基于單片機(jī)的超聲波體檢機(jī)課程設(shè)計(jì)論文

1、<p><b>　　XX大學(xué)</b></p><p>　　《單片機(jī)原理與應(yīng)用》</p><p><b>　　課程論文</b></p><p>　　2012 年 6 月 17 日</p><p><b>　　一、需求分析</b></p><

2、;p>　　1、需求：設(shè)計(jì)一款體檢機(jī)，通過超聲的原理測(cè)量人的身高，同時(shí)通過別的傳感器來測(cè)量人的體重。測(cè)量得到的結(jié)果一方面顯示在顯示屏上，另一方面通過串口或者無線以一定的數(shù)據(jù)格式發(fā)送到中心 PC 機(jī)上。</p><p>　　2、分析：所設(shè)計(jì)的體檢計(jì)要求能夠完成四項(xiàng)基本任務(wù)：</p><p><b>　?、贉y(cè)量身高</b></p><p>&l

3、t;b>　　②測(cè)量體重</b></p><p>　?、墼陲@示屏上顯示測(cè)量結(jié)果</p><p>　　④將測(cè)量結(jié)果發(fā)送給PC</p><p><b>　　二、概要設(shè)計(jì) </b></p><p>　　本設(shè)計(jì)大致可分為四個(gè)模塊:</p><p>　?。?）鍵盤控制模塊，用來發(fā)送啟動(dòng)，終止

4、等控制命令</p><p>　?。?）超聲波測(cè)距模塊,用來測(cè)量身高</p><p>　?。?）壓力測(cè)量模塊,用來測(cè)量體重</p><p>　?。?）LED顯示模塊,用來顯示身高和體重</p><p>　　整體方案如下圖所示：</p><p><b>　　三、硬件設(shè)計(jì)</b></p>

5、<p><b>　　1、超聲波測(cè)距模塊</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用AT89C52單片機(jī)作為主控制器，超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)需要的40 kHz脈沖由單片機(jī)P0．0發(fā)出，使用定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，使用DS18B20作為溫度傳感器進(jìn)行溫度校正。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理圖如下圖所示。</p><p>　　超聲波在不同

6、環(huán)境溫度下傳播速度不同，如忽略溫度影響，將影響最終測(cè)量精度。本文介紹的超聲波測(cè)距測(cè)距方法采用渡越時(shí)間檢測(cè)法，使用了DS18B20溫度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)溫度進(jìn)行檢測(cè)，并通過軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)波速的溫度補(bǔ)償，消除了溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，使測(cè)量誤差降低。</p><p>　?。?）超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，單片機(jī)的P0．0端口直接發(fā)送40 kHz的信號(hào)

7、，使用9012三極管做為驅(qū)動(dòng)放大，驅(qū)動(dòng)壓電晶片超聲波換能器產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)射電路如圖3所示。超聲波發(fā)射子程序的流程是，發(fā)射時(shí)首先裝填計(jì)時(shí)器，并且開始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波發(fā)射完畢時(shí)，定時(shí)器計(jì)時(shí)完畢，并且重新裝填等待下次發(fā)射。</p><p>　?。?）超聲波接收電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片CX20106A，因?yàn)樗幚淼氖?8 kHz的紅外信號(hào)，而40 kH

8、z的超聲波信號(hào)和它比較接近，并且CX20106A芯片具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這個(gè)芯片的外圍電路很簡(jiǎn)單而且通過外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗干擾能力。 經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)用單片機(jī)發(fā)40 kHz信號(hào)與使用CX20106A的電路搭配更加簡(jiǎn)單合理，使得時(shí)間的計(jì)算更為精確。</p><p>　　（3）溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)

9、中，選擇使用溫度芯片DS18B20作為溫度傳感器。DS18B20支持“一線總線”接口，測(cè)量溫度范圍為-55～125℃，在-10～85℃范圍內(nèi)，精度為±0．5℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量。DS18B20引腳說明如下所示。 </p><p>　　DS18B20是在一根I／O線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。

10、DS18B20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)的時(shí)序：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。</p><p>　　溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)如圖6所示，數(shù)據(jù)輸入／輸出腳連接到單片機(jī)的P0．1腳，電源接口接入+5 V的電壓，外加5．6 kΩ的上拉電阻，因?yàn)镈S18B20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，如果DS18B20沒接電源，則需要數(shù)據(jù)線強(qiáng)上拉，給DS18B20供電；如果DS18B20

11、接有電源，則需要一個(gè)上拉即可穩(wěn)定的工作。由于DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，檢測(cè)的溫度值在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度測(cè)量結(jié)果直接以數(shù)字信號(hào)輸出，單片機(jī)對(duì)由DS18B20輸出的信號(hào)進(jìn)行讀取，經(jīng)過軟件對(duì)溫度數(shù)字值實(shí)現(xiàn)處理。</p><p><b>　?。?）主電路原理圖</b></p><p>　　該系統(tǒng)主電路原理

12、圖如圖7所示，單片機(jī)采用89C52系列，單片機(jī)使用外部時(shí)鐘源，外接6MHZ的晶振，由P0．0口直接輸出40 KHZ的驅(qū)動(dòng)信號(hào)給放大電路。接收到回波后，經(jīng)由CX20106的濾波，產(chǎn)生中斷信號(hào)，并由p3．2口輸出進(jìn)行中斷。 </p><p>　　2、壓力感應(yīng)測(cè)量模塊</p><p>　　壓力傳感器的工作原理，本質(zhì)上是惠斯通電橋，這里采用的是最常見的電阻應(yīng)變片式的壓力傳感器。它得到廣泛

13、應(yīng)用的原因是溫度特性好，減小溫度變化帶來的誤差。膜片上的壓力使得電橋不平衡，從而產(chǎn)生一個(gè)差動(dòng)的輸出信號(hào)，這種結(jié)構(gòu)的基本特性之一是它的差動(dòng)輸出電壓U與偏置電壓U成正比關(guān)系，這種關(guān)系隱含壓力測(cè)量精度直接決定偏置電源的容限值，當(dāng)四個(gè)橋臂電阻達(dá)到相應(yīng)的關(guān)系時(shí)，電橋輸出為零，或則就有電壓輸出同時(shí)，它也能提供一種溫度補(bǔ)償最通用的方法。本實(shí)驗(yàn)研究壓力傳感器電路如圖4.1.1所示，為壓力傳感器的電路，其由三部分組成（1）電源電路部分；（2）電橋電路部分

14、；（3）放大電路部分。</p><p>　　（2）A/D轉(zhuǎn)化電路</p><p>　　這里我們選用逐次逼近型，即ADC0809。它由單一+5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可對(duì)0V—5V的輸入模擬電壓信號(hào)分分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100。片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼器和鎖存電路、高阻抗斬波器、穩(wěn)定的比較器，256R電阻T型網(wǎng)絡(luò)和樹狀電子開關(guān)以及逐次逼近寄存器。輸出具有T

15、TL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接接到單片機(jī)數(shù)據(jù)總線上。通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，ADC0809可對(duì)0V—5V的雙極性模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。 </p><p>　　實(shí)驗(yàn)電路及接線如下圖示 ：</p><p><b>　　接線框圖</b></p><p><b>　　3、LED顯示模塊</b></p><p>　　從L

16、ED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)可以看出，不同筆段的組合就可以構(gòu)成不同的字符， 例如當(dāng)筆段a、b、c、d、e、f被點(diǎn)亮?xí)r，就可以顯示數(shù)字“0”；又如筆段a、b、c、d、g被點(diǎn)亮就顯示數(shù)字“3”。理論上，七個(gè)筆段可以顯示128種不同的字符。</p><p>　　依據(jù)顯示驅(qū)動(dòng)方式的不同，可將LED數(shù)碼顯示電路分為靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。下圖為由P1口輸出的LED動(dòng)態(tài)顯示接口電路 </p><p>　　在動(dòng)態(tài)

17、顯示方式中，各顯示位筆段引腳a～dp并聯(lián)在一起，共用一個(gè)筆段代碼鎖存器 (由于單片機(jī)I/O口、I/O擴(kuò)展電路，如8155、8255等大多具有輸出鎖存功能，因而往往不再需要筆段代碼鎖存器)、筆段譯碼器(采用軟件譯碼時(shí)，不需要譯碼器)及驅(qū)動(dòng)器；為了控制各LED數(shù)碼管輪流工作，各顯示位的公共端與位譯碼(采用軟件譯碼時(shí)，不需要)、鎖存、驅(qū)動(dòng)電路相連。這樣即可依次輸出每一顯示位的筆段代碼和位掃描碼，輪流點(diǎn)亮各LED數(shù)碼顯示管，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示目的?？?/p>

18、見，在動(dòng)態(tài)顯示方式中，僅需要一個(gè)筆段代碼鎖存、驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)位掃描碼鎖存、驅(qū)動(dòng)器，且硬件開銷少。 </p><p>　　四、軟件系統(tǒng)流程以及程序的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　1、主程序流程圖</b></p><p>　　主程序主要負(fù)責(zé)在接收到啟動(dòng)命令后調(diào)用各個(gè)模塊的功能</p><p><b>　　2、超聲

19、波測(cè)距模塊</b></p><p>　　首先是初始化，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器。并由P0.0腳發(fā)出40KHZ的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)打開INT0中斷，并且開始等待接收到的回波和中斷信號(hào)，若接收到回波(單片機(jī)接收到中斷信號(hào))，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，保存時(shí)間信息，并且根據(jù)溫度補(bǔ)償計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境下的聲速，計(jì)算出當(dāng)前待測(cè)距離后儲(chǔ)存，并調(diào)用顯示子程序。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式傳送到LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。&

20、lt;/p><p><b>　　3、壓力測(cè)量模塊</b></p><p><b>　　4、LED顯示</b></p><p><b>　　5、源程序（部分）</b></p><p>　　;超聲波接受程序（外部中斷0中斷處理）：</p><p><b&g

21、t;　　PUSH PSW</b></p><p><b>　　CLR TR0</b></p><p><b>　　CLR ET0</b></p><p><b>　　CLR EX0</b></p><p>　　MOV TESTOK,1 ;表示接受成功</p

22、><p><b>　　POP PSW</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p>　　;超時(shí)清除程序（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0中斷處理子程序）</p><p><b>　　PUSH PSW</b></p><p><b>　　C

23、LR EX0</b></p><p><b>　　CLR TR0</b></p><p><b>　　CLR ET0</b></p><p>　　MOV TESTOK,1 ;接受超時(shí)</p><p><b>　　POP PSW</b></p>

24、<p><b>　　RETI</b></p><p>　　;讀取AD轉(zhuǎn)換結(jié)果：</p><p>　　Read ADC0809:</p><p>　　MOV DPTR, #ADC0809</p><p>　　MOV A, #0</p><p>　　MOVX @DPTR, A

25、 ; 啟動(dòng) A/D</p><p>　　MOV A, #40H</p><p>　　DJNZ ACC, $ ; 延時(shí) > 100us</p><p>　　MOVX Ａ, @DPTR ; 讀入結(jié)果</p><p>　　MOV ADResult,A</p><p><b>　　R

26、ET</b></p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社.2003</p><p>　　[2]孟立凡、藍(lán)金輝.傳感器原理與應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社.2001</p><p>　　[3]張毅剛、彭喜元.新編MCS-51單片機(jī)