基于单片机的超声波测距课程设计

单片机应用实习任务书学生姓名系部专业班级指导教师姓名职称是否外聘题目名称设计的内容、意义及技术指标要求1、设计内容及意义随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。。超声波测距就是利用其反射特性，超声波发生器不断地发射出40kHz超声波遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到发射波信号，并将其转换为电信号。相比于其它定位技术超声波定位技术成本低，制作容易，非常适合于短距离测量定位。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。2、技术指标要求以单片机发射40khz的方波及数码管显示距离以CX20106A接收信号摘要本设计采用以STC89C52单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。关键词：STC89C52;超声波；测距1第1章总体设计方案1.1总体设计方案方案一基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。其系统框图如图1.1所示。图1.1这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。方案二基于CPLD的超声波测距系统，这种测距系统采用CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)器件，运用VHDL(VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage)编写程序，使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。CPLD器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D触发器、T触发器、RS触发器或JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部超声波接收器放大电路锁相环电路温度传感器超声波发射器功率驱动电路显示电路单片机40kHz脉冲2由MAX来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。本系统利用CPLD器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在LED上显示出来。配合使用MAX+plusII开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。其系统框图如下图所示。图1.2通过以上我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便，而且测精度能达到工业要求。本设计测距系统就是用单片机控制的。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离。本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给数码管显示。1.2软硬件功能分析晶振启动复位显示模块分频脉冲模块复位模块计数模块发射放大发射传感器整形接收放大接收传感器3第2章硬件电路设计2.1单片机最小系统电路设计单片机最小系统是单片机能正常工作的最小外接电路单元，是设计电路的核心部分，也是整个作品最关键的最重要的部分。单片机最小系统包括：复位电路、晶振电路、P0口外接一个排阻，同时EA引脚必须接在外部电源的正极。(T2)P1.01(T2EX)P1.12P1.23P1.34P1.45(MOSI)P1.56(MISO)P1.67(SCK)P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(NT0)P3.212(NT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC40U1STC89C52Y1CRYSTALC530pFC630pF+5C710pFVCCR51kS1SW-PB12MHz2.2数码管电路设计（小四号黑体）本设计是最终距离需要数码管显示。我使用的是四位功能共极数码管。用于显示距离。采用动态显示方法显示数据，即所有段选接在一起接到P0口，把各位选分别接在P2。4-P2.7口上。同时所有位选必须接在NPN三极管的集电极，三极管的发射极分别接一个2K的电阻。4C06C18C29C312a11b7c4d2e1f10g5h3U54DSMGabcdefgdpabcdefgdpQ18050Q28050Q48050Q38050VCC2kΩ2kΩR82kΩR92kΩR6R7200Ω200Ω200Ω200Ω200Ω200Ω200Ω200ΩR10R11R12R13R14R16R15R172.3超声波接收电路设计集成电路CX20106A是一款红外线检波接收和超声波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器，通过外接电阻可以调整检波频率，如图。。。实验证明，用CX20106A接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。R4决定检波频率,220kΩ时为38kHz。适当的更改C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。使用CX20106A集成电路对接收探头收到的信号进行放大，滤波，其总放大增益80dB，CX20106A电路说明如下所示。5引脚号说明1超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。2该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=1KΩ，C1=1μF。3该脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。4接地端5该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200kΩ时，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。6该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22kΩ，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时则产生下降。8电源正极，4.5～5.5V。6R21kΩR3200kΩR4220kΩC61uC73.3uFC8330p+5LS1接收探头IN1C12C23GND4F05C36OUT7VCC8U1CX2010A6ICP+5C54732.4超声波发射电路设计发射电路主要由反相器74HC04和超声波换能器构成，单片机P1.0端输出的40KHZ方波信号一路经一级反相器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反相器后超声波换能器的令一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度，输出端采用两个反相器的并联，以提高驱动能力。上拉电阻R2R3,一方面可以提高反相器74HC04输出高电平的能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由振动的时间。734U3B74AS041011U3E74AS0412U3A74AS0456U3C74AS0489U3D74AS04LS2SPEAKERR51KR61KVCCP1.02.人机接口电路设计34U3B74AS041011U3E74AS0412U3A74AS0456U3C74AS0489U3D74AS04LS2SPEAKERR51KR61KVCCC06C18C29C312a11b7c4d2e1f10g5h3U54DSMG(T2)P1.01(T2EX)P1.12P1.23P1.34P1.45(MOSI)P1.56(MISO)P1.67(SCK)P1.78RST9(RXD)P3.010(TXD)P3.111(NT0)P3.212(NT1)P3.313(T0)P3.414(T1)P3.515(WR)P3.616(RD)P3.717XTAL218XTAL119GND20P2.0(A8)21P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC40U1STC89C52Y1CRYSTALC530pFC630pF+5abcdefgdpabcdefgdpQ18050Q28050Q48050Q38050VCCC710pFVCCR51kR21kΩR3200kΩR4220kΩC61uC73.3uFC8330p+5LS1接收探头IN1C12C23GND4F05C36OUT7VCC8U1CX2010A6ICP+5C5473P1.02kΩ2kΩR82kΩR92kΩR6R7200Ω200Ω200Ω200Ω200Ω200Ω200Ω200ΩR10R11R12R13R14R16R15R17S1SW-PB12MHz82.5系统供电电源电路设计（小四号黑体）本供电部分采用9v电池块加7805芯片转换成5V给整个单片机系统供电。三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。用7805三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便。D10LEDSW1POWER-SW1KR9+5VDC9V9VNCGND123123INGNDOUT78L056…第3章系统软件设计3.1软件总体设计思路3.2主程序流程设计本设计软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如下图所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。9外部中断服务子程序3.3中断服务子程序设计开始单片机初始化定时中断程序有回波吗外部中断子程序1