基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì).doc

基于單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)目錄1目的12本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容22.1超聲波測距的原理22.2設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容23超聲波測距硬件電路設(shè)計(jì)33.1超聲波測距系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì)方案34超聲波測距系統(tǒng)電路各部分模塊的設(shè)計(jì)44.1超聲波發(fā)射接收電路的設(shè)計(jì)44.1.1超聲波發(fā)射部分44.1.2超聲波接收部分44.1.3LCD顯示部分54.1.4報(bào)警部分65系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)75.1程序代碼：76系統(tǒng)誤差分析146.1溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響141 目的1.1 選擇超聲波測距的原因超聲波測距是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的,相對(duì)于其它諸多測距方法而言,超聲波測距的優(yōu)點(diǎn)突出。運(yùn)用到現(xiàn)代距離測量的新要求的現(xiàn)代裝置中,相對(duì)于智能小車、紅外感應(yīng)太陽能路燈控制系統(tǒng)和液晶顯示，我認(rèn)為我們的優(yōu)勢十分明顯。智能小車他們工序過于繁瑣，雖然可利用程度最高，但很難在短時(shí)間內(nèi)完成這樣一個(gè)高質(zhì)量的任務(wù)。紅外感應(yīng)太陽能路燈控制系統(tǒng)，雖然能完成，但以后的發(fā)展空間不大，在現(xiàn)在幾乎已經(jīng)非常普及了。液晶顯示，雖然前衛(wèi)，但發(fā)展空間已不大。2 本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容2.1 超聲波測距的原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波， 從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離 (1-1)式(1-1)中的c為超聲波在空氣中傳播的速度。2.2 設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容單片機(jī)控制超聲波模塊發(fā)射及檢波接收，其系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。 圖1 超聲波測距系統(tǒng)框圖通過P1.0發(fā)一個(gè)40KHz的方波脈沖信號(hào)，遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進(jìn)行相關(guān)處理后，輸入單片機(jī)的INT0（P3.2）腳產(chǎn)生中斷，計(jì)算中間經(jīng)歷的時(shí)間,然后根據(jù)公式（1-1）算出距離。3 超聲波測距硬件電路設(shè)計(jì)3.1 超聲波測距系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì)方案由單片機(jī)STC89s52編程產(chǎn)生40KHz的方波脈沖，由P1.0口輸出，就可以在接收口P3.2（Echo引腳）等待高電平輸出。一旦有高電平出處，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理，接收口P3.2口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由液晶顯示出來。該測距裝置是由超聲波模塊、單片機(jī)和LCD顯示電路組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路組成超聲波測距模塊，模塊的輸出輸入端與單片機(jī)相連接，單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖3-1所示。圖2 時(shí)序圖超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。4 超聲波測距系統(tǒng)電路各部分模塊的設(shè)計(jì)4.1 超聲波發(fā)射接收電路的設(shè)計(jì)4.1.1 超聲波發(fā)射部分超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT4016T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào).編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT4016T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖2所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。4.1.2 超聲波接收部分上述TCT4016T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到超聲波接收換能器TCT4016R進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。接收部分的電路，如圖3所示。4.1.3 LCD顯示部分本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測距離值。TC1602顯示的容量為2行16個(gè)字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用時(shí)，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2口與LCD的控制線相。連如5圖LCD仿真圖5 LCD PROTRUS仿真其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號(hào)線，第6腳E為使能端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的D0D7是接到LCD602的D1D0，正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。4.1.4 報(bào)警部分采用一個(gè)蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號(hào)，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管9 012的放大。報(bào)警部分的連線，如圖6所示。圖6 蜂鳴器PROTEUS仿真圖5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件方面：軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖4-1所示。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收，距離計(jì)算、結(jié)果的輸出。外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取。圖表 1 主程序流程圖5.1 程序代碼：#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit Trig =P10; /發(fā)射40KHZ波 sbit Echo =P32; /中斷入口sbit beep=P12; /蜂鳴器端口sbit rs= P24;sbit rw = P25;sbit ep = P26;bit succeed_flag;uint flag,timeH,timeL,time,distance;unsigned char code dis1 = the juli is:;unsigned char code dis2 = 0123456789;unsigned char code dis3 = mm;void delay(unsigned char ms)/LCD延時(shí)子程序unsigned char i;while(ms-)for(i = 0; i 250; i+)_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();void delay_20us() /延時(shí)20us uchar bt ; for(bt=0;bt100;bt+); bit lcd_bz() /測試LCD忙碌狀態(tài)bit result;rs = 0;rw = 1;ep = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();result = (bit)(P0 & 0x80);ep = 0;return result;void lcd_wcmd(unsigned char cmd) /寫指令數(shù)據(jù)到LCD子程序while(lcd_bz();/判斷LCD是否忙碌rs = 0;rw = 0;ep = 0;_nop_();_nop_();P0 = cmd;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep = 0;void lcd_pos(unsigned char pos) /設(shè)定顯示位置子程序lcd_wcmd(pos | 0x80);void lcd_wdat(unsigned char dat) /寫入顯示數(shù)據(jù)到LCD子程序while(lcd_bz();/判斷LCD是否忙碌rs = 1;rw = 0;ep = 0;P0 = dat;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep = 1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();ep = 0;void lcd_init() /LCD初始化子程序lcd_wcmd(0x38);delay(1);lcd_wcmd(0x0c);delay(1);lcd_wcmd(0x06);delay(1);lcd_wcmd(0x01);delay(1);void main() unsigned char i;lcd_init(); /初始化LCDdelay(10);lcd_pos(0x01);/設(shè)置顯示位置i = 0;while(dis1i != 0)lcd_wdat(dis1i);/顯示字符i+;beep=1;Trig=0; /首先拉低脈沖輸入引腳 EA=1;/打開總中斷0TMOD=0x10; /定時(shí)器1，16位工作方式 while(1) EA=0; /關(guān)總中斷Trig=1; /超聲波輸入端delay_20us(); /延時(shí)20us Trig=0; /產(chǎn)生一個(gè)20us的脈沖while(Echo=0); /等待Echo回波引腳變高電平 succeed_flag=0; /清測量成功標(biāo)志 EA=1;EX0=1; /打開外部中斷0 TH1=0; /定時(shí)器1清零TL1=0; /定時(shí)器1清零TF1=0; /計(jì)數(shù)溢出標(biāo)志TR1=1; /啟動(dòng)定時(shí)器1delay(20); /等待測量的結(jié)果TR1=0; /關(guān)閉定時(shí)器1 EX0=0; /關(guān)閉外部中斷0if(succeed_flag=1) time=timeH*256+timeL;distance=time*0.172; /0.344/2=0.172mmlcd_pos(0x42); /設(shè)置顯示位置lcd_wdat(dis2distance/100);/百位lcd_wdat(dis2(distance%100)/10);/十位lcd_wdat(dis2distance%10);/個(gè)位lcd_wdat(dis30);delay(10);lcd_wdat(dis31);if(succeed_flag=0)distance=0; /沒有回波則清零beep=!beep; /測試蜂鳴器變化 /外部中斷0，用做判斷回波電平void exter() interrupt 0 / 外部中斷0是0號(hào) timeH =TH1; /取出定時(shí)器的值 timeL =TL1; /取出定時(shí)器的值succeed_flag=1;/至成功測量的標(biāo)志EX0=0; /關(guān)閉外部中斷 void timer1() interrupt 3 /定時(shí)器1中斷,用做超聲波測距計(jì)時(shí)TH1=0;TL1=0;實(shí)物圖：6 系統(tǒng)誤差分析6.1 溫度對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式(2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=3314+0607T (2)式中，T為實(shí)際溫度單位為，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為ms。袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇羅膃蚈螂羈膂莈蚅袇膁蒀袀螃膀薂蚃肂腿節(jié)衿羈腿莄螞襖羋蕆袇螀芇蕿蝕聿芆艿蒃肅芅蒁螈羈芄薃薁袆芃芃螆螂芃蒞蕿肁節(jié)蒈螅羇莁薀薈袃莀艿螃蝿荿莂薆膈莈薄袁肄莇蚆蚄羀莇莆袀袆羃蒈螞螂羂薁袈肀肁芀蟻羆肁莃袆袂肀薅蠆袈聿蚇蒂膇肈莇螇肅肇葿薀罿肆薂螆裊肅芁薈螁膅莃螄聿膄蒆薇袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈葿螈聿蒄葿袁羈莀蒈羃膇芆蕆蚃羀膂蒆螅膅蒁薅袇羈莇薄罿膄芃薃蠆羆艿薃袁節(jié)膅薂羄肅蒃薁蚃芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇蝕襖莆蚇螂肀莂蚆羅袂羋蚅蚄膈膄蚄螇羈蒂蚃衿膆莈螞羈罿芄螁蟻膄膀螁螃羇葿螀裊膃蒅蝿肈羆莁螈螇芁芇莄袀肄膃莄羂艿蒂莃螞肂莈蒂螄羋芄蒁袆肀膀蒀罿袃薈芀荿薀螆肅芅蕿袈羋膁蚈羀肁蒀蚇