基于单片机的控制的超声波测距报警系统设计

1、.现代通信技术专业课程设计基于单片机控制的超声波测距报警系统设计系 部：电子与信息工程系专业班级：姓 名：学 号：指导教师：时 间：完 成 日 期目录1 绪论11.1 课题设计背景11.2 课题研究的目的和意义12 课程设计要求32.1 课程设计目的32.2 设计任务32.3 设计要求43 硬件系统设计53.1 设计系统原理框图及介绍53.2 STC89C52芯片介绍63.3 单片机最小系统63.4 超声波发送模块73.5 超声波接收模块83.6 数码管显示模块94 软件设计方案104.1 程序流程图104.2 超声波发送模块104.3 超声波接收模块115 详细分析125.1 数码管显示模块

2、125.2 超声波模块135.3 最终结果135.4 错误与分析146 体会与收获15参考文献16附录17现代通信技术综合设计 191 绪论1.1 课题设计背景由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此，随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。例如，倒车雷达、交通测速、机器人障碍检测等。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定

3、位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。1.2 课题研究的目的和意义本次设计是基于单片机控制的超声

4、波测距报警系统设计，采用以STC89C52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。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。通过本次课程设计，运用已学的课程知识，根据题目要求进行软硬件系统的设计和调试，对课程中涉及的芯片结构、控制原理、硬件和编程方面有一定的感性认识和实践操作能力，从而加深对本课程知识点的理解，使自身应用只是能力、设计能力、调试能力以及报告撰写能力等方面有显

5、著的提高。2 课程设计要求2.1 课程设计目的课程设计是完成教学计划达到本科生培养目标的重要环节，是教学计划中进行综合训练的重要实践环节，是有助于培养应用性人才的一种教学形式，它将使学生在综合运用所学知识，解决本专业方向的实际问题方面得到系统性的训练。 2.2 设计任务利用所学数字电子技术、信号处理、控制等技术，设计、制作和调试完成一个单片机最小化系统，并在此基础上，将最小系统与综合实验开发平台上的超声波模块、显示模块进行正确的连接（如图1所示），使单片机可接收超声波模块输出的距离信号，并对其进行合理的处理后，在显示模块上实时显示超声波模块与障碍物的距离（单位：cm，精确到小数点后2位）。图1

6、系统连接示意图 具体内容如下：（1） 设计最小化单片机系统；（2） 装焊、调试最小化单片机系统；（3） 设计并编程，以构成超声波测距信号发生回路；（4） 设计并编程，完成超声波信号处理，以实现测距功能；（5） 设计并编程，以实现超声波测距结果显示；（6） 设计并完成系统启动/复位功能；2.3 设计要求（1） 实验开发平台上的数码管可实时显示障碍物与超声波模块的距离信息，单位为cm，精确到小数点后2位（如显示11.11表示11.11cm）；（2） 系统应具备测距启动功能，可以复位系统，使其开始重新测距。 3 硬件系统设计3.1 设计系统原理框图及介绍由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播

7、的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本次设计采用STC89C52单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。如图2所示，为超声波测距系统原理框图，系

8、统的设计及器件的选择正是在这个基础上进行的。整个系统由STC89C52芯片、超声波发射模块、超声波接收模块、LED数码管显示模块、报警模块以及稳压电源组成，最后通过硬件和软件来实现各个模块的功能。图2 系统框图3.2 STC89C52芯片介绍STC89C52系列单片机是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品。它在指令系统、硬件系统和片内资源中与标准的8052单片机完全兼容，DIP-40封装系列与8051为pin-to-pin兼容，指令代码是与8051完全兼容的单片机。8 位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为024MHz；片内有256个字节的数据存储

9、器RAM；片内还有8K字节的程序存储器ROM；4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3）；1个全双工串行通讯口；3个16位的定时器/计数器（T0、T1、T2）可处理 6个中断源，两级中断优先级。P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口、不复用时也是准双向口)；P1.0P1.7: 通用I/O口（准双向口）；P2.0P2.7: 输出高8位地址（用于寻址时是输出口、不寻址时是准双向口）；3.0P3.7: 具有特定的第二功能（准双向口）。注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口；并且P0口需外接上拉电阻，P1P3可接也可不接

10、，但用作输入时都需要先置“1”。3.3 单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。对于一个完整的电子设计来讲，首要考虑的就是为整个系统提供电源的供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单

11、片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。最小系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上。最小系统原理图如图3所示。图3 最小系统原理图3.4 超声波发送模块发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由STC89C52芯片的P3.3口控

12、制其是否工作。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声波传感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。超声波发送模块如图4所示。图4 超声波发送模块3.5 超声波接收模块接收电路的主要任务是检测回波，并向STC89C52芯片发出中断以停止计时，由STC89C52芯片的P3.2口控制其是否工作。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为STC89C52芯片能够接收的信号并向STC89C52芯片申请中断

13、以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。超声波接收模块如图5所示。图5 超声波接收模块3.6 数码管显示模块综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的 LED 驱动输出设备。由于测试所得的距离需要精确到小数点后2位，所以本设计采用 4个 LED 数码管来表示距离的cm数值。本设计采用共阳级数码管，我们将LED数码管显示模块上的J1上的8个端口与STC8951芯片上的P1.0P1.7相连接，作为段选；再将

14、J2上的4个端口与STC89C52芯片上的P3.4P3.7相连接，作为位选。数码管模块如图6所示。图6 数码管显示模块4 软件设计方案4.1 程序流程图超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。软件主要分为两个部分：主程序和中断服务程序。如图7所示，为软件流程图，左图为主程序流程图，右图为中断服务程序流程图。主程序完成初始化工作、超声波发射和接收的控制等。中断服务程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 图7 程序流程图4.2 超声波发送模块通过P1.0端口发送40KHz方波，计数器T0打开进行计时。如图8所示 定时中断入口定时初始

15、化发射超声波停止发射是否发射完返回YN图8 超声波发送4.3 超声波接收模块通过P3.2端口检测返回信号，收到后进入接收中断程序，如图9所示。外部中断入口关外部中断读时间开中断返回计算距离输出距离图9 超声波接收模块5 详细分析5.1 数码管显示模块把STC89C52芯片与PC机连接后，把程序烧入芯片内，烧入成功后。图10为数码管模块的调试结果，可见数码管可以显示一个精确到小数点后2位的值。并且可以通过对程序中变量的修改，随时修改显示的值，修改后如图11所示。 图10 数码管显示值图11 修改程序后数码管显示值5.2 超声波模块超声波模块如图12所示，在运用时先要测试调制出40KHZ的波，因为

16、晶振问题，只能测得38KHZ的方波，如图13所示。 图12 超声波模块 图13 38KHZ方波当有物体挡住时，会有波形的跳变，证明了超声波模块的正常工作，如图14所示。 图14 示波器波形5.3 最终结果超声波测距器的制作和调试都较为简单。首先硬件电路焊接完成后，通过Keil uVision3软件对编写的程序进行错误查找、修改，生成HEX文件，然后下载到单片机中运行，实现相应功能。而且可以根据实际情况，修改超声波子程序每次发送的脉冲个数和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需求。当距离不一样时，数码管显示也会随着距离的变化而变化。如图15所示。具体如下：（1） LED数码管段选P0.0P0

17、.7与实践平台显示模块上J1八个接口相连；（2） LED数码管位选P3.4P3.7与实践平台显示模块上J2四个接口相连；（3） 超声波模块上的信号输入接口与芯片上的P3.3相连；（4） 超声波模块上的信号输出接口与芯片上的P3.2相连；（5） 接地线与按键模块的J3相连； 图15 最终显示5.4 错误与分析初次调试结果没成功，LED数码管没有任何显示，小组成员的硬件也出现同样结果，经观察尝试下，问题出在接地线所接的按键模块的J3接口上，总共有两个接口，分为上下两个，我们原先插的是下面那个，换成上面那个接口，数码管有显示了。再次调试，出现了新问题，只显示三位，个位无法显示。当时的位选是芯片的P3

18、.0P3.3。多次尝试小组成员的硬件，结果一样，所以我们决定换位选端口，变为P3.4P3.7。最后调试成功，数码管正常显示距离，保留两位小数，最大距离达到25cm左右。6 体会与收获这次的课程设计完全依靠我们自己动手去完成超声波测距的基本功能，这样我们就必须弄懂每一个程序的原理，并且能够举一反三。我们两个人为一个小组 ，一个课题的完成也同时考验着我们的团队合作。 首先，我们在接到课程设计的任务后对这次设计充满激情和想象，当老师说这个设计可以实现很多功能，我们完全可以在基本功能的基础上加上自己的创新后，我们就有了很多想法。老师安排完任务后我们小组认真思考后，合理分配各自任务。查阅相关书籍资料和网

19、络资源以及老师提供的各项帮助和精神鼓励，在我们的不懈努力下，实验有条不紊地进行着。再次，我们在设计过程中遇到很多困难，比方说，在设计超声波接收过程中，我们对原理了解不透彻，在老师的引导下，我们成功探讨出了程序，并调试成功；在程序编译报错后，我们不气馁，一次次重新尝试修改，在调试的时间里，我们体会集体的力量和成功的喜悦；在接线时时候，由于我们的大意，导致数码管显示出现问题，在虚心请教同学后，我们检查出自己的问题，使数码管显示正常。 最后，通过这次课程实验。我们收获很多，过程中，我们有争论，有欢笑，有汗水，有泪水。但我们相互鼓励相互扶持，从不懂到了解，以致最后的成功。这次的直流电机调速设计，我们明

20、白了超声波测距的原理，并深入了解其奥妙。不仅如此，更可贵的是，我们之间形成的团队合作，坚持不懈，不屈不挠，迎难而上的精神。这些是我们大学生活中的财富。歌德曾经说过：我不应把我的作品全归功于自己的智慧，还应归功于我以外向我提供素材的成千成万的事情和人物。 我们诚挚的感谢老师的耐心指导，在一筹莫展的时候，他们无私的给予我们帮助和支持，我们的成功离不开他们。同时也感谢其他小组提供的帮助。在互帮互助的氛围中，我们愉快的结束本次的课程设计。参考文献1 范圣一 著. ARM原理与嵌入式系统实战M. 机械工业出版社,2007年：P1512202 陈连坤 著. 嵌入式系统的设计与开发M. 清华大学出版社、北京

21、交通大学出版社,2005年：P63P903 刘南平 孙蕙芹 童一帆 苏梅 著. 单片机实训与开发教程M. 科学出版社,2008年：P1551974 艾永乐 付子义 著. 数字电子技术基础M. 中国电子出版社,2008年：P1011245 张伟 著. Protel 99SE 实用教程M. 人民邮电出版社,2008年:P26716 周立功 著. ARM嵌入式系统基本教程M. 北京航空航天大学出版社，2005年：P35P527 张晓伟 刘盼盼 著. ARM嵌入式系统设计原理与开发实例M. 电子工业出版社，2008年：P114P1338 姚燕南 著. 微机原理与接口技术M. 高等教育出版社,2001年

22、：P79P929 吴明晖 著. 基于ARM的嵌入式系统开发与应用M. 人民邮电出版社，2004年：P28P3310 冯涛 秦永左 著. 单片机原理及应用M. 国防工业出版社，2009年：P99P109附录#include <reg52.h> /包括一个52标准内核的头文件#define uchar unsigned char /定义一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit Tx = P33; /产生脉冲引脚sbit Rx = P32; /回波引脚uchar code SEG710=0xC0,0xF9

23、,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90;uint distance4; /测距接收缓冲区uchar ge,shi,bai,qian,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i; /自定义寄存器bit succeed_flag; /测量成功标志void conversion(uint temp_data);void delay_20us();void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; i=0; flag=0;Tx=0; /首先拉低脉冲输入引脚TMOD=0x11;

24、/定时器0，定时器1，16位工作方式TR0=1; /启动定时器0 IT0=0; /由高电平变低电平，触发外部中断ET0=1; /打开定时器0中断EX0=0; /关闭外部中断EA=1; /打开总中断0while(1) /程序循环EA=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; /产生一个20us的脉冲，在Tx引脚 while(Rx=0); /等待Rx回波引脚变高电平 succeed_flag=0; /清测量成功标志 EX0=1; /打开外部中断 TH1=0; /定时器1清零 TL1=0; /定时器1清零 TF1=0; / TR1=1; /启动定时器1 EA=1; while(TH1

25、 < 30);/等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现） TR1=0; /关闭定时器1 EX0=0; /关闭外部中断 if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeH; /测量结果的高8位 distance_data<<=8; /放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomeL;/与低8位合并成为16位结果数据 distance_data*=12; /因为定时器默认为12分频 distance_data/=58; /微秒的单位除以58等于厘米 if(succeed_flag=0) distance_data=0; /没有回波则清零 distancei=distance_data; /将测量结果的数据放入缓冲区 i+; if(i=3) distance_data=(distance0+distance1+distance2+distance3)*10/4; a=distance_data; if(b=a) CONT_1=0; if(b!=a) CONT_1+; if(CONT_1>=3) CONT_1=0; b=a; conversio