基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距課程設(shè)計(jì)報(bào)告書

1、 PAGE18 / NUMPAGES19單片機(jī)應(yīng)用實(shí)習(xí)任務(wù)書學(xué)生系部專業(yè)班級(jí)指導(dǎo)教師職稱是否外聘題目名稱設(shè)計(jì)的容、意義與技術(shù)指標(biāo)要求1、設(shè)計(jì)容與意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)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(cè)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)與產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測(cè)距就是利用其反射特性，超聲波發(fā)生器不斷地發(fā)射出40kHz超聲波遇到障礙物后反射回反射波，超聲波接收器接收到發(fā)射波信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。相比于其它定位技術(shù)超聲波定位技術(shù)成本低，制作容易，非常適合于短距離測(cè)量定位。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)

2、計(jì)超聲波測(cè)距儀的意義。2、技術(shù)指標(biāo)要求以單片機(jī)發(fā)射40khz的方波與數(shù)碼管顯示距離以CX20106A接收信號(hào)摘 要本設(shè)計(jì)采用以STC89C52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)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路由主程序、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。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。關(guān)鍵詞：STC89C52; 超聲波；測(cè)距第1章 總體設(shè)計(jì)方案1.1 總體設(shè)計(jì)方案 方案一基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻率為 40kHz 的方波 ，

3、經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波波經(jīng)反射物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。其系統(tǒng)框圖如圖 1.1 所示。超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)電路溫度傳感器超聲波發(fā)射器功率驅(qū)動(dòng)電路顯示電路單片機(jī)40kHz脈沖圖1.1這種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間 。 當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí) ， 接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變 ， 在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào) ， 單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)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，結(jié)果輸出給 LED 顯示 利用單片機(jī)準(zhǔn)確計(jì)時(shí) ，

4、 測(cè)距精度高 ， 而且單片機(jī)控制方便 ， 計(jì)算簡(jiǎn)單 。 許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。方案二基于 CPLD 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，這種測(cè)距系統(tǒng)采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device) 器件，運(yùn)用 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage) 編寫程序，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。CPLD 器件部的宏單元是其最基本的模塊，能獨(dú)立地編程為 D 觸發(fā)器 、 T觸發(fā)器、RS 觸發(fā)器或 JK 觸發(fā)器工作方式或組合邏

5、輯工作方式。它的這種特性非常適用于本系統(tǒng)，可將本系統(tǒng)所需要的分頻功能、計(jì)數(shù)功能、振蕩器、七段碼顯示全部由 MAX 來實(shí)現(xiàn)，而只需在外部配上適當(dāng)?shù)某暡▊鞲衅?、接收和發(fā)送電路，即可組成一個(gè)測(cè)量精度高、性能穩(wěn)定、響應(yīng)速度快且具有顯示功能的超聲波測(cè)距儀。本系統(tǒng)利用 CPLD 器件控制超聲波的發(fā)射，并對(duì)超聲波發(fā)射至接收的往返時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，將計(jì)算結(jié)果在 LED 上顯示出來。配合使用 MAX+plusII 開發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短 。其系統(tǒng)框圖如下圖 所示。晶振啟動(dòng)復(fù)位顯示模塊分頻脈沖模塊復(fù)位模塊計(jì)數(shù)模塊發(fā)射放大發(fā)射傳感器整形接收放大接收傳感器圖1.

6、2通過以上我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便 ，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。本設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播， 途中碰到障礙物就立即反射回來，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播速度為 v，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。本系統(tǒng)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)時(shí)。接收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波 ，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器，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

7、到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)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，結(jié)果輸出給數(shù)碼管顯示。1.2 軟硬件功能分析第2章 硬件電路設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)能正常工作的最小外接電路單元，是設(shè)計(jì)電路的核心部分，也是整個(gè)作品最關(guān)鍵的最重要的部分。單片機(jī)最小系統(tǒng)包括：復(fù)位電路、晶振電路、P0口外接一個(gè)排阻，同時(shí)EA引腳必須接在外部電源的正極。2.2 數(shù)碼管電路設(shè)計(jì)（小四號(hào)黑體）本設(shè)計(jì)是最終距離需要數(shù)碼管顯示。我使用的是四位功能共極數(shù)碼管。用于顯示距離。采用

8、動(dòng)態(tài)顯示方法顯示數(shù)據(jù)，即所有段選接在一起接到P0口，把各位選分別接在P2。4-P2.7口上。同時(shí)所有位選必須接在NPN三極管的集電極，三極管的發(fā)射極分別接一個(gè)2K的電阻。2.3超聲波接收電路設(shè)計(jì)集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收和超聲波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器，通過外接電阻可以調(diào)整檢波頻率，如圖。實(shí)驗(yàn)證明，用CX20106A接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。R4決定檢波頻率,220k時(shí)為38kHz。適當(dāng)?shù)母腃4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。使用CX20106A集成電路對(duì)接收探頭收到的信號(hào)進(jìn)行放大，濾波，其總放大增益80dB，CX2010

9、6A電路說明如下所示。引腳號(hào)說明1超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R1=1K，C1=1F。3該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3f。4接地端5該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f

10、0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時(shí)，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。7遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8電源正極，4.55.5V。2.4超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路主要由反相器74HC04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端輸出的40KHZ方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后超聲波換能器的令一個(gè)電極，用這種推挽形

11、式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度，輸出端采用兩個(gè)反相器的并聯(lián)，以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R2R3,一方面可以提高反相器74HC04輸出高電平的能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由振動(dòng)的時(shí)間。2.人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)2.5 系統(tǒng)供電電源電路設(shè)計(jì)（小四號(hào)黑體）本供電部分采用9v電池塊加7805芯片轉(zhuǎn)換成5V給整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)供電。三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用7805三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路部還有過流、過熱與調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便。第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件總體

12、設(shè)計(jì)思路3.2 主程序流程設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如下圖所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。開始單片機(jī)初始化定時(shí)中斷程序有回波嗎外部中斷子程序外部中斷服務(wù)子程序3.3 中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)定時(shí)中斷入口定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完否停止發(fā)射返回外部中斷入口關(guān)外部中斷讀取時(shí)間值計(jì)算距離結(jié)果輸出開外部中斷返回外部中斷服務(wù)子程序課程設(shè)計(jì)總結(jié)（包括：設(shè)計(jì)質(zhì)量分析、待完善和改進(jìn)之處和心得體會(huì)）在接收電路中對(duì)于所接收的方波進(jìn)行濾波整形等步驟，但由于條

13、件和技術(shù)有限，其中存在的很多誤差沒有得 到有效的效正。 比如溫度的誤差等。實(shí)驗(yàn)過程中總是出現(xiàn)4個(gè)8 的狀態(tài)， 或者就是4 個(gè)0 一直在閃爍，后來就對(duì)著電路原理圖又核實(shí)了以一遍，最后發(fā)現(xiàn)是發(fā)射的74HC04沒有接地，所以說最重要是認(rèn)真。在設(shè)計(jì)中用到了很多以前學(xué)習(xí)到的知識(shí)，C語言，一些基本的操作。盡管我們了很多低級(jí)的錯(cuò)誤，但錯(cuò)誤也讓我們獲益匪淺，了解了超波原理，放大電路的設(shè)計(jì)也掌握了51的開發(fā)過程中所用的方法。動(dòng)手能力與自學(xué)能力得到了提高，對(duì)待事物的態(tài)度也發(fā)生了變化，理論總是與實(shí)踐結(jié)合的。本學(xué)期終于迎來了單片機(jī)課程設(shè)計(jì)，說這次實(shí)習(xí)，我認(rèn)為最重要的是對(duì)于程序的調(diào)試，認(rèn)真完成所給的題目，這其中有很多的

14、問題，1，由于對(duì)課本理論知識(shí)了解不夠深入，導(dǎo)致焊錯(cuò)了很多線，以與一些虛焊的地方。2。其次就是在做設(shè)計(jì)的過程中能想 到以后作為一名搞技術(shù)設(shè)計(jì)的人員，首先要具備的能力就是嚴(yán)謹(jǐn)。 這其中最讓人回味的就是團(tuán)隊(duì)的配合，在團(tuán)隊(duì)中，我們互幫互助，對(duì)整個(gè)課程設(shè)計(jì)來說，這是至關(guān)重要的，缺少每一個(gè)人都會(huì)對(duì)我們的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。還有要感指導(dǎo)老師在我們遇到困難時(shí)，給予我們的建議與鼓勵(lì)。參考文獻(xiàn)（1）專著 序號(hào)主要作者.專著名稱文獻(xiàn)類型標(biāo)志M.出版地：出版單位，出版年：參考頁碼圍.例：（2）連續(xù)出版物中的析出文獻(xiàn)，即期刊 序號(hào) 主要作者.析出文獻(xiàn)題名文獻(xiàn)類型標(biāo)志J.連續(xù)出版物題名：其他題名信息，年，卷（期）：頁碼引用日期

15、. 例： 附 錄附錄1 總原理圖附錄2 源程序#includereg52.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit s40hHz=P10;uint s,t;uchar d4;uchar temperature;uchar ultrasonic_counter;uchar sign_failure;uchar sign_complete;void delay()uchar i; for(i=0;i0;t-) for(i = 0;i4;i+) P0 = BCD_7di; P2|=0 x10i; delay(); P2&=0

16、x0f; void measure()sign_failure = 0; sign_complete = 0; TH2 = 0 ;TL2 = 1; TH0 = (256-12); TL0 = (256-13); ultrasonic_counter = 0; TR0 = 1; TR2 = 1; while(ultrasonic_counter16); TR0 = 0; while(sign_complete = 0) if(sign_failure) TR2 = 0; return; TR2 = 0; s=t*0.157; main()uchar i; TMOD = 0 x02; T2CON

17、= 0 x09; EA = 1; ET0 = 1; ET2 = 1; s = 0; for (i=0;i4;i+)di = 0; while(1) measure(); display(120); void T0_ISR()interrupt 1 using 1if(TH0=(256-12)TH0=256-13;else TH0=256-12;s40hHz =! s40hHz;ultrasonic_counter+;void T2_ISR()interrupt 5 using 1if(TF2)TF2 = 0;sign_failure = 1; else EXF2 = 0; t = RCAP2H*256+RCAP2L; sign_complete = 1; 單片機(jī)應(yīng)用指導(dǎo)教師