超聲波測距課程設(shè)計(jì)14405

1、沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 目錄前言前言1 課題設(shè)計(jì)目的及意義- 11.1 設(shè)計(jì)的目的- 11.2 設(shè)計(jì)的意義- 11.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求- 1正文正文1 課程的方案設(shè)計(jì)- 21.1 系統(tǒng)整體方案- 21.2 系統(tǒng)整體方案的論證- 22 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)- 22.1 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測距原理- 32.1.1 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)- 32.1.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距原理 - 32.2 超聲波電路結(jié)構(gòu)- 42.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)- 42.4 PCB 版圖設(shè)計(jì)- 53 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)- 63.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計(jì)- 73.2 主程序流程圖- 73.

2、3 單片機(jī)部分 C 語言程序- 83.4 超聲波測距部分 C 語言程序- 114 實(shí)物制作- 174.1 電路板焊接及連線圖- 174.2 實(shí)物調(diào)試效果圖- 184.3 焊接電路板時(shí)所遇問題- 195 總 結(jié)- 206 致謝- 20附錄-20沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 1前言1 課題設(shè)計(jì)目的及意義1.1 設(shè)計(jì)的目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(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。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位

3、高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.2 設(shè)計(jì)的意義 查找與超聲波測距有關(guān)的資料，通

4、過對(duì)資料的理解開發(fā)設(shè)計(jì)一種簡單的單片機(jī)超聲波測距裝置。設(shè)計(jì)完成后，制作 PCB 版圖，最后完成實(shí)物的連線。通過設(shè)計(jì)鞏固對(duì)單片機(jī)知識(shí)的運(yùn)用，并加強(qiáng)自我動(dòng)手的能力。1.3 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求了解和掌握超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、特性和使用方法，超聲波探測系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品及及其國內(nèi)外研究進(jìn)展情況，利用單片機(jī)、Proteus 和 Keil C51 工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)行測試。1、了解和掌握該系統(tǒng)相關(guān)傳感器（3-5 種）的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；2、查找系統(tǒng)相關(guān)產(chǎn)品（3-5 種）的技術(shù)資料，包括其技術(shù)指標(biāo)、原理圖、封裝形式、價(jià)格等；沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課

5、程設(shè)計(jì)論文 23、查找與本系統(tǒng)相關(guān)論文（最近幾年） （3-5 篇） ；4、選擇一種傳感器，利用單片機(jī)、Proteus 和 Keil C51 工具設(shè)計(jì)出一種相應(yīng)的探測識(shí)別系統(tǒng)，制作實(shí)物并進(jìn)行測試；5、完成論文。1 課程的方案設(shè)計(jì)1.1 系統(tǒng)整體方案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)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所

6、產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。 1.2 系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，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后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一

7、種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2 2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 3測接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 11MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 P3.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采

8、用簡單實(shí)用的 3 位共陰 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。2.1 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測距原理2.1.1 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(AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個(gè) 16b 的定時(shí)計(jì)數(shù)器 TO 和 T1，4 個(gè) 8 b 的工O 端 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

9、特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 5l 系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB 存儲(chǔ)器；256 BRAM；32 條工O 線；2 個(gè)16b 定時(shí)計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。2.1.2 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反

10、射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 SCt2，式中的 C 為超聲波波速。沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 4限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。2.2 超聲波電路結(jié)構(gòu)超聲波接收電路2.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)

11、時(shí)，單片機(jī)選用 AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號(hào)，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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器 沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 5 單片機(jī)硬件原理圖單片機(jī)硬件原理圖 2.4 PCB 版圖設(shè)計(jì)：PCBPCB 版圖（版圖（a a）沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 6PCBPCB 版圖（版圖（b b）3 系統(tǒng)軟件

12、的設(shè)計(jì)超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)） ，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測距時(shí)） ，所以控制程序可采用 C 語言編程。 3.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計(jì) 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距

13、離的計(jì)算公式為： d=s/2=(ct)/2 （1） 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用的時(shí)間。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，單片沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 7機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。3.2 主程序流程圖 3.3 單片機(jī)部分 C 語言程序: #include #include #define uchar unsi

14、gned char#define uint unsigned intsbit trig=P37;sbit echo=P32;uint t=0,s=0;bit flag=0;uchar timeh=0,timel=0,i=0;uchar buffer4=0,0,0,0;uchar code table10 = 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; /數(shù)碼管 09void delay_us()/20us 延遲沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 8uchar x;for(x=0;x0;j-)for(y=110;y0;y

15、-);void main()trig=0;/echo=0;TMOD=0 x11;/定時(shí)器 0、1 為 16 位計(jì)數(shù)模式TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器 0IT0=1;/下降沿觸發(fā)ET0=1;/打開定時(shí)器 0 中斷ET1=1;/打開定時(shí)器 1 中斷EX0=0;/關(guān)閉外部中斷 0EA=1;/開總中斷while(1)EA=0;/關(guān)總中斷trig=1;/超聲波輸入端沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 9delay_us(); /延遲 20ustrig=0;/產(chǎn)生一個(gè) 20us 的脈沖while(echo=0); /等待 echo

16、 回波變成高電平flag=0;/清測量成功標(biāo)志；EA=1;EX0=1;/打開外部中斷TH1=0;TL1=0;/定時(shí)器 1 清零TF1=0;TR1=1;/啟動(dòng)定時(shí)器 1delay(20);/等待測量結(jié)果TR1=0;/關(guān)閉定時(shí)器 1EX0=0;/關(guān)閉外部中斷 0if(flag)t=timeh*256+timel; /計(jì)算時(shí)間s=t/58;/計(jì)算距離（厘米）buffer0=s/100; /百位buffer1=s%100/10; /十位buffer2=s%10;/個(gè)位elses=0;/沒有，則清零；/*外部中斷 0，用做判斷回波電平*/沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 10void exter() i

17、nterrupt 0timeh=TH1;timel=TL1;flag=1;EX0=0;/*用定時(shí)器 0 做顯示*/void timer0() interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;switch(i)case 0:P1=tablebuffer0;P2=0 xfe;i=1;break;case 1:P1=tablebuffer1;P2=0 xfd;i=2;break;case 2:P1=tablebuffer2;P2=0 xfb;i=0;break;default:break;/*定時(shí)器 1 中斷,用做超聲波測距計(jì)時(shí)*/void

18、timer1() interrupt 3TH1=0;TL1=0;3.4 超聲波測距部分 C 語言程序:/晶振=8M沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 11/MCU=STC10F04XE/P0.0-P0.6 共陽數(shù)碼管引腳/Trig = P10/Echo = P32#include /包括一個(gè) 52 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核的頭文件#define uchar unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned long/*sfr CLK_DIV = 0 x97; /為 STC 單片機(jī)定義,系統(tǒng)時(shí)鐘分頻 /為 STC 單片機(jī)的

19、 IO 口設(shè)置地址定義sfr P0M1 = 0X93;sfr P0M0 = 0X94;sfr P1M1 = 0X91;sfr P1M0 = 0X92;sfr P2M1 = 0X95;sfr P2M0 = 0X96;/*sbit Trig = P10; /產(chǎn)生脈沖引腳sbit Echo = P32; /回波引腳sbit test = P11; /測試用引腳uchar code SEG710=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;/數(shù)碼管 0-9uint distance4; /測距接收緩沖區(qū)uchar ge,shi

20、,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測量成功標(biāo)志/*函數(shù)聲明沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 12void conversion(uint temp_data);void delay_20us();/void pai_xu();void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; CLK_DIV=0X03; /系統(tǒng)時(shí)鐘為 1/8 晶振（pdf-45 頁） P0M1 = 0; /將 io 口設(shè)置為推挽輸出 P1M1 = 0; P2M1 = 0;

21、 P0M0 = 0XFF; P1M0 = 0XFF; P2M0 = 0XFF; i=0; flag=0;test =0;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0 x11; /定時(shí)器 0，定時(shí)器 1，16 位工作方式TR0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器 0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷ET0=1; /打開定時(shí)器 0 中斷 /ET1=1; /打開定時(shí)器 1 中斷EX0=0; /關(guān)閉外部中斷EA=1; /打開總中斷 0 while(1) /程序循環(huán)沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 13 EA=0; Trig=1; delay_20us(); Trig=0; /產(chǎn)生一個(gè) 20us 的

22、脈沖，在 Trig 引腳 while(Echo=0); /等待 Echo 回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標(biāo)志/*/外部中斷 0，用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是 0 號(hào) outcomeH =TH1; /取出定時(shí)器的值 outcomeL =TL1; /取出定時(shí)器的值 succeed_flag=1; /至成功測量的標(biāo)志 EX0=0; /關(guān)閉外部中斷 /*/定時(shí)器 0 中斷,用做顯示timer0() interrupt 1 / 定時(shí)器 0 中斷是 1 號(hào) TH0=0 xfd; /寫入定時(shí)器 0 初始值 TL0=0 x77; swi

23、tch(flag) case 0 x00:P0=ge; P2=0 xfd;flag+;break; case 0 x01:P0=shi;P2=0 xfe;flag+;break; case 0 x02:P0=bai;P2=0 xfb;flag=0;break; 沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 14/*/*/定時(shí)器 1 中斷,用做超聲波測距計(jì)時(shí)timer1() interrupt 3 / 定時(shí)器 0 中斷是 1 號(hào) TH1=0;TL1=0; */*/顯示數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序void conversion(uint temp_data) uchar ge_data,shi_data,bai_data ;

24、 bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運(yùn)算 shi_data=temp_data/10 ; temp_data=temp_data%10; /取余運(yùn)算 ge_data=temp_data; bai_data=SEG7bai_data; shi_data=SEG7shi_data; ge_data =SEG7ge_data; EA=0; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; 沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 15 EA=1; /*void delay_20us() uch

25、ar bt ; for(bt=0;btdistance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; /*交換值 if(distance0distance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; /*交換值 if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; /*交換值 4 實(shí)物制作4.1 電路板焊接及連線圖：電路板正面元件擺放圖：沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 16電路板背面連線圖：4.2 實(shí)物調(diào)試效果圖沈陽理工大學(xué)學(xué)生綜合課程設(shè)計(jì)論文 174.3 焊接電路板時(shí)所遇問題：1、 對(duì)于焊槍的應(yīng)用不是特別嫻熟。2、 連線時(shí)特別不舒服，可能是超聲波測距設(shè)計(jì)比較復(fù)雜的連線問題導(dǎo)致的。有的線焊起來空間特別小。在連線的長短方面沒有選擇好。3、 元件擺設(shè)方面存在很大問題，直接導(dǎo)致焊接時(shí)特別吃力。實(shí)物測試時(shí)問題：1、 沒有仔細(xì)