基于單片機的超聲波測距報警系統(tǒng)

1、綜合性課程設(shè)計報告基于proteus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設(shè)計院 系： 計算機與通信工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 設(shè)計時間： 2012/6/27 綜合課程設(shè)計任務(wù)書專業(yè)：電子信息工程 班級：4091603 姓名： 設(shè)計題目：基于proteus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設(shè)計一、設(shè)計實驗條件keil C和proteus仿真軟件二、設(shè)計任務(wù)1) 總體功能設(shè)計2) 硬件電路設(shè)計3) 軟件設(shè)計4) 工作總結(jié)三、設(shè)計說明書的內(nèi)容1 設(shè)計題目與設(shè)計任務(wù)（設(shè)計任務(wù)書）2 前言（緒論）(設(shè)計的目的、意義等)3 主體設(shè)計部分（各部分設(shè)計內(nèi)容、總結(jié)分析、結(jié)論等）4 結(jié)

2、束語5 參考文獻（答辯時間18周星期日晚7：30，地點：綜合樓1313室）四、設(shè)計時間與設(shè)計時間安排1、設(shè)計時間： 2周2、設(shè)計時間安排： 熟悉實驗設(shè)備、實驗、收集資料： 2 天設(shè)計計算、繪制技術(shù)圖紙： 5 天編寫課程設(shè)計說明書： 2 天答辯： 1 天目錄一、設(shè)計題目3二、設(shè)計任務(wù)及要求3三、設(shè)計內(nèi)容31.緒論32.總體方案42.1 總體設(shè)計方案42.2超聲波測距框圖43.系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 硬件設(shè)計方案53.2 各主要模塊的硬件設(shè)計64.系統(tǒng)軟件設(shè)計104.1 程序設(shè)計104.2 程序流程圖10四、結(jié)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15一、設(shè)計題目基于prot

3、eus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)及要求利用所學(xué)數(shù)字電子技術(shù)、信號處理、控制等技術(shù)，設(shè)計、制作并調(diào)試完成一個單片機最小化系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)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(shè)計內(nèi)容1.緒論利用超聲波作為定位技術(shù)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

4、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(zhì)傳播，由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。超聲波是由機械振動產(chǎn)生，可在不同介質(zhì)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(yīng)用于非接觸式的位置距離檢測。2.總體方案2.1 總體設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本次設(shè)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(qū)動信號用單片機的定時器。由單片機AT89C

5、52編程產(chǎn)生125kHz的方波，經(jīng)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(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，經(jīng)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(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。2.2超聲波測距框圖單

6、片機發(fā)出125kHZ的方波信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)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(jīng)由LED數(shù)碼管顯示，其原理框圖如圖2.1。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=常溫下的聲速340感應(yīng)時間，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(guān)，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的，本次設(shè)計將聲速設(shè)定為344m/s。3.系統(tǒng)硬件設(shè)

7、計3.1 硬件設(shè)計方案3.1.1 超聲波測距原理單片機在時刻發(fā)射方波，同時啟動計數(shù)器開始計時，當收到回波后，產(chǎn)生一個負跳變沿信號到單片機的外部中端口，單片機響應(yīng)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，由此便可計算出距離。其時序圖如圖3.1所示。圖3.1 超聲波時序圖3.1.2 硬件電路設(shè)計硬件電路的設(shè)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)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P3.0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

8、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(shè)計3.2.1 AT89C52芯片簡介圖3.2 AT89C52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(chǎn)的。AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)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(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您

9、提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)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Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)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

10、。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(nèi)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(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)部上拉的緣故。

11、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(nèi)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(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時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(nèi)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(nèi)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 /I

12、NT0(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口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)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(fù)位電路是按鍵電平復(fù)位，是通過使復(fù)位端經(jīng)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。圖3.3單片機最小系統(tǒng) 3.2.3 超聲波發(fā)

13、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和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機P3.0端口輸出的125kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)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

14、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。圖3.5超聲波檢測接收電路3.2.5 顯示電路設(shè)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P2.0，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。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所示圖3.7報警電路4.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 程序

15、設(shè)計系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、超聲波發(fā)射子程序、LED顯示子程序設(shè)計等。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)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(diào)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(jié)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(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。4.2 程序流程圖4.2.1 主程序流程圖4.2.2 超聲波發(fā)射模塊流程圖4.2.3 顯示模塊流程圖四、結(jié)束語在本次設(shè)計中，我們廣泛借鑒了各種設(shè)計的優(yōu)點，討

16、論并研究各個設(shè)計環(huán)節(jié)，包括如何產(chǎn)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(shù)有限，對于在發(fā)射和接收過程中所產(chǎn)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(shè)計中，我們運用之前所學(xué)的知識，如單片機、C語言等。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會了各種放大電路的分析和設(shè)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(xué)能力得到了鍛煉和提高?？梢哉f為今后的工作、學(xué)習打下了堅實的基礎(chǔ)。本次的設(shè)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(shè)計中需要有一個擋板就是仿真不出來的，在實物設(shè)計中可以實現(xiàn)。所以，我們不能過

17、于依賴仿真，要把仿真與實踐相結(jié)合才能有更好地研究成果。五、參考文獻1 沙占友集成化智能傳感器原理與應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，20042 吳研超聲波倒車雷達系統(tǒng)設(shè)計 J北京：北京理工大學(xué)，20053 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，20034 史諺賓基于AT89C2051的超聲波測距儀設(shè)計J北京：航空航天出版社，20065 路錦正,王建勤.超聲波測距儀的設(shè)計M成都：成都理工大學(xué)，19996 基于單片機智能系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)M北京：人民郵電出版社，20057 賴壽宏微型計算機控制技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，20028 王兆安，黃俊電力電子技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，

18、20039 邱關(guān)源電路M北京：高等教育出版社，199910 尤一鳴.單片機總線擴展技術(shù)第一版M.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1993.附錄A 系統(tǒng)仿真圖附錄B 程序代碼#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit Tsonic=P30;sbit Rsonic=P32;sbit buz=P11;uint distance=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,

19、0xf8,0x80,0x90,0xbf;void close() P0=0xff; P2=0xff; buz=0;void delay4us();void delayms(uint k)uint m,n;for(n=k;n0;n-)for(m=110;m0;m-);void sonic() uchar i; for(i=10;i0;i-) Tsonic=1; delay4us(); Tsonic=0; delay4us(); void Data(uchar a,uchar e,uchar c,uchar d) if(a=0&e=0&c=0&d=0) a=10;e=10;c=10;d=10; P2=0x01; /a 千位 P0=t