基于51单片机的超声波测距系统设计 单片机与电子技术专业毕业设计 毕业论.doc

1 目 录 目目 录录.1 摘摘 要要.2 第第 1 章章 超声波测距系统设计超声波测距系统设计.3 1.1 超声波测距的原理.3 1.2 超声波测距系统电路的设计.3 1.2.1 总体设计方案.3 1.2.2发射电路的设计4 1.2.3接收电路的设计5 1.2.4显示模块的设计6 1.3 超声波测距系统的软件设计.7 1.4 本章小结.9 第第 2 章章 绪论绪论.10 2.1 课题背景，目的和意义 10 2.2 两种常用的超声波测距方案.10 2.2.1基于单片机的超声波测距系统10 2.2.2基于CPLD的超声波测距系统.11 2.3 课题主要内容.12 第第 3 章章 超声波传感器超声波传感器.13 3.1 超声波传感器的原理与特性.13 3.1.1原理13 3.1.2特性14 3.2 超声波传感器的检测方式.15 3.3 超声波传感器系统的构成.16 3.4 本章小结.17 第第 4 章章 AT89C51 单片机简介单片机简介18 4.1 单片机基础知识.18 4.1.1单片机的内部结构18 4.1.2单片机的基本工作原理20 4.2 单片机的分类及发展.21 4.3 单片机 AT89C51 的特性.22 4.4 本章小结.25 第第 5 章章 电路调试及误差分析电路调试及误差分析.26 5.1 电路的调试.26 5.2 系统的误差分析.26 5.2.1声速引起的误差26 5.2.2单片机时间分辨率的影响27 2 5.4 本章小结.28 结论结论.29 致谢致谢.30 参考文献参考文献.31 附录附录 131 附录附录 236 附录附录 338 摘 要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利 用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最 普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一 些工业现场。 本报告详细的介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89C51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出 了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以 AT89C51 单片机为核心的 低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。 该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做 到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 3 一 超声波测距系统设计 1.1 超声波测距的原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的 回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离 (1-1) 2 ct S 式(1-1)中的c为超声波在空气中传播的速度。 限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、 反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲 的直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量 误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由 于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表 1-1 列出了几种不同温度下 的波速。 表 1-1 声速与温度的关系 温度()302010 0102030100 声速(m/s) 313319325323338344349386 波速确定后，只要测得超声波往返的时间 t，即可求得距离 S。其系统原理 框图如图 1-1 所示。 图 1-1 超声波测距系统框图 单片机 AT89C51 发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出； 反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生 锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判 别后，相应的计算结果被送至 LED 数码管进行显示。 在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方 法。 4 1.2 超声波测距系统电路的设计 1.2.1 总体设计方案 由单片机 AT89C51 编程产生 40kHz 的方波，由 P3.6 口输出，再经过放大电 路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后， 由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处 理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间 间隔计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 LED 显示器组成。 传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的 输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图 1-2 所示。 图 1-2 时序图 单片机在 T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产 生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时 间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。 1.2.2 发射电路的设计 由单片机产生的 40kHz 的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射 超声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是 74HC04 集成芯片，图 1-3 为发射电路图。 5 图 1-3 发射电路 74HC04 内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。74HC04 的管脚如图 1-4 所示。 图 1-4 74HC04 管脚图 1.2.3 接收电路的设计 超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需 经过放大。本系统采用了 LM741 对接收到的信号进行放大，接收电路如图 1-5 所示。 6 图 1-5 接收电路 超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为 传感器的中心频率，即 40kHz。该信号通过 C1 高通滤波后经 LM741 放大，最后 经二极管整形后输出到单片机中断口。LM741 是一单运放集成芯片，图 1-6 为 LM741 管脚图。 图 1-6 LM741 管脚图 1.2.4 显示模块的设计 LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和 共阳两种。 LED 数码管结构简单，价格便宜。图 1-7 示出了八段 LED 数码显示管的结 构和原理图。图 1-7(a)为八段共阴数码显示管结构图，图 1-7(b)是它的原理图， 图 1-7(c)为八段共阳 LED 显示管原理图。八段 LED 显示管由八只发光二极管组 成，编号是 a、b、c、d、e、f、g 和 SP，分别与同名管脚相连。七段 LED 显示 管比八段 LED 少一只发光二极管 SP，其他与八段相同。 7 图 1-7 八段 LED 数码显示管原理和结构 单片机对 LED 管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各 LED 管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各 LED 轮流地一遍一遍显示 各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各 LED 似乎在同时显示不同 字形。 为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采 用动态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且 也只需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这 样单片机引脚输出可直接接到 LED 显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。 1.3 超声波测距系统的软件设计 单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能 开始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断 源输入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程 序，停止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出 P0、P1 和 P2 口显示。 程序流程图如图 1-8，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图， (c)为外部中断子程序流程图。 8 (a) (b) (c) 图 1-8 程序流程图 用单片机编程产生 40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一 个延时函数 delays()，然后可用 for 语句循环，并且循环一次同时改变方波输 出口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() /延时函数 void main() for(a=0;a #define uchar unsigned char #define ulong unsigned long #define uint unsigned int sbit P36=P36; sbit P32=P32; uchar data tab10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; bit again; void delays () / 延时程序 void main() uchar a; /一次发射方波数 ulong k; TMOD=0x01; /T0 计数，方式 1 TH0=0; /计数初值 TL0=0; IT0=1; /INT0 负脉冲触发 EA=1; /开总中断 EX0=1; /开外部 INT0 中断 again=1; while(1) while (again=1) P36=0; 39 TR0=1; /T0 开始计数 for(a=0;a200;a+) /产生 100 个 40KHz 的方波 P36=!P36; delays() ; again=0; void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /INTO 中断服务程序 uint bwei,shwei,gwei; uchar DH,DL; ulong COUNT; ulong num; TR0=0 ;/停止计数 DH=TH0; DL=TL0; COUNT=TH0*256+TL0; num= (344*COUNT)/20000; bwei=num/100; /取百位 gwei=(num-bwei*100)/10; /取十位 shwei=num%10; /取个位 P1=tabbwei; /输出百位 P0=tabshwei; /输出十位 P2=tabgwei; /输出个位 TH0=0; TL0=0; 40 超声波测距系统的电路设计 图 2 超声波测距电路原理图 本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往 返时间的计时，单片机选用 8751，经济易用，且片内有 4K 的 ROM，便于编程。 电路原理图如图 2 所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距 电路与前方测距电路相同，故省略之。 1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用 UCM40 的压电陶瓷传感器，它的工作电压 是 40kHz 的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。 puzel： mov 14h, #12h；超声波发射持续