超聲波回聲測(cè)距系統(tǒng)-單片機(jī)課程設(shè)計(jì)

等級(jí):等級(jí):湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)課程名稱單片機(jī)原理及應(yīng)用課題名稱超聲波測(cè)距系統(tǒng)專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)電氣工程班學(xué)號(hào)姓名指導(dǎo)老師年月日湖南工程學(xué)院應(yīng)用技術(shù)學(xué)院課程設(shè)計(jì)任務(wù)書課題名稱超聲波測(cè)距系統(tǒng)姓名專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)電氣工程班學(xué)號(hào)指導(dǎo)老師課程設(shè)計(jì)時(shí)間年月日-年月日教研室意見意見：審核人：一、任務(wù)及要求（1）確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案；（2）進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)；（3）完成應(yīng)用程序設(shè)計(jì)；(4)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件和軟件的調(diào)試。二、進(jìn)度安排第一周：周一：集中布置課程設(shè)計(jì)任務(wù)和相關(guān)事宜，查資料確定系統(tǒng)總體方案。周二～周三：完成硬件設(shè)計(jì)和電路連接周四～周日：完成軟件設(shè)計(jì)第二周：周一～周三：程序調(diào)試周四～周五：設(shè)計(jì)報(bào)告撰寫。周五進(jìn)行答辯和設(shè)計(jì)結(jié)果檢查。三、參考資料1、王迎旭等.單片機(jī)原理及及應(yīng)用.2版.機(jī)械工業(yè)出版社，20122、胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù).3版.清華大學(xué)出版社，2010.3、戴燦金.51單片機(jī)及其C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)開發(fā)實(shí)例.清華大學(xué)出版社，2010目錄第1章 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 11. 設(shè)計(jì)要求 12. 超聲波測(cè)距原理 13. 整體設(shè)計(jì) 1第2章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 2第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 31. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 32. 系統(tǒng)電路圖 31) 單片機(jī) 32) 接受電路 43) 發(fā)射電路 44) 數(shù)碼管顯示 43. 系統(tǒng)硬件實(shí)物圖 5第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 61. 系統(tǒng)軟件介紹 62. 軟件使用 61) 新建工程 62) 編輯工程和編譯 93) 燒錄程序 9第5章 系統(tǒng)調(diào)試與仿真 101. 硬件調(diào)試 102. 軟件調(diào)試 103. 整體調(diào)試 10總結(jié) 11附錄A52/AVR原理圖 12附錄B程序清單 13設(shè)計(jì)任務(wù)及要求設(shè)計(jì)要求運(yùn)用超聲波的測(cè)距功能，利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，要求測(cè)量的距離顯示在數(shù)碼管上，并將數(shù)據(jù)傳回串口。超聲波測(cè)距原理通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離了。這與雷達(dá)測(cè)距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(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返回來(lái)，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340m/s，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(s)，即：s=340t/2）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(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波本時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲波接收器。在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致有以下方法：①取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(其幅值基本固定)與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；②測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，故被測(cè)距離為S=1／2vt。本測(cè)量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。整體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用以8052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)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序，預(yù)置子程序，發(fā)射子程序，接受子程序和顯示子程序組成，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)樂各個(gè)功能模塊。系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)1．系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于超聲波測(cè)距的系統(tǒng)，如下框圖2-1，包括主程序，預(yù)置子程序，發(fā)射子程序，接受子程序和顯示子程序組成，功能實(shí)現(xiàn)如圖所示。開始開始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波發(fā)送超聲波定時(shí)器計(jì)時(shí)定時(shí)器計(jì)時(shí)超出范圍超出范圍 是 否接受超聲波接受超聲波計(jì)算計(jì)算結(jié)束結(jié)束圖2-1系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)8052為控制核心，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的基本測(cè)量功能。超聲波硬件框圖如圖3-1所示單單片機(jī)接受電路接受電路數(shù)碼管顯數(shù)碼管顯示發(fā)射電路發(fā)射電路電電源按鍵控制按鍵控制圖3-1系統(tǒng)電路圖單片機(jī)圖3-2接受電路圖3-3發(fā)射電路圖3-4數(shù)碼管顯示圖3-5系統(tǒng)硬件實(shí)物圖STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率35Mhz，6T/12T可選。單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十。高級(jí)的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。如圖3-6所示，為89c52硬件開發(fā)板事物電路圖，其中包括單片機(jī)芯片、LED指示燈、數(shù)碼顯示管、蜂鳴器、按鍵、輸入輸出接口、串行接口等。圖3-6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件介紹keilKeilC51是美國(guó)KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語(yǔ)言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。軟件使用新建工程如圖4-1所示，先打開keilKeilC51軟件，點(diǎn)擊“project”新建一個(gè)工程。圖4-1新建工程后，需要建一個(gè)文件夾保存文件，如圖4-2所示。圖4-2新建文件夾保存文件后，選擇使用的單片機(jī)89c52，如圖4-3所示。圖4-3然后新建一個(gè)文件，保存后，將文件添加到“SourceGroup1”,如圖4-4所示。圖4-4接下來(lái)就可以編輯程序，如圖4-5所示。圖4-5編輯工程和編譯在進(jìn)行前期的準(zhǔn)備工作后，就可以進(jìn)行編輯工程，敲入代碼，完成對(duì)工程的編輯。按照模塊進(jìn)行編輯，方便省事。在編輯主函數(shù)時(shí)，要申明子函數(shù)的調(diào)用，對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行合理調(diào)用。工程編輯完成后，就可以對(duì)文件編譯運(yùn)行，按照軟件提醒，對(duì)工程進(jìn)行修改，逐一查找問題所在并進(jìn)行修改，直至程序無(wú)警告如圖4-6所示。還要對(duì)程序進(jìn)行反復(fù)查找，分別對(duì)主函數(shù)調(diào)用子程序以及函數(shù)間的邏輯進(jìn)行核查。完成工程。圖4-6燒錄程序編輯完成程序后，就可以將程序經(jīng)STC燒錄到單片機(jī)中，如圖4-7所示。圖4-8系統(tǒng)調(diào)試與仿真在系統(tǒng)的調(diào)試過程中更應(yīng)該重視調(diào)試方法，這一點(diǎn)對(duì)于一個(gè)漏洞很多或者錯(cuò)誤很隱蔽的系統(tǒng)尤其重要。不重視調(diào)試方法很有可能導(dǎo)致在出現(xiàn)問題的時(shí)候不知道從何處下手。調(diào)試過程最能考驗(yàn)一個(gè)人對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的了解程度、知識(shí)的廣度、分析問題的能力與耐性。軟件的調(diào)試步驟與硬件的調(diào)試步驟是不同的，但所遵循的原則是一樣的，都是從整體到局部再到整體。具體說(shuō)來(lái)，首先是從整體上把握這個(gè)系統(tǒng)，弄清楚系統(tǒng)各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)以及模塊之間的聯(lián)系，找出容易出錯(cuò)的地方和相應(yīng)測(cè)試點(diǎn)；然后對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，觀察其工作情況，盡早排除模塊內(nèi)部的問題。最后將模塊連接起來(lái)進(jìn)行整機(jī)調(diào)試，這時(shí)出現(xiàn)的問題大多是模塊之間的接口（如硬件中的負(fù)載效應(yīng)，軟件中的參數(shù)傳遞）不匹配或者是由于模塊的獨(dú)立性不高資源沖突造成的。硬件調(diào)試對(duì)于軟硬件互相結(jié)合的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要想實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，首先就要建立一個(gè)無(wú)錯(cuò)的硬件系統(tǒng)。（1）在電氣部分設(shè)計(jì)過程中，盡可能將設(shè)計(jì)好的每一個(gè)電路模塊在面包板上進(jìn)行電模擬，觀察其功能實(shí)現(xiàn)情況，測(cè)量關(guān)鍵點(diǎn)的電壓值，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果適當(dāng)修改電路參數(shù)，使其達(dá)到期望的結(jié)果輸出。（2）調(diào)試超聲波發(fā)射傳感器有無(wú)信號(hào)輸出。先用示波器觀察單片機(jī)P1.0口是否輸出40KHz的方波信號(hào)，再觀察超聲波發(fā)射傳感器兩端的信號(hào)是否是40KHz的方波信號(hào)，并且觀察是否有失真。如果信號(hào)正常則表示發(fā)射電路良好。（3）接收電路的檢測(cè)。首先把接收傳感器和發(fā)射傳感器對(duì)接，用示波器觀察超聲波接收器兩端是否有方波，然后使它們之間有一定的距離，如果仍然可以接收到信號(hào)，則把超聲波接收傳感器安放在電路板上。測(cè)試線路連接正常后，再用示波器觀察接收傳感器兩端是否有信號(hào)。軟件調(diào)試編寫程序，進(jìn)行語(yǔ)法檢查和邏輯檢查使其能夠通過編譯。在這個(gè)過程中，建議不要放過任何一個(gè)警告信息。找到一個(gè)切入點(diǎn)。對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，為了能夠看到程序的運(yùn)行情況，最好的方法就是首先加載顯示程序，這就是軟件加載的切入點(diǎn)。因?yàn)?，做好顯示程序之后，我們就可以通過顯示器對(duì)程序運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控。然后將各個(gè)功能模塊按照邏輯關(guān)系順序逐個(gè)加載，加載一個(gè)測(cè)試一次?？梢酝ㄟ^添加賦值和顯示語(yǔ)句來(lái)觀察程序執(zhí)行情況。實(shí)驗(yàn)證明，在一個(gè)簡(jiǎn)單的人機(jī)接口程序的基礎(chǔ)上擴(kuò)展的方法是一種很好的方法，尤其對(duì)于復(fù)雜的程序，這一點(diǎn)尤為重要。整體調(diào)試當(dāng)把靜態(tài)顯示程序的軟硬件調(diào)好之后，加入40KHz的方波信號(hào)定時(shí)中斷程序，編譯連接生成.hex文件后，用示波器測(cè)P1.0口的輸出波形，是否為所需要頻率的波形。直至P1.0有所需要的波形為止。接著把速度和距離計(jì)算程序以及其他子程序逐個(gè)調(diào)好之后，再把所有的程序與硬件電路進(jìn)行聯(lián)調(diào)，直至沒問題為止。到此，整體調(diào)試完畢?？偨Y(jié)超聲波方法作為非接觸測(cè)量，已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)在空氣中測(cè)量范圍為超聲波能夠被反射回來(lái)，0-4米左右，測(cè)量時(shí)要求被測(cè)表面比較光滑平坦，確保并被探頭接收。在實(shí)驗(yàn)中，對(duì)4-40cm范圍進(jìn)行測(cè)量，經(jīng)誤差補(bǔ)償后最大誤差達(dá)2cm。線性度，穩(wěn)定性和重復(fù)性都比較好。另外本系統(tǒng)采用了新型振動(dòng)模式超聲波探頭、抗干擾電路、單片機(jī)系統(tǒng)以及合理軟件算法，使得本系統(tǒng)與其他儀器比較，具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)：1.采用了國(guó)產(chǎn)的超聲波空氣傳感器作探頭，體積小，靈敏度高，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，轉(zhuǎn)換效率也比較高。2.發(fā)射探頭的頻率信號(hào)來(lái)自單片機(jī)系統(tǒng)，準(zhǔn)確穩(wěn)定可靠，而且可以隨時(shí)通過軟件編程改變頻率，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)發(fā)射探頭。3.接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過放大和濾波電路，噪音干擾得到抑制，防止誤動(dòng)作，提高了可靠性。4.采用了單片機(jī)，使系統(tǒng)體積小，重量輕，加強(qiáng)了靈活性和可靠性，修改調(diào)試定標(biāo)都方便。5.系統(tǒng)軟件中采用合理算法，提高了精度，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)誤差修正。6.采用非接觸式測(cè)量方式，不影響被測(cè)表面，對(duì)比較光滑表面均可測(cè)量，應(yīng)用范圍廣。經(jīng)過在這幾個(gè)月畢業(yè)設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)和工作中，遇到了很多困難，導(dǎo)師的精心指導(dǎo)和培養(yǎng)使我在各個(gè)方面都受益非淺，在分析問題、解決問題及獨(dú)立工作的能力有了很大的提高。在此期間，老師提出了很多有益的建議并給予我很大幫助。在本文的課題研究及寫作過程中，也給予了大力支持。附錄A52/AVR原理圖圖附-1圖附-2附錄B程序清單#include<reg52.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint sbitTx=P2^7; sbitEx=P3^2; uintflag; uchartimeH,timeL;voiddelay_ms(ucharz)//延時(shí)函數(shù){uintx,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=120;y>0;y--);}voiddigital(uintx)//顯示函數(shù){ uinta,b,c; ucharnum[]={0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; a=x%10; b=(x/10)%10; c=x/100; { P0=num[a]; P1=0x01; delay_ms(3); P0=num[b]; P1=0x02; delay_ms(3); P0=num[c]; P1=0x04; delay_ms(3); }}voidmain()//主函數(shù){uintdistance,time;Tx=0;EA=1;TMOD=0x10;while(1){EA=0;Tx=1;delay_ms(1);Tx=0;while(Ex==0);flag=0;EA=1;EX0=1;TH1=0;TL1=0;TF1=0;TR1=1;delay_ms(20);TR1=0;EX0=0;if(flag==1)//距離計(jì)算{time=timeH*256