基于单片机和SMC1602的超声波测距系统设计.doc
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1、基于单片机和SMC1602的超声波测距系统设计摘 要我们生活的是一个三维的空间,物体与物体之间有着其相对的位置。所以如何更方便,更准确的测量一些我们想知道的两者之间的距离成了历代科学家最感兴趣的事情之一。从最初的用脚步去丈量,到后来的具有统一标准的尺子测量。已经形成了一系列应用于各行的不同精度的尺子,基本满足了我们日常生活和科学研究的需求。但是,随着社会的发展又有许多关于测量距离的新问题被提出来。比如:能否方便的通过测量距离而将面积或体积一同测量出来;在一些不方便使用尺子的地方,如高压线周围、水电管布局等能否安全方便的测量出目标距离。另外,在一些场合里能否实时动态测量目标。都是传统的静态测量方
2、法解决不了的。这就要求我们设计一种新的测量工具来解决的问题。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,如测距仪和物位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,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。本设计给出了一种基于时差测距原理的超声波测距系统的整体结构设计方案,介绍了该超声波测距系统中所选用的AT89C51单片机、SMC1602液晶显示驱动器的主要特点,最后给出了该超声波测距系统的软件主程序和中断程序流程图。关键词:超声波测距;单片机;液晶显示器件;
3、SMC1602The Design of The Ultrasonic Ranging System Based on Single-chip and SMC1602 AbstractWe live in a three-dimensional space, objects and objects have their relative position. Therefore the more convenient, more accurate measurements that we want to know the distance between the two scientists m
4、ost interested in history has become one of the things. Used from the initial steps to measure, and later ruler of a unified measurement standards. Has formed a series of different lines used in the precision of a ruler, can basically meet the needs of our daily life and scientific research needs. H
5、owever, with the development of society on the measurement of the distance there are many new issues raised. For example: Can a convenient distance by measuring the area or volume will be measured together; in some areas is not convenient to use a ruler, such as around high-tension line, such as ele
6、ctricity and water pipes can safe and convenient layout of the target distance measurement. In addition, a number of occasions whether in the real-time dynamic measurement of the target. The traditional static measurement that can not be resolved. This requires us to design a new measurement tools t
7、o solve problems.Strong point as a result of ultrasonic energy consumption slow, in the medium distance transmission, which are often used for ultrasonic distance measurement, such as range finders and all level measurement can be achieved through ultrasound. The use of ultrasonic testing are relati
8、vely rapid, convenient, simple, easy to do real-time control and measurement accuracy can meet the practical requirements of the mobile robot has been developed on a wide range of applications.The design of this paper, a location based on the principle of time difference of ultrasonic ranging system
9、 of the overall structural design of the program, introduced the ultra Acoustic ranging system in the selected AT89C51 single-chip Microcomputer, LCD Driver SMC1602 the main features, and finally given the ultrasonic ranging system software flow chart of main program and interrupt procedures. Keywor
10、ds: Ultrasonic Distance Measurement; single-chip Microcomputer; LCD; SMC1602目录引 言1第1章 绪论21.1 概述21.2 课题的总体设计及思路2第二章 硬件电路的设计42.1 AT89C51单片机42.2复位电路62.3系统时钟电路92.4发射电路102.5接收电路112.6温度采集电路122.7显示电路122.8时间增益补偿电路20第三章 软件设计233.1主程序流程图233.2外部中断子程序243.3定时器子程序25第四章 调试264.1 硬件调试264.2 软件调试26结论与展望27致谢29参考文献30附录31
11、附录A原理图31附录B外文文献及译文32附录C 主要参考文献的题目及摘要39附录D 程序清单42插图清单图1-1超声波测距原理框图2图1-2基于单片机的SMC超声波测距原理框图3图2-1 89C51引脚图5图2-2 CAT810引脚图7图2-3 Vcc低于1.0V时RESER有效图8图2-4 Vcc低于1.0V时RESET有效8图2-5 双向复位管脚的连接9图2-6 复位电路9图2-7内部振荡电路连接图10图2-8外部振荡电路连接图10图2-9 超声波测距发射电路11图2-10 超声波测距的接收电路11图2-11 温度采集电路12图2-12 RAM地址映射图14图2-13 操作时序18图2-1
12、4 写操作时序19图2-15 显示电路20图2-16灵敏度时间补21图2-17 有源全波整流电路原理图22图3-1 主程序流程图23图3-2 外部中断子程序25图3-3 定时器子程序流程图25表格清单表2-1 CAT810管脚说明7表2-2 SMC1602技术参数13表2-3 SMC1602接口说明14表2-4 SMC1602状态字说明14表2-5 SMC1602显示模式设置15表2-6 SMC1602显示光标设置15表2-7 数据指针设置15表2-8 清屏指令一览表15表2-9光标归位指令一览表16表2-10 进入模式设置指令一览表16表2-11 设定显示器或光标移动方向一览表16表2-12
13、 设定功能一览表17表2-13 设定CGRAM地址指令一览表17表2-14 读取忙碌信号或AC地址指令一览表17表2-15 数据写入到DDRAM或CGRAM中的指令一览表18表2-16 从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览表18表2-17 时序参数19引 言采用超声波测量大气中的地面距离,是近代电子技术发展才获得正式应用的技术,由于超声测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此,用途极度广泛。超声波测距在很多距离探测应用中具有重要的用途(包括液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面),特别是应用于空气测距方面。由
14、于空气中的波速较慢,其回波信号中包含的沿传播方向的信息很容易检测出来,因而具有很高的分辨力,且其准确度也较其它方法高;此外,超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。目前,基于超声波精确测距的需求也越来越大,如油库和水箱液面的精确测量和控制,物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。超声波测距系统的应用非常广泛,它涉及到了现代的工业,军事等等方面,它的发展快慢同时也标志着一个国家的发展速度,对于它的研究永远不会停止,人们要求它能够使测距更简单,经济,普遍;使它的硬件更容易实现。为此,本文根据超声波测距原理设计了一种以MCS-51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测
15、距系统。第1章 绪论1.1 概述本系统中的超声波信号由80C51单片机产生,它可通过P1.0口输出一个40kHz的脉冲信号,并持续发射216s。原始信号是5Vp-p。该信号经过运行放大3倍后,可驱动超声波发射头发出15Vp-p、40kHz的脉冲超声波。由于接收头与发射头配对,因此,接受后可将超声波调制脉冲变为交变电压信号,经运行放大5倍后加至高通有源滤波电路滤除低频杂波,当系统通过程序计算得到所测距离后,再将其转化成ASCII码送到液晶显示器。1.2 课题的总体设计及思路超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间,由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离,即所谓的脉冲回波方
16、式。该方式的基本电路框图如图1-1所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。图1-1超声波测距原理框图发射电路通常是一个工作频率为40kHz的多谐振荡器,该振荡器可由555时基集成电路或其他电路构成多谐振荡器电路型式。多谐振荡器受单片机控制,产生一定数量的发射脉冲(通常为516个),用于驱动超声波发射传感器,并激励出超声波在空气中传播,遇障碍物反射而返回。超声波接收传感器通过压电转换的原理,将由障碍物返回的回波信号转换成电信号,由于该信号幅度较小(几到十几毫伏),因此须由低噪声放大、40kHz带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度,且干
17、扰成分较少,并由回波信号处理电路转换成方波信号,送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。单片机根据脉冲发射时间和接收到回波的时间计算出时间差t,即超声波在空气中传播的时间,并由式(1-1): (1.1)计算出距离S,式中参数c是超声波在空气中的传播速度。本设计是在次基础上加上单片机并在液晶显示器上显示出来。所以它的原理框图如图1-2所示:图1-2基于单片机的SMC超声波测距原理框图第二章 硬件电路的设计2.1 AT89C51单片机AT89C51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS 8位单片机,片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机
18、数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元,使其为众多嵌入式控制应用系统提供了灵活性高且价廉的解决方案。下面是对单片机AT89C51主要特性进行了一些描述:1. 主要性能参数:与MCS-51单片机产品兼容;4K字节可重擦写Flash存储器;1000次擦写周期;全静态操作:0Hz24MHz;三级加密程序存储器;1288字节内部RAM;32个可编程I/O口线;2个16位定时器/计数器;5个中断源;可编程串行UART通道;低功耗空闲和掉电模式;工作温度:-55+125;储藏温度:-6
19、5+150;任一引脚对地电压:-1.0V+7.0V;最高工作电压:6.6V;直流输出电流:15.0mA;芯片引脚介绍:图2-1 89C51引脚图VCC:电源VSS:地P0口:8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0具有内部上拉电阻。在Flash编程时,P0口也用来接收指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1口:具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时,内
20、部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在Flash编程和校验时,P1口接收低8位地址字节。P2口:具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2口送出高八位地址。在这种应用中,P2口使用很强的内部上拉电阻发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器的内容。在Fla
21、sh编程和校验时,P2口也接收高位地址字节和一些控制信号。P3口:P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P3输出缓冲器能驱动四个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因,将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89C51特殊功能(第二功能)使用,P3口还具有以下特殊功能:RXD(P3.0)串行输入口TXD(P3.1)串行输出口INT0(P3.2)外部中断0INT1(P3.3)外部中断T0(P3.4)定时器0外部输入T1(P3.5)定时器1外部输入WR(P3.6)外部数据存储器写信号RD(P3
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