基于51單片機(jī)超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

1、基于51單片機(jī)超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì) 基于51單片機(jī)超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)系 別 ： 電子信息工程系班 級(jí) ： 電信四班 小組成員 ：施鵬 1512220405 磨國(guó)強(qiáng) 1512220407 胡廣富 1512220430指導(dǎo)老師 ： 周光祥 桂林電子科技大學(xué)職業(yè)技術(shù)學(xué)院摘要超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即硬件

2、電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機(jī)電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路和電源電路，另外還有復(fù)位電路和LED控制電路等。我采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由信號(hào)發(fā)射和接收、供電、溫度測(cè)量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號(hào)經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波被發(fā)射后按原路返回,在經(jīng)過放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機(jī)接收,計(jì)數(shù)器停止工作并得到時(shí)間。溫度測(cè)量后送到單片機(jī),通過程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正,結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的功能。軟件程序主要由主程序、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

3、。它控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù) 據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對(duì)超聲波速度的校正，還有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LED上。另外程序控制單片機(jī)消除各探頭對(duì)發(fā)射和接收超聲波的影響。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。 實(shí)際的環(huán)境對(duì)超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對(duì)超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會(huì)使測(cè)量差生很大的誤差。再設(shè)計(jì)的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。 關(guān)鍵詞： AT89C51 超聲波測(cè)距目 錄1緒論11.1設(shè)計(jì)背景12 電路總體設(shè)計(jì)方案22.1電路總體框圖23 單片機(jī)概述33.1 AT89C51單片機(jī)主要性能33.2 AT89C51內(nèi)部組成34超聲波概述44.

4、1 超聲波傳感器介紹44.2 超聲波時(shí)序圖44.3 超聲波測(cè)距原理55硬件設(shè)計(jì)65.1硬件設(shè)計(jì)原理圖65.2 復(fù)位電路6 5.3 晶振電路75.4 LED數(shù)碼管顯示電路76軟件設(shè)計(jì)86.1程序設(shè)計(jì)流程圖86.2 程序源代碼97總結(jié)127.1設(shè)計(jì)總結(jié)12致謝13參考文獻(xiàn)141 緒論1.1設(shè)計(jì)背景及重要意義近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，

5、在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。可在不同環(huán)

6、境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。2電路總體方案2.1電路總體框圖電路總體框圖包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)，HC

7、-SR04超聲波測(cè)距模塊，LED數(shù)碼管顯示電路，蜂鳴器報(bào)警電路和按鍵電路。數(shù)碼管顯示蜂鳴器報(bào)警按鍵設(shè)置驅(qū)動(dòng)超聲波測(cè)距模塊STC89C515V直流穩(wěn)壓電源圖2.1 電路基本框圖3 單片機(jī)概述3.1 STC89C51主要性能STC89C51 是STC公司推出的一款超強(qiáng)抗干擾，加密性強(qiáng)，在線可編程，高速，低功耗CMOS 8位單片機(jī)。片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes 的隨機(jī)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容， 片內(nèi)置通用8位中央處理器 （CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，

8、功能強(qiáng)大的STC89C51單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。3.2 STC89C51內(nèi)部組成STC89C51單片機(jī)的框圖如圖3.2所示，各功能部件由內(nèi)部總線連接在一起。圖3.2 STC89C51單片機(jī)框圖4 超聲波概述4.1 超聲波傳感器介紹超聲波是一種頻率比較高的聲音，由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。超聲波測(cè)距的利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，

9、因此在測(cè)控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 靜電傳感器。4.2超聲波時(shí)序圖圖4.2超聲波時(shí)序圖4.3 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來實(shí)現(xiàn)的，設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接收所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離D可用下式求出：D=ct/2。其系統(tǒng)框圖如圖4.3所示。定時(shí)器控制計(jì)算傳輸調(diào)制40k振蕩超聲波發(fā)射計(jì)時(shí)增益放大超聲波接收障礙物圖4.

10、3 系統(tǒng)框圖基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長(zhǎng)約6mm，頻率為40khz的超聲波信號(hào)。此信號(hào)被物體反射回來由接收頭接收，接收頭實(shí)質(zhì)上是一種壓電效應(yīng)的換能器。它接收到信號(hào)后產(chǎn)生mV級(jí)的微弱電壓信號(hào)。5 硬件設(shè)計(jì)5.1硬件設(shè)計(jì)原理圖圖5.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路在剛接通電時(shí)，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后，5V的電源通過電阻給電解電容進(jìn)行充電，電容兩端的電會(huì)由0V慢慢的升到4V左右（此時(shí)間很短一般小于0.3秒），正因?yàn)檫@樣，復(fù)位腳由低電位升到高電位，引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作；當(dāng)按下復(fù)位鍵時(shí)，電容兩端放電，電容又回到0V了，于是又進(jìn)行了一次復(fù)位工作。電路圖如圖5.1。圖5.1 復(fù)位電路5.

11、3 晶振電路它是單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的保證，如果振蕩器不起振，系統(tǒng)將會(huì)不能工作。假如振蕩器運(yùn)行不規(guī)律，系統(tǒng)執(zhí)行程序的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上的誤差，這在通信中會(huì)體現(xiàn)的很明顯：電路將無法通信。一般單片機(jī)的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負(fù)載電容選值的，換句話說，晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測(cè)得的，能最大限度的保證頻率值的誤差，也能保證溫漂等誤差。它是由一個(gè)晶振和兩個(gè)瓷片電容組成的，晶振和瓷片電容是沒有正負(fù)的，兩個(gè)瓷片電容相連的那端一定要接地，如圖5.2所示。圖5.2 晶振電路5.4 LED數(shù)碼管顯示電路本電路的顯示模塊主要由一個(gè)4位一體的7段LE

12、D數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測(cè)量到的電壓值。它是一個(gè)共陰極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接收單片機(jī)的P1口產(chǎn)生的顯示段碼。S1，S2，S3，S4引腳端為其位選端，用于接收單片機(jī)的P2口產(chǎn)生的位選碼。具體原理圖如圖5.3 圖5.3 顯示電路6 軟件設(shè)計(jì)6.1程序設(shè)計(jì)流程圖系統(tǒng)程序主要包括主程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、報(bào)警子程序和按鍵子程序等。 主程序的主要功能是負(fù)責(zé)距離的顯示、讀出并處理HC-RS04的測(cè)量距離值，按鍵控制有效距離限制，當(dāng)測(cè)量的值超過預(yù)設(shè)值時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲報(bào)警。主程序流程圖如圖6.1所示。YN初始化調(diào)用顯示子程序障礙物存在讀出距離值數(shù)值處理開始

13、結(jié)束圖6.1主流程圖6.2 軟件程序#include /器件配置文件#include /傳感器接口sbit RX = P23;sbit TX = P22;sbit DIAN=P05;/變量聲明unsigned int time=0;unsigned int timer=0;unsigned char posit=0;unsigned long S=0;char num=0;bit flag=0;unsignedchar const discode =0x5F,0x44,0x9D,0xD5,0xC6,0xD3,0xDB,0x47,0xDF,0xD7,0x80;/數(shù)碼管顯示碼0123456789-

14、和不顯示unsigned char disbuff4 =0,0,0,0; /數(shù)組用于存放距離信息sbit W0=P24;sbit W1=P25;sbit W2=P26;sbit W3=P27;/*/掃描數(shù)碼管void Display(void) num+;if(num=1)W3=1;W0=1;P0=discodedisbuff0;DIAN=0;W1=0;else if(num=2)W1=1;P0=discodedisbuff1;W2=0;else if(num=3)W2=1;P0=discodedisbuff2;W3=0;num=0;/*/計(jì)算void Conut(void)time=TH0*

15、256+TL0; /讀出T0的計(jì)時(shí)數(shù)值TH0=0;TL0=0; /清空計(jì)時(shí)器S=(time*1.7)/100; /算出來是CMif(S=700)|flag=1) /超出測(cè)量范圍顯示“-”flag=0;disbuff0=10; /“-”disbuff1=10; /“-”disbuff2=10; /“-”elsedisbuff0=S%1000/100; /將距離數(shù)據(jù)拆成單個(gè)位賦值disbuff1=S%1000%100/10;disbuff2=S%1000%10 %10;/*/定時(shí)器0void zd0() interrupt 1 /T0中斷用來計(jì)數(shù)器溢出,超過測(cè)距范圍flag=1; /中斷溢出標(biāo)志/

16、*/定時(shí)器1void zd3() interrupt 3 /T1中斷用來掃描數(shù)碼管和計(jì)800MS啟動(dòng)模塊TH1=0xf8;TL1=0x30; /定時(shí)2msDisplay();/掃描顯示timer+;/變量加if(timer=400)/400次就是800mstimer=0;TX=1; /800MS 啟動(dòng)一次模塊_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _

17、nop_();_nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();TX=0; /*/主函數(shù)void main(void) TMOD=0x11; /設(shè)T0為方式1，GATE=1；TH0=0;TL0=0; TH1=0xf8; /2MS定時(shí)TL1=0x30;ET0=1;/允許T0中斷ET1=1; /允許T1中斷TR1=1; /開啟定時(shí)器EA=1;/開啟總中斷while(1)while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待TR0=1;/開啟計(jì)數(shù)while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待TR0=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù)Conut();/計(jì)算設(shè)計(jì)總結(jié)施鵬： 本次設(shè)計(jì)我們是以AT89C51為核心，借助于模數(shù)

18、電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測(cè)距的一些難題。靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，利用超聲波的特性設(shè)計(jì)出的一種簡(jiǎn)單的測(cè)距系統(tǒng)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。從方案論證到具體設(shè)計(jì)，我查閱了大量的資料。對(duì)一些疑難的問題，我得到了

19、老師和同學(xué)的幫助。也始終感受著導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此向老師們表示深深的感謝和崇高的敬意。磨國(guó)強(qiáng)：本次設(shè)計(jì)我們?cè)谟懻摿顺暡y(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上,以AT89C51為核心，完成了超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能,設(shè)計(jì)出的一種筒單實(shí)用的超聲波測(cè)距系統(tǒng),利用超聲波測(cè)距系統(tǒng)比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測(cè)量精度方面達(dá)到了一定的要求。本次設(shè)計(jì)主要單片機(jī)系統(tǒng)，顯示電路和超聲波模塊三個(gè)部分。從方案論證到具體設(shè)計(jì)，我查閱了大量的資料。對(duì)一些疑難的問題，我得到了老師和同學(xué)的幫助。也始終感受著導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和無私的關(guān)懷，我受益匪淺。在此

20、向老師們表示深深的感謝和崇高的敬意。胡廣富：本次設(shè)計(jì)我們?cè)谟懻摿顺暡y(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上,以AT89C51為核心，借助于模數(shù)電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測(cè)距的一些難題。靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求，利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣。設(shè)計(jì)過程中查閱了大量資料，得到了老師的幫助，在此向老師們表示深深的感謝和深深的敬意。 致 謝首先，我們要感謝我的導(dǎo)師周光祥老師在此次設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時(shí)也感謝本校的一些老師在設(shè)計(jì)期間所給予我得幫助。在論文寫作期間，各位老師給我