1、超聲波測距課程設計-作者xxxx-日期xxxx【精品文檔】【精品文檔】目錄前言前言1課題設計目的及意義- 1- 1- 1- 1正文正文1 課程的方案設計- 2方案- 2- 22 2 系統的硬件結構設計- 22.1 51系列單片機的功能特點及測距原理- 32.1.1 51系列單片機的功能特點- 3 單片機實現測距原理 - 3 超聲波電路結構- 4 超聲波測距系統的硬件電路設計- 42.4 PCB版圖設計- 53 系統軟件的設計- 63.1 超聲波測距儀的算法設計- 73.2 主程序流程圖- 7C語言程序- 8- 114 實物制作- 17電路板焊接及連線圖- 17試效果圖- 18焊接電路板時所遇問

2、題- 195總 結- 206 致謝- 20附錄-20【精品文檔】【精品文檔】【精品文檔】【精品文檔】前言1課題設計目的及意義設計的目的隨著科學技術的快速發展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發展，以滿足日益發展的社會需求，如聲納的發展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續發展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實

3、現超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發展到具有學習功能，最終發展到具有創造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發揮更大的作用。設計的意義 查找與超聲波測距有關的資料，通過對資料的理解開發設計一種簡單的單片機超聲波測距裝置。設計完成后，制作PCB版圖，最后完成實物的連線。通過設計鞏固對單片機知識的運用，并加強自我動手的能力。1.3課題設計的任務和要求了解和掌握超聲

4、波傳感器的原理、結構、特性和使用方法，超聲波探測系統相關產品及及其國內外研究進展情況，利用單片機、Proteus和Keil C51工具設計出一種相應的探測識別系統，制作實物并進行測試。1、了解和掌握該系統相關傳感器（3-5種）的技術資料，包括其技術指標、原理圖、封裝形式、價格等；【精品文檔】【精品文檔】2、查找系統相關產品（3-5種）的技術資料，包括其技術指標、原理圖、封裝形式、價格等；3、查找與本系統相關論文（最近幾年）（3-5篇）；4、選擇一種傳感器，利用單片機、Proteus和Keil C51工具設計出一種相應的探測識別系統，制作實物并進行測試；5、完成論文。1 課程的方案設計1.1系統

5、整體方案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。 超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據設計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C51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

6、的定時器。 1.2系統整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 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【精品文檔】【精品文檔】減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。2 2 系統的

7、硬件結構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AT89C51或其兼容系列。采用11MHz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3位共陰LED數碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP三極管8550驅動。2.1 51系列單片機的功能特點及測距原理2.1.1 51系列單片機的功能特點 5l系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4kB的R

8、OM，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中更為有用。 5l系列單片機提供以下功能：4 kB存儲器；256 BRAM；32條工O線；2個16b定時計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時計數器、串行口和中斷系統繼續工作。掉電方式：保存RAM的內容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。

9、【精品文檔】【精品文檔】5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統。2 單片機實現測距原理 單片機發出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差tr，然后求出距離SCt2，式中的C為超聲波波速。限制該系統的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發射接收的設計方法

10、。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關。2.2 超聲波電路結構超聲波接收電路2.3 超聲波測距系統的硬件電路設計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AT89C51，經濟易用，且片內有4K的ROM，便于編程。單片機發出40kHZ的信號，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，再由軟件進行判別、計算，得出距離數并送LED顯示。 【精品文檔】【精品文檔】 超聲波發射器放大電路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 單單片機硬件原

11、理片機硬件原理圖圖 2.4 PCB版圖設計：【精品文檔】【精品文檔】PCBPCB版版圖圖（ （a a） ）PCBPCB版版圖圖（ （b b） ）3 系統軟件的設計【精品文檔】【精品文檔】超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言編程。 3.1 超聲波測距儀的算法設計 超聲波測距的原理為超聲波發生器T在某一時刻發出一個超聲波信號，當

12、這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 （1） 其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。 在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在INT0或INT1端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。3.2 主程序流程圖 【

13、精品文檔】【精品文檔】單片機部分C語言程序: #include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit trig=P37;sbit echo=P32;uint t=0,s=0;bit flag=0;uchar timeh=0,timel=0,i=0;uchar buffer4=0,0,0,0;uchar code table10 = 0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; /數碼管09void delay_us()/20u

14、s延遲uchar x;for(x=0;x0;j-)for(y=110;y0;y-);void main()【精品文檔】【精品文檔】trig=0;/echo=0;TMOD=0 x11;/定時器0、1為16位計數模式TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;TR0=1;/啟動定時器0IT0=1;/下降沿觸發ET0=1;/打開定時器0中斷ET1=1;/打開定時器1中斷EX0=0;/關閉外部中斷0EA=1;/開總中斷while(1)EA=0;/關總中斷trig=1;/超聲波輸入端delay_us();/延遲20ustrig=0;/產生一個20us的脈沖whil

15、e(echo=0);/等待echo回波變成高電平flag=0;/清測量成功標志；EA=1;EX0=1;/打開外部中斷TH1=0;TL1=0;/定時器1清零TF1=0;TR1=1;/啟動定時器1delay(20);/等待測量結果TR1=0;/關閉定時器1【精品文檔】【精品文檔】EX0=0;/關閉外部中斷0if(flag)t=timeh*256+timel;/計算時間s=t/58;/計算距離（厘米）buffer0=s/100;/百位buffer1=s%100/10; /十位buffer2=s%10;/個位elses=0;/沒有，則清零；/*外部中斷0，用做判斷回波電平*/void exter()

16、interrupt 0timeh=TH1;timel=TL1;flag=1;EX0=0;/*用定時器0做顯示*/void timer0() interrupt 1TH0=(65536-5000)/256;TL0=(65536-5000)%256;【精品文檔】【精品文檔】switch(i)case 0:P1=tablebuffer0;P2=0 xfe;i=1;break;case 1:P1=tablebuffer1;P2=0 xfd;i=2;break;case 2:P1=tablebuffer2;P2=0 xfb;i=0;break;default:break;/*定時器1中斷,用做超聲波測距

17、計時*/void timer1() interrupt 3TH1=0;TL1=0;超聲波測距部分C語言程序:/晶振=8M/MCU=STC10F04XE/Trig = P10/Echo = P32#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 long/*sfr CLK_DIV = 0 x97; /為STC單片機定義,系統時鐘分頻 /為STC單片機的IO口設置地址定義sfr P0M1 = 0X93;【精品文檔】【精品文檔】sfr

18、 P0M0 = 0X94;sfr P1M1 = 0X91;sfr P1M0 = 0X92;sfrP2M1 = 0X95;sfrP2M0 = 0X96;/*sbit Trig = P10; /產生脈沖引腳sbit Echo = P32; /回波引腳sbit test = P11; /測試用引腳uchar code SEG710=0 xC0,0 xF9,0 xA4,0 xB0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xF8,0 x80,0 x90;/數碼管0-9uint distance4; /測距接收緩沖區uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,

19、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; CLK_DIV=0X03; /系統時鐘為1/8晶振（pdf-45頁） P0M1 = 0; /將io口設置為推挽輸出 P1M1 = 0; P2M1 = 0; P0M0 = 0XFF;【精品文檔】【精品文檔】 P1M0 = 0XFF; P2M0 = 0XFF; i=0;

20、flag=0;test =0;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳TMOD=0 x11; /定時器0，定時器1，16位工作方式TR0=1; /啟動定時器0 IT0=0; /由高電平變低電平，觸發外部中斷ET0=1; /打開定時器0中斷 /ET1=1; /打開定時器1中斷EX0=0; /關閉外部中斷EA=1; /打開總中斷0 while(1) /程序循環 EA=0; Trig=1; delay_20us(); Trig=0; /產生一個20us的脈沖，在Trig引腳 while(Echo=0); /等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標志/*/外部中斷0，

21、用做判斷回波電平INTO_() interrupt 0 / 外部中斷是0號 outcomeH =TH1; /取出定時器的值【精品文檔】【精品文檔】 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timer0() interrupt 1 / 定時器0中斷是1號 TH0=0 xfd; /寫入定時器0初始值 TL0=0 x77; switch(flag) case 0 x00:P0=ge; P2=0 xfd;flag+;break; case 0 x01:P0=shi;P2=0 xfe;f

22、lag+;break; case 0 x02:P0=bai;P2=0 xfb;flag=0;break; /*/*/定時器1中斷,用做超聲波測距計時timer1() interrupt 3 / 定時器0中斷是1號 TH1=0;TL1=0; */*/顯示數據轉換程序void conversion(uint temp_data) 【精品文檔】【精品文檔】 uchar ge_data,shi_data,bai_data ; bai_data=temp_data/100 ; temp_data=temp_data%100; /取余運算 shi_data=temp_data/10 ; temp_data

23、=temp_data%10; /取余運算 ge_data=temp_data; bai_data=SEG7bai_data; shi_data=SEG7shi_data; ge_data =SEG7ge_data; 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; /*交換值【精品文檔】【精品文檔】 if(distance0dista

24、nce2) t=distance2;distance2=distance0;distance0=t; /*交換值 if(distance1distance2) t=distance1;distance1=distance2;distance2=t; /*交換值 4 實物制作電路板焊接及連線圖：電路板正面元件擺放圖：電路板背面連線圖：【精品文檔】【精品文檔】實物調試效果圖焊接電路板時所遇問題：1、 對于焊槍的應用不是特別嫻熟。【精品文檔】【精品文檔】2、 連線時特別不舒服，可能是超聲波測距設計比較復雜的連線問題導致的。有的線焊起來空間特別小。在連線的長短方面沒有選擇好。3、 元件擺設方面存在很大問題，直接導致焊接時特別吃力。實物測試時問題：1、 沒有仔細檢查連線正確與