單片機課程設計-超聲波測距

1、<p><b>　　單片機課程設計</b></p><p>　　課題： 超聲波測距</p><p>　　系 別： 電氣與電子工程系</p><p>　　專 業(yè)： 電子信息工程</p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號：

2、 </p><p>　　2011年12 月 28 日</p><p><b>　　成績評定·</b></p><p>　　一、指導教師評語（根據學生設計報告質量、答辯情況及其平時表現綜合評定）。</p><p><b>　　二、評分</b></p><p><

3、;b>　　課程設計成績評定</b></p><p><b>　　一、設計目的</b></p><p>　　由于超聲測距是一種非接觸檢測技術，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農業(yè)用水、環(huán)保

4、檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進行距離準確度在線標定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進行差值設定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標要求。由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車雷達的

5、研制方面也得到了廣泛的應用</p><p><b>　　二、設計要求</b></p><p>　　1、設計一個超聲波測距器，用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現場的位置控制；</p><p>　　2、要求測量范圍在0.10~4.00米，測量精度1厘米，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果。</p><p

6、><b>　　三、總體設計</b></p><p>　　3.1 超聲波測距的基本原理</p><p>　　諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉化為機械能、又可以把機械能轉化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵下可將

7、電能轉換為機械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當換能器處在接收狀態(tài)時，它可將聲能(機械能)轉換為電能。</p><p>　　3.1.1 超聲波發(fā)生器 </p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣

8、流旋笛等。它們所產生 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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 </p><p>　　3.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 </p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信 號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)

9、生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波 時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。</p><p>　　圖１超聲波換能器內部結構圖</p><p>　　3.1.3超聲波測距原理 </p><p>　　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，超聲波在空氣中傳播，途

10、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。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2</p><p>　　最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。

11、超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 </p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關。在使用時，如果傳播介質溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法對測量結果加以數值校正。聲速確定后，</p><p>　　只要

12、測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖3-1所示：</p><p>　　超聲波發(fā)射 障礙物</p><p><b>　　S</b></p><p><b>　　H</b></p><p><b>　

13、　θ</b></p><p><b>　　超聲波接收</b></p><p>　　圖1 超聲波的測距原理</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中:L---兩探頭

14、之間中心距離的一半.</p><p>　　又知道超聲波傳播的距離為:</p><p><b>　　( 3-3)</b></p><p>　　式中:v—超聲波在介質中的傳播速度;</p><p>　　t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.</p><p>　　將（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得

15、：</p><p><b>　　( 3-4)</b></p><p>　　其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(例如在溫度T=30度時,V=349m/s);當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(3—4)變?yōu)?lt;/p><p><b>　　( 3-5) </b></p><p>　　所以,只要

16、需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.</p><p>　　３.２超聲波測距器的系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖３超聲波測距器的系統(tǒng)框圖</p><p><b>　?。?３主程序框圖</b></p><p><b>　　圖４主程序框圖</b></p><p>

17、<b>　　四、各部分電路設計</b></p><p>　?。?１超聲波發(fā)射電路</p><p><b>　　圖５超聲波發(fā)射電路</b></p><p>　　超聲波發(fā)射電路主要由反向器74ＨＣ０４和超聲波發(fā)射換能器ＬＳ１構成，如圖7所示。圖中ＬＳ１為超聲波發(fā)射器。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上拉電阻R2，R

18、3一方面可以提高反向器74ＨＣ０４輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。</p><p>　　工作時，單片機的定時器T0產生信號，從P1.3端口輸出，一路經過一級反向器后送到超聲波發(fā)射器ＬＳ１的一個電極，另一路經過兩極反向器后送到超聲波發(fā)射器ＬＳ１的另一個電極，從而將40 KHz電脈沖信號加到超聲波發(fā)射器ＬＳ１，使ＬＳ１發(fā)射超聲波。</p><p&

19、gt;　　電路采用推挽形式，向超聲波發(fā)射器ＬＳ１提供電脈沖信號，可以提高超聲波的發(fā)射強度。</p><p>　?。?２超聲波接收電路</p><p><b>　　圖６超聲波接收電路</b></p><p>　　超聲波接收電路主要由超聲波接收換能器ＬＳ２和超聲波檢測接收模塊構成，如圖8所示。圖中ＬＳ２為超聲波接收器。U２是超聲波檢測接收模塊，設計

20、時選用了紅外線檢波接收專用集成電路芯片ＨＤ７４ＨＣＯ４Ｐ。電路中設置的電容C２，適當更改其大小，可以改變接收電路的抗干擾能力；適當改變電路中的電容C４，可改變電路的靈敏度。</p><p>　?。?３數碼管顯示電路</p><p><b>　　圖７數碼管顯示電路</b></p><p>　　顯示電路采用LED數碼管顯示。LED數碼管顯示有靜態(tài)顯

21、示方式和動態(tài)顯示方式，本系統(tǒng)采用并行輸出的動態(tài)顯示方式。</p><p><b>　?。?）動態(tài)顯示原理</b></p><p>　　七段LED顯示器由8個發(fā)光二極管組成，通常構成字形“日”，其中有一個發(fā)光二極管用來顯示小數點。各段LED顯示器由驅動電路驅動，控制相應的二極管導通，相應的一個筆畫或一個點就發(fā)光，由此就能顯示出對應字符。通常將各段發(fā)光二極管的陰極或陽極連

22、在一起作為公共端；將各段發(fā)光二極管陽極連在一起的叫共陽極顯示器，用低電平驅動；將陰極連在一起的叫共陰極顯示器，用高電平驅動。</p><p>　?。?４單片機最小系統(tǒng)</p><p><b>　　圖８單片機最小系統(tǒng)</b></p><p>　　單片機最小系統(tǒng)是單片機能正常工作的最小外接電路單元，是設計電路的核心部分，也是整個作品最關鍵的最重要的

23、部分。單片機最小系統(tǒng)包括：復位電路、晶振電路</p><p><b>　　五、整體電路圖</b></p><p><b>　　圖９整體電路圖</b></p><p><b>　　六、設計總結</b></p><p>　　由于是第一次做實物，剛看到題目覺得無從下手。后來請教一下同

24、學，又上網搜了一些資料，開始靜下心來，按照步驟開始做課程設計，先是按照功能需要設計原理圖，同時上網搜了一些程序做參考，然后按照需求，結合課本來編寫程序。然后做仿真，這之中出現了很多錯誤，經過多次請教與修改才仿真成功。仿真成功后，按照要求做出了ＰＣＢ圖。接下開始焊接電路板，本來以為是很簡單的事，真正去做的時候才發(fā)現它的困難，好不容易焊好后發(fā)現竟然不能用，原來是焊錫用多了，有個地方短路了，經過修改，終于能夠顯示出數據了，過了一天再去測試的時

25、候竟然數據不會動了，多次檢查發(fā)現原來是電池老化，用電壓表測，發(fā)現只有３.９Ｖ。重新?lián)Q上電池才能正常工作，電壓不穩(wěn)定也成了這個設備的一個缺點，如果條件允許，改成ｕｓｂ穩(wěn)定供電的效果會比較好，總之在老師和同學們的幫助下，又翻閱大量的資料，終于完成了我的課程設計。通過這次的課程設計在很大程度上提高了我的動手能力，加深了我對理論知識的理解和應用。</p><p><b>　　參考文獻</b><

26、/p><p>　　（1）單片機原理及應用 楊恢先 黃輝先主編 人民郵電出版社</p><p><b>　　附：部分源程序</b></p><p>　　/*--------------------------------------</p><p>　　MCU AT89C52 XAL 12MHz</p>&

27、lt;p>　　--------------------------------------*/</p><p>　　#include <reg52.h></p><p>　　#include<intrins.h></p><p>　　#include <delayus.h></p><p>　　#de

28、fine uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define ulong unsigned long</p><p>　　bit symbol;</p><p>　　uchar dispbit[13]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0

29、x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x00,0xff,0x7f};</p><p>　　uchar scanbit[4]={0xfe,0xfd,0xfb,0xf7};</p><p>　　sbit transmit=P3^3; </p><p>　　data uchar testok;</p><p>　　voi

30、d display(uchar *temp)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　for(i=0;i<4;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>

31、;　　if(i==2&&symbol==1)</p><p>　　P0=dispbit[*temp]&0x7f;</p><p>　　else P0=dispbit[*temp];</p><p>　　P2=scanbit[i];</p><p>　　delayus(200);</p><p>

32、<b>　　temp++;</b></p><p><b>　　P0=0xff;</b></p><p><b>　　P2=0xff;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p

33、><p>　　void cs_t()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　transmit=1;</p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p

34、>　　TL0=0; </p><p><b>　　TR0=1;</b></p><p>　　for(i=0;i<6;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p&g

35、t;<b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_()

36、;</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p><b>　　_nop_();</b></p><p>　　transmit=~transmit;</p><p

37、><b>　　}</b></p><p>　　transmit=1; </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　/</b></p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　

38、{</b></p><p>　　uchar data dispram[5]={0x0a,0x0a,0x0a,0x0a,0x0a};</p><p>　　data uint i;</p><p>　　data ulong time;</p><p>　　data ulong_temp;</p><p><

39、;b>　　symbol=0;</b></p><p>　　P0 = 0xff;</p><p><b>　　P2=0xff;</b></p><p>　　TMOD = 0x11;</p><p>　　IE = 0x80; </p><p><b>　　wh

40、ile (1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　cs_t();</b></p><p>　　delayus(10);</p><p>　　testok = 0;</p><p><b>　　EX0 = 1;&l

41、t;/b></p><p><b>　　ET0 = 1;</b></p><p>　　while (!testok) display(dispram);</p><p>　　if ( testok==1 )</p><p><b>　　{</b></p><p>　　t

42、ime = TH0;</p><p>　　time = (time<<8) | TL0;</p><p>　　time *=174;</p><p>　　time /= 10000;</p><p>　　dispram[0] = (uchar) (time % 10);</p><p>　　time /=

43、10;</p><p>　　dispram[1] = (uchar) (time % 10);</p><p>　　time /= 10;</p><p>　　dispram[2] = (uchar) (time % 10);</p><p>　　dispram[3] = (uchar) (time / 10);</p><

44、;p>　　if((dispram[2]!=0)|(dispram[3]!=0))symbol=1;</p><p>　　else symbol=0;</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b&g

45、t;</p><p>　　dispram[0] = 10;</p><p>　　dispram[1] = 10;</p><p>　　dispram[2] = 10;</p><p>　　dispram[3] = 10;</p><p><b>　　}</b></p><p&g

46、t;　　for (i=0; i<10; i++) display(dispram);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　//</b></p><p>　　void cs_r(void) interr

47、upt 0</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR0 = 0;</b></p><p><b>　　ET0 = 0;</b></p><p><b>　　EX0 = 0;</b></p><p>　

48、　testok = 1;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void overtime(void) interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　EX0 = 0;</b></p><p&