基于52單片機的超聲波測距系統(tǒng)-課程設(shè)計

1、<p>　　基于52單片機的超聲波測距系統(tǒng)</p><p><b>　　【課設(shè)名稱】</b></p><p>　　基于52單片機的超聲波測距系統(tǒng)</p><p><b>　　【課設(shè)目的】</b></p><p>　　通過設(shè)計此系統(tǒng)對大學(xué)所學(xué)習(xí)的單片機系統(tǒng)、Keil軟件和電路板焊接測試方法步

2、驟進行綜合應(yīng)用和復(fù)習(xí)，了解設(shè)計一個簡單硬件系統(tǒng)的基本步驟，為今后就業(yè)打好基礎(chǔ)。</p><p><b>　　【實驗器材和工具】</b></p><p>　　器材：PC機，電路板，示波器，各種連線轉(zhuǎn)接口等，單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　工具：Keil軟件 </p><p><b>　　【工作原理】</

3、b></p><p><b>　　物理學(xué)原理</b></p><p>　　超聲波的頻率高于聲波，這種機械波與聲波相比具有很強的指向性，并且由于其波長較短，其繞射能力較差，反射能力較強。在遇到障礙物的情況下，超聲波會被反射回來。根據(jù)發(fā)射波和反射波的時間差，就可以計算出探頭與障礙物之間的距離。在實際的電路中，使用單片機控制傳感器發(fā)射和判斷反射波。（原理如圖1-1）&

4、lt;/p><p>　　圖1-1：超聲波測距物理原理圖</p><p><b>　　電路原理及數(shù)據(jù)：</b></p><p>　　從單片機的P3^7口產(chǎn)生一組40KHz 的超聲波，經(jīng)由發(fā)射模塊的發(fā)射探頭發(fā)出，緊接著超聲波接受模塊接收回波，經(jīng)由CX20106A產(chǎn)生一個負跳變引起單片機得外部中斷，通過計算發(fā)射到接收所經(jīng)歷的時間就可以很容易計算出超聲波與

5、目標之間的距離。其具體原理步驟見圖1-2。</p><p><b>　　相關(guān)參數(shù)：</b></p><p>　　測量距離：50～1000mm</p><p>　　載波頻率：38KHz</p><p><b>　　工作電壓：DC5V</b></p><p>　　工作電流 ：30

6、mA 典型，50mA 最大</p><p><b>　　輸出信號：5V方波</b></p><p>　　回波信號 ：負跳變產(chǎn)生的下降沿</p><p>　　下一次測量的延時：200 uS</p><p>　　圖1-2 系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件

7、主要包括STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度檢測電路、顯示電路；軟件部分主要包括系統(tǒng)初始化模塊、超聲波驅(qū)動及信號處理模塊、顯示模塊等，軟件采用模塊化設(shè)計思想，可使程序設(shè)計思路消晰，便于調(diào)試。</p><p>　　啟動超聲波測距系統(tǒng)進行測距時，首先由單片機發(fā)出38KHz的脈沖串，脈沖通過超聲波發(fā)射電路驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波。單片機在發(fā)送脈沖的同時開始計時：超聲波遇到障礙物

8、后的回波被超聲波接收換能器接收，其輸出的CX20106A處理后產(chǎn)生中斷信號中斷單片機的計時，這樣就得到了超聲波的傳輸時間，然后在中斷服務(wù)程序中根據(jù)測出的時間計算出距離并將標志位置1。中斷返回后再發(fā)送下一串脈沖，如此反復(fù)。</p><p><b>　　【系統(tǒng)設(shè)計】 </b></p><p><b>　　1.硬件設(shè)計部分</b></p>

9、<p>　　本設(shè)計所做的超聲液位測量系統(tǒng)以STC89C52RC型單片機為控制核心，其外圍硬件電路包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、溫度補償電路等。它的各部分說明如下：</p><p>　?。?）STC89C52RC單片機最小系統(tǒng)是超聲波液位計的核心部分，其主要任務(wù)是：</p><p>　?、侔l(fā)出38KHz的脈沖串用來驅(qū)動超聲波發(fā)射換能器發(fā)出超聲波；</p>

10、;<p>　?、谕ㄟ^定時器T0對超聲波的傳輸時間進行計時；</p><p>　?、鄹鶕?jù)測出的時間從而計算與障礙物的距離。</p><p><b>　　④控制數(shù)據(jù)的顯示。</b></p><p>　?。?）超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭選用CSB40T，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。

11、本設(shè)計利用單片機直接軟件產(chǎn)生38kHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至比較器，經(jīng)比較器推動探頭產(chǎn)生超聲波。</p><p>　?。?）超聲波接收電路的核心器件是紅外解碼芯片CX20106A。它是用來對接收到的回波進行放大和整形，并產(chǎn)生一個負跳變作為單片機的中斷信號。</p><p>　?。?）超聲波溫度補償電路主要是由溫度傳感器DS18B20測量當前溫度，并將采集到的數(shù)字信號直接傳送到單片

12、機中；然后單片機將該數(shù)值代入公式算法中進行相應(yīng)的計算，從而輸出經(jīng)過溫度補償?shù)妮^為準確的數(shù)值。</p><p>　?。?）顯示電路采用單片機直接驅(qū)動LED的方式。單片機將其計算好的數(shù)據(jù)，通過軟件轉(zhuǎn)換為BCD碼直接輸出到LED上，這樣做比較方便，而且可以減少制作成本。</p><p><b>　　發(fā)射電路的設(shè)計</b></p><p>　　發(fā)射電路

13、的主要目的是驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠的距離，實現(xiàn)測量的目的。驅(qū)動超聲發(fā)射探頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。本設(shè)計中采用的是由單片機發(fā)出38kHz的方波，單片機P3^7輸出的 38kHz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

14、個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)。用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻R5、R10一方面可以提高反向器74HC04AN輸出高電平的驅(qū)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。具體方案見圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3 發(fā)射部分電路圖</p><p><b>　　接收電路的設(shè)計&

15、lt;/b></p><p>　　圖1-4 接收部分電路圖</p><p>　　超聲波接收器包括超聲波接收探頭、CX20106A處理兩部分。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，經(jīng)過CX20106A處理后產(chǎn)生負跳變，引起單片機的外部中斷。</p><p>

16、;<b>　　顯示電路設(shè)計</b></p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進制數(shù)字顯示。只需能顯示0-9的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無閃爍即可。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即LED。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為共陰極型和共陽極型。在共陰極接法中，LED數(shù)碼管的g-a七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法向反。LED數(shù)碼

17、管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點。LED顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。本設(shè)計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示液位變化。</p><p>　　電路結(jié)構(gòu)圖如圖1-5所示。本設(shè)計采用單片機直接驅(qū)動LED的方法，通過軟件的編譯來實現(xiàn)由二進制到BCD碼的轉(zhuǎn)化，從而簡化了顯示電路。但是，在制作超聲波測距系統(tǒng)的過程中，我發(fā)現(xiàn)由單片機直接驅(qū)動LED顯示，電流較小，LED雖然有顯示但是比較暗，因此我用了三極管來對電流進行放大，解決了

18、這個問題。</p><p><b>　　圖1-5顯示電路圖</b></p><p>　　串行通訊接口電路設(shè)計</p><p>　　單片機執(zhí)行信息檢測任務(wù)，然后把檢測結(jié)果傳送到計算機中去，這就需要在單片機和計算機之間建立一種通信結(jié)構(gòu)。這種通信結(jié)構(gòu)可以在單片機和計算機之間進行有效而正確的信息傳輸。RS-232 是目前最常用的串行接口標準，用來實現(xiàn)計

19、算機和計算機之間、計算機和外設(shè)之間的數(shù)據(jù)傳輸。RS-232 串行接口總線適用于設(shè)備之間通信距離在 15 米以內(nèi)而且速度不高于 20Kbps 的場合中。完整的 RS-232 接口需要 22 根線，采用標準的 25 芯插頭。現(xiàn)在計算機最常用的是 9 芯的 D 型 RS-232 連接器。</p><p>　　在本設(shè)計中選用了 9 針的 D 型連接器，實際使用中僅使用2、3、5三個引腳如圖3.5所示，并給出了 9個引腳的

20、功能說明：</p><p>　　引腳 1：DCD，方向 I，載波檢</p><p>　　引腳 2：RXD，方向 I, 數(shù)據(jù)輸入</p><p>　　引腳 3：TXD，方向 O，數(shù)據(jù)輸出</p><p>　　引腳 4：DTR , 方向 O,數(shù)據(jù)終端就緒</p><p>　　引腳 5：GND , 地</p>

21、<p>　　引腳 6：DSR, 方向 I，數(shù)據(jù)設(shè)備就緒</p><p>　　引腳 7：KTS, 方向 O，請求發(fā)送</p><p>　　引腳 8：CTS, 方向 I，清除發(fā)送</p><p>　　引腳 9：RI , 方向 I, 振鈴指示</p><p>　　圖1-6 9針D型連接器</p><p>　　數(shù)據(jù)

22、輸出，地線。由于單片機提供的電平是 TTL 的，而計算機提供的是 RS232 電平，要實現(xiàn)單片機與計算機的通信，必須對它們的電平進行轉(zhuǎn)換，可用MAX232 芯片來實現(xiàn)。如上圖所示。</p><p><b>　　2.軟件設(shè)計部分</b></p><p>　　軟件設(shè)計運用模塊化程序設(shè)計思想，對不同功能的程序進行分別編程，這樣不但使得整個軟件的層次和結(jié)構(gòu)比較清晰，而且有利于

23、軟件的調(diào)試和修改。</p><p><b>　　單片機的設(shè)定</b></p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的控制核心是單片機，軟件主要完成測量過程控制、精確計時、數(shù)據(jù)計算及結(jié)果處理等功能。單片機具有開發(fā)技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點，</p><p>　　本設(shè)計中選用的STC89C52RC型單片機是一種低功耗、高性能、采用CMOS工藝的8位微處理器，與

24、工業(yè)標準型80C51單片機的指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。片內(nèi)8K Flash存儲器可在線重新編程，或使用通用的非易失性存儲器編程器。由于一般的距離測量中，距離的變化速度并不太快，而且單片機的機器周期可達μs級，則其計時精度為μs級，完全可以滿足系統(tǒng)測量的要求，并且成本較低，所以本設(shè)計中選用STC89C52型號的單片機。</p><p>　　系統(tǒng)采用單片機內(nèi)部自帶的定時器/計數(shù)器T0中斷功能，對發(fā)射到接收的時間進行精確

25、計時。而且為了節(jié)約硬件成本，系統(tǒng)采用單片機發(fā)出38kHz方波信號，由方波輸出程序控制單片機管腳P3^7輸出方波信號。</p><p>　　外部中斷請求有兩種信號方式電平方式和脈沖方式。電平方式的中斷請求是低電平有效。只要在INTO或INT1引腳上出現(xiàn)有效低電平時，就激活外部中斷標志。脈沖方式的中斷請求則是脈沖的負跳變有效。在這種方式下，在兩個相鄰機器周期內(nèi)，INT0或INT1引腳電平狀態(tài)發(fā)生變化，即在第一個機器周

26、期內(nèi)為高電平，第二個機器周期內(nèi)為低電平，就激活外部中斷標志。由此可見，在脈沖方式下，中斷請求信號的高電平和低電平狀態(tài)都應(yīng)至少維持1個機器周期，以使采樣到電平狀態(tài)的變化。</p><p>　　本設(shè)計中用單片機的定時器/計數(shù)器0來對發(fā)射到接收的時間進行精確計時。因此需在程序中設(shè)定定時器/計數(shù)器的工作模式。定時器/計數(shù)器0、1的工作模式的設(shè)定和定時器的控制由工作模式寄存器TMOD和控制寄存器TCON來完成。TMOD用于

27、設(shè)置T0和T1的工作方式，低4位用于定時器/計數(shù)器0，高4位用于定時器/計數(shù)器1，其值由軟件設(shè)定。</p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的軟件流程</p><p><b>　　圖1-7軟件流程圖</b></p><p>　　按照超聲波測距系統(tǒng)的需要，超聲波驅(qū)動與數(shù)據(jù)處理模塊主要任務(wù)是用單片機產(chǎn)生 38kHz 的脈沖，以驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，

28、同時采用計數(shù)器計時；當超聲波接收器接收到回波信號時停止計時。由此得出超聲波的傳輸時間T，利用公式（2-1）進行溫度補償，即可求出在當前溫度下的聲速；再利用公式（2-3），就可以計算出當前的液位高度。</p><p><b>　　【數(shù)據(jù)處理】</b></p><p>　　實際的檢測數(shù)據(jù)如下表格：</p><p><b>　　【課設(shè)總結(jié)】

29、</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我了解了超聲波的一些基礎(chǔ)知識，同時也熟悉了超聲波模塊，了解了其工作原理和電路構(gòu)成。在課程設(shè)計的實驗過程中，我遇到了不少的困難，主要集中在C52單片機的程序設(shè)計上，經(jīng)過同學(xué)和指導(dǎo)教師的幫助我總算是完成了實驗，由此可見我在軟件設(shè)計上確實存在短板，以后需要進一步提高。本次課程設(shè)計讓我回顧了以前學(xué)習(xí)到的各種知識，鍛煉了動手能力和團隊合作能力，是對今后走出學(xué)校步入

30、工作崗位的一次對基礎(chǔ)的鞏固，對于以后找工作是相當有幫助的經(jīng)歷。</p><p><b>　　附錄：</b></p><p>　　附件1：發(fā)射模塊軟件程序</p><p>　　TMOD=0x12; //T0、模式1；T1、模式2</p><p><b>　　EA=1;</b&

31、gt;</p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p><b>　　TH0=0XF4;</b></p><p><b>　　TL0=0XF4;</b></p><p>　　for(i=1;i<60000;i++)//主循環(huán)</p>&l

32、t;p>　　{ TL0=0XF4;</p><p>　　TR0=1; //開始發(fā)射脈沖</p><p>　　TH1=0;TL1=0;</p><p>　　TR1=1;//啟動定時器開始計時</p><p>　　可以看出，本設(shè)計的定時器和計數(shù)器分別工作在模式1和模式2下，通過定義定時器的

33、初值來發(fā)射脈沖波，同時啟動計時器開始計時。</p><p><b>　　接收模塊程序如下：</b></p><p>　　while(INPUT) {;} //循環(huán)等待直到監(jiān)測到回波</p><p>　　TR1=0; //計時結(jié)束</p><p>　　TIME=TH1

34、*256+TL1;</p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p>　　TIME=0.1856*TIME-25;</p><p>　　display(TIME);</p><p>　　顯示部分由單片機直接將二進制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為BCD碼，程序如下：</p><p>　　a[0]=0x8

35、2; a[1]=0xfa;</p><p>　　a[2]=0xa4; a[3]=0xb0; </p><p>　　a[4]=0xd8; a[5]=0x91;</p><p>　　a[6]=0x81; a[7]=0xba;</p><p>　　a[8]=0x80; a[9]=0x90;</p><p><b>

36、　　附件2：程序設(shè)計</b></p><p>　　#include   <REG2051.H>  </p><p>　　#define k1 P3_4#define csbout    P3_5//超聲波發(fā)送#define csbin

37、t    P3_7//超聲波接收</p><p>　　#define wendu P2_5;//溫度控制通信端口#define csbc=0.034#define bg  P3_3 unsigned char csbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,ke

38、y,jpjs;//顯示標識unsigned char convert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段碼unsigned int s,t,i, xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1;bit cl;     void&

39、#160;csbcj();void delay(j);//延時函數(shù)void scanLED();//顯示函數(shù)void timeToBuffer();//顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)void keyscan();void k1cl();void k2cl();void k3cl();void k4cl();void offmsd();</p&

40、gt;<p>　　void main()//主函數(shù){     EA=1;  //開中斷 TMOD=0x11;//設(shè)定時器0為計數(shù)，設(shè)定時器1定時     ET0=1;//定時器0中斷允許      ET1=1;//定

41、時器1中斷允許      TH0=0x00;     TL0=0x00;     TH1=0x9E;     TL1=0x57;     csbds=0; &

42、#160;   csbint=1;     csbout=1;     cl=0;     opto=0xff;     jpjs=0;     sj

43、1=45;     sj2=200;     sj3=400;     k4cl();     TR1=1;     while(1) {  &#

44、160;  keyscan();     if(jpjs  <1)     {     csbcj();     if(s>  sj3)  

45、;   {     buffer[2]=0x76;     buffer[1]=0x76;     buffer[0]=0x76;     }     

46、;else i</p><p>　　void delay(unsigned int j)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(j--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　Init_DS18B20(voi

47、d) //初始化函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char x=0;</p><p>　　DQ=1;//DQ復(fù)位</p><p>　　delay(8);//稍作延時</p><p>　　DQ=0;//單片機將DQ拉低</p>&l

48、t;p>　　delay(80);//精確延時 大于 480 us</p><p><b>　　DQ=1;</b></p><p>　　delay(14);</p><p>　　x=DQ;//稍作延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗</p><p>　　delay(20);</p><

49、;p>　　//P1=0x00;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　ReadOneChar(void) //讀一個字節(jié)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char k=0;</p><p>　　uns

50、igned char dat=0;</p><p>　　for(k=8;k>0;k--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　DQ=0;//給脈沖信號</p><p><b>　　dat>>=1;</b></p><p>　　DQ=1

51、;//給脈沖信號</p><p><b>　　if(DQ)</b></p><p>　　dat|=0x80;</p><p><b>　　delay(4);</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　return(dat);&l

52、t;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　void scanLED()     //顯示功能模塊{    digit=0x04;    for( i=0; i  <

53、;3; i++)  //3位數(shù)顯示    {  P3=~digit&opto;  //依次顯示各位數(shù)  P1=~buffer;  //顯示數(shù)據(jù)送P1口  delay(20);  //延時處理  P1=0xff;&

54、#160;//P1口置高電平（關(guān)閉）  if((P3&0x10)==0)//判斷3位是否顯示完     key=0;  digit>  >  =1; //循環(huán)右移1位    }}</p><p>　　voi

55、d timeToBuffer()    //轉(zhuǎn)換段碼功能模塊{     xm0=s/100;     xm1=(s-100*xm0)/10;     xm2=s-100*xm0-10*xm1;   &

56、#160; buffer[2]=convert[xm2];     buffer[1]=convert[xm1];     buffer[0]=convert[xm0];}</p><p>　　void delay(i){    while(--

57、i);}</p><p>　　void timer1int (void)  interrupt 3  using 2 {     TH1=0x9E;     TL1=0x57;   &#

58、160; csbds++;     if(csbds>  =40)     {     csbds=0;     cl=1;     }}&l

59、t;/p><p>　　void csbcj(){     if(cl==1)     {   TR1=0;     TH0=0x00;     TL0=0x00;&#

60、160;    i=10;     while(i--)     {     csbout=!csbout;     }     TR0=1

61、;   i=mqs;//盲區(qū)     while(i--)     {     }     i=0;     while(csbint) 

62、;    {     i++;     if(i>  =2450)//上限值     csbint=0;     }    

63、 TR0=0;     TH1=0x9E;     TL1=0x57;     t=TH0;     t=t*256+TL0;     s=t*csbc/2; 

64、;    TR1=1;     cl=0;     }}void k1cl(){sj1=sj1+5;if(sj1>  100)sj1=30;s=sj1;}void k2cl(){sj2=sj2+5;if(sj2>

65、0; 50</p><p>　　void k3cl(){sj3=sj3+10;if(sj3>  500)sj3=100;s=sj3;}</p><p>　　void k4cl(){sx1=sj1-1;sx1=sx1/csbc;mqs=sx1/4.5;}</p><p>　　void