基于單片機的超聲波測距課程設計報告

1、<p><b>　　課程設計說明書</b></p><p>　　題 目：超聲波測距 </p><p>　　院 （系）：電子工程與自動化 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　學生姓名： </p><p>

2、;　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　2011 年 11 月 7 日</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　一、緒論</b></p><p>　　二、對

3、本課程的設計分析</p><p>　　2.1 總體設計方案介紹</p><p>　　2.1.1 超聲波測距原理 </p><p>　　2.1.2 超聲波測距原理框圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)硬件設計方案</p><p>　　2.2.1 51系列單片機的功能特點及測距原理</p><p>

4、;　　2.2.1.1 51系列單片機的功能特點</p><p>　　2.2.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理 </p><p>　　三、主要電路模塊的實現(xiàn)方案比較及選擇</p><p>　　3.1 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.2 超聲波檢測接收電路</p><p>　　3.3 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計<

5、;/p><p>　　3.4 系統(tǒng)電路圖及其PCB圖</p><p><b>　　四、系統(tǒng)的軟件設計</b></p><p>　　4.1 主程序流程圖</p><p>　　4.2超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序</p><p>　　五、測試數(shù)據(jù)以及結論</p><p>　　六

6、、課程設計過程中遇到的主要問題以及解決辦法</p><p><b>　　七、心得體會</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　隨著社會的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。超聲波測距由于其能進行非接觸測量和相對較高的精度，越來越受到人們的重視。超聲波測距離的一個最重要的功能就是作用于倒車

7、系統(tǒng)上。要實現(xiàn)倒車系統(tǒng)的準確精度，就得把超聲波和單片機相結合，利用單片機的控制系統(tǒng)和精確的運算使超聲波測距離更加快速和精確。從而，減少事故的發(fā)生。通過該實驗學習利用單片機和超聲波探測元件測試距離的基本方法，進一步熟悉單片機定時器技術、中斷技術在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理過程中的綜合運用方法，提高綜合應用程序的編程方法與技巧。</p><p>　　發(fā)射器發(fā)出的40KHz超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回

8、，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。</p><p>　　報告內容包括：單片機控制主程序、中斷子程序、延時子程序和超聲波發(fā)射、接收電路、數(shù)碼管驅動顯示電路以及主電路。</p><p>　　二、對本課程設計的分析</p><p>　　2.1總體設計方案介紹</p><p>　　2.1.1超聲波測距原理</

9、p><p>　　發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關，下表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。</p><p>　　表1-1 超聲波波速與溫度的關系表</p><p><b>

10、;　　表1-1</b></p><p>　　2.1.2超聲波測距儀原理框圖如下圖</p><p>　　采用AT89s52單片機，晶振：12MHZ，單片機P1.0口發(fā)出40kHZ的方波信號，通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號，利用外部中斷0口監(jiān)測超聲波輸出的返回信號，顯示電路采用簡單的4位LED數(shù)碼管，位碼用8550驅動。</p><p&g

11、t;　　圖1-1 超聲波測距原理框圖</p><p>　　2.2 系統(tǒng)的硬件結構設計</p><p>　　硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及LED顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89S52來實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10系列超聲波轉換模塊的控制。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機通過P1.0口經(jīng)反相

12、器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不斷的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平用高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已返回。計數(shù)器所記的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到超聲波傳感器與障礙物的距離。</p><p>　　2.2.1 51系列單片機的功能特點及測距原理</p><p>　　2.2.1.1 51系列單片機的功能特點</p><p>　　51系列單

13、片機中典型芯片(AT89S52)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，8kB的ROM，256 B的RAM，3個16b的定時／計數(shù)器TO、T1以及T2，4個8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 </p>

14、<p>　　5l系列單片機提供以下功能：8 kB存儲器；256 BRAM；32條工／O線；3個16b定時／計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。</p><p>　　空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。</p><p>　　掉電方式：保存RAM的內容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。</p&g

15、t;<p>　　5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　　2.2.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理 </p><p>　　單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波

16、波速。</p><p>　　限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。</p><p>　　主要電路模塊的實現(xiàn)方案比較及選擇</p><p>　　3.1 超聲波發(fā)射電路</p><

17、;p>　　超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3-1所示。發(fā)射電路主要由反相器CD4069和超聲波發(fā)射換能器TX構成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。</p><p>　　3.2 超聲波檢測接收電路</p><p>

18、　　集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖3-2)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。</p><p>　　圖3-2 超聲波檢測接收電路</p><p>　　3.3

19、超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計</p><p>　　本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用AT89S52，經(jīng)濟易用，且片內有8K的ROM，便于編程。單片機系統(tǒng)及顯示電路原理圖如見圖3-3。</p><p>　　圖3-3 單片機系統(tǒng)及顯示電路原理圖</p><p>　　3.4 系統(tǒng)電路圖及其PCB圖</p>

20、<p>　　給出整個系統(tǒng)的電路圖，并加以說明。要詳細說明第3節(jié)中各模塊如何組合在一起來實現(xiàn)系統(tǒng)功能的。</p><p>　　當電源接電的時候由AT89S52單片機實現(xiàn)對CX20106A紅外接收芯片的控制。單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng)返回。單片機開啟外部中斷使定時器關閉，定時器所計的數(shù)據(jù)就是超

21、聲波所經(jīng)歷的時間，通過運算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，這時通過BCD碼轉換把十六進制的數(shù)據(jù)轉換成十進制，并通過查表把距離顯示在LED數(shù)碼管顯示器上。</p><p><b>　　四、系統(tǒng)的軟件設計</b></p><p>　　4.1 主程序流程圖</p><p>　　超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程

22、序及顯示子程序等部分組成。</p><p>　　主程序首先對系統(tǒng)初始化，設置定時器T0工作模式為16位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA。然后單片機送出超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲一段時間，保持電平20us左右，也就是超聲波頻率大約為40KHZ，連續(xù)發(fā)送8個波形（這也是超聲波測距離會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號。由于采用12MHz

23、的晶振，機器周期為1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20℃時的聲速為340m/s則有：</p><p>　　d=（T0*344）/2（其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值）</p><p>　　測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送到LED顯示管顯示，然后再發(fā)射超聲波脈沖重復測量過程。主程序框

24、圖如下圖5-1所示：</p><p>　　圖5-1 超聲波測距離主程序流程圖</p><p>　　4.2超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序</p><p>　　超聲波發(fā)射子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送8個超聲波信號，頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為20us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波測距離主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲

25、波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志位賦值1.，中斷子程序流程圖如圖5-2所示：</p><p>　　圖5-2 定時中斷子程序流程圖 外部中斷子程序流程圖</p><p>　　五、測試數(shù)據(jù)以及結論</p><p>　　在溫度為25度左右環(huán)境下測試：</p

26、><p>　　超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。 </p><p>　　硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片

27、機試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.06～1m，測距儀最大誤差不超過1mm。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。</p><p>　　改裝：由于技術水平所限暫時不能給該設計加入語音程序，如果能加入語音程序的話，就能使超聲波測距離在倒

28、車系統(tǒng)和其他領域中得到最完美的體現(xiàn)。</p><p>　　超聲波測距離在生活中的應用越來越廣泛，且也使汽車在倒車的時候能最大可能的減少事故的發(fā)生。其有很高的開發(fā)的價值和十分廣泛的應用領域，為提高生活和科學技術水平提供了選擇。</p><p>　　六、課程設計過程中遇到的主要問題以及解決辦法</p><p>　　問題一：該實驗不能在Protues上進行仿真</p

29、><p>　　由于不能在Protues上仿真出超聲波信號的發(fā)射和接收所以進行不了仿真，這時候我只能通過查資料直接在Protel上畫出該實驗的整個電路圖，直接做出硬件來進行調試。</p><p>　　問題二：接受超聲波電路的電容用錯 </p><p>　　電解電容用了瓷片電容，而且電容的大小用小了</p><p><b>　　七、心得體會

30、</b></p><p>　　超聲波測距離讓我想到雷達探測，因為其利用的就是超聲波原理。由于暑假電賽培訓時候已經(jīng)做過了其電路板，只是當時程序下載到板子上時候沒有成功。所以我把上次遺留下來的問題，一并的在這次課設中考慮進去了，可以說是帶著很疑問去做課設的。板子很快就做好了，而程序的編寫都是自己通過網(wǎng)上查找資料以及詢問高年級學長才一步一個坎，一步一個腳印，最終編程成功，達到了我所想要的結果。過程不算很難，

31、同時看著自己所做出來的成果，感覺挺開心的。</p><p>　　通過該實驗，我們認識的到了單片機在控制領域中的強大作用，也使我加深了所學的單片機知識，為我們以后的就業(yè)和學習提供了很多的基礎。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　超聲波測距離程序</b></p><p&g

32、t;　　#include <reg52.h> </p><p>　　#define uchar unsigned char </p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define ulong unsigned long</p><p>　　sbit Tx = P1^0;

33、 //產(chǎn)生脈沖引腳</p><p>　　sbit Rx = P3^2; //回波引腳</p><p>　　uchar code SEG7[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; </p><p>　　uint distance[4]; //測距接收緩沖區(qū)</p><p&

34、gt;　　uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; </p><p>　　bit succeed_flag; //測量成功標志</p><p>　　void conversion(uint temp_data);</p><p>　　void delay_20us();</p><p>

35、;　　void csb_init();</p><p>　　void main() // 主程序</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　uint distance_data,a,b;</p><p>　　uchar CONT_1; </p><p><b&g

36、t;　　i=0;</b></p><p><b>　　flag=0;</b></p><p>　　csb_init();</p><p>　　while(1) </p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　EA=

37、0;</b></p><p><b>　　Tx=1;</b></p><p>　　delay_20us();</p><p>　　Tx=0; //產(chǎn)生一個20us的脈沖，在Tx引腳 </p><p>　　while(Rx==0); //等待Rx回波引腳變高電平</p>

38、<p>　　succeed_flag=0; //清測量成功標志</p><p>　　EX0=1; //打開外部中斷</p><p>　　TH1=0; </p><p>　　TL1=0; </p><p>　　TF1=0; </p><p>

39、;　　TR1=1; //啟動定時器1</p><p><b>　　EA=1;</b></p><p>　　while(TH1 < 30); //等待測量的結果，周期65.535毫秒（可用中斷實現(xiàn)） </p><p>　　TR1=0; //關閉定時器1</p><p>　　EX

40、0=0; //關閉外部中斷</p><p>　　if(succeed_flag==1)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　distance_data=outcomeH; //測量結果的高8位</p><p>　　distance_data<<=8;

41、 //放入16位的高8位</p><p>　　distance_data=distance_data|outcomeL;//與低8位合并成為16位結果數(shù)據(jù)</p><p>　　distance_data*=12; //因為定時器默認為12分頻</p><p>　　distance_data/=58; //微秒的單位除以58等于厘米</p&g

42、t;<p>　　} // X秒=（ 2*Y米）/344 X秒=0.0058*Y米 </p><p>　　if(succeed_flag==0)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　distance_data=0; //沒有回波則清零</p

43、><p><b>　　}</b></p><p>　　distance[i]=distance_data; //將測量結果的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)</p><p><b>　　i++;</b></p><p><b>　　if(i==3)</b></p><p>&

44、lt;b>　　{</b></p><p>　　distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4;</p><p>　　a=distance_data;</p><p>　　if(b==a) CONT_1=0;</p><p>　　if(b!=a

45、) CONT_1++;</p><p>　　if(CONT_1>=3)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　CONT_1=0;</b></p><p><b>　　b=a;</b></p><p>　　convers

46、ion(b);</p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　i=0;</b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　}</b></p><p><

47、b>　　}</b></p><p>　　//外部中斷0，用做判斷回波電平</p><p>　　INTO_() interrupt 0 // 外部中斷是0號</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　outcomeH =TH1; </p><p&g

48、t;　　outcomeL =TL1; </p><p>　　succeed_flag=1; </p><p>　　EX0=0; //關閉外部中斷</p><p><b>　　}</b></p><p>　　//定時器0中斷,用做顯示</p><p>　　time

49、r0() interrupt 1 // 定時器0中斷是1號</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TH0=0xfd; //寫入定時器0初始值</p><p>　　TL0=0x77; </p><p>　　switch(flag) </p><p>&l

50、t;b>　　{</b></p><p>　　case 0x00:P2=ge; P0=0xfe;flag++;break;</p><p>　　case 0x01:P2=shi;P0=0xfd;flag++;break;</p><p>　　case 0x02:P2=bai;P0=0xfb;flag=0;break;</p><p

51、><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//顯示數(shù)據(jù)轉換程序</p><p>　　void conversion(uint temp_data) </p><p><b>　　{ </b></p><p

52、>　　uchar ge_data,shi_data,bai_data ;</p><p>　　bai_data=temp_data/100 ;</p><p>　　temp_data=temp_data%100; //取余運算</p><p>　　shi_data=temp_data/10 ;</p><p>　　temp_data

53、=temp_data%10; //取余運算</p><p>　　ge_data=temp_data;</p><p>　　bai_data=SEG7[bai_data];</p><p>　　shi_data=SEG7[shi_data];</p><p>　　ge_data =SEG7[ge_data];</p><

54、p>　　bai = bai_data;</p><p>　　shi = shi_data;</p><p>　　ge = ge_data ; </p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay_20us()</p><p>　　{ uchar bt ;<

55、;/p><p>　　for(bt=0;bt<20;bt++); }</p><p>　　void csb_init()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　Tx=0; //首先拉低脈沖輸入引腳</p><p>　　TMOD=0x11; //定時器0，定

56、時器1，16位工作方式</p><p>　　TR0=1; //啟動定時器0</p><p>　　IT0=0; //由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷</p><p>　　ET0=1; //打開定時器0中斷</p><p>　　EX0=0; //關閉外部中斷</p><p&