1、.現代通信技術專業課程設計 基于單片機控制的超聲波測距報警系統設計系 部： 電子與信息工程系 專業班級： 電子信息工程07秋2班 學生姓名： 學 號： 小組成員： 指導教師： 時 間： 2010.12.20 2010.12.31 完成時間： 2010 年 12 月3212010.12 上海師范大學天華學院電子信息工程系現代通信技術專業課程設計 目錄1 緒論11.1 設計的目的及其意義11.2 設計任務及要求12 總體方案22.1 總體設計方案22.2 超聲波測距框圖33 系統硬件設計43.1 硬件設計方案43.1.1 超聲波測距原理43.1.2 硬件電路設計43.2 各主要模塊的硬件設計43.

2、2.1 超聲波發射電路63.2.2 超聲波檢測接收電路73.2.3 顯示電路設計83.2.4 復位功能84 軟件方案104.1 程序設計104.2 程序流程說明104.2.1 主程序104.2.2 定時中斷服務子程序114.3 程序清單115 調試過程12215.1 使用儀器設備125.2 調試中的問題及解決方案125.2.1 軟件調試中的問題及解決方案125.3 功能顯示136 課程設計收獲156.1 課程設計的心得體會15參考文獻16附錄16程序清單161 緒論 1.1 設計的目的及其意義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為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發射不被

3、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檢測方法，因而采用仿真技能利用超聲波測距【1】。 由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國

4、內的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用lm92溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度【2】。 1.2 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距離信號，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：l 實驗開發平臺上的數碼管可

5、實時現實障礙無語超聲波的距離信息，單位為cm，精確到小數點后1位；l 當測試距離小于10或大于50時報警，且以上兩種情況的報警方式需有明顯的區別；l 系統應具備測距啟動功能，或當系統報警后，可以復位系統，使其開始重新測距。2 總體方案2.1 總體設計方案測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比【3】。根據設計要求并綜合各方面因素，本文采用stc89c52單片機作為控制器，用動態掃描法實現led數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。由單片機stc89c52編程產

6、生40khz的方波，經p3.3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【4】。 2.2 超聲波測距框圖單片

7、機發出40khz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。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，由接收器接收，其往返時間為t。由公式：測出的距離=常溫下的聲速340感應時間，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，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高

8、，則應通過溫度補償的方法加以校正【5】。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時刻發射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一個負跳變到單片機中端口，單片機響應中斷程序，定時器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間，由此便可計算出距離。其時序圖如圖3.1所示。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三部分。單片機采用stc89c51或其兼容系列。采用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p2.4端口輸出超聲波換能器所需的

9、40khz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，段碼用程序驅動，位碼用pnp三極管驅動。3.2 各主要模塊的硬件設計1.stc89c51芯片簡介5l系列單片機中典型芯片(stc89c51)采用40引腳雙列直插封裝(dip)形式，內部由cpu，8kb的rom，256 b的ram，2個16b的定時計數器to和t1，4個8 b的工o端i：ip0，p1，p2，p3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的flash可編程、可擦除只讀存儲器(eprom)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統

10、中更為有用【6】。該系列單片機引腳與封裝如圖3.2所示。圖3.2 stc89c51引腳圖2.引腳功能說明（1）vcc：電源電壓（2）gnd：接地（3）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。（4）/ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。（5）xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。（6）xtal2：來自反向振蕩器的輸出。（7）p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每腳可吸收8ttl門電流。（8）p1口：p1口是一個

11、內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能吸收或輸出4ttl門電流。 （9）p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可吸收或輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。（10）p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可吸收或輸出4個ttl門電流。p3口也可作為at89c52的一些特殊功能口，如下表1所示。表3.1 p3特殊功能口口管腳備選功能p3.0 rxd串行輸入口p3.1 txd串行輸出口p3.2 /int0外部中斷0p3.3 /int1外部中斷1p3.4 t0記時器0外部輸入p3.5 t1記時器1外部輸入

12、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。（11）ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。（12）/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現【7】。 3.2.1 超聲波發射電路超聲波發射電路原理圖如圖3.3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p3.3端口輸出的40khz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

13、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器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間【8】。圖3.3 超聲波發射電路原理圖 3.2.2 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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 khz與測距的超聲波頻率40 khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖3.4)。實驗證明用cx201

14、06a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【9】。圖3.4超聲波檢測接收電路 3.2.3 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74ls244驅動，位碼用pnp三級管驅動。接p2.1引腳的為個位顯示數碼管，其小數點在p2.1有效時顯示，此功能由軟件來完成。 3.2.4 復位功能系統應具備測距啟動功能，可以復位系統，使其開始重新測距。采用開發平臺中的按鍵模塊實現。綜上所述本系統的特點是利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接收往返時間的計時，單片機選用stc89c52，經濟易用，且片內有8k的rom，便于編程。電路原理圖如圖3.5所示

15、。圖3.5 電路原理圖4 軟件方案4.1 程序設計系統軟件設計采用模塊化設計，主要包括主程序設計、t0中斷服務子程序、外部中斷服務子程序、距離計算子程序、led顯示子程序設計等。主程序首先是對系統環境初始化，設置定時器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，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時約0.1 ms，然后才打開外中斷0接收返回的超聲波信號【10】。測出距離后結果將以十進制bcd碼方式送往led顯示約0.5s，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

16、距離，主程序采用c語言編寫。4.2 程序流程說明 4.2.1 主程序l 系統控制初始化led、初始化計數控制部分，清除計數值。l 單片機超聲波脈沖信號。l 立刻置int0為1，打開計時器，等待回波信號。l 回波信號到達，關閉計時器，p3.3為0，清int0為0。l 單片機讀出計數值。l 單片機將計數值進行計算后得出的距離值，顯示在led上。l 當超出測量距離小于0.1m或大于0.5m時，報警系統燈亮。l 當按下復位鍵時，啟動復位功能。主程序流程圖如圖4.1所示。圖4.1 主程序流程圖 4.2.2 定時中斷服務子程序超聲波發生子程序的作用是通過p3.3端口發送2個左右頻率約40khz的方波的超聲

17、波脈沖信號，同時把計數器t0打開進行計時。定時中斷子程序如圖4.2所示。圖4.2 定時中斷服務子程序 4.3 程序清單源程序詳見附錄。5 調試過程5.1 使用儀器設備整個測距系統由單片機最小系統、實驗開發平臺（其中用到超聲波收發模塊、數碼管顯示模塊、按鍵模塊）、pc機、跳線若干根組成。5.2 調試中的問題及解決方案 5.2.1 軟件調試中的問題及解決方案根據實際情況可以修改超聲波子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的時間間隔，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測得范圍為0.10.5m,當超過范圍時發生led亮燈報警，同時設置啟動自動復位，使其重新測距。 a.測距程序程

18、序中最難的部分是測距程序。由于該超聲波測距模塊對時序的要求很高，要求在輸入端產生40khz的方波。因為在程序的大循環中，尤其它程序造成延時的誤差，導致產生的方波并不算是需要的40khz。這樣該模塊就無法正常運行，導致測距失敗。后來，我們修改了延時，矯正了時序，并用示波器進行測量，在p3.3引腳上得到了40khz的方波。 b.報警功能由于報警時要使led燈閃爍，即需高電平與低電平交叉。其中在高低電平轉換時需要延時，我們錯誤的將報警子程序放入主程序，導致數碼管不能正常的進行動態掃描。將報警子程序以定時器1的方式放入中斷函數或將動態掃描程序放入定時器1，都可解決問題。經過多次嘗試，以及大家地討論終于

19、成功寫出了報警系統的亮燈功能。5.3 功能顯示如圖5.2所示，通過數碼管顯示測出的距離為，屬于10cm50cm正常范圍。圖5.1 超聲波測距正常范圍如圖5.3所示，超聲波測出的距離為，小于10cm，報警系統啟動，led燈亮。圖5.2 超聲波測距小于10cm 如圖5.4所示，超聲波測出的距離為，大于50cm，報警系統啟動，led燈亮。圖5.3 超聲波測距大于50cm 如圖5.5所示，按下鍵盤模塊中的按鍵，復位系統，數碼管顯示距離數歸零。圖5.4 啟動復位功能 6 課程設計收獲6.1 課程設計的心得體會作為一名電子信息工程的學生，我覺得做單片機課程設計是十分有意義的，而且是十分必要的，在已度過的大

20、學時間里，我們大多數接觸的是專業課。在課本上掌握的僅僅是專業課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學的專業理論運用到實踐中？我想這次課程設計提供了良好的平臺。在做本次課程設計的過程中，我感觸最深的當屬于實物制作和調試的過程，為了讓設計更完善，我們查閱了大量的資料，經過多次小組討論，修改程序，不斷調試，終于初見成果。在這期間，我一度感到沮喪，因為在我的設想中能實現的功能放到實物中往往會遇到各種問題，為了解決這些問題，花費大量的經歷和時間，從中我也學到了我們一切都要有據可依，不切實際的構想無法升級為設計。通過這次的課程設計的制作讓我對單片機的理論有了更加深入的了解，同時在具體制作實物

21、的過程中，我發現書本上的知識與實際應用存在著差距，書本上的知識很多都是理想化的結論，忽略了很多實際因素或者問題，這讓我們無法根據書本上的理論就輕易得到預想中的結果。通過這次實踐使我更深刻的體會到了理論聯系實際的重要性，以及我們實物制作的動手能力。我們在今后的學習工作中會更加的注重實際，避免成為只會紙上談兵的趙括。從中我也學會了凡事要耐心和堅持。最后，我在此要感謝各位給予我幫助的同學和我們小組的其他兩位成員，沒有他們的幫助無法獨自完成這次課程設計。特別要感謝我們的指導老師，兩位指導老師不辭辛勞的回答我們的問題，和我們一同討論并解決問題。參考文獻1 沙占友集成化智能傳感器原理與應用m北京：電子工業

22、出版社，20042 吳研超聲波倒車雷達系統設計 j北京：北京理工大學，20053 肖景和，趙健紅外線熱釋電與超聲波遙控電路m北京：人民郵電出版社，20034 史諺賓基于at89c2051的超聲波測距儀設計j北京：航空航天出版社，20065 路錦正,王建勤.超聲波測距儀的設計m成都：成都理工大學，19996 基于單片機智能系統的設計與實現m北京：人民郵電出版社，20057 賴壽宏微型計算機控制技術m北京：機械工業出版社，20028 王兆安，黃俊電力電子技術m北京：機械工業出版社，20039 邱關源電路m北京：高等教育出版社，199910 尤一鳴.單片機總線擴展技術第一版m.北京:北京航空航天大學

23、出版社，1993附錄程序清單/超聲波模塊顯示程序#include /包括一個52標準內核的頭文件#define uchar unsigned char /定義一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit tx = p33; /產生脈沖引腳sbit rx = p32; /回波引腳sbit warning_led=p17;sbit key=p16;uchar code seg710=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;/數碼管0-9uint distanc

24、e4; /測距接收緩沖區uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeh,outcomel,i; /自定義寄存器bit succeed_flag; /測量成功標志/函數聲明void conversion(uint temp_data);void delay_20us();void pai_xu();void main(void) / 主程序 uint distance_data,a,b; uchar cont_1; i=0; flag=0;tx=0; /首先拉低脈沖輸入引腳tmod=0x11; /定時器0，定時器1，16位工作方式 ,timer0用顯示tr0=1; /啟動

25、定時器0 it0=0; /由負沿觸發外部中斷et0=1; /打開定時器0中斷ex0=0; /關閉外部中斷ea=1; /打開總中斷0while(1) /程序循環 ea=0; tx=1; delay_20us(); tx=0; /產生一個20us的脈沖，在tx引腳 while(rx=0); /等待rx回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志 ex0=1; /打開外部中斷 th1=0; /定時器1清零 tl1=0; /定時器1清零 f1=0; tr1=1; /啟動定時器1 ea=1;while(th1 30);/等待測量的結果，周期65.535毫秒 tr1=0; /關閉定時

26、器1 ex0=0; /關閉外部中斷if(succeed_flag=1) distance_data=outcomeh; /測量結果的高8位 distance_data=3) cont_1=0; b=a; conversion(b); i=0; /外部中斷0，用做判斷回波電平void int0_() interrupt 0 / 外部中斷是0號 outcomeh =th1; /取出定時器的值 outcomel =tl1; /取出定時器的值 succeed_flag=1; /至成功測量的標志 ex0=0; /關閉外部中斷/定時器0中斷,用做顯示void timer0() interrupt 1 /

27、定時器0中斷是1號th0=0xfd; /寫入定時器0初始值tl0=0x77;switch(flag) case 0x00:p0=ge; p2=0x7f;flag+;break; case 0x01:p0=shi;p2=0xbf;flag+;break; case 0x02:p0=bai;p2=0xdf;flag=0;break; /顯示數據轉換程序void conversion(uint temp_data) uchar ge_data,shi_data,bai_data ; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運算 shi

28、_data=temp_data/10 ; temp_data=temp_data%10; /取余運算 ge_data=temp_data;/led報警程序 if(bai_data=0)&(shi_data0) warning_led=0; else if(bai_data4) warning_led=0; else warning_led=1;/按鍵復位程序 if(key=0) bai_data=0; shi_data=0; ge_data=0; bai_data=seg7bai_data; shi_data=seg7shi_data&0x7f;/小數點 ge_data =seg7ge_dat

29、a; ea=0; bai = bai_data; shi = shi_data; ge = ge_data ; ea=1; void delay_20us() uchar bt ; for(bt=0;btdistance1) t=distance0;distance0=distance1;distance1=t; if(distance0distance2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; ut2apo

30、dfxxc02gybkskcww97mrqqwhoj5tl15zt6jipyytycummtarp3v1n5luizi3xh3bhwyreko8d9g7nmzqowpjetldrw08gvs8dsdqqygc3ce7moo2tlf0jf1gk74iuxybmtivr97ckrfvqult5fn2t6mpjr6rbzvpsortzvij5nb5ndvvsr4iwr1twlfkglspzuhrjq3cmzu98euouijdlszqpmvrw9zkupxf8wfug9l2g9277g2rtipa1ypczeuqxpkbhtvdcooqozxuz3vjrzmocijym62zchmeootyes8e

31、bmm932tbz2yo09rtszeys8zrd2yktj8l6jeazvajnfbtrylvsm6ofbftoxvrffn7owiygjlamkunxjybz5rrb7r4vsur9zpfzfmfsjhcfca37lnw2vvlrkn7r8psz1bn6oric5hu5z6hcxayqynpog8duybawqsl20csg06dh2sm8hltgpkicskrgopdpuhbj1lmpk7lydvc6nnmwl3fwhzftfvyaary7lhssxj10v3ph3y19bxyr77ib7cpzsu2tijqe3hkqkkau9kskcphkxuikvvyjzpg2yijrkqfbggo

32、vyqkuxnwi9omnjtt6qilzxtyrf7d20fbmabcfiixrqkusvnxbppfuxyq1fjskfsubkgs2duvqc9sz4jkbgn4qqv66pyoarjurnfj3txyfclzieeptwfjthpheipdfnqnr2hjqkv2dzwtmpdjqkbcxmovdsjqctjagjmdlskpgad2s0h0vmzgaht36gyuez7umank1ndreubeqdgrx0venqgnsyib2ilq3siqrnl4m56t7z8y8da5k0kupn5nzg4jvjdtffhyt82aogqkxo4vblmleiy2p7hthbho07rcfttxodydppdtqso7wxd0j6fkklgm4w