基于51系列單片機超聲波測液位---

PAGEPAGE22PAGE0課程設計題目：基于單片機的超聲波測液位學生姓名：學號：班級:專業(yè)：電子科學與技術指導教師：何寧2012年12月摘要段落格式不對，隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設好的建筑設施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵的排污疏通對大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。本設計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。單片機；超聲波；測距；液面關鍵詞：AT89C51；超聲波發(fā)射模塊；超聲波接收模塊；CX20106A；顯示模塊AbstractWiththedevelopmentofscienceandtechnology,theimprovementofpeople'sstandardofliving,speedingupthedevelopmentandconstructionofthecity.urbandrainagesystemhavegreatlydevelopedtheirsituationisconstantlyimproving.However,duetohistoricalreasonsmanyunpredictablefactorsinthesynthesisofhertime,thecitydrainagesystem.Inparticulardrainagesystemoftenlagsbehindurbanconstruction.Therefore,thereareoftengoodbuildingexcavationhasbeenbuildingfacilitiestoupgradethedrainagesystemphenomenon.Itbroughttothecitysewage,fortisveryimportanttopeople'slives.MobilerobotsdesignedtoclearthedrainageculvertandtheautomaticcontrolsystemFreesewageculvertclearguaranteerobot,therobotisdesignedtocleartheculvertsewagetothecore.ControlSystemisthecorecomponentofthedevelopmentofultrasonicrangefinder.Therefore,itisveryimportanttodesignagoodultrasonicrangefinder.AtthecoreofthedesignusingAT89C51low-cost,highaccuracy,Microfiguresshowthattheultrasonicrangefinderhardwareandsoftwaredesignmethods.Modulardesignofthewholecircuitfromthemainprogram,presubroutinefiredsubroutinereceivesubroutine.displaysubroutinemodulesform.SCMcomprehensiveanalysisoftheprobesignalprocessing,andtheultrasonicrangefinderfunction.Onthebasisoftheoverallsystemdesign,hardwareandsoftwarebytheendofeachmodule.Theresearchhasledtothediscoverythatthesoftwareandhardwaredesigningisjustified,theanti-disturbancecompetenceispowerfulandthereal-timecapabilityissatisfactoryandbyextensionandupgrade,thissystemcanresolvetheproblemofthecaravailably,buildingconstructionthepositionoftheworkplaceandsomeindustriesspotsupervision.Keywords:AT89S52;UltrasonicTransmitter;Ultrasonicreceivermodule;CX20106A;DisplayModule目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要 1Abstract 21.引言 42.超聲波測距原理 53.系統(tǒng)設計 63.1超聲波發(fā)射部分 73.2超聲波接收部分 83.3數(shù)碼管顯示部分 113.4報警部分 123.5單片機復位電路 123.6單片機晶振電路 123.7系統(tǒng)軟件設計： 131）軟件設計分析 132） 主程序框圖 133）超聲波系統(tǒng)子程序設計 144．實驗、調試及測試結果與分析 155．實驗結論 16總結 17參考文獻 17附原理圖： 18附程序： 191.引言在日常生產(chǎn)生活中，很多場合如汽車倒車、機器人避障、工業(yè)測井、水庫液位測量等需要自動進行非接觸測距。超聲波是指頻率大于20kHz的在彈性介質中產(chǎn)生的機械震蕩波，其具有指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離相對較遠等特點，因此常被用于非接觸測距。由于超聲波對光線、色彩和電磁場不敏感，因此超聲波測距對環(huán)境有較好的適應能力，此外超聲波測量在實時、精度、價格也能得到很好的折衷。2.超聲波測距原理：超聲波傳感器分機械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。本次設計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關。測試傳輸時間可以得出距離。假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t/s，超聲波傳播速度為v/m·s-1表示，則有關系式(1)s=vt/2……(1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=331.4+0.607T……(2)式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質中的傳播速度單位為m/s。（本系統(tǒng)以聲速為344m/s計算。）3.系統(tǒng)設計本系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、回波信號接收、顯示和報警、電源等硬件電路部分以及相應的軟件部分構成。系統(tǒng)原理框圖，如圖1所示。超聲波發(fā)射換能器發(fā)射電路AT89S51電源電路超聲波發(fā)射換能器發(fā)射電路AT89S51電源電路障礙物障礙物超聲波接收換能器接收電路超聲波接收換能器接收電路顯示電路單片機外圍電路顯示電路單片機外圍電路報警電路報警電路圖1圖太大，缺少標注，排版緊湊些整個系統(tǒng)由單片機STC89C52控制，超聲波傳感器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T和一支超聲波接收換能器TCT40-16R。超聲波信號通過超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測物反射后回波被超聲波接收換能器接收。進行相關處理后，輸入單片機的INT0腳產(chǎn)生中斷，計算中間經(jīng)歷的時間，同時再根據(jù)具體的相應的聲速，根據(jù)就可得出相應的距離用來顯示，當然在一些場合也可根據(jù)需要，設置距離報警值。3.1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TCT40-16T能向外界發(fā)出40kHz左右的方波脈沖信號。40kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機P1.0端口輸出40kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T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輸出高電平的驅動能力，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間。發(fā)射電路部分,如圖2所示:圖23.2超聲波接收部分上述TCT40-16T發(fā)射的在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，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TCT40-16R進行轉換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20106，得到一個負脈沖送給單片機的P3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。接收部分電路，如圖3所示:圖3可以看到，集成芯片CX20106在接收部分電路中起了很大的作用。CX20106是一款應用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，由于紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz比較接近，而且CX20106內部設置的濾波器中心頻率f0可由其5腳外接電阻調節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60kHz。故本次設計用它來做接收電路。CX20106內部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構成。工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端7腳。當接收到與CX20106濾波器中心頻率相符的回波信號時，其輸出端7腳就輸出低電平，而輸出端7腳直接接到STC89C52的INT0引腳上，以觸發(fā)中斷。若頻率有一些誤差，可調節(jié)芯片引腳5的外接電阻R42，將濾波器的中心頻率設置在40kHz，就可達到理想的效果。CX20106內部框圖如圖4所示：圖4其引腳圖如圖5所示圖5超聲波探頭的有關參數(shù)如下型號：TCT40-16R/T(直徑16mm）外觀如圖6所示圖61.標稱頻率（KHz）：40KHz2.發(fā)射聲壓at10V（0dB=0.02mPa）：≥117dB3.接收靈敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：≥-65dB4.靜電容量at1KHz,<1V(PF)：2000±30%

標有T字樣的是發(fā)射頭，標有R字樣的是接收頭以下資料只供參考.Partnumber

NU25C16T-1

UsingMethod

Transmitter

Construction

Openstructuretype

Centerfrequency

40.0±1.0KHz

Soundpressurelevel

112dBmin.

Sensitivity

Capacitance

2400Pf±20%

Maximuminputvoltage

60Vp-p

Directivity

60°±15°(-6dB)

Operatingtemperature

-20°C~+70°C

StorageTemperature

-40°C~+85°CWeight

2.2g3.3數(shù)碼管顯示部分本實驗采用四位的LED數(shù)碼管顯示，由P1.4-P1.7輸出位選信號，經(jīng)過9012PNP三極管反向接數(shù)碼管公共端。由P2口輸出段選信號，接數(shù)碼管段選端。其電路圖如圖7所示：圖73.4報警部分：采用一個蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管9012的放大。報警部分的連線，如圖8所示:圖83.5單片機復位電路：如圖9所示:圖93.6單片機晶振電路：采用12MHz的晶振。如圖10所示:圖103.7系統(tǒng)軟件設計：1）軟件設計分析超聲波測距的軟件設計主要是由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境進行初始化，設置定時器T0工作模式為16位的定時計數(shù)器模式，把總中斷允許位EA置位，并給顯示端口P0和P2清0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，必需延遲0.1ms(這就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用頻率為12MHz的晶振，機器周期為1us,當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算就可測得被測物體與測距儀之間的距離：（3）（4）這樣就可以計算出測距儀與障礙物之間的距離。測出距離后得結果將以十進制BCD碼方式顯示LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程，求多次測量的平均值（誤差最小化）。主程序框圖超聲波測距系統(tǒng)程序設計思路如圖11所示：開始開始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待發(fā)射超聲波顯示結果0.5s計算距離圖11超聲波測距主程序框圖3）超聲波系統(tǒng)子程序設計超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右的超聲波信號頻率約為40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進入中斷服務程序。進入該中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值為1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值為2以表示此次測距不成功。整個軟件系統(tǒng)如圖12，圖13，圖14所示：開始開始單片機初始化定時中斷子程序有回波嗎YN定時中斷入口定時器初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完了嗎停止發(fā)射返回YN外部中斷入口關閉外部中斷讀取時間值計算距離結果輸出開啟外部中斷返回外部中斷子程序圖12主程序流程圖圖13定時中斷服務子程序圖14外部中斷服務子程序4．實驗、調試及測試結果分析本實驗由單片機的P1.0端口輸出方波信號，經(jīng)過推挽式功率放大器進行功率放大，使TCT40-16T發(fā)出超聲波，遇到障礙物時由TCT40-16R接收，經(jīng)過CX20106放大濾波整形為一個脈沖，觸發(fā)單片機的外部中斷，經(jīng)過單片機的處理顯示，數(shù)碼管顯示的數(shù)值就是所測到的發(fā)送探頭到障礙物的距離（顯示3位數(shù)距離以及1位單位c），當距離超過所設定的范圍時，蜂鳴器鳴叫同時數(shù)碼管顯示中間的四橫即數(shù)碼管的G段選。當定時器溢出（65536us）時，蜂鳴器響，并且數(shù)碼管顯示上面的四橫即數(shù)碼管的A段選。本系統(tǒng)經(jīng)過反復調試，多次測量均能正確顯示測量距離。優(yōu)點：eq\o\ac(○,1)測量范圍廣。本系統(tǒng)最小能測量2cm距離，理論上最大能測量999cm。足夠滿足大多數(shù)測量液位需要。eq\o\ac(○,2)測量精度大。本系統(tǒng)經(jīng)過多次測量對比，誤差僅為1cm。eq\o\ac(○,3)反應時間快。本系統(tǒng)0.5秒重新測量一次距離，經(jīng)過多次試驗均能迅速顯示即時距離。缺點：從上電到穩(wěn)定的時間較長。本系統(tǒng)上電大約需要15s的時間等待系統(tǒng)穩(wěn)定才能正確顯示測量距離。改進：如本系統(tǒng)采用電池芯片供電，對整個系統(tǒng)進行外殼包裝以及機械安裝裝置，即可成為便攜式超聲波測距儀。5．實驗結論通過本實驗可以看出，用超聲波可以較為精確的對距離進行測量，這樣可以很好的用來進行液位的測量，結合了單片機可以實現(xiàn)較為智能的功能，不但可以實現(xiàn)顯示，還可以進行液位的監(jiān)測，這樣在液位進入警戒狀態(tài)時，不但可以進行報警，還可以進行相應的處理，實現(xiàn)智能監(jiān)控?？偨Y通過本次設計，我們受益良多。本實驗不但讓我們更好的了解了超聲波探頭的使用，還讓我們更好的熟悉單片機的編程以及外圍電路連接，對單片機更加了解。另外，我們還學會了推挽式功率放大器的應用，以及CX20106的用法，CX20106的用法還很多?？傊?，本實驗不僅增加了我們對傳感器的認知，更激發(fā)了我們進一步了解其他傳感器的熱情。參考文獻《傳感器與檢測技術》周杏鵬主編孫永榮仇國富副主編韓九強主審清華大學出版社《單片機原理及接口技術》李朝青編著北京航空航天大學出版社《數(shù)字邏輯電路與系統(tǒng)設計》蔣立平主編姜萍譚雪琴花漢兵編電子工業(yè)出版社百度搜索引擎附原理圖：附程序：//超聲波模塊顯示程序#include<reg52.h>//包括一個52標準內核的頭文件#defineucharunsignedchar//定義一下方便使用#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlongsbitTx=P1^0;//產(chǎn)生脈沖引腳sbitRx=P3^2;//回波引腳sbitbeep=P1^1;ucharcodeSEG7[10]={0x03,0x9f,0x25,0x0d,0x99,0x49,0x41,0x1f,0x01,0x09};//數(shù)碼管0-9uintdistance[4];//測距接收緩沖區(qū)ucharge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i;//自定義寄存器bitsucceed_flag;//測量成功標志//********函數(shù)聲明voidconversion(uinttemp_data);voiddelay_20us();voidpai_xu();voiddelay(uintms){uchart;while(ms--){for(t=0;t<120;t++);}}voidmain(void)//主程序{uintdistance_data,a,b;ucharCONT_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 TR0=1; //啟動定時器0IT0=0;//由高電平變低電平，觸發(fā)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0 while(1)//程序循環(huán) {EA=0; Tx=1;delay_20us();Tx=0;//產(chǎn)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 TF1=0;//TR1=1;//啟動定時器1EA=1;while(TH1<30);//等待測量的結果，周期65.535毫秒（可用中斷實現(xiàn)） TR1=0;//關閉定時器1EX0=0;//關閉外部中斷if(succeed_flag==1) { distance_data=outcomeH;//測量結果的高8位distance_data<<=8;//放入16位的高8位 distance_data=distance_data|outcomeL;//與低8位合并成為16位結果數(shù)據(jù)distance_data*=12;//因為定時器默認為12分頻distance_data/=58;//微秒的單位除以58等于厘米}//為什么除以58等于厘米，Y米=（X秒*344）/2 //X秒=（2*Y米）/344==》X秒=0.0058*Y米==》厘米=微秒/58if(succeed_flag==0) {distance_data=0;//沒有回波則清零}distance[i]=distance_data;//將測量結果的數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)i++; if(i==3) { distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4;pai_xu();distance_data=distance[1]; a=distance_data; if(a>800) beep=0; else beep=1;if(b==a)CONT_1=0;if(b!=a)CONT_1++;if(CONT_1>=3) {CONT_1=0; b=a; conversion(b); } i=0; } }}//***************************************************************//外部中斷0，用做判斷回波電平INTO_()inter