基于单片机的超声波测距系统设计毕业资料

目录一、摘要………………3二、正文………………31、引言……………32、系统设计方案…………………42.1超声波测距的原理………42.2设计框图…………………42.3US-100超声波收发模块…………………42.4单片机电路………………62.5蜂鸣器报警电路…………82.6显示电路…………………92.7供电及程序下载电路……103软件编程………103.1软件流程图………………103.2主程序……………………114、下载调试………195、实物图…………196元件选择………20三、总结………………20四、参考文献…………20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。本设计详细介绍了超声波传感器的原理和特性，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。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。关键词：超声波单片机测距STC89c52AbstractUltrasonicwavehasstrongpointingtonature,slowlyenergyconsumption,propagatingdistancefarther,so,inutilizingtheschemeofdistancefindingthatsensortechnologyandautomaticcontroltechnologycombinetogether,ultrasonicwavefindsrangetousethemostgeneraloneatpresent,itappliestoguardagainsttheft,movebackwardtheradar,waterlevelmeasuring,buildingconstructionsiteandsomeindustrialscenesextensively。Thissubjecthasintroducedprincipleandcharacteristicoftheultrasonicsensorindetail，onthebasisofanalyzingprinciplethatultrasonicwavefindsrange,thesystematicthinkingandquestionsneededtoconsiderthathavepointedoutthatdesignsandfindsrange,providelowcost,thehardwarecircuitofhighaccuracy,ultrasonicrangefinderofminiaturedigitaldisplayandsoftwaredesignmethodtakingSTC89c52asthecore,thiscircuitofsystemisreasonableindesign,workingstability,performancegoodmeasuringspeedingsoon,calculatingsimple,apttoaccomplishreal-timecontrol,andcanreachindustry'spracticaldemandinmeasuringtheprecision。KeyWords:Ultrasonicwave;One-chipcomputer;Rangefinding;STC89c52正文1、引言：测量距离的方法有很多种，短距离的可以用米尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，系统的测量精度理论上可以达到毫米级。2、系统设计方案2.1超声波测距的原理超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight），也可以称为回波探测法，如图所示。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20℃)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离，公式S340*t/2。图1超声波测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表1声速与温度的关系2.2设计框图本研究设计的超声波测距仪框图如图所示。超声波测距仪方框图2.3US-100超声波收发模块该超声波收发模块可自己产生40kHz的方波，并经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后由超声波接收探头接收。经接收电路的检波放大，积分整形，在ECHO引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距离成线性关系。具体过程如图3所示。US-100超声波收发模块工作时序图上图表明：只需要在Trig/TX管脚输入一个10us以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。在此模式下，模块将距离值转化为340m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一个高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：（高电平时间*340m/s）/2注：因为距离值已经经过温度校正，此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正，也就是不管温度多少，声速选择340m/s即可。使用US-100超声波收发模块进行距离测量测量时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器计算回响信号宽度，并换算成距离即可。该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠，其参数指标如表2所示。表2US-100模块电气参数应注意测量周期必须在60毫秒以上，防止发射信号对回响信号的影响。US-100超声波模块外形图2.4单片机电路本设计选用单片机STC89C52，其管脚如图所示。STC89C52单片机管脚图该芯片为52内核8位单片机，兼容Intel等52内核单片机，支持ISP下载，适用于常用检测控制电路。由STC89C52组成的单片机系统原理图如图6所示。图中TRIG引脚为单片机发送触发信号的引脚，ECHO引脚为US-100模块送回回响信号的引脚，接至单片机外部中断P3.2脚上，可以利用外部中断测量回响信号宽度。当测量距离小于阈值20cm时，单片机通过管脚P3.6发出灯光报警信号，触发LED报警灯亮，同时通过管脚P3.7发出声音报警信号beep，该信号用以触发蜂鸣器鸣响报警。图6单片机系统及超声波模块接口原理图2.5蜂鸣器报警电路图7所示为蜂鸣器报警电路。由于单片机管脚的灌电流比拉电流容量大，因此电路设计为低电平输出时蜂鸣器响，高电平关闭。当P3.7脚输出低电平时，PNP型三极管8550导通，有集电极电流通过，蜂鸣器鸣响。当P3.7脚输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器关闭。图7蜂鸣器报警电路2.6显示电路显示部分采用SMC1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：表3液晶屏技术指标接口信号说明如表4所示。表4液晶屏接口信号说明与单片机接口电路如图8所示。图8LCD与单片机接口电路2.7供电及程序下载电路本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图9所示。图9供电及程序下载电路3软件编程3.1软件流程图本设计软件主程序流程图如图10所示，(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。(a)主程序流程图(b)外部中断流程图图10程序流程图3.2主程序(1)头文件和一些宏定义/*******************************************************************//*******************超声波测距仪************************************//*******************(液晶屏显示)************************************//*******************晶振11.0592MHz********************************/#include<reg52.h>#include"1602.h"typedefunsignedcharU8;/*definedforunsigned8-bitsintegervariable无符号8位整型*/typedefsignedcharS8;/*definedforsigned8-bitsintegervariable有符号8位整型*/typedefunsignedintU16;/*definedforunsigned16-bitsintegervariable无符号16位整型*/typedefsignedintS16;/*definedforsigned16-bitsintegervariable有符号16位整型*/typedefunsignedlongU32;/*definedforunsigned32-bitsintegervariable无符号32位整型*/typedefsignedlongS32;/*definedforsigned32-bitsintegervariable有符号32位整型*/typedeffloatF32;/*singleprecisionfloatingpointvariable(32bits)单精度浮点数32位长度*/typedefdoubleF64;/*doubleprecisionfloatingpointvariable(64bits)双精度浮点数64位*///定时器0的定时值为1mS，即11059/12=922个时钟脉冲，其补为65536-922=64614#defineSYSTEMCLK921600//11059200/12#defineT0CLK921600//11059200/12#defineT1CLK921600//11059200/12#defineT1PERIOD1000000/921600//T1周期时间，以微秒为单位，约为1.085uS#defineTIMER0H0xFC//64614/256=252#defineTIMER0L0x66//54447%256=102(2)管脚、常量、变量定义和函数声明//管脚定义sbitTrig=P1^3;sbitEcho=P3^2;//回波必须接在外部中断引脚上sbitLedAlarm=P3^6;//报警灯，低电平亮sbitBeep=P3^7;//报警蜂鸣器//定义标志volatilebitFlagSucceed=0;//测量成功标志volatilebitFlagDisplay=0;//显示标志//定义全局变量U16DisplayCount=0;U16time=0;U32distance=0;//函数声明voiddelay_20us();voidStart_Module();voidINT0_Init(void);voidData_Init();voidTimer0_Init();voidTimer1_Init();(3)各子程序//20us延时程序，不一定很准voiddelay_20us(){U16bt;for(bt=0;bt<100;bt++);//8M晶振是100}//数据初始化voidData_Init(){}//外部中断初始化函数voidINT0_Init(void){IT0=0;//负边沿触发中断EX0=0;//关闭外部中断}//外部中断处理用做判断回波电平voidINT0_ISR(void)interrupt0{time=TH1*256+TL1;//取出定时器的值FlagSucceed=1;//置成功测量的标志EX0=0;//关闭外部中断}//定时器0初始化，16位定时模式，初始化为1ms中断一次。voidTimer0_Init(){TMOD=0x11;//定时器0和1工作在16位方式TH0=TIMER0H;TL0=TIMER0L;TR0=1;//启动定时器ET0=1;//允许定时器0中断Trig=0;distance=0;DisplayCount=0;}//定时器0中断,用做显示计时voidTimer0_ISR(void)interrupt1//定时器0中断是1号{TH0=TIMER0H;TL0=TIMER0L;DisplayCount++;if(DisplayCount>=1000)//1秒钟显示一次{FlagDisplay=1;DisplayCount=0;}}//定时器1初始化，16位计数模式，时钟为11059200/12=921600Hz//60ms计数为55296，即0xD800voidTimer1_Init(){TMOD=0x11;//定时器0和1工作在16位方式}TH1=0;TL1=0;ET1=1;//启动模块，Trig管脚20us正脉冲voidStart_Module(){Trig=1;Trig=0;}/*********************************************************************名称:Main()*功能:主函数***********************************************************************/voidmain(){U16i,j;EA=0;INT0_Init();Timer0_Init();//定时器0初始化Timer1_Init();//定时器1初始化Data_Init();EA=1;L1602_init();L1602_string(1,1,"Welcometomy");L1602_string(2,1,"distancemeter!");//延时for(i=0;i<1000;i++)//启动模块//启动一次模块delay_20us();for(j=0;j<1000;j++){;}while(1){EA=0;//以下为一次检测过程：先发出Trig电平，打开外部中断，清零T1，//最后在外部中断下降沿触发时取出T1当前值，计算出Trig脉冲宽度。Start_Module();while(Echo==0);//等待Echo回波引脚变高电平FlagSucceed=0;EX0=1;TH1=0;TL1=0;TF1=0;TR1=1;//启动定时器1开始计数EA=1;while(TH1<80);//盲区TR1=0;//关闭定时器1EX0=0;//关闭外部中断if(FlagSucceed==1)//一次测试成功，则计算距离，单位为厘米{distance=time*1.085;//计算得到脉冲时间（以微秒为单位）//将微秒时间转变成厘米距离的算法：Y米=（X秒*344）/2//X秒=（2*Y米）/344==》X秒=0.0058*Y米==》厘米=微秒/58distance/=58;//如果距离小于20cm，则声光报警if((FlagSucceed==1)&&(distance<20)){LedAlarm=0;Beep=0;}else{LedAlarm=1;Beep=1;}}if(FlagDisplay==1)//1秒显示时间到{if(FlagSucceed==0){//LCD提示无回波L1602_string(1,1,"OutOfRange(0-4m)");L1602_string(2,1,"");}else{//LCD显示数据L1602_string(1,1,"DistanceResult:");L1602_string(2,1,"cm");}}L1602_int(2,5,distance);}FlagDisplay=0;}3.3显示程序/*********************************************************************文件名：液晶1602显示.c*描述:该程序实现了对液晶1602的控制。***********************************************************************/#include"1602.h"#include"math.h"/*********************************************************************名称:delay()*功能:延时,延时时间大概为140US。*输入:无*输出:无***********************************************************************/voiddelay(){;inti,j;for(i=0;i<=10;i++)for(j=0;j<=2;j++)}/*********************************************************************名称:Convert(ucharIn_Date)*功能:因为电路设计时，P0.0--P0.7接法刚好与资料中的相反，所以设计该函数。*输入:1602资料上的值*输出:送到1602的值***********************************************************************/ucharConvert(ucharIn_Date){/*uchari,Out_Date=0,temp=0;for(i=0;i<8;i++){temp=(In_Date>>i)&0x01;Out_Date|=(temp<<(7-i));}returnOut_Date;*/returnIn_Date;}/*********************************************************************名称:enable(uchardel)*功能:1602命令函数*输入:输入的命令值*输出:无***********************************************************************/voidenable(uchardel){}/*********************************************************************名称:write(uchardel)*功能:1602写数据函数*输入:需要写入1602的数据*输出:无***********************************************************************/voidwrite(uchardel){P0=Convert(del);P0=Convert(del);RS=0;RW=0;E=0;delay();E=1;delay();}RS=1;RW=0;E=0;delay();E=1;delay();/*********************************************************************名称:L1602_init()*功能:1602初始化*输入:无*输出:无***********************************************************************/voidL1602_init(void){enable(0x01);enable(0x38);enable(0x0c);enable(0x06);enable(0xd0);}/*********************************************************************名称:L1602_char(ucharhang,ucharlie,charsign)*功能:改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符显示"b"，调用该函数如下L1602_char(1,5,'b')*输入:行，列，需要输入1602的数据*输出:无***********************************************************************/voidL1602_char(ucharhang,ucharlie,charsign){}/*********************************************************************名称:L1602_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p)*功能:改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符开始显示"abcdef"，调用该函数如下uchara;if(hang==1)a=0x80;if(hang==2)a=0xc0;a=a+lie-1;enable(a);write(sign);L1602_string(1,5,"abcdef;")*输入:行，列，需要输入1602的数据*输出:无***********************************************************************/voidL1602_string(ucharhang,ucharlie,uchar*p){uchara;if(hang==1)a=0x80;if(hang==2)a=0xc0;a=a+lie-1;enable(a);while(1){if(*p=='\0')break;write(*p);p++;}}//显示整型的温湿度数据用，共占用4位，其中一位符号位voidL1602_int(ucharhang,ucharlie,intnum){uinttemp;uintgewei,shiwei,baiwei,sign;if(num>=0){sign=0;}else{sign=1;}temp=abs(num);baiwei=temp/100;temp=temp-baiwei*100;shiwei=temp/10;gewei=temp-shiwei*10;num=a