基于單片機的超聲波測距報警系統(tǒng)

1、綜合性課程設計報告基于proteus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設計系:計算機與通信工程學院業(yè):電子信息工程號: 名:指導教師:設計時間:2012/6/27綜合課程設計任務書專業(yè)：電子信息工程班級：4091603姓名:設計題目：基于Proteus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設計 一、設計實驗條件keil C和Proteus仿真軟件二、設計任務1)2)3)4)總體功能設計 硬件電路設計 軟件設計工作總結三、設計說明書的內容1.2.3.4.5.設計題目與設計任務（設計任務書） 前言（緒論）（設計的目的、意義等）主體設計部分（各部分設計內容、總結分析、結論等） 結束語 參考文獻（答辯時間18周星

2、期日晚7: 30,地點：綜合樓1313室）四、設計時間與設計時間安排1、設計時間：2、設計時間安排:熟悉實驗設備、實驗、收集資料: 設計計算、繪制技術圖紙: 編寫課程設計說明書:答辯:、設計任務及要求1.緒論2.總體方案2.1總體設計方案2.2超聲波測距框圖.3.系統(tǒng)硬件設計3.1硬件設計方案3.2各主要模塊的硬件設計4.系統(tǒng)軟件設計104.1程序設計104.2程序流程圖10四、結束語13五、參考文獻13附錄A系統(tǒng)仿真圖14附錄B程序代碼15、設計題目基于P roteus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設計二、設計任務及要求利用所學數(shù)字電子技術、信號處理、控制等技術，設計、制作并調試完成一個單片

3、機最小化系統(tǒng)。在此基礎上，將最小系統(tǒng)與綜合實驗開發(fā)平臺上的超聲波 模塊、顯示模塊進行正確的連接（如圖 1.1所示），使單片機可接收超聲波模塊 輸出的測量信號，并對其進行合理的處理后，在顯示模塊上實時顯示超聲波模塊 與障礙物的距離。圖1.1系統(tǒng)連接示意圖具體要求:1、 實驗開發(fā)平臺上的數(shù)碼管可實時顯示障礙物與超聲波的距離信息，單位為mm；2、當測試距離大于0.5m時報警。三、設計內容1. 緒論利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉 獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波 （20kHz以上的機械波），借助空氣媒質傳播，由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間

4、間隔長 短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質或障礙位置的方法。超聲波是由機械振動產生，可在不同介質中以不同的速度傳播。 而且超聲波 的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測。并且超聲波具有定向 性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優(yōu)點，超聲波傳感器 可廣泛應用于非接觸式的位置距離檢測。2. 總體方案2.1總體設計方案根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本次設計AT89C52單片機作為控制器,用動態(tài)掃描法實現(xiàn)數(shù)碼管顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。由單片機AT89C52編程產生125kHz的方波，經P3.0 口連接到開發(fā)平臺的超聲波模塊發(fā) 送超聲波，再經過放大電路，驅動超

5、聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出的超聲波 經障礙物反射回來后，經過 P3.2 口由超聲波接收頭接收到信號。通過接收電路 的檢波放大、積分整形及一系列處理，送至單片機。單片機利用聲波的傳播速度 和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離， 并由單片機控制在 開發(fā)平臺的顯示模塊中顯示出來。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質 中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。 利用超聲波檢測距離，設 計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農業(yè)生產等自動 化的使用要求。2.2超聲波測距框圖單片機發(fā)出125kHZ的方波信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波 接收器將接收

6、到的超聲波信號經放大器放大， 用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t;再通過軟件編程進行判別、計算，得出所測距離數(shù)并經由LED數(shù)碼管顯示，其原理框圖如圖 2.1。超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電 一定時器一單片機控令L 顯示器超聲波發(fā)射器翼放大電路町圖2.1超聲波測距儀原理框圖發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 U在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回,由接收器接收，其往返時間為t。由公式：測出的距離L m =常溫下的聲速340(m/s)感應時間t(s)/2，算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的, 本

7、次設計將聲速設定為344m/s。3. 系統(tǒng)硬件設計3.1硬件設計方案 3.1.1超聲波測距原理單片機在To時刻發(fā)射方波，同時啟動計數(shù)器開始計時，當收到回波后，產生一個負跳變沿信號到單片機的外部中端口， 單片機響應中斷程序，計數(shù)器停止計數(shù)。計算時間差,即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。其時序圖如圖3.1所示。發(fā)WiSSkllz脈沖接收到的倍號!|信號經過！ 接收咆路后！圖3.1超聲波時序圖3.1.2硬件電路設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路，報警模塊四部分。單片機采用 AT89C52,使用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時

8、鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P 3.0端口輸出超聲波換能器所需的125kHz的方波信號，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的 返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用P0 口控制, 位碼用P2 口控制。3.2各主要模塊的硬件設計321AT89C52芯片簡介T打PL” 0T2EK/F1* 1FL* £FL 3P1.4M0餉/P1一 5MIS0/P1.6比瑞PL. 7TJtTiJPi 61I1TT1?,E3. 3TOZE5. 4T1；P3. 5WF5. & TKTKL2XTiLl PDIptiro匚 匚C 匚 匚 匚 匚匚 C 匚 匚cC 匸 匚 r

9、匚: 匚o1£ 34557 6勺o1234 5 B73n711111nlll2432LO5GTI6543214 ? 3 3 3 AJ 33353522222222yFO, 0 /klOPO, 1/ADl FO.PO” 3Mn3 P0.4Mn4 PO. S/ADS FO.6/AD6PO. J/AD7 麗VPFALE/PIOGP2. 7/Al 5P2.6M14P2. 5M13F2.4/A1 2P2. 3/Al 1F2. 2/Al 0 FZ.F2. 0/AS圖3.2AT89C52芯片管腳圖AT89C52是51系列單片機的一個型號，它是ATMEL公司生產的。AT89C52是一個低電壓，高性能

10、CMOS 8位單片機，片內含 8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM ），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和 Flash存儲單元，功能強AT89C52大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內含 2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口， 2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程,但不可以在線編程（S系列的才支持在線編程）。其將通用的微處理器和

11、Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。管腳說明:VCC :供電電壓。GND:接地。P0 口： P0 口為一個8位漏級開路雙向I/O 口，每引腳可吸收8TTL門電流。當P1 口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存 儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼 輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1 口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部

12、下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8位雙向I/O 口，P2 口緩沖器可接收, 輸出4個TTL門電流，當P2 口被寫“ 1時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于 內部上拉的緣故。P2 口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當 對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2 口在FLASH編程和校驗時

13、接收高八位地址信號和控制信號。P3 口： P3 口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O 口，可接收輸出4個TTL 門電流。當P3 口寫入“ 1后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示:P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 /INT0（外部中斷0）P3.3 /INT1（外部中斷1）P3.4 T0記時器0外部輸入）P3.5 T1記時器1外部輸入）P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3 口同時為閃

14、爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST腳兩個機器周期的高 電平時間。3.2.2單片機最小系統(tǒng)本文單片機型號為AT89C52,采用頻率為12MHz晶振和兩個電容組成的晶 振電路，為單片機提供工作時序。復位電路是按鍵電平復位，是通過使復位端經電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)。最小系統(tǒng)電路圖如圖 3.2所示。Cl-.RM -耐.->-=77 &dr=- I-t-1XTALI - C3RST口 JVADQ .IfAOl jBrAfrZ 口 MRDH 口 .WAO 豐 ifADS口 jrxffiPBEHALEZNA_in 工fiAHztasgasg

15、PPPPPjm .irrzE>； -J.Jl.liTCP32rlrfpPJATlpa.TfpTXIHEfS .SFF.ILB 鶴戶被圖3.3單片機最小系統(tǒng)3.2.3超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3.4所示。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超路經一級聲波發(fā)射換能器T構成，單片機P3.0端口輸出的125kHz的方波信號 反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能可以提器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端, 高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上位電阻R10、R11 一方面可以提高反向器74LS04輸出高

16、電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖3.4超聲波發(fā)射電路原理圖3.2.4超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。實驗證明用CX20106A接收超聲波（無信號時輸出高電平），具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。VCCRi2RES2R13RES28 72346U5C4Ri4CX20106A0.056 (iF10 Q+ C51 iF3.3 gFC7330pFGND圖3.5超聲波檢測接收電路3.2.5顯示電路設計顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用P0 口控制，位碼用P2 口控制。接P

17、2.0, P2.1, P2.2, P2.3引腳的分別為千位，百位，十位，個位顯示數(shù)碼管。II 3 +5dPD 0沁 n PD.1 陌PD.工匸2RU心 卩詢心PD.TfJCT20,22I I21F?山殆P31j9 勺知 uP2 VA -1刃.4齒25二心A圖3.6顯示電路3.2.6報警模塊本系統(tǒng)選用單片機P1.1連接報警電路。通過軟件編程來控制蜂鳴器報警時 間長短來表示所測距離是否超限。當蜂鳴器發(fā)出報警聲時，說明測得距離大于50cm。報警電路如圖3.7所示daUZZEE hTE 燈二I * * 彳k .BIJZI wTEX宀-PEENALE EAR110k - -TEXT> .NPN訂E

18、GPI .on?PI .m2EXP1.2P1.3Pl .4P1.5P1.6P1.7ATESCSa p I I圖3.7報警電路4. 系統(tǒng)軟件設計4.1程序設計系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，主要包括主程序設計、超聲波發(fā)射子程序、LED顯示子程序設計等。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置計數(shù)器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA并給顯示端口 P0和P2清0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖， 打開外中斷0接收返回的 超聲波信號。測出距離后結果將以十進制 BCD碼方式送往LED顯示約5ms，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用C語言

19、編寫。4.2程序流程圖 4.2.1主程序流程圖422超聲波發(fā)射模塊流程圖423顯示模塊流程圖四、結束語在本次設計中，我們廣泛借鑒了各種設計的優(yōu)點，討論并研究各個設計環(huán)節(jié),包括如何產生125KHZ方波，如何在接收電路中對其進行濾波、放大、整形等問題。但由于條件和技術有限，對于在發(fā)射和接收過程中所產生的誤差沒有考慮并 矯正，如溫度誤差、硬件電路誤差等。在為期兩周的設計中，我們運用之前所學的知識，如單片機、C語言等。了解了超聲波傳感器的原理，學會了各種放大電路的分析和設計，也掌握了單片機 開發(fā)過程中所涉及的開發(fā)方法和工具。動手能力與自學能力得到了鍛煉和提高?？梢哉f為今后的工作、學習打下了堅實的基礎。

20、本次的設計也讓我們認識到仿真軟件不是萬能的，有些東西是沒法進行仿真的，比如本設計中需要有一個擋板就是仿真不出來的，在實物設計中可以實現(xiàn)。 所以，我們不能過于依賴仿真，要把仿真與實踐相結合才能有更好地研究成果。五、參考文獻12沙占友.集成化智能傳感器原理與應用M.北京：電子工業(yè)出版社，2004.吳研.超聲波倒車雷達系統(tǒng)設計 J.北京：北京理工大學，2005.3肖景和，趙健.紅外線熱釋電與超聲波遙控電路M.北京：人民郵電出版社，2003.4史諺賓.基于AT89C2051的超聲波測距儀設計J.北京：航空航天出版社,2006路錦正，王建勤.超聲波測距儀的設計M.成都：成都理工大學，1999.基于單片機

21、智能系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)M.北京：人民郵電出版社，2005.7賴壽宏.微型計算機控制技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2002.89王兆安，黃俊.電力電子技術M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.邱關源.電路M.北京：高等教育出版社，1999.10尤一鳴.單片機總線擴展技術第一版M.北京:北京航空航天大學出版社,1993.附錄A系統(tǒng)仿真圖£3TrJnIT Tr q Tr JI "TT Ml JI畐Z團c旨H皂rg3厲d<WKd彗膏re *ss- lrlvs-愛 L叫Fs CLS發(fā) ss s?g莖 as-£ gFe ecws.g 曇嘗 §£ 

22、7;3adi?.A- - IMS目§ -GH嚴：鬲>1匚上缶呂=- - Innn _-匸Go附錄B程序代碼#in cludevreg52.h> #defi ne uint un sig ned int #defi ne uchar un sig ned char sbit Tso nic=P 3八0;sbit Rson ic=卩3八2;sbit buz=PIM;uint dista nce=0;float n=0.172;/超聲波速度為344m/suchar a,e,c,d;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf;void closeOP0=0xff;P2=0xff;buz=0;void delay4us() ; void delayms( uint k) uint m,n;for(n=k; n>0;n-) for(m=110;m>0;m-);void sonic()uchar i;f