超聲波測(cè)距儀課程設(shè)計(jì)

1、 題目名稱(chēng)：超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì) 班 級(jí)： 電信101班 一、設(shè)計(jì)題目 基于單片機(jī)超聲波測(cè)距二、設(shè)計(jì)目的及意義 日常生活應(yīng)用發(fā)面：人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市車(chē)輛逐漸增多，因?yàn)橥＼?chē)不當(dāng)而造成的交通事故也越來(lái)越多。為了避免此類(lèi)事故的發(fā)生一個(gè)能夠直觀(guān)地測(cè)出汽車(chē)與障礙物之間的距離的裝置就變得十分必要。它可以及時(shí)將車(chē)輛與障礙物之間的距離反映出來(lái)，給司機(jī)以更準(zhǔn)確的信息和更多的反應(yīng)時(shí)間，減少事故的發(fā)生；軍事應(yīng)用方面：超聲波聲納已廣泛應(yīng)用于偵查探測(cè)等方面，如何提高其測(cè)量精度已是正在著重研究的課題之一，相信在不久的將來(lái)，超聲波測(cè)距一定會(huì)在偵查反偵察方面起到更大的作用；工業(yè)應(yīng)用方面：超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

2、方便了管道的距離探測(cè)，消除了一些空間方面的限制，在其測(cè)量精度得到提升后，對(duì)一些精密設(shè)備的測(cè)量也將起到良好的效果。三、設(shè)計(jì)要求及主要技術(shù)指標(biāo) 1、方案論證，確定總體電路原理方框圖。 2、單元電路設(shè)計(jì)，元器件選擇。 3、仿真調(diào)試及測(cè)量結(jié)果。 主要技術(shù)指標(biāo): 設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，任務(wù)： 1、了解超聲波測(cè)距原理。 2、根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。 設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，要求： 1、設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 2、對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn) 利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。 3、對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。 4、以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。

3、一、方案論證與比較1.1 方案提出方案一：采用cpld來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀 采用cpld來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，主要是在軟件上運(yùn)用vhdl編寫(xiě)程序使用max+plusii軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中采用的是max7000s系列中的epm7128slc84-15的cpld器件，其最高頻率可達(dá)175.4mhz，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口ram等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程i/o口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高

4、、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊fpga,一塊雙口ram,還需要一塊用來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的eeprom，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在fpga中還要用硬件描述語(yǔ)言(vhdl語(yǔ)言)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于epm7128slc84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)編程也復(fù)雜。方案二：采用51單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳

5、播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)。1.2設(shè)計(jì)方案的論證和選擇超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受， 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用方案二的方式。 原理框圖： 圖1-1 超聲波的測(cè)距原理二、系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)框圖2.1 系統(tǒng)的全部功能1、本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)要求測(cè)量距離范圍為0.1

6、3米，精度誤差在1厘米以?xún)?nèi)，并且使用 lcd1602顯示所測(cè)距離。 2、該系統(tǒng)硬件部分由發(fā)送模塊、接收模塊、顯示模塊組成。發(fā)送模塊部分主要由超聲波發(fā)射器組成；接收模塊主要由超聲波接收探頭組成；顯示模塊則有液晶顯示器lcd1602及其輔助電路組成。3、以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。（1）超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。 （2）本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。（3）假定s為被測(cè)物體

7、到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為t，超聲波傳播速度為 v表示，則有關(guān)系式 s=vt22.2確定設(shè)計(jì)框圖（系統(tǒng)包含的單元電路及結(jié)構(gòu)）和總體設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射和接收電路采用hc-sr04系列超聲波測(cè)距模塊，此模塊的特點(diǎn)是可提供1cm-300cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá)3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 系統(tǒng)的性能指標(biāo)依據(jù)hc-sr04系列超聲波測(cè)距模塊的電氣參數(shù)，系統(tǒng)可提供1cm-300cm的非接觸式距離感測(cè)功能，超出測(cè)量范圍液晶1602顯示out of range，測(cè)距精度可高達(dá)3mm，但是本系統(tǒng)最小的顯示單位是1cm，所以測(cè)量的最小精度是1cm。 超聲波測(cè)

8、距系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如下圖1-1所示。（本系統(tǒng)要求不是很精確，所以舍去了溫度補(bǔ)償電路）。障 礙 物發(fā)射探頭接收探頭發(fā)射電路接收電路單 片 機(jī)顯示電路 圖2-2 系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)框圖2.3軟件流程圖：外 部 中 斷 入 口定 時(shí) 中 斷 入 口 開(kāi) 始關(guān) 外 部 中 斷定 時(shí) 器 初 始 化單 片 機(jī) 初 始 化讀 取 時(shí) 間 值放 射 超 聲 波定 時(shí) 中 斷 程 序 nn計(jì) 算 距 離發(fā)射是否完成有回波嗎y結(jié) 果 輸 出y外部中斷子程序開(kāi) 外 部 中 斷 停 止 發(fā) 射返 回返 回（c）外部中斷服務(wù)子程序(a) 主程序流程圖（b）定時(shí)中斷服務(wù)子程序 圖2-3 主程序流程圖三、 系統(tǒng)調(diào)試分析3.1設(shè)計(jì)

9、原理圖圖3-1 超聲波測(cè)距原理圖四、結(jié)束語(yǔ) 在本次設(shè)計(jì)中，我們充分考慮了整個(gè)設(shè)計(jì)中的各個(gè)環(huán)節(jié)。包括產(chǎn)生40khz的方波，在接收電路中，對(duì)所接收方波進(jìn)行濾波、放大、整形等步驟。但由于條件和技術(shù)所限，對(duì)于很多以上所分析的在發(fā)射和接收過(guò)程中所產(chǎn)生的誤差沒(méi)有得到有效的校正。比如溫度誤差、硬件電路誤差等。 在我們?yōu)槠谖逄斓脑O(shè)計(jì)中，我們用到了以前學(xué)到的很多知識(shí)，比如電路、單片機(jī)、和匯編語(yǔ)言等。這使我們意識(shí)到，任何一件產(chǎn)品的產(chǎn)生，都不是單一知識(shí)所能實(shí)現(xiàn)的。而且在電路的設(shè)計(jì)和程序的編制過(guò)程中，出現(xiàn)了很多意想不到的錯(cuò)誤，讓我們措手不及，有些甚至是一些非常低級(jí)的錯(cuò)誤，但是這些錯(cuò)誤也同樣讓我們獲益非淺，它使我們意識(shí)

10、到，研究是一個(gè)非常嚴(yán)肅的過(guò)程，來(lái)不得半點(diǎn)馬虎。必須有一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，加上100的努力才有可能獲得成功的喜悅。 總之，在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中盡管走了很多的彎路，但是還是學(xué)到了不少知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中所用到的開(kāi)發(fā)方法和工具。動(dòng)手能力與自學(xué)能力得到了鍛煉與提高，對(duì)待事物的態(tài)度也發(fā)生了變化。理論總是離不開(kāi)實(shí)踐的，設(shè)計(jì)制作過(guò)程中，盲目地追尋理論知識(shí)根本不足以解決任何問(wèn)題，一味的死研究課本是不會(huì)真正掌握單片機(jī)的。只有真正動(dòng)手去做才能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，提高能力。五、參考文獻(xiàn)1吳金戌沈慶陽(yáng)郭庭8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，2003年4月版。

11、2李建忠單片機(jī)原理及應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2005年版。3張金鐸傳感器用其應(yīng)用，西安電子科技大學(xué)出版社，2002年版。4求是科技單片機(jī)典型外圍器件及應(yīng)用實(shí)例，人民郵電出版社，2006年版。5應(yīng)崇福超聲學(xué)，北京科學(xué)出版社1990年。6甕嘉民單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)基于proteus仿真和c語(yǔ)言編程，中國(guó)電力出版社，2009年版。附錄1：設(shè)計(jì)中用到的元器件、芯片的外引腳圖及引腳功能說(shuō)明。1、 51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)5l系列單片機(jī)中典型芯片(stc89c52)采用40引腳雙列直插封裝(dip)形式，內(nèi)部由cpu，8kb的rom，256b的ram，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器to和t1，4個(gè)8b的工o端

12、i：ip0，p1，p2，p3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(eprom)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖4-1所示。 圖4-12、超聲波發(fā)生器 如有圖所示，如右圖接線(xiàn)，vcc供5v電源，gnd為地線(xiàn)，trig觸發(fā)控制信號(hào)輸入，echo回響信號(hào)輸出等四個(gè)接口端。基本工作原理：（1） 采用io口trig觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)。（2） 模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40khz的方波，并檢測(cè)信號(hào)是否有返回。（3）有信號(hào)返回，通過(guò)io端口echo輸出一個(gè)高電平，高電平

13、持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。測(cè)量距離=高電平持續(xù)時(shí)間*聲速/2。實(shí)物圖如圖4-2所示： 圖4-23、lcd1602顯示器 lcd1602可以顯示2行16個(gè)字符，有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)d0d7和rs，r/w，en三個(gè)控制端口，工作電壓為5v，并且具有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背光功能。 (1)引腳參數(shù)如下： lcd1602可以顯示2行16個(gè)字符，有8位數(shù)據(jù)總線(xiàn)d0d7和rs，r/w，en三 個(gè)控制端口，工作電壓為5v，并且具有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背光功能。u smc1602a液晶顯示模塊的接口信號(hào)說(shuō)明：編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1vss電源地9d2data i/o2vdd電源正極10d3data

14、 i/o3vl液晶顯示偏壓信號(hào)11d4data i/o4rs數(shù)據(jù)/命令選擇端（h/l）12d5data i/o5r/w讀寫(xiě)選擇端（h/l）13d6data i/o6e使能信號(hào)14d7data i/o7d0data i/o15bla背光源正極8d1data i/o16blk背光源負(fù)極（2）1602型lcd的主要技術(shù)參數(shù)如下:顯示容量16x2個(gè)字符芯片工作電壓4.55.5v工作電流2.0ma（5.0v）模塊最佳工作電壓5.0v字符尺寸2.95x4.35(wxh)mm（3） 基本操作程序：讀狀態(tài)：輸入：rs=l，rw=h，e=h 輸出：d0d7=狀態(tài)字讀數(shù)據(jù)：輸入：rs=h，rw=h，e=h 輸出：

15、無(wú)寫(xiě)指令：輸入：rs=l，rw=l，d0d7=指令碼，e=高脈沖 輸出：d0d7=數(shù)據(jù)寫(xiě)數(shù)據(jù)：輸入：rs=h，rw=l，d0d7=數(shù)據(jù)，e=高脈沖 輸出：無(wú)讀操作時(shí)序：寫(xiě)操作時(shí)序：附錄3：源程序#include /器件配置文件#include #include sbit echo=p36;sbit trig=p37;sbit lcm_rw=p25 ;/定義lcd引腳sbit lcm_rs=p24;sbit lcm_e=p26;#define lcm_data p0#define busy 0x80 /用于檢測(cè)lcm狀態(tài)字中的busy標(biāo)識(shí)void lcminit(void);/lcd初始化函數(shù)v

16、oid displayonechar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char ddata);/lcd顯示一個(gè)字符函數(shù)void displaylistchar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char code *ddata);/lcd顯示一個(gè)字符串函數(shù)void delay5ms(void);/延時(shí)5毫秒函數(shù)void delay400ms(void);/延時(shí)400毫秒函數(shù)void decode(unsigned char scancode);void writedatalcm(unsig

17、ned char wdlcm);/lcd1602寫(xiě)數(shù)據(jù)函數(shù)void writecommandlcm(unsigned char wclcm,buysc);/lcd寫(xiě)命令函數(shù)unsigned char readstatuslcm(void);unsigned char code ascii13 = 0123456789.-m;unsigned char code table=distance:000.0cm;unsigned char code table1=out of range !;/static unsigned char disnum = 0; /顯示用指針 unsigned int

18、time=0;unsigned long s=0;bit flag =0;unsigned char disbuff4= 0,0,0,0,;/寫(xiě)數(shù)據(jù)void writedatalcm(unsigned char wdlcm) readstatuslcm(); /檢測(cè)忙lcm_data = wdlcm;lcm_rs = 1;lcm_rw = 0;lcm_e = 0; /若晶振速度太高可以在這后加小的延時(shí)lcm_e = 0; /延時(shí)lcm_e = 1;/寫(xiě)指令void writecommandlcm(unsigned char wclcm,buysc) /buysc為0時(shí)忽略忙檢測(cè)if (buys

19、c) readstatuslcm(); /根據(jù)需要檢測(cè)忙lcm_data = wclcm;lcm_rs = 0;lcm_rw = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 1;/讀狀態(tài)unsigned char readstatuslcm(void)lcm_data = 0xff; lcm_rs = 0;lcm_rw = 1;lcm_e = 0;lcm_e = 0;lcm_e = 1;while (lcm_data & busy); /檢測(cè)忙信號(hào)return(lcm_data);void lcminit(void) /lcm初始化lcm_data = 0;writecomma

20、ndlcm(0x38,0); /三次顯示模式設(shè)置，不檢測(cè)忙信號(hào)delay5ms(); writecommandlcm(0x38,0);delay5ms(); writecommandlcm(0x38,0);delay5ms(); writecommandlcm(0x38,1); /顯示模式設(shè)置,開(kāi)始要求每次檢測(cè)忙信號(hào)writecommandlcm(0x08,1); /關(guān)閉顯示writecommandlcm(0x01,1); /顯示清屏writecommandlcm(0x06,1); / 顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置writecommandlcm(0x0c,1); / 顯示開(kāi)及光標(biāo)設(shè)置/按指定位置顯示一個(gè)字

21、符void displayonechar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char ddata)y &= 0x1;x &= 0xf; /限制x不能大于15，y不能大于1if (y) x |= 0x40; /當(dāng)要顯示第二行時(shí)地址碼+0x40; x |= 0x80; /算出指令碼writecommandlcm(x, 1); /發(fā)命令字writedatalcm(ddata); /發(fā)數(shù)據(jù)/按指定位置顯示一串字符void displaylistchar(unsigned char x, unsigned char y, unsigned char c

22、ode *ddata)unsigned char listlength; listlength = 0;y &= 0x1;x &= 0xf; /限制x不能大于15，y不能大于1while (ddatalistlength0x19) /若到達(dá)字串尾則退出if (x =7000)|flag=1) /超出測(cè)量范圍 flag=0; displaylistchar(0, 0, table1); else disbuff0=s%10; disbuff1=s/10%10; disbuff2=s/100%10; disbuff3=s/1000; displaylistchar(0, 0, table); displayonechar(9, 0, asciidisbuff3); displayonechar(10, 0, asciidisbuff2); displayonechar(1