单片机课程设计超声波测距仪的设计.doc
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1、* 大 学 *学 院本 科 生 课 程 设 计课 程 名 称: 单片机课程设计 题 目: 超声波测距仪 专 业 班 级: 08 电信 学 生 姓 名: * 学 生 学 号: * 日 期: 2011年6月14 指 导 教 师: * 一、课程设计目的、任务和内容要求:通过该课程设计使学生进一步了解和加深智能化仪器设计的一般原则;熟练掌握智能化仪器与装置的软、硬件设计方法;掌握仪器的软件调试及软硬件联合统调方法与技能。掌握仪器的接口技术和程控方法;熟练掌握仪表总线的工作原理、设计步骤、编程及调试;掌握C设计软件的编程与调试方法;掌握网络化仪器设计编程与调试方法。本课程设计的任务就是设计一个超声波测距
2、系统。鼓励学生在熟悉基本原理的前提下,与实际应用相联系,提出自己的方案,完善设计。具体设计任务如下: 1熟悉超声波测距的工作原理; 2写出超声波测距的设计方案;3用硬件加以实现;4写课程设计报告。设计要求:1.测量范围:0.15m;2.测量精度:0.01m;3.显示测量距离。二、进度安排:第3天: 查找资料,熟悉超声波测距的设计原理,给出设计总体方案;第46天: 各模块的详细设计;第712天: 硬件连线,调试;第1314天:写课程设计报告。三、主要参考文献:1谢自美. 电子线路设计-实验-测试M .武汉:华中科技大学出版社, 20002楼然苗,李光飞.单片机课程设计指导.北京航天航空大学出版社
3、,20073张齐,朱宁西.单片机应用系统设计技术.电子工业出版社,20104周新华.手把手叫你学单片机C程序设计.北京航天航空大学出版社,2009 指导教师签字: 年 月 日目 录目 录I摘 要IABSTRACTII1 绪论111设计背景11.2设计目的11.3 基本原理12 设计方案简述22.1方案讨论22.2方案论证23 详细设计33.1硬件设计33.1.1 AT89S52外围电路设计33.1.2数码管显示电路设计43.1.3超声波发射电路设计53.1.4超声波接收63.2软件部分73.2.1系统软件设计说明73.2.2编程语言的选择73.2.3超声波测距仪的算法设计73.2.4主程序流程
4、图83.2.5超声波发生子程序和超声波接收中断程序93.2.6系统的软硬件的调试104 设计结果及分析115 总结12参考文献13附录114附录22摘 要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。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日常使用的要求。设计的超声波测距器利用超声波传输中距离与时间的关系,采用以AT89S52单片机为核心进行控制及数据处理,最终完成低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距器的硬件电路和软件设计。该测距器主要由超声波发射器电路、超声波接收器电路、单片机控制电路、系统电源电路及显示电路
5、构成。整个程序采用模块化设计,由主程序、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,实现超声波测距器的各种功能。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。经过实验表明,这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好,经过系统扩展和升级,可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,还能有效地解决汽车倒车,液位、水深、管道长度的测量问题。关键词:超声波;AT89S52;数码管;测距AbstractThe strong point of ultrasonic energy consumption is slow, the
6、 spread in the medium distance, and therefore frequently used ultrasonic distance measurement. Distance using ultrasonic testing, the design is more convenient, computing is also relatively simple, and precision in the measurement can achieve the requirements of daily use. Design of ultrasonic dista
7、nce measurement device using ultrasonic transmission distance of time, with the AT89S52 microcontroller as the core for control and data processing, the final completion of low-cost, high precision, miniature digital display ultrasonic ranging device hardware and software design . The probe by the s
8、ingle chip integrated analysis of signal processing, and ultrasonic ranging device features. On this basis, the overall design of the system program, and finally achieved through various hardware and software modules. Experimental results show that the system software and hardware designed, anti-int
9、erference ability, good real-time, after the system expansion and upgrades, can be applied to car parking, construction sites and the location of some industrial-site monitoring, but also effectively solve the vehicle Reverse, liquid level, water depth, pipeline length measurements. Key words: ultra
10、sonic; AT89S52; digital; location1 绪论11设计背景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。但就目前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。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
11、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。无庸置疑,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设计目的通过该课程设计使学生进一步了解和加深智能化仪器设计的一般原则;熟练掌握智能化仪器与装置的软、硬件设计方法;掌握仪器的软件调试及软硬件联合统调方法与技能。掌握仪器的接口技术和程控方法;熟练掌握仪表总线的工作原理、设计步骤、编程及调试;掌握C语言设计软件的编程与调试方法;掌握
12、网络化仪器设计编程与调试方法。1.3 基本原理超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中,超声测距器是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射同时开始计时,超声波在空气中传播,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中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T,然后求出距离L。基本的测距公式为:L=(T/2)*V 式中 L被测距离;T发射波和反射波之间的时间间隔;V超声波在空气中的声速,常温下取为340m/s 。声速确定后,只要测出超声波往返的时间,即
13、可求得L。 为测试更精确,鉴于声波受温度影响最大,测距数据处理过程可以采用了温度补偿,以提高测量精度。2 设计方案简述2.1方案讨论超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受,根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种,一种是在被测距离的两端,一端发射,另一端接收的直接波方式,适用于身高计;一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式,适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。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
14、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,本文采用AT89S52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。 图2.1 超声波测距器系统设计框图2.2方案论证测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器,常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减,衰减的程度与频率的高低成正比;而频率高分辨率也高,故短距离测量时应选择频率高的传感器,而长距离的测量时应用低频率的传感器。3 详细设计3.1硬件设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声
15、波检测接收电路四部分。单片机采用AT89S52,采用12MHz高精度的晶振,以获得稳定时钟频率,减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,位码用PNP三极管9013驱动。3.1.1 AT89S52外围电路设计单片机AT89S52作为主控芯片,控制整个电路的运行。单片机外围需要一个复位电路,复位电路的功能是:系统上电时提供复位信号,直至系统电源稳定后,撤消复位信号。为可靠起见,电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号,以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复
16、位。该设计在电源电压瞬间下降时可以使电容迅速放电,可令系统可靠复位。 图3.1.1 复位电路图 图3.1.2 时钟电路AT89S52中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别为该反向放大器的输入端和输出端。这个反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷谐振器)及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性。如果使用石英晶体,电容应该使用30pF。还可以使用外部时钟。这种情况
17、下,外部时钟脉冲接XTAL1端,即内部时钟发生器的输入端, XTAL2应悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的,所以外部时钟信号的占空比没有特殊要求,但最小高电平持续时间和最大低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。3.1.2数码管显示电路设计该设计中有4个八段数码显示管,由于单片机本身端口驱动能力有限,所以,在单片机AT89S52外围需要接入4个三极管来驱动数码显示管。八段数码显示管有两种,一种是共阳数码管,其内部是由八个阳极相连接的发光二极管组成;另一种是共阴数码管,其内部是由八个阴极相连接的发光二极管组成。二者原理不同但功能相同,本设计选用四位共阳极数码管。 图
18、3.1.3 数码管显示及其驱动电路3.1.3超声波发射电路设计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SVT2,式中的V为超声波波速。限制该系统的最大可测距离存在4个因素:超声波的幅度、反射的质地、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的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,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。由于超声波属于声波范围,其波速V与温度有关。测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器,因为超声波在空气中传播时衰减很大,
19、衰减的程度与频率成正比,但是频率越高则分辨力也会越高,频率为40kHz左右的超声波在空气中传播的效率最佳,工作所需40kHz的脉冲信号,由单片机执行相应程序来产生。关于40KHz信号的产生,利用单片机定时器中断产生,要特别注意中断服务程序的编写。中断服务不能过长,如果过长单片机在前一个中断服务程序还没执行完之前又会有下一个中断产生。所以单片机将会产生一个错误频率的信号,往往这个错误的频率会比预期的值偏低。测距系统由单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。AT89S52输出超声波换能器所需的40K方波信号,利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号, 并实现对CX20106
20、接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。超声波发射电路原理图如图3.6所示。发射电路主要由反相器4069和超声波发射换能器T构成,单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极,另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极,用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端,可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联,用以提高驱动能力。上位电阻R6、R8一方面可以提高反向器4069输出高电平的驱动能力,另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果,缩短其自由振荡时间。图3.1.4 超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的
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