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1、江苏技术师范学院课程设计论文 JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 专业课程综合设计(超声波测距离) 学院名称： 电气信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 05自控1W 姓 名： 常 浩 指导教师姓名： 朱 品 伟 指导教师职称： 助 教 2009年 01 月16 第 16 页 目 录中文摘要.i英文摘要.ii序言.1一、 系统方案设计11 功能要求.212 方案论证.213 设计所需元器件.3二、 系统硬件电路设计21 单片机系统及显示电路.322 超声波发射电路.423 超声波检测接收电路.524 AT89C51最小系统电路的设
2、计.6三、 系统软件设计.31 系统流程图.732 源程序清单.7四、 调试与性能分析.17五、 参考文献.18六、 结束语.18基于超声波测距的设计摘要：超声波测距应用十分广泛。论文在分析可行性、可靠性的基础上，参照工程设计方法，确立了结构化设计的思路。本文设计了一套超声波检测系统，该系统是一种基于AT89C51 单片机的超声波测距系统,它根据超声波在空气中传播的反射原理, 以超声波传感器为接口部件, 应用单片机技术和超声波在空气中的时间差来测量距离。该系统主要由主控制器模块、超声波发射模块、超声波接收模块和显示模块等四个模块构成。设计利用51单片机系统的I/O口，使超声波传感器发出40KH
3、z的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入单片机，比较调试后确定其对应的距离，完成测距，具有LCD显示功能。 关键词：超声波；AT89C51单片机；LCD显示单元；测距仪The based design of the ultrasonic rangingAbstract：The ultrasonic ranging application is extremely widespread. After the feasibility and reliability has been analysised, the structure design technique was est
4、ablished. This article introduces an ultrasonic distance measurement based on the AT89C51 single-chip computer, the system according to ultrasound in the air reflection principles of the dissemination. And it uses the ultrasound sensor as interface components for the application of the distance meas
5、ure based by single-chip computer technology and the margin of time that ultrasound transmit in air, thereby the systems of design of ultrasonic test comes into being. The system primarily composed by the four modules : the controller module,ultrasonic launch module, ultrasound receiving module and
6、display modular. The I/O ports of the 51 single-chip computer were used to cause the ultrasonic transducer to send out the 40kHz ultrasonic wave. The reflected signal enter the 51 after the enlargement and feedback circuit, and the system will complete the range finder by debugging the corresponding
7、 distance. The system have the LCD demonstration.Keywords: ultrasonic, AT89C51 single-chip computer, LCD display unit, range finder序 言随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51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在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件
8、和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：测量液位、井深、管道长度等场合。可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。 我设计的这个超声波测距的系统，肯定还有很多不足的地方，比如温度补偿的
9、忽略，精度不够等等，但该测距仪已经能够实现测量距离的功能，基本达到了设计的要求。该测距仪最大测量距离是6米，精确度是0.1mm。一、系统方案设计1.1功能要求超声波测距器可应用于汽车倒车，建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位，井深，管道长度，物体厚度等的测量，其测量范围为0.10-4.00M，测量精度为1CM。测量时与被测物体无直接接触，能够清晰、稳定地显示测量结果。1.2方案论证超声波发生器可以分为两大类，一时用电气方式产生超声波，另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛。他们产生的超生波的频率和功率特性各不相同，因而用途也各不相同。目
10、前在近距离侧来那个方面较为常用的时压电式超声波换能器。 根据设计要求并综合各方面因素，本例决定用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成。超声波测距器系统设计框图如图： 1.3设计所需元器件 AT89C51 1片 排阻 1片 7407 1片 30Pf电容 2个 10uf电容 1个 330pf电容 1个 20uf电解电容 1个 3.3uf电容 1个1MHz晶振 1个 0.056uf电容 1个 100欧姆电阻 1个 1K欧姆电阻 2个 10K欧姆电阻 2个 220K欧姆电阻 1个 仿真器 1台 导线 若干 数码管 1个 二、系统硬件电路设
11、计 硬件带南路主要分为单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。2.1 单片机系统及显示电路单片机采用89C51系统采用12MHZ高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。单片机用p1.0端口输出超声波换能器所需的40KHZ方波信号，利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单使用的4位共阴极LED数码管，段码用7407驱动。单片机系统及显示电路如图。 2.2 超声波发射电路 发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机O1.0端口输出的40KHZ方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送达超
12、声波换能器的另一个电极，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。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短自由振荡的时间。超声波发射电路的原理图：2.3 超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接受的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与测距的超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。试验证明，用CX20106A接收超声波具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当地更改电容C1的
13、大小，可以改变接收电路扥灵敏度和抗干扰能力。2.4 AT89C51最小系统电路的设计 单片机的最小化系统是指单片机能正常工作所必须的外围元件，主要可以分成时钟电路和复位电路，我们采用的是AT89C51芯片，它内部自带4K的FLASH程序存储器，一般情况下，这4K的存储空间足够我们使用，所以我们将AT89C51芯片的第31脚固定接高电平，所以我们只用芯片内部的4K程序存储器。单片机的时钟电路有一个12M的晶振和两个30P的小电容组成，它们决定了单片机的工作时间精度为1微秒。复位电路由22UF的电容和1K的电阻及IN4148二极管组成，可以显著增强单片机复位电路的抗干扰能力。二极管的作用是起快速泄
14、放电容电量的功能，满足短时间多次复位都能成功。如下图5为单片机最小系统： 三、系统软件的设计 3.1 系统流程图 主程序流程图如图所示：3.2 源程序清单 VOUT EQU P1.0 ; 红外脉冲输出端口;*;* 中断入口程序 *;*; ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH LJMP INTT0 ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI ;*;* 主 程 序 *;*; START: MOV SP,#4FH MOV R0,#40H ;40H-
15、43H为显示数据存放单元（40H为最高位） MOV R7,#0BH CLEARDISP: MOV R0,#00H INC R0 DJNZ R7,CLEARDISP MOV 20H,#00H MOV TMOD,#21H ;T1为8位自动重装模式，T0为16位定时器 MOV TH0,#00H ;65毫秒初值 MOV TL0,#00H MOV TH1,#0F2H ;40KHZ初值 MOV TL1,#0F2H MOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH MOV P3,#0FFH MOV R4,#04H ;超声波肪冲个数控制（为赋值的一半） SETB PX0 SETB
16、ET0 SETB EA SETB TR0 ;开启测距定时器 start1: LCALL DISPLAY JNB 00H,START1 ;收到反射信号时标志位为1 CLR EA LCALL WORK ;计算距离子程序 SETB EA CLR 00H SETB TR0 ;重新开启测距定时器 MOV R2,#64H ;测量间隔控制（约4*100=400MS） LOOP: LCALL DISPLAY DJNZ R2,LOOP SJMP Start1;*;* 中断程序* *;*;T0中断，65毫秒中断一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0,#00H MOV TL0,#00H SE
17、TB ET1 SETB EA SETB TR0 ;启动计数器T0，用以计算超声来回时间 SETB TR1 ;开启发超声波用定时器T1OUT: RETI;T1中断，发超声波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 ;超声波发送完毕，关T1 CLR ET1 ; MOV R4,#04H SETB EX0 ;开启接收回波中断RETIOUT: RETI;外中断0，收到回波时进入PINT0: CLR TR0 ;关计数器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA ; CLR EX0 ; MOV 44H,TL0 ;将计数值移入处理单元 MOV 45H,TH0 ; S
18、ETB 00H ;接收成功标志 RETI;*;* 显示程序 *;*; 40H为最高位，43H为最低位，先扫描高位 DISPLAY: MOV R1,#40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FFH MOV P2,A MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.0,ENDOUT;G RR A MOV R5,A AJMP PLAY ENDOUT: MOV P2,#0FFH MOV P0,#0FFH RET; TAB: DB 0C0H
19、,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共阳段码表 0 1 2 3 4 56 7 8 9 不亮A-;*;* 延时程序 *;*; DL1MS: MOV R6,#14H DL1: MOV R7,#19H DL2: DJNZ R7,DL2 DJNZ R6,DL1 RET;*;* 距离计算程序 (=计数值*17/1000cm) *;*;work: PUSH ACC PUSH PSW PUSH B MOV PSW, #18h MOV R3, 45H MOV R2, 44H MOV R1, #00D MOV R0, #17D LCALL
20、 MUL2BY2 MOV R3, #03H MOV R2, #0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H, R4 MOV A,40H JNZ JJ0 MOV 40H,#0AH ;最高位为零，不点亮JJ0: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H, R4 MOV A,41H JNZ JJ1 MOV A,40H ;次高位为0，先看最高位是否为不亮 SUBB A,#0AH JNZ JJ1 MOV 41H,#0AH ;最高位不亮
21、，次高位也不亮JJ1: MOV A, R0 MOV R4, A MOV A, R1 MOV R5, A MOV R3, #00D MOV R2, #10D LCALL DIV4BY2 MOV 42H, R4 MOV A,42H JNZ JJ2 MOV A,41H ;次次高位为0，先看次高位是否为不亮 SUBB A,#0AH JNZ JJ2 MOV 42H,#0AH ;次高位不亮，次次高位也不亮JJ2: MOV 43H, R0 POP B POP PSW POP ACC RET;*;* 两字节无符号数乘法程序 *;*; R7R6R5R4 = R3R2 * R1R0;MUL2BY2: CLR A
22、MOV R7, A MOV R6, A MOV R5, A MOV R4, A MOV 46H, #10HMULLOOP1: CLR C MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A JNC MULLOOP2 MOV A, R4 ADD A, R2 MOV R4, A MOV A, R5 ADDC A, R3 MOV R5, A M
23、OV A, R6 ADDC A, #00H MOV R6, A MOV A, R7 ADDC A, #00H MOV R7, AMULLOOP2: DJNZ 46H, MULLOOP1 RET;*;* 四字节/两字节无符号数除法程序 *;*;R7R6R5R4/R3R2=R7R6R5R4(商).R1R0(余数);DIV4BY2: MOV 46H, #20H MOV R0, #00H MOV R1, #00HDIVLOOP1: MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R
24、7 RLC A MOV R7, A MOV A, R0 RLC A MOV R0, A MOV A, R1 RLC A MOV R1, A CLR C MOV A, R0 SUBB A, R2 MOV B, A MOV A, R1 SUBB A, R3 JC DIVLOOP2 MOV R0, B MOV R1, ADIVLOOP2: CPL C DJNZ 46H, DIVLOOP1 MOV A, R4 RLC A MOV R4, A MOV A, R5 RLC A MOV R5, A MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A RET
25、 END四、调试与及性能分析这次单片机课程设计在老师的安排下和指导下完成了课题的选定。通过这次的课程设计我学到了很多。不仅让我再一次对硬件电路深入的了解，真正认识了最小系统；还让我对单片机的程序有了更清楚的认知。重温了大三所学的单片机，所以在软硬件调式过程中，用Keil软件进行仿真，出现了一点问题。开始测试时数码管没有一点变化，碰到这种情况首先必须检查数码管是好的还是坏的。通过用万用表的检测发现数码管能正常运行，所以问题必然是电路的问题，然后再对电路进行检测，发现是电路出了问题。开始检查电路，发现错误后，对电路进行了修改，再用软件进行仿真，一开始数码管显示肯定是不太不稳定，然后对软件进行调试，
26、通过不断的对软硬件进行调试，终于是数码管正常输出。本次课程设计对我有很大的帮助，提高了我的动手能力，真正做到了理论与实践的相结合。锻炼了自己发现问题和解决问题的能力，对程序编写和纠错的能力，合理利用仿真软件的能力。 五、参考文献1沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现M.北京：电子工业出版社,20052邓兴成，姜宝钧.单片机原理与实践指导M 成都：电子科技大学，20043罗亚非.凌阳16位单片机应用基础M.北京:北京航空航天大学出版社，2003.4冯超. 超声波手册M. 南京:南京大学出版社, 19995董峰,许水源,许增天. 一种高精度超声波测距处理方法J. 厦门大学学报(自然科学版) ,1
27、998,37 (4) : 507-5126李茂山.超声波测距原理与实践技术J.实用测试技术, 1994(1):12-207许天增,许克平等.超声传输特性和超声传感系统研究J, 厦门:厦门大学学报(自然科学版), 2001,40,303-310.8牛余朋.基于单片机的高精度超声波测距电路J,电子世界,2005年第5期:27-29 9王安敏,张凯.基于AT89C52单片机的超声波测距系统J，仪表技术与传感器，2006年第6期:44-49 10MICHAEL.C Y Niu.Composite airframe structuresM.Hongkong:Commilit PressLtd,2000:286六、结束语 在此次专业课程设计中，我学到了许多，也收获了很多。通过自己的努力，不停的上网找资料，往图书馆跑，在加上朱老师和张老师的帮助，我终于完成了此次专业课程设计。在此我非常感谢朱老师和张老师的帮助，在以后的学习和生活中我会继续努力提高自己，让自己在专业课上更上一层楼！