基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)資料

目錄一、摘要………………3二、正文………………31、引言……………32、系統(tǒng)設(shè)計方案…………………42.1超聲波測距的原理………42.2設(shè)計框圖…………………42.3US-100超聲波收發(fā)模塊…………………42.4單片機電路………………62.5蜂鳴器報警電路…………82.6顯示電路…………………92.7供電及程序下載電路……103軟件編程………103.1軟件流程圖………………103.2主程序……………………114、下載調(diào)試………195、實物圖…………196元件選擇………20三、總結(jié)………………20四、參考文獻…………20摘要超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應用最普遍的一種，它廣泛應用于防盜、倒車雷達、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。本設(shè)計詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性，分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以STC89c52單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。關(guān)鍵詞：超聲波單片機測距STC89c52AbstractUltrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructionsiteandsomeindustrialscenesextensively。Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail，onthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingSTC89c52asthecore,thiscircuitofsystemisreasonableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry'spracticaldemandinmeasuringtheprecision。KeyWords:Ultrasonicwave;One-chipcomputer;Rangefinding;STC89c52正文1、引言：測量距離的方法有很多種，短距離的可以用米尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。2、系統(tǒng)設(shè)計方案2.1超聲波測距的原理超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（timeofflight），也可以稱為回波探測法，如圖所示。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在介質(zhì)中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。根據(jù)傳聲介質(zhì)的不同，可分為液介式、氣介式和固介式三種。根據(jù)所用探頭的工作方式，又可分為自發(fā)自收單探頭方式和一發(fā)一收雙探頭方式。而倒車雷達一般是裝在車尾，超聲波在空氣中傳播，超聲波在空氣中(20℃)的傳播速度為340m/s(實際速度為344m/s這里取整數(shù))，根據(jù)計時器記錄的時間就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離，公式S340*t/2。圖1超聲波測距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?聲速與溫度的關(guān)系2.2設(shè)計框圖本研究設(shè)計的超聲波測距儀框圖如圖所示。超聲波測距儀方框圖2.3US-100超聲波收發(fā)模塊該超聲波收發(fā)模塊可自己產(chǎn)生40kHz的方波，并經(jīng)放大電路驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收探頭接收。經(jīng)接收電路的檢波放大，積分整形，在ECHO引腳上產(chǎn)生方波脈沖，該脈沖寬度與被測距離成線性關(guān)系。具體過程如圖3所示。US-100超聲波收發(fā)模塊工作時序圖上圖表明：只需要在Trig/TX管腳輸入一個10us以上的高電平，系統(tǒng)便可發(fā)出8個40KHZ的超聲波脈沖，然后檢測回波信號，當檢測到回波信號后，模塊還要進行溫度值的測量，然后根據(jù)當前溫度對測距結(jié)果進行校正，將校正后的結(jié)果通過Echo/RX管腳輸出。在此模式下，模塊將距離值轉(zhuǎn)化為340m/s時的時間值的2倍，通過Echo端輸出一個高電平，可根據(jù)此高電平的持續(xù)時間來計算距離值。即距離值為：（高電平時間*340m/s）/2注：因為距離值已經(jīng)經(jīng)過溫度校正，此時無需再根據(jù)環(huán)境溫度對超聲波聲速進行校正，也就是不管溫度多少，聲速選擇340m/s即可。使用US-100超聲波收發(fā)模塊進行距離測量測量時，單片機只需要輸出觸發(fā)信號，并監(jiān)視回響引腳，通過定時器計算回響信號寬度，并換算成距離即可。該模塊簡化了發(fā)送和接收的模擬電路，工作穩(wěn)定可靠，其參數(shù)指標如表2所示。表2US-100模塊電氣參數(shù)應注意測量周期必須在60毫秒以上，防止發(fā)射信號對回響信號的影響。US-100超聲波模塊外形圖2.4單片機電路本設(shè)計選用單片機STC89C52，其管腳如圖所示。STC89C52單片機管腳圖該芯片為52內(nèi)核8位單片機，兼容Intel等52內(nèi)核單片機，支持ISP下載，適用于常用檢測控制電路。由STC89C52組成的單片機系統(tǒng)原理圖如圖6所示。圖中TRIG引腳為單片機發(fā)送觸發(fā)信號的引腳，ECHO引腳為US-100模塊送回回響信號的引腳，接至單片機外部中斷P3.2腳上，可以利用外部中斷測量回響信號寬度。當測量距離小于閾值20cm時，單片機通過管腳P3.6發(fā)出燈光報警信號，觸發(fā)LED報警燈亮，同時通過管腳P3.7發(fā)出聲音報警信號beep，該信號用以觸發(fā)蜂鳴器鳴響報警。圖6單片機系統(tǒng)及超聲波模塊接口原理圖2.5蜂鳴器報警電路圖7所示為蜂鳴器報警電路。由于單片機管腳的灌電流比拉電流容量大，因此電路設(shè)計為低電平輸出時蜂鳴器響，高電平關(guān)閉。當P3.7腳輸出低電平時，PNP型三極管8550導通，有集電極電流通過，蜂鳴器鳴響。當P3.7腳輸出高電平時，三極管截止，蜂鳴器關(guān)閉。圖7蜂鳴器報警電路2.6顯示電路顯示部分采用SMC1602液晶屏進行數(shù)據(jù)顯示，其主要技術(shù)參數(shù)為：表3液晶屏技術(shù)指標接口信號說明如表4所示。表4液晶屏接口信號說明與單片機接口電路如圖8所示。圖8LCD與單片機接口電路2.7供電及程序下載電路本設(shè)計采用USB接口供電，電源電壓5V。同時，USB接口通過內(nèi)含PL2303芯片的轉(zhuǎn)換電路對單片機進行程序編寫。其電路原理如圖9所示。圖9供電及程序下載電路3軟件編程3.1軟件流程圖本設(shè)計軟件主程序流程圖如圖10所示，(a)為主程序流程圖，(b)為定時中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。(a)主程序流程圖(b)外部中斷流程圖圖10程序流程圖3.2主程序(1)頭文件和一些宏定義/*******************************************************************//*******************超聲波測距儀************************************//*******************(液晶屏顯示)************************************//*******************晶振11.0592MHz********************************/#include<reg52.h>#include"1602.h"typedefunsignedcharU8;/*definedforunsigned8-bitsintegervariable無符號8位整型*/typedefsignedcharS8;/*definedforsigned8-bitsintegervariable有符號8位整型*/typedefunsignedintU16;/*definedforunsigned16-bitsintegervariable無符號16位整型*/typedefsignedintS16;/*definedforsigned16-bitsintegervariable有符號16位整型*/typedefunsignedlongU32;/*definedforunsigned32-bitsintegervariable無符號32位整型*/typedefsignedlongS32;/*definedforsigned32-bitsintegervariable有符號32位整型*/typedeffloatF32;/*singleprecisionfloatingpointvariable(32bits)單精度浮點數(shù)32位長度*/typedefdoubleF64;/*doubleprecisionfloatingpointvariable(64bits)雙精度浮點數(shù)64位*///定時器0的定時值為1mS，即11059/12=922個時鐘脈沖，其補為65536-922=64614#defineSYSTEMCLK921600//11059200/12#defineT0CLK921600//11059200/12#defineT1CLK921600//11059200/12#defineT1PERIOD1000000/921600//T1周期時間，以微秒為單位，約為1.085uS#defineTIMER0H0xFC//64614/256=252#defineTIMER0L0x66//54447%256=102(2)管腳、常量、變量定義和函數(shù)聲明//管腳定義sbitTrig=P1^3;sbitEcho=P3^2;//回波必須接在外部中斷引腳上sbitLedAlarm=P3^6;//報警燈，低電平亮sbitBeep=P3^7;//報警蜂鳴器//定義標志volatilebitFlagSucceed=0;//測量成功標志volatilebitFlagDisplay=0;//顯示標志//定義全局變量U16DisplayCount=0;U16time=0;U32distance=0;//函數(shù)聲明voiddelay_20us();voidStart_Module();voidINT0_Init(void);voidData_Init();voidTimer0_Init();voidTimer1_Init();(3)各子程序//20us延時程序，不一定很準voiddelay_20us(){U16bt;for(bt=0;bt<100;bt++);//8M晶振是100}//數(shù)據(jù)初始化voidData_Init(){}//外部中斷初始化函數(shù)voidINT0_Init(void){IT0=0;//負邊沿觸發(fā)中斷EX0=0;//關(guān)閉外部中斷}//外部中斷處理用做判斷回波電平voidINT0_ISR(void)interrupt0{time=TH1*256+TL1;//取出定時器的值FlagSucceed=1;//置成功測量的標志EX0=0;//關(guān)閉外部中斷}//定時器0初始化，16位定時模式，初始化為1ms中斷一次。voidTimer0_Init(){TMOD=0x11;//定時器0和1工作在16位方式TH0=TIMER0H;TL0=TIMER0L;TR0=1;//啟動定時器ET0=1;//允許定時器0中斷Trig=0;distance=0;DisplayCount=0;}//定時器0中斷,用做顯示計時voidTimer0_ISR(void)interrupt1//定時器0中斷是1號{TH0=TIMER0H;TL0=TIMER0L;DisplayCount++;if(DisplayCount>=1000)//1秒鐘顯示一次{FlagDisplay=1;DisplayCount=0;}}//定時器1初始化，16位計數(shù)模式，時鐘為11059200/12=921600Hz//60ms計數(shù)為55296，即0xD800voidTimer1_Init(){TMOD=0x11;//定時器0和1工作在16位方式}TH1=0;TL1=0;ET1=1;//啟動模塊，Trig管腳20us正脈沖voidStart_Module(){Trig=1;Trig=0;}/*********************************************************************名稱:Main()*功能:主函數(shù)***********************************************************************/voidmain(){U16i,j;EA=0;INT0_Init();Timer0_Init();//定時器0初始化Timer1_Init();//定時器1初始化Data_Init();EA=1;L1602_init();L1602_string(1,1,"Welcometomy");L1602_string(2,1,"distancemeter!");//延時for(i=0;i<1000;i++)//啟動模塊//啟動一次模塊delay_20us();for(j=0;j<1000;j++){;}while(1){EA=0;//以下為一次檢測過程：先發(fā)出Trig電平，打開外部中斷，清零T1，//最后在外部中斷下降沿觸發(fā)時取出T1當前值，計算出Trig脈沖寬度。Start_Module();while(Echo==0);//等待Echo回波引腳變高電平FlagSucceed=0;EX0=1;TH1=0;TL1=0;TF1=0;TR1=1;//啟動定時器1開始計數(shù)EA=1;while(TH1<80);//盲區(qū)TR1=0;//關(guān)閉定時器1EX0=0;//關(guān)閉外部中斷if(FlagSucceed==1)//一次測試成功，則計算距離，單位為厘米{distance=time*1.085;//計算得到脈沖時間（以微秒為單位）//將微秒時間轉(zhuǎn)變成厘米距離的算法：Y米=（X秒*344）/2//X秒=（2*Y米）/344==》X秒=0.0058*Y米==》厘米=微秒/58distance/=58;//如果距離小于20cm，則聲光報警if((FlagSucceed==1)&&(distance<20)){LedAlarm=0;Beep=0;}else{LedAlarm=1;Beep=1;}}if(FlagDisplay==1)//1秒顯示時間到{if(FlagSucceed==0){//LCD提示無回波L1602_string(1,1,"OutOfRange(0-4m)");L1602_string(2,1,"");}else{//LCD顯示數(shù)據(jù)L1602_string(1,1,"DistanceResult:");L1602_string(2,1,"cm");}}L1602_int(2,5,distance);}FlagDisplay=0;}3.3顯示程序/*********************************************************************文件名：液晶1602顯示.c*描述:該程序?qū)崿F(xiàn)了對液晶1602的控制。***********************************************************************/#include"1602.h"#include"math.h"/*********************************************************************名稱:delay()*功能:延時,延時時間大概為140US。*輸入:無*輸出:無***********************************************************************/voiddelay(){;inti,j;for(i=0;i<=10;i++)for(j=0;j<=2;j++)}/*********************************************************************名稱:Convert(ucharIn_Date)*功能:因為電路設(shè)計時，P0.0--P0.7接法剛好與資料中的相反，所以設(shè)計該函數(shù)。*輸入:1602資料上的值*輸出:送到1602的值***********************************************************************/ucharConvert(ucharIn_Date){/*uchari,Out_Date=0,temp=0;for(i=0;i<8;i++){temp=(In_Date>>i)&0x01;Out_Date|=(temp<<(7-i));}returnOut_Date;*/returnIn_Date;}/*********************************************************************名稱:enable(uchardel)*功能:1602命令函數(shù)*輸入:輸入的命令值*輸出:無***********************************************************************/voidenable(uchardel){}/*********************************************************************名稱:write(uchardel)*功能:1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)*輸入:需要寫入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidwrite(uchardel){P0=Convert(del);P0=Convert(del);RS=0;RW=0;E=0;delay();E=1;delay();}RS=1;RW=0;E=0;delay();E=1;delay();/*********************************************************************名稱:L1602_init()*功能:1602初始化*輸入:無*輸出:無***********************************************************************/voidL1602_init(void){enable(0x01);enable(0x38);enable(0x0c);enable(0x06);enable(0xd0);}/*********************************************************************名稱:L1602_char(ucharhang,ucharlie,charsign)*功能:改變液晶中某位的值，如果要讓第一行，第五個字符顯示"b"，調(diào)用該函數(shù)如下L1602_char(1,5,'b')*輸入:行，列，需要輸入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidL1602_char(ucharhang,ucharlie,charsign){}/*********************************************************************名稱:L1602_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p)*功能:改變液晶中某位的值，如果要讓第一行，第五個字符開始顯示"abcdef"，調(diào)用該函數(shù)如下uchara;if(hang==1)a=0x80;if(hang==2)a=0xc0;a=a+lie-1;enable(a);write(sign);L1602_string(1,5,"abcdef;")*輸入:行，列，需要輸入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidL1602_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p){uchara;if(hang==1)a=0x80;if(hang==2)a=0xc0;a=a+lie-1;enable(a);while(1){if(*p=='\0')break;write(*p);p++;}}//顯示整型的溫濕度數(shù)據(jù)用，共占用4位，其中一位符號位voidL1602_int(ucharhang,ucharlie,intnum){uinttemp;uintgewei,shiwei,baiwei,sign;if(num>=0){sign=0;}else{sign=1;}temp=abs(num);baiwei=temp/100;temp=temp-baiwei*100;shiwei=temp/10;gewei=temp-shiwei*10;num=a