīng)位碼，即連接 SM410561的S1，S2，S3，S4分別控制每一位的亮滅。S1，S2，S3，S4相當(dāng)于是每一段的COM端，由于是共陽極，只有某一位對應(yīng)的COM端為1時，所送的段碼對該端來說才是有效的。仿真電路圖（五）硬件整體設(shè)計方案：我們在硬件設(shè)計上主要包括以下幾個模塊的設(shè)計：（六）軟件設(shè)計方案：程序如下：#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar qian,bai,shi,ge; /數(shù)碼管顯示千，百，十，個，單位為cmuint time=0; /探測時間unsigned long S=0; /探測距離，注意是長整型/uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,/0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40; /共陽數(shù)碼管uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf;sbit echo=P37; /接收端sbit trig=P36; /發(fā)射端sbit SMG_q = P24; /定義數(shù)碼管陽級控制腳（千位）sbit SMG_b = P25; /定義數(shù)碼管陽級控制腳（百位）sbit SMG_s = P26; /定義數(shù)碼管陽級控制腳（十位）sbit SMG_g = P27; /定義數(shù)碼管陽級控制腳（個位）uchar flag,a; /標(biāo)志位 /*函數(shù)名稱：init()*輸入?yún)?shù)：void*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：初始化超聲波測距儀，定時器，中斷*/void init() echo=0; trig=0; flag=1; qian=10;bai=10;shi=10;ge=10; /數(shù)碼管顯示- - - - TMOD=0x01; /設(shè)T0為方式1 TH0=0; TL0=0; ET0=1; /允許T0中斷 TR0=0; EA=1; /開啟總中斷/*函數(shù)名稱：delay()*輸入?yún)?shù)：unsigned char cnt*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：延時函數(shù)*/void delay(unsigned char cnt) /大約延時2*cnt 微妙 while(-cnt);/*函數(shù)名稱：display()*輸入?yún)?shù)：uchar qian, uchar bai, uchar shi, uchar ge*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：數(shù)碼管顯示模塊*/void display(uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar ge) SMG_q=1;/選擇千位數(shù)碼管P0=tableqian;/查找1定義好的數(shù)碼管段值與P0口輸出，顯示相應(yīng)的1delay(100);/加入短暫延時P0=0XFF;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽型，所以不是0SMG_q=0;/關(guān)閉千位數(shù)碼管SMG_b=1;/選擇百位數(shù)碼管P0=tablebai;/查找2定義好的數(shù)碼管段值與P0口輸出，顯示相應(yīng)的2delay(100);/加入短暫延時P0=0XFF;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽型，所以不是0SMG_b=0;/關(guān)閉百位數(shù)碼管SMG_s=1;/選擇十位數(shù)碼管P0=tableshi&0x7f;/查找2定義好的數(shù)碼管段值與P0口輸出，顯示相應(yīng)的2delay(100);/加入短暫延時P0=0XFF;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽型，所以不是0SMG_s=0;/關(guān)閉十位數(shù)碼管SMG_g=1;/選擇個位數(shù)碼管P0=tablege;/查找2定義好的數(shù)碼管段值與P0口輸出，顯示相應(yīng)的2delay(100);/加入短暫延時P0=0XFF;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽型，所以不是0SMG_g=0;/關(guān)閉個位數(shù)碼管/*函數(shù)名稱：startmodule()*輸入?yún)?shù)：void*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：超聲波測距儀觸發(fā)模塊*/void startmodule() trig=1; /15us 啟動一次模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); trig=0; delay(10); /*函數(shù)名稱：main()*輸入?yún)?shù)：void*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：控制模塊*/void main() init(); /初始化子程序 while(1) startmodule(); while(!echo) /起始為0，當(dāng)為1時，開始計時; TR0=1; /開啟計數(shù) while(echo&flag); /當(dāng)echo為1計數(shù)并等待 /flag標(biāo)志位，當(dāng)檢測超過65ms退出等待回波，繼續(xù)下一次檢測 time=(TH0*256+TL0)*(12/11.0592); TR0=0; /停止計時 TH0=0; TL0=0; /關(guān)閉計數(shù) S=(time*17.4)/100; /算出來是mm,注意程序按mm處理顯示的時候在十位加小數(shù)點，則以cm為單位顯示且精度小于1cm if(S4500)|(flag=0) /大于1cm小于3m超出測量范圍顯示- flag=1; qian=10; bai=10; shi=10; ge=10; else qian=S/1000; bai=S/100%10; shi=S%100/10; ge=S%10; for(a=0;a100;a+) display(qian,bai,shi,ge); /掃描100次數(shù)碼管，進(jìn)行顯示 void timer0() interrupt 1 TH0=0; TL0=0; flag=0; /標(biāo)志位，當(dāng)檢測超過65ms退出等待回波，繼續(xù)下一次檢測，非常必要五、設(shè)計中遇到的問題及解決辦法：（1）在課程設(shè)計初期，我們組在一個現(xiàn)成的電路板（只有編碼和位選與我們所要設(shè)計的作品的接法不同）上進(jìn)行編寫和調(diào)試程序。于此同時，也開始在prteus中搭建電路：我們選用P0口作為段碼，連接SM410561D3Ba,b,c,d,e,f,g,dp，每一段的亮滅。選用P2.4P2.7分別對應(yīng)位碼，即連接 SM410561的S1，S2，S3，S4分別控制每一位的亮滅。在程序初步完成，用proteus和keil進(jìn)行仿真后，數(shù)碼管卻不能正常顯示，千位只能在0和1之中跳變，無法出現(xiàn)其他數(shù)字。經(jīng)檢查程序，發(fā)現(xiàn)計數(shù)初值的設(shè)置有問題，于是，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，終于能使數(shù)碼管在我們的設(shè)計范圍內(nèi)顯示數(shù)字。（2）在進(jìn)行動態(tài)顯示的時候延時是非常重要的。延時太長，四位數(shù)碼管的顯示會有明顯的閃爍感；延時太短，則有可能相鄰幾位顯示同一個數(shù)碼，因為時間太短還來不及變化，顯示效果也很不理想。經(jīng)過我們仿真調(diào)試，不斷修改程序中的延時，在仿真環(huán)境下，動態(tài)顯示已很穩(wěn)定。（3）在電路板焊接完成后，我們將編寫好的程序下載到單片機(jī)中，開始進(jìn)行測試。這時，問題又出現(xiàn)了：數(shù)碼管的每位的C段都不亮，而且個，十，百，千位的數(shù)據(jù)顯示剛好相反。前者先考慮是電路板上出現(xiàn)的問題，經(jīng)用萬用表檢查電路，發(fā)現(xiàn)與C段相連的P0.2被短接。修改好電路板后,C段正常顯示，因宋英同學(xué)的認(rèn)真細(xì)致，實際電路板上也就只出現(xiàn)了這一個問題。而后者經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)程序中的定義未能和電路板上的接口相對應(yīng)，于是我們又修改了個，十，百，千位的定義。至此，我們的作品設(shè)計成功了，整個過程很順利。六、設(shè)計心得體會和收獲： 在這次試驗中，我的主要工作是：搭建電路板。焊接電路。兼職工作是幫王明友分析電路。有些同學(xué)認(rèn)為焊接電路是沒有技巧的工作，沒有什么含金量，鍛煉不出自己的真實能力。而我卻不這么認(rèn)為，在這項工作中，我還是學(xué)到了很多東西，我堅信這些知識是在課本當(dāng)中學(xué)不到的，比如說；每個器件位置的合理安排，經(jīng)過板子的每一條線的布置，讓板子整體看起來比較美觀，呈獻(xiàn)給大家的是一個賞心悅目的板子。硬件的完美是我們的終極目標(biāo)，我們始終要堅信的是：軟件和硬件是相輔相成的。軟件的簡潔，硬件的完美是成功的必需品。這次課程設(shè)計我深深的體會了這點。在整個板子的焊接過程中，每個結(jié)點的焊接必須做到謹(jǐn)慎小心，一不小心就會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，在焊接過程當(dāng)中，時刻準(zhǔn)備用萬用表來檢測電路。在這次的焊接過程當(dāng)中，我每焊接一個結(jié)點，都會用萬用表去檢測。做到精益求精。防止在板子焊好之后，再檢測，就會有些無從下手。給自己更少的機(jī)會去檢查。而是更多的機(jī)會去做到完美。在這次課程設(shè)計中，我學(xué)會了：謹(jǐn)慎，仔細(xì)，小心。我堅信，這些知識會讓我受益匪淺。 在這次課程設(shè)計當(dāng)中，我也有很多做的不好的地方。那天板子還沒有喊好的時候，惠林看到我們的板子的時候說：你的板子裸露在外面的線實在是太不安全了。特別容易短路，;我說：“不會的，這些線是壓不下去的，”，他的一句話讓我恍然大悟，“客戶有時候是不會善待你的勞動成果的，我們的服務(wù)對象是客戶，而不是我們自己。我們得把目光放的長遠(yuǎn)一點”，自己在這方面的考慮還是欠缺的。希望以后通過更多的機(jī)會，得到鍛煉、提高。在這次課程設(shè)計中，我主要負(fù)責(zé)硬件仿真和寫報告的工作。剛開始，我們整個組都不知如何下手。在查找完資料的第二天，在組長王明友的帶領(lǐng)下，他自告奮勇的承擔(dān)了程序編寫和軟件調(diào)試工作，也給各組員分配了工作。通過參考資料，我大致懂得了超聲波測距原理，但是對于數(shù)碼管如何實現(xiàn)顯示功能還是一頭霧水。于是，在數(shù)碼管顯示這一模塊進(jìn)行了大量的資料查找，結(jié)合單片機(jī)各管腳功能，終于了解到充分使用單片機(jī)的I/O接口與數(shù)碼管動態(tài)顯示接口相連接，通過程序即能實現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示。懂得了基本原理，電路搭建起來就很輕易了。然而，我對軟件部分還不是很了解，整個程序基本上是請教王明友慢慢讀懂的。由于硬件仿真這塊，如果不能仿真出來就需要修改程序，所以讀懂程序還是非常有必要的。但是，編寫程序目前對于我來說還有一定的困難，我也會在今后堅持不斷的學(xué)習(xí)。硬件仿真完成后，為了很好的完成報告，一直都在不斷向王明友同學(xué)學(xué)習(xí)他是如何調(diào)試，以及如何解決問題的。經(jīng)過本次的課程設(shè)計，我覺得我最大的收獲是深入了解到了51（或52）單片機(jī)的各管腳功能，真正將理論和實踐結(jié)合起來，以及更加明確計數(shù)方式，機(jī)器周期，晶振頻率（或周期）的有關(guān)知識。延時程序的編寫和中斷的內(nèi)容也更加深入細(xì)致。還有就是，我明白了任何事情都不難，只要我們積極思考，而不是被動的接受知識；遇到問題不用怕，主動請教，過關(guān)斬將，那么什么問題都不再是問題，而變成自己的知識儲備。隊友的認(rèn)真、耐心和熱心使我們每個環(huán)節(jié)的完成都比較順利，良好的合作以及明確的分工使我們高效率的完成了本次課程設(shè)計。短短兩周的課程設(shè)計轉(zhuǎn)眼間就結(jié)束了，在這個過程中我收獲了很多，不僅感受到了充實，而且體會到學(xué)以致用的欣喜。在我們的學(xué)習(xí)中，很多課程都只是在不斷重復(fù)著理論的疊加，然而隨著時間的推移，沉淀下來的也微乎其微。真正能夠讓我們學(xué)以致用的很少。而單片機(jī)這兩周的課程設(shè)計卻能讓人欣喜，特別是當(dāng)我們付出努力并獲得一定的成果時，那些許的成就感讓我們?nèi)计鹆讼ＭW(xué)以致用，這是我們作為學(xué)生內(nèi)心深處的呼喚。剛開始課程設(shè)計的前兩天，我收集了很多有關(guān)我們課程設(shè)計的資料，仔細(xì)閱讀了并深入體會了此次設(shè)計的思想，之后便開始了我們自己的設(shè)計。經(jīng)過兩天的