1、基于 proteus 仿真軟件的超聲波測距報警控制器設計院 系： 計算機與通信工程學院專 業： 電子信息工程學 號：姓 名：指導教師：設計時間： 2012/6/27綜合課程設計任務書專業：電子信息工程 班級： 4091603設計題目： 基于 proteus 仿真軟件的 超聲波測距報警控制器設計一、設計實驗條件keil C 和 proteus 仿真軟件二、設計任務1）總體功能設計2）硬件電路設計3）軟件設計4）工作總結三、設計說明書的容1 設計題目與設計任務（設計任務書）2 前言（緒論） （設計的目的、意義等 ）3 主體設計部分（各部分設計容、總結分析、結論等）4 結束語5 參考文獻（答辯時間

2、18 周星期日晚 7：30，地點：綜合樓 1313室）四、設計時間與設計時間安排1、設計時間：2周2、設計時間安排：熟悉實驗設備、實驗、收集資料：2天設計計算、繪制技術圖紙：5天編寫課程設計說明書：2天答辯：1天目錄一、設計題目 2二、設計任務及要求 3三、設計容 31. 緒論 32. 總體方案 42.1 總體設計方案 42.2 超聲波測距框圖 . 43. 系統硬件設計 53.1 硬件設計方案 53.2 各主要模塊的硬件設計 64. 系統軟件設計 104.1 程序設計 104.2 程序流程圖 10四、結束語 13五、參考文獻 13附錄 A 系統仿真圖 14附錄 B 程序代碼 15一、設計題目基

3、于 proteus仿真軟件的超聲波測距報警控制器設計、設計任務及要求利用所學數字電子技術、信號處理、控制等技術，設計、制作并調試完成一 個單片機最小化系統。 在此基礎上， 將最小系統與綜合實驗開發平臺上的超聲波 模塊、顯示模塊進行正確的連接（如圖 1.1 所示），使單片機可接收超聲波模塊 輸出的測量信號， 并對其進行合理的處理后， 在顯示模塊上實時顯示超聲波模塊 與障礙物的距離。圖 1.1 系統連接示意圖具體要求：1、實驗開發平臺上的數碼管可實時顯示障礙物與超聲波的距離信息，單位為mm；2、當測試距離大于 0.5m 時報警三、設計容1. 緒論利用超聲波作為定位技術是蝙蝠等一些無目視能力的生物作

4、為防御及捕捉 獵物生存的手段， 也就是由生物體發射不被人們聽到的超聲波 （20kHz 以上的機 械波），借助空氣媒質傳播，由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長 短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質或障礙位置的方法。超聲波是由機械振動產生， 可在不同介質中以不同的速度傳播。 而且超聲波 的速度相對于光速要小的多， 其傳播時間就比較容易檢測。 并且超聲波具有定向 性好、能量集中、在傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優點，超聲波傳感器 可廣泛應用于非接觸式的位置距離檢測。2. 總體方案2.1 總體設計方案根據設計要求并綜合各方面因素，本次設計 AT89C52 單片機作為控制器， 用動態掃描法

5、實現數碼管顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。由單片機 AT89C52 編程產生 125kHz 的方波，經 P3.0 口連接到開發平臺的超聲波模塊發 送超聲波， 再經過放大電路， 驅動超聲波發射探頭發射超聲波。 發射出的超聲波 經障礙物反射回來后，經過 P3.2 口由超聲波接收頭接收到信號。通過接收電路 的檢波放大、積分整形及一系列處理， 送至單片機。 單片機利用聲波的傳播速度 和發射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離， 并由單片機控制在 開發平臺的顯示模塊中顯示出來。 由于超聲波指向性強， 能量消耗緩慢， 在介質 中傳播的距離較遠， 因而超聲波經常用于距離的測量。 利用超聲波檢

6、測距離， 設 計比較方便，計算處理也較簡單， 并且在測量精度方面也能達到農業生產等自動 化的使用要求。2.2 超聲波測距框圖單片機發出 125kHZ 的方波信號，經放大后通過超聲波發射器輸出；超聲波 接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大， 用鎖相環電路進行檢波處理后， 啟 動單片機中斷程序，測得時間為 t；再通過軟件編程進行判別、計算，得出所測 距離數并經由 LED 數碼管顯示，其原理框圖如圖 2.1。超聲波接收器 放大電路 鎖相環檢波電路定時器單片機控制顯示器超聲波發射器 放大電路圖 2.1 超聲波測距儀原理框圖發射器發出的超聲波以速度 在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返 回，由接收器

7、接收，其往返時間為 t。由公式：測出的距離 L m =常溫下的聲速340(m / s) 感應時間 t(s) 2 ，算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波， 其聲速 v 與溫度有關， 在使用時， 如果溫度變化不大， 則可認為聲速是基本不變 的，本次設計將聲速設定為 344m/s。3. 系統硬件設計3.1 硬件設計方案3.1.1 超聲波測距原理單片機在 T0 時刻發射方波，同時啟動計數器開始計時，當收到回波后，產 生一個負跳變沿信號到單片機的外部中端口， 單片機響應中斷程序， 計數器停止 計數。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間 t ，由此便可計算出距 離。其時序圖如圖 3.1 所示

8、。圖 3.1 超聲波時序圖3.1.2 硬件電路設計硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、 超聲波發射電路和超聲波 檢測接收電路，報警模塊四部分。單片機采用 AT89C52，使用 12MHz 高精度的 晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P3.0 端口輸出超聲波 換能器所需的 125kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監測超聲波接收電路輸出的 返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數碼管，段碼用 P0 口控制， 位碼用 P2口控制 。3.2 各主要模塊的硬件設計3.2.1 AT89C52 芯片簡介圖 3.2 AT89C52 芯片管腳圖AT89C52 是 5

9、1 系列單片機的一個型號，它是 ATMEL 公司生產的。 A T89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片含 8k bytes 的可反 復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數據存儲器（ RA M ），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS-51 指令系統，片置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，功能強大 的 AT89C52 單片機可為您提供許多較復雜系統控制應用場合。 AT89C52 有 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O ）端口，同時含 2 個外中斷口， 3 個 16 位可

10、編程定時計數器 ,2 個全雙工串行通信口， 2 個讀寫口線， AT89C5 2 可以按照常規方法進行編程 , 但不可以在線編程 （S 系列的才支持在線編 程）。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫 的 Flash 存儲器可有效地降低開發成本。 管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每引腳可吸收 8TTL 門電流。 當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數據存 儲器，它可以被定義為數據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH

11、進行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0外部必須被拉高P1口：P1口是一個部提供上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，P1口緩沖器能接收 輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被部上拉為高，可用作輸入， P1 口被 外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在 FLASH 編程和 校驗時， P1 口作為第八位地址接收。P2口：P2口為一個部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，P2口緩沖器可接收，輸 出 4 個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “ 1時”，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸 入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上 拉的緣故。

12、P2口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1時”，它利用部上拉優勢，當對外部八位 地址數據存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是 8個帶部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當 P3口寫入 “1后”，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入， 由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD（串行輸入口

13、）P3.1 TXD（串行輸出口 ）P3.2 /INT0（外部中斷 0）P3.3 /INT1（外部中斷 1）P3.4 T0（記時器 0外部輸入 ）P3.5 T1（記時器 1外部輸入 ）P3.6 /WR（外部數據存儲器寫選通 ）P3.7 /RD（外部數據存儲器讀選通 ）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高 電平時間。3.2.2 單片機最小系統本文單片機型號為 AT89C52，采用頻率為 12MHz 晶振和兩個電容組成的晶 振電路， 為單片機提供工作時序。 復位電路是按鍵電平復位， 是通過使復位端經電阻與 VCC 電

14、源接通而實現。最小系統電路圖如圖 3.2 所示圖 3.3 單片機最小系統3.2.3 超聲波發射電路超聲波發射電路原理圖如圖 3.4 所示。發射電路主要由反相器 74LS04 和超 聲波發射換能器 T 構成，單片機 P3.0 端口輸出的 125kHz 的方波信號一路經一級 反向器后送到超聲波換能器的一個電極， 另一路經兩級反向器后送到超聲波換能 器的另一個電極， 用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端， 可以提 高超聲波的發射強度。 輸出端采兩個反向器并聯， 用以提高驅動能力。 上位電阻 R1O、R11一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅動能力，另一方面可 以增加超聲波換能

15、器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖 3.4 超聲波發射電路原理圖3.2.4 超聲波檢測接收電路集成電路 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅 外遙控接收器。實驗證明用 CX20106A 接收超聲波 （無信號時輸出高電平 ），具有 很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。VCCGND圖 3.5 超聲波檢測接收電路3.2.5 顯示電路設計顯示電路采用簡單實用的 4位共陽 LED 數碼管，段碼用 P0口控制，位碼用P2 口控制。接 P2.0，P2.1，P2.2，P2.3引腳的分別為千位，百位，十位，個位顯示數碼管。圖 3.6 顯示電路3.2.6 報警模塊本系統選用單片機 P1.

16、1 連接報警電路。通過軟件編程來控制蜂鳴器報警時 間長短來表示所測距離是否超限。當蜂鳴器發出報警聲時，說明測得距離大于50cm。報警電路如圖 3.7 所示圖 3.7 報警電路4. 系統軟件設計4.1 程序設計系統軟件采用模塊化設計，主要包括主程序設計、超聲波發射子程序、 LED 顯示子程序設計等。主程序首先是對系統環境初始化，設置計數器 T0 工作模式 為 16 位定時計數器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P2 清 0 。然后調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖， 打開外中斷 0 接收返回的 超聲波信號。測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 5m

17、s，然后再發超 聲波脈沖重復測量過程。 為了有利于程序結構化和容易計算出距離， 主程序采用 C 語言編寫。4.2 程序流程圖4.2.1 主程序流程圖4.2.2 超聲波發射模塊流程圖4.2.3 顯示模塊流程圖四、結束語在本次設計中，我們廣泛借鑒了各種設計的優點， 討論并研究各個設計環節， 包括如何產生 125KHz 方波，如何在接收電路中對其進行濾波、放大、整形等問 題。但由于條件和技術有限， 對于在發射和接收過程中所產生的誤差沒有考慮并 矯正，如溫度誤差、硬件電路誤差等。在為期兩周的設計中，我們運用之前所學的知識，如單片機、 C 語言等。了 解了超聲波傳感器的原理， 學會了各種放大電路的分析和

18、設計， 也掌握了單片機 開發過程中所涉及的開發方法和工具。動手能力與自學能力得到了鍛煉和提高。 可以說為今后的工作、學習打下了堅實的基礎。本次的設計也讓我們認識到仿真軟件不是萬能的， 有些東西是沒法進行仿真 的，比如本設計中需要有一個擋板就是仿真不出來的，在實物設計中可以實現。 所以，我們不能過于依賴仿真，要把仿真與實踐相結合才能有更好地研究成果。五、參考文獻1 沙占友集成化智能傳感器原理與應用 M ：電子工業， 20042 吳研超聲波倒車雷達系統設計 J：理工大學， 20053 肖景和，健紅外線熱釋電與超聲波遙控電路 M ：人民郵電， 20034 史諺賓基于 AT89C2051 的超聲波測距

19、儀設計 J：航空航天， 20065 路錦正,王建勤.超聲波測距儀的設計 M ：理工大學， 19996 基于單片機智能系統的設計與實現 M ：人民郵電， 20057 賴壽宏微型計算機控制技術 M ：機械工業， 20028 王兆安，黃俊電力電子技術 M ：機械工業， 20039 邱關源電路 M ：高等教育， 199910 尤一鳴.單片機總線擴展技術第一版 M.:航空航天大學， 1993.附錄 A 系統仿真圖附錄 B 程序代碼#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit Tsonic=P30;sbit Rsonic=

20、P32;sbit buz=P11;uint distance=0;float n=0.172; / 超聲波速度為 344m/suchar a,e,c,d;uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf; void close()P0=0xff;P2=0xff;buz=0;void delay4us();void delayms(uint k)uint m,n;for(n=k;n0;n-)for(m=110;m0;m-);void sonic()uchar i; for(i=10;i0;i-) Tsonic=1; delay4us();Tsonic=0;delay4us();void Data(uchar a