基于单片机的超声波测距及应用.doc

东 莞 理 工 学 院 本 科 毕 业 设 计 毕业设计题目 毕业设计题目 基于单片机的超声波测距及应用基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计超声波测距系统设计 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 系系 别 别 计算机学院计算机学院 专业班级 专业班级 指导教师姓名及职称 指导教师姓名及职称 讲师讲师 起止时间 起止时间 20092009 年年 3 3 月月 20092009 年年 6 6 月月 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 摘摘 要要 由于超声波具有方向性好 穿透性强 易于获得较集中的声能等 特点 因此将它应用于倒车雷达 能有效地减少交通事故的发生 本系统以 STC12LE5410AD 单片机为核心 根据超声波工作原理 采用触发自检技术 设计了一款低成本 高精度 能显示数据 并附 带蜂鸣功能的超声波倒车雷达防撞系统 该系统极大地便利了驾驶人 员 有效地避免了交通事故的发生 本文主要涉及超声波测距系统设计 包括系统总体框架设计 元 器件选型 超声波工作原理分析 硬件电路设计 软件代码功能实现 以及系统功能测试等 关键词关键词 超声波 测距 倒车雷达 单片机 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 Abstract Ultrasonic is good at locating and it has a strong penetration also it can obtain a higher concentration of sound energy easily so the traffic accidents will decrease if we use it in the reverse radar This system is base on the single chip microcomputer which is called STC12LE5410AD it is according to the working principle of ultrasonic and using self triggering technology to designed an ultrasonic reversing radar which is low cost high accuracy and can display data and buzz The system can greatly facilitate the driver and it will effectively reduce the rate of the traffic accidents happened This article mainly relates to the design of ultrasonic ranging system including the overall framework of system design component selection the analysis of the working principle of ultrasonic hardware circuit design the implement of the software code to functions as well as system testing Key word Ultrasonic Measure Reversing radar Single chip microcomputer 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 目录目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 11 1 选题的背景和意义选题的背景和意义 1 1 1 21 2 本课题主要研究内容本课题主要研究内容 1 1 1 31 3 本人工作内容本人工作内容 2 2 2 2 系统系统分分析与设计析与设计 3 3 2 12 1 系统分析系统分析 3 3 2 22 2 方案方案论论证证 4 4 2 32 3 系统系统设设计计 6 6 3 3 超声波测距系统的硬件设计超声波测距系统的硬件设计 1212 3 13 1 设计概述设计概述 1212 3 23 2 单片机选型单片机选型 1212 3 33 3 开发工具开发工具 2121 3 43 4 设计要求和构想设计要求和构想 2222 3 53 5 系统部分电路工作原理系统部分电路工作原理 2323 3 63 6 电路图分析电路图分析 2626 4 4 超声波测距系统的软件设计超声波测距系统的软件设计 2828 4 14 1 超声波测距的算法设计超声波测距的算法设计 2828 4 24 2 测距系统主程序设计测距系统主程序设计 2828 4 34 3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序超声波发生子程序和超声波接收中断程序 2929 4 44 4 系统测试系统测试 3131 5 5 总结总结 3535 5 15 1 毕业设计工作总结毕业设计工作总结 3535 5 25 2 工作展望工作展望 3535 附录附录 3636 参考文献 参考文献 5 54 4 致致 谢谢 5555 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 1 1 绪论 1 1 选题的背景和意义 1 1 1 选题的背景 随着我国经济飞速发展 越来越多的人拥有了自己的汽车 同时由泊车和倒 车所引发的事故也越来越多 这些事故常常给驾驶员带来许多的麻烦 因此 如 果有倒车雷达 事情将会有很大的改观 超声波倒车雷达 能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情 况 帮驾驶员解除泊车和启动车辆时需四处探视的一些困扰 同时这也在一定程 度上弥补了驾驶员视野存在死角和视线模糊等缺陷 另外 超声波是一种在弹性介质中的机械震荡 它拥有指向性强 能量消耗 缓慢 传播距离较远等优点 所以经常被用于进行距离测量 超声波主要应用于 交通安全和工业监测探测现场 如储油罐液位检测 深井探测等 而最贴近我们生 活的就是超声波倒车雷达应用 利用其良好的指向性和及时性易于我们做到实时 高精度的监控 1 1 2 选题的意义 1 制作一种简便而又实用的测量工具 测距方式有很多种 如红外线测距 激光测距 超声波测距 但本系统设计 采用超声波测距 因为超声波传感器价格低廉 而且超声波指向性良好 40kHz 声波衰减缓慢 适合中长距离测量 故选其作为测量手段简单实用 2 双侧超声波测距能实现基本 瞄准 功能 使测距效果更精确 3 减少交通事故的发生 公路上发生倒车碰撞或者汽车追尾车毁人亡的交通事故已屡见不鲜 这通常 是由于驾驶员没办法看到一些死角而引起的 超声波倒车雷达能以声音或更直观 的显示让驾驶员了解周围障碍物的情况 因而减少了事故的发生率 1 2 本课题主要研究内容 本设计以时间 处理声波信号和串口通信作为实现超声波测距及倒车雷达防 撞功能应用的主要切入点 系统通过利用超声波的定向传播和固体反射特性 由 单片机控制超声波传感器接收系统发射的 40kHz 声波的回波信号 接着根据回波 时间差和传播速度 直接计算出被测物体与测距系统之间的距离 然后将其传给 倒车雷达防撞系统进行显示 使人能做出适宜的倒车反应 基本框图如下 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 2 被测 物体 超声波接收 超声波发送 单片机 串口 车载系统 危险系数 测量数据 发送 接收 接收 发送 显示 40KHz 图 1 系统基本框图 1 3 本人工作内容 本人主要负责 超声波测距系统设计 包括对整个系统的工作原理进行分析 选择元器件 确定设计方案 熟悉 STC12LE5410AD 芯片的使用 利用 Protel 进 行电路图设计 用 Proteus 仿真电路 用 C 语言编写程序 焊接硬件电路 对硬 件电路及代码进行调试以及测试 完善系统系统功能等 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 3 2 系统分析与设计 2 1 系统分析 2 1 1 系统简介 本设计是基于单片机的超声波测距及应用 系统主要分为两大部分 一部分 是超声波测距系统 另一部分是倒车雷达防撞系统 测距系统利用了超声波定向 传播和固体反射特性 由单片机控制传感器发射声波 之后根据传播速度及收到 的回波时间 算出被测物体的距离 并在数码管显示 同时也将其发送给倒车雷 达防撞系统 使数据得到进一步显示并且呈现倒车危险系数 以及鸣叫等 给驾 驶人员良好的倒车提醒 2 1 2 系统详细介绍 系统主要分为三大模块 超声波测距系统 串口通信 倒车雷达防撞系统 1 超声波测距系统 通过STC12LE5410AD芯片控制整个单片机电路 该电路通电时 工作指示灯 会交替亮灭 系统本身通过按键可以控制单片机触发超声波传感器工作 也可以 由倒车雷达防撞系统通过串口发送指令来对单片机的测量工作进行控制 当测距 系统收到倒车雷达防撞系统发来的帧时 系统中的STC12LE5410AD单片机首先对 帧进行校验 核对帧有效后 根据其中的命令字进行相应的测量 触发超声波发 射器发送声波 此时会有啪啪的响声 定时器在余波处理时间过后开始计时 当单片机检测到回波信号后 定时器 停止计时 单片机根据定时器的时间及声音的传播速度自动算出被测物体的距离 通过串口通信把数据发送给AT89C51 AT89C51在验证所接收的帧正确后 会将距 离在数码管上以米为单位显示出来 精度可达毫米级 同时 STC12LE5410AD也 会通过串口通信将数据以帧的格式发给倒车雷达系统 此时工作指示灯会频繁闪 烁 2 串口通信 主要负责超声波测距系统与倒车雷达防撞系统之间数据的传输 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议 大多数计算机包含两个基于 RS232 的串口 串口也是仪器仪表设备通用的通信协议 1 3 倒车雷达防撞系统 倒车雷达防撞系统是一个用VC编写的软件系统 在与测距系统通信的过程中 将命令字用帧格式封装 通过串口通信发送不同模式下的帧 使测距系统按规定 的测量模式进行相应的测量 也可以控制测量系统停止工作 当倒车雷达防撞系 统检测到返回帧时 会检测其有效性 然后从中提取有效的测量数据 在界面上 直观地显示出来 同时系统会控制倒车碰撞危险系数跟着数据做相应的改变 而 且当倒车处于碰撞危险区时也会控制蜂鸣器鸣叫 而该蜂鸣功能主要由AT89C51 来实现 此倒车雷达防撞系统功能给了驾驶人员良好的倒车提醒 极大地方便了 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 4 驾驶人员的生活 2 2 方案论证 本设计采用超声波测距 利用改进型单片机 STC12LE5410AD 对系统电路进行 主要控制 使用串口实现单片机与单片机 单片机与 PC 机之间的通信 在单纯 的测距系统中其数据结果采用数码管显示 2 2 1 原因阐述 1 超声波传感器 测距方式有很多种 如红外线测距 激光测距 超声波测距 但本系统设计 采用超声波测距 因为一般超声波传感器的价格低廉 而且超声波指向性较强 40kHz 声波衰减缓慢 适合中长距离测量 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振动频 率高于声波的机械波 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的 它具有频率 高 波长短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的固体中 它可穿透 几十米的深度 超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波 碰到 活动物体能产生多普勒效应 因此超声波检测广泛应用在工业 国防 生物医学 等方面 超声波测距系统的制作和调试 其中超声波发射和接收采用 16 的超声波 换能器 TCT40 16F1 T 发射 和 TCT40 16S1 R 接收 中心频率为 40kHz 安装 时应保持发射探头和接收探头的中心轴线平行并相距 4 8cm 图 2 1 超声波传感器 超声波探头主要由压电晶片组成 既可以发射超声波 也可以接收超声波 小功率超声探头多作探测作用 检测范围和声波发射角检测范围和声波发射角 超声波传感器的检测范围取决于其使用的波长和频率 波长越长 频率越小 检测距离越大 如具有毫米级波长的紧凑型传感器的检测范围为 300 500mm 波 长大于 5mm 的传感器检测范围可达 8m 一些传感器具有较窄的 6 声波发射角 因而更适合精确检测相对较小的物体 另一些声波发射角在 12 至 15 的传感器 能够检测具有较大倾角的物体 此外 我们还有外置探头型的超声波传感器 相 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 5 应的电子线路位于常规传感器外壳内 这种结构更适合检测安装空间有限的场合 被测物被测物 能运用超声波传感器进行检测的最理想的物体应该是大型 平坦 高密度的 物体 垂直放置面对着传感器感应面 最难检测的是那些面积非常小 或者是可 以吸收声波的材料制作的 比如泡沫塑料 或者是倾斜面对着传感器的 一些比 较困难被检测的物体可以先对物体的背景表面进行示教 再对放在传感器和背景 之间的物体作出反应 用于液体测量时需要要液体的表面垂直面对超声波传感器 如果液体的表面非常不平整 那么传感器的响应时间要调的更长一些 它会将这 些变化做个平均 可以比较固定的读取 11 标准检测物标准检测物 1mm 的厚度 垂直性 与声束轴线垂直 盲区盲区 直接反射式超声波传感器不能可靠检测位于超声波换能器前段的部分物体 由此 超声波换能器与检测范围起点之间的区域被称为盲区 传感器在这个区域 内必须保持不被阻挡 所以本超声波必须从 3cm 起的范围开始测量 而最大测量 距离又不超过 5m 振动振动 无论是传感器本身还是周围机械的振动 都会影响距离测量的精确度 这时 可以考虑采取一些减震措施 例如 用橡胶的抗震设备给传感器做一个底座 可 以减少振动 用固定杆也可以消除或者最大程度的减少振动 11 衰减衰减 当周围环境温度缓慢变化的时候 有温度补偿的超声波传感器可以做出调整 但是如果温度变化过快 传感器将无法做出调整 11 2 单片机 STC12LE5410AD STC12LE5410AD 为一种改进型的51 兼容单片机 指令集及主要架构与经典 51 相同 硬件资源略有增加 1 增设了2 通道PCA 可编程计数器阵列 弥补了经典51定时器功能 偏 弱 的缺陷 2 I O 口改进为可设置方式 支持 51准双向 高阻输入 OC 输出 推挽 输出四种模式 简化了外部硬件设计 3 硬件SPI 接口 4 指令速度大大提高了 将原来的12 时钟为一个机器周期改进为 2 3 个时 钟周期 指令速度平均提高为原来的8倍左右 5 计时时钟保留12分频模式 新增了2 分频模式 提高了计时精度 后两点对于超声波测距应用有益 指令速度快可减少响应延时的不确定 计 时精度高可提高分辨率 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 6 3 串口通信 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议 是仪器仪表设备通用的通信 协议 很多 GPIB 兼容的设备也带有 RS 232 口 串口通信协议也可以用于获取远 程采集设备的数据 串口按位 bit 发送和接收字节 尽管比按字节 byte 的并行通信慢 但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据 它很简单并 且能够实现远距离通信 串口通信最重要的参数是波特率 数据位 停止位和奇偶校验 对于两个 进行通行的端口 这些参数必须匹配 而 RS 232 ANSI EIA 232 标准 是 IBM PC 及其兼容机上的串行连接标 准 可用于许多用途 比如连接鼠标 打印机或者Modem 同时也可以接工 业仪器仪表 鉴于使用串口比较方便 简单 无需驱动 因而采用它进行通信 4 LED 七段数码管 在测距系统中采用 LED 七段数码管进行数据显示 而不采用 LCD 液晶显示屏 主要是因为数码管显示数据亮度高 能引起一定的视觉冲击 使人能快速辨别出 数据 2 3 系统设计 2 3 1 测距系统超声波工作原理 1 工作原理 超声波指向性强 很适合测距 在汽车倒车雷达中一般使用40kHz低频超声 波作为检测手段 该频率的超声波在空气中衰减缓慢 可以传播出较远距离 比 较适合中长距离测量 以超声波作为检测手段 必须产生声波和接收声波 这就需要使用超声波传 感器 它有发送器和接收器 但单独一个超声波传感器也具有发送和接收的双重 功能 超声波传感器利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化 即在发射超 声波的时候 将电能转换 发射超声波 而在收到回波的时候 则将超声振动转 换成电信号 发射 器 接收 器 被测物体 电能 振动 发射声波 电信号回波 图2 2 传感器工作模式 若对发送传感器内谐振频率为 40KHz 的压电陶瓷片 双晶振子 施加 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 7 40KHz 高频电压 则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短 于是发送 40KHz 频率的超声波 其超声波以疏密形式传播 疏密程度可由控制电路调制 并传给波接收器 接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理 即在压电 元件上施加压力 使压电元件发生应变 则产生一面为 极 另一面为 极的 40KHz 正弦电压 另外 因该高频电压幅值较小 故在电路设计时必 须对其进行放大 测距的原理一般采用渡越时间法TOF time of flight 首先测出超声波 从发射到遇到障碍物返回所经历的时间 再乘以超声波的速度就得到二倍的声源 与障碍物之间的距离 即L C T 2 L为距离 C为超声波在空气中传播的速度 T为往返总共用的时间 超声波测距适用于高精度的中长距离测量 因为超声波在标准空气中的传播 速度一般为331 45米 秒 由单片机负责计时 并且单片机使用11 0592M的晶振 所以系统的测量精度理论上可以达到毫米级 2 传感器间距误差分析 发射器接收器 相距近似8cm 图 2 3 传感器相对位置 在本设计中 发射器和接收器之间中心轴线的相对距离近似 8cm 这样可以 尽量减少来自发射器的余波对接收器产生的干扰 但两者间距又不能太大 不然 就无法对比较体积小的物体进行距离测量 具体的间距根据实际应用而设置 在定时器的时间计算上 8cm 间距产生的时间误差可以忽略不计 因为回波 到达接收器会触发产生电信号 然后在 8cm 的间距上传送电信号至单片机 据我 们所知 电流实际就是电子的流动 而电子的速度接近光速 比声波速度大 5 个 数量级 故 8cm 的时间误差远小于 1 毫秒 可以对其忽略不计 3 干扰问题剖析 换能器在将电型号转化成声波的过程中 所产生的声波并不是理想中的矩形 而是一个类似花瓣一样形状 值得一提的是 在实际应用中 产生的波形应该是三维的 类似柱状体 超声波传感器主要用来探测物体的距离以及相对于传感器的方位 以便可以 进行避障动作 最理想的波形就是矩形 不但可以准确的获得物体的距离值 也可以准确的 获得方位值 就是正前方 但是实际上 超声波的波束根据应用不同 有宽波束 和窄波束 宽波束的传感器会检测到任何在波束范围的物体 它可以检测到物体的距离 但是确无法检测到物体的方位 误差最高会有 100 度左右 当然 作为只要探测 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 8 物体有或者无其它用途来说 宽波束的传感器是比较理想的 同理 窄波束可以相对宽波束获得更加精确的方位角 在选择超声波传感器 的时候 这个波形特性是必须要考虑的 最理想的形状宽波束窄波束 主瓣 旁瓣 图 2 4 超声波形状 声波传感器应用起来原理简单 也很方便 成本也很低 但是目前的超声波 传感器都有一些缺点 比如反射问题 噪音 交叉问题 反射问题 如果被探测物体始终在合适的角度 那超声波传感器将会获得正确的角度 但是不幸的是 在实际使用中 很少被探测物体是能被正确的检测的 图 2 4 显示了三角误差 镜面反射 多次反射等超声波在各种角度差生的误 差 当被测物体与传感器成一定角度的时候 所探测的距离和实际距离有个三角 误差 图 2 4 的第二种情况叫做镜面反射 在特定的角度下 发出的声波被光滑的 物体镜面反射出去 因此无法产生回波 也就无法产生距离读数 这时超声波传 感器会忽视这个物体的存在 第三种情况可以叫多次反射 这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比 较常见 声波经过多次反弹才被传感器接收到 因此实际的探测值并不是真实的 距离值 这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决 通过 探测多个超声波的返回值 用来筛选出正确的读数 12 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 9 测量墙的距离 实际距离角度范围 角度范围 测量墙的距离 三角误差 镜面反射多次反射 图 2 5 超声波角度误差 噪音 虽然多数超声波传感器的工作频率为 40 45Khz 远远高于人类能够听到的频 率 但是周围环境也会产生类似频率的噪音 比如 电机在转动过程会产生一定 的高频 轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音 这些都会引起传感器 接收到错误的信号 这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决 比如发射一组长短不同 的音波 只有当探测头检测到相同组合的音波的时候 才进行距离计算 这样可 以有效的避免由于环境噪音所引起的误读 总的来说 如果我们能够在测距过程中注意到这些问题的话 那么利用超声 波检测距离还是比较可行的 设计比较方便 计算处理也较简单 并且在测量精 度方面也能达到要求 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 10 2 3 2 系统原理图 被测 物体 超声波接收 超声波发送 STC12LE5410AD 单单片片机机 串口车载系统 危险系数 测量数据 蜂鸣 数码管 显示 定时器 控制 调制器 计时器 振荡器 接收检测 AT89C51 单片机之 间通信 显示 控制 发送 接收 接收 发送 接收 发送 40KHz 图 2 6 系统原理图 在测距系统中单片机为核心控制部分 根据设定的工作方式 产生40kHz 方 波 经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号 在余波时间过后开始计时 接收回路为谐振回路 将收到的微弱回波信号检出 送信号放大电路放大 收到产生脉冲输出送单片机中断端 单片机收到中断信号后停止计时 计算出距 离值 保存等待读出或直接经UART 送出 接收过程中 单片机定时控制放大电 路的增益 逐渐提高 以适应距离越远越弱的回波信号 2 3 3 倒车雷达防撞系统分析与设计 1 分析 这是一个通过串口通信进行数据显示和倒车危险系数提示的服务端 它根据 串口通信协议 进行了帧格式的定义 如 帧头 地址 帧长 命令字 测量模 式 校验位等 在通信过程中 我们首先要打开串口 接着系统判断串口打开是 否有效 这可以排除你串口线没接 或者选错串口 当这一步完成后 我们就要 在界面上选择工作模式 设置周期等 这就相当于帧的构建 当发送后 帧通过 串口被单片机接收 单片机从缓冲区取出帧 并进行相应工作 倒车雷达防撞系统检测到有帧返回时 先看缓冲区的数据是否已满 若为空 则等待 如果满了 则接收数据 并根据帧定义验证它是否有效 无效的话就丢 弃 继续接收 而有效的话则从中提取测量数据 并将其进行显示 此时系统界 面上的倒车危险系数也会自动跟着做相应变化 当一帧处理完 系统又开始进行 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 11 下一轮帧检测 如果有帧则接收 无帧则停止 2 该系统相关流程图如下 开始 发送队列是否为 空 延时 发送数据 Y N 图 2 7 串口驱动函数流程图 发送部分 开始 发送队列是否 满 接收数据 Y N 图 2 8 串口驱动函数流程图 接收部分 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 12 开始 串口初始化 构建发送帧 串口通信 接收返回的帧 提取测量数据 是否有效 Y 显示距离 显示倒车危 险系数 N 结束 N 还有帧 Y 图 2 9 倒车雷达防撞系统流程图 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 13 3 超声波测距系统的硬件设计 3 1 设计概述 超声波测距系统以STC12LE5410AD和AT89C51单片机为核心 以TL852CDR SPX1117M3 3 3单片机为辅助 当STC12LE5410AD收到AT89C51或者倒车雷达防撞 系统通过串口发来的帧时 首先检测其有效性 如果无效则丢弃 有效则从中提 取命令字 然后根据命令字对应的工作方式模式进行相应的测量 测量中主要由 STC12LE5410AD控制电路产生40kHz方波 经过驱动电路驱动超声波发生器将这一 簇信号发出 在余波时间过后 计时器开始计时 接收回路为谐振回路 将收到的微弱回波信号检出 送信号放大电路放大 收到产生脉冲输出送单片机中断端 单片机收到中断信号后停止计时 计算出距 离值 保存等待读出或直接经UART 送出 接收过程中 单片机定时控制放大电 路的增益 逐渐提高 以适应距离越远越弱的回波信号 STC12LE5410AD单片机计算出的距离以帧的格式通过串口通信发送给单片机 AT89C51和倒车雷达防撞系统 测距系统中的89C51主要通过中断检测串口接收缓 冲区是否有接收到数据 然后根据事先约定的串口通信帧格式检测数据有效性 当获取到有效数据后 将测量结果提取出来送到数码管显示 数码管的数据总会 跟着超声波的测量结果做出相应的改变 能让人及时直观地看到测距结果 结构示意图如下 驱动电路 接收回路 设置参数 输出结果 STC12LE5410AD 单片机 软件产生方波 接收信号放大 和检出电路 增益控制 发 射 接 收 AT89C51 数码管显示 控制 图 3 1 结构示意图 本设计方案分为单片机选型 开发工具和电路设计 共三部分进行的详细说 明 3 23 2 单片机选型 3 2 1 选型目的 由于各种单片机有其特定的性能 也适用于不同的场合 所以我们需要根据 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 14 自己的实际需要 如程序储存空间 工作电压 工作温度范围 抗干扰性 工作 频率和性能价格比等方面从挑选出合适自己的单片机 因此 单片机选型是制定 设计方案中非常重要的一步 3 2 2 STC12LE5410ADSTC12LE5410AD 芯片 1 概述 STC12LE5410AD属于8STC12C2052系列单片机 是单时钟 机器周期 1T 的兼 容8051内核单片机 是高速 低功耗的新一代 8051单片机 全新的流水线 精简指 令集结构 内部集成MAS810专用复位电路 2 STC12LE5410AD在本设计中的应用 MCU 端口资源分配如下 P1 0 P1 1 接SOUT 端 作为超声波发射时左右两块TL852单片机的输 出抑制 置为OC输出 P1 4 P1 7 保留 P2 0 P2 3 控制左侧单片机TL852 增益 设置为OC 输出 852内部 有上拉电阻 P2 4 P2 7 控制右侧TL852 增益 设置为OC 输出 内部有上拉电阻 P3 0 RXD P3 1 TXD UART 通讯 P3 2 INT0 超声波左侧接收输入 设置为输入 P3 3 INT1 超声波右侧接收输入 设置为输入 P3 4 产生超声波发射方波 设置为推挽输出模式 P3 5 控制P1 用于衰减余波 设置为OC 输出模式 P3 7 工作指示灯 设置为OC 输出模式 以下为STC12LE5410AD引脚图 图 3 2 STC12LE4052AD引脚图 在本设计最主要的是看重STC12LE5410AD比普通的51单片机做了如下改进 1 指令速度大大提高了 将原来的12 时钟为一个机器周期改进为 2 3 个时 钟周期 指令速度平均提高为原来的8倍左右 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 15 2 计时时钟保留12 分频模式 新增了2 分频模式 提高了计时精度 这两点对于超声波测距应用有益 指令速度快可减少响应延时的不确定 计 时精度高可提高分辨率 3 STC12LE5410AD与普通8051完全兼容 优先级可设为4级 图3 3 中断向量地址表 4 STC12LE5410AD的I O结构 STC12LE5410AD单片机其所有I O口均可由软件配置成4种类型之一 如下表 所示 4种类型分别为 准双向口 标准8051输出模式 推挽输出 仅为输入 高阻 或开漏输出功能 每个口配置2个控制寄存器控制每个引脚输出类型 上电复位后为准双向口模式 图3 4 I O 口结构图 5 STC12LE5410AD定时器的使用 定时器0和1 定时器和计数功能由特殊功能寄存器TMOD的控制位C T进行选 择 TMOD寄存器的各位信息如下表所示 可以看出 2个定时 计数器有4种操作 模式 通过TMOD的M1和M0选择 2个定时 计数器的模式0 1和2都相同 模式3不 同 各模式的功能如下所述 TMOD 地址 89H 复位值 00H 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 16 图3 5 定时器位信息表 位符号 M1 M0 功能 定时器 计数器 0 模式选择 0 0 13 位定时器 计数器 兼容 8048 定时器模式 TL0 只 用低 5 位参与分频 TH0 整个 8 位全用 0 1 16 位定时器 计数器 TL0 TH0 全用 1 0 8位自动重装载定时器 当溢出时将TH0存放的值自动 重装入TL0 TMOD 1 TMOD 0 1 1 定时器0此时作为双8位定时器 计数器 TL0作为一个8 位定时器 计数器 通过标准定时器0的控制位控制 TH0仅作为一个8位定时器 由定时器1的控制位控制 图3 6 定时器 计数器0模式选择 图3 7 定时器 计数器1模式选择 3 2 3 增益放大 TL852 芯片 TL852 是一片专门设计用于超声波接收 放大 检测的芯片 集成了可变增 益 选频放大器 可通过四根控制线变换11 级增益 对于检测超声波信号十分 符号 M1 M0 功能 定时器 计数器 1 模式选择 0 0 13 位定时器 计数器 兼容 8048 定时器模式 TL1 只用 低 5 位参与分频 TH1 整个 8 位全用 01 16 位定时器 计数器 TL1 TH1 全用 10 8位自动重装载定时器 当溢出时将TH1存放的值自动重 装入TL1 TMOD 5 TMOD 4 1 1 定时器 计数器1此时无效 停止计数 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 17 有效 图3 8 TL852引脚图 图3 9 TL852内部功能框图 3 2 4 低电压运算放大器 LMV358 LMV358 为低电压满幅输出运放 额定工作电压为2 7 5V 因为单片机的 工作电压为3 3V 所以选用LMV358 虽然成本略高 但性能得到保证 它可实现 1MHz的带宽在1 V ms转换率低电源电流 图 3 10 LMV358 引脚图 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 18 3 2 5 AT89C51AT89C51 单片机 1 概述 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器 FPEROM Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能CMOS8位微 处理器 俗称单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次 该器件 采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的MCS 51指令集和输 出管脚相兼容 由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL的 AT89C51是一种高效微控制器 AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵 活性高且价廉的方案 外形及引脚排列如图所示 1 图 3 11 AT89C51 引脚图 2 主要参数 1 与 MCS 51 兼容 2 4K 字节可编程闪烁存储器 3 寿命 1000 写 擦循环 4 数据保留时间 10 年 5 全静态工作 0Hz 24MHz 6 三级程序存储器锁定 7 128 8 位内部 RAM 8 32 可编程 I O 线 9 两个 16 位定时器 计数器 10 5 个中断源 11 可编程串行通道 12 低功耗的闲置和掉电模式 13 片内振荡器和时钟电路 3 在本设计中的应用 P1 0 P1 7 接七段数码管引脚 用于控制显示相应的数字 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 19 P2 0 P2 4 分别接 4 个 74LS164N 锁存器 用于进行位选 以便选 择性地点亮数码管 P2 5 控制蜂鸣器鸣叫 P2 6 接一个按键 该按键主要用于触发 AT89C51 进行串口通信发送 数据帧 以控制 STC12LE5410AD 工作 P3 0 RXD P3 1 TXD UART 通讯 3 2 6 锁存器 74LS164 1 简介 74LS164是一个串行输入并行输出的移位寄存器 并带有清除端 图3 12 74LS164引脚图 当清除端 CLEAR 为低电平时 输出端 QA QH 均为低电平 串行数据输入端 A B 可控制数据 当A B任意一个为低电平 则禁止新 数据输入 在时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下Q0的状态 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端 低电平有效 A B 串行数据输入端 QA QH 输出端 2 外部管脚真值表 图3 13 74LS164外部管脚真值表 H 高电平 L 低电平 X 任意电平 低到高电平跳变 QA0 QB0 QH0 规定的稳态条件建立前的电平 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 20 QAn QGn 时钟最近的 前的电平 在本设计中由于只需点亮 5 个数码管 因需用到 5 个 74LS164 首先为 AT89C51 的 P20 P2 4 设置为输出模式 当 P2 0 P2 4 中某一个 I O 口被赋值 1 时 也就代表该口的锁存器被选中 从而点亮该锁存器连接的数码管 3 2 7 发光二极管 LED 1 数码管结构 数码管由8个发光二极管 以下简称字段 构成 通过不同的组合可用来显示 数字0 9 字符A F H L P R U Y 符号 及小数点 数码管的外 型结构如图所示 数码管又分为共阴极和共阳极跨两种结构 图3 14 数码管结构 2 数码管工作原理 由于本设计采用的是共阳极数码管 因而只对共阳极数码管的工作原理做具 体介绍 原理如下 共阳极数码管的 8 个发光二极管的阳极 二极管的正端 连接在一起 通常 公共阳极接高电平 一般接电源 其它管脚接段驱动电路输出端 当某段驱动电 路的输出端为低电平时 则该端所连接的字段导通并发亮 根据发光二极管的不 同组合可显示出各种数字或字符 此时 要求段驱动电路能吸收额定的段导通电 流 还需根据外接电源与额定段导通电流来确定相应的限流电阻 3 数码管字形编码 要使数码管显示出相应的数字或字符 必须使段数据口输出相应的字形编码 对照图 字型码各位定义为 数据线D0与a字段对应 D1与b字段对应 依此 类推 如使用共阳极数码管 数据为0表示对应字段亮 数据为1表示对应字段暗 如要显示0 共阳极数码管的字型编码为 11000000B 即C0H 依此类推 可求 得数码管字形编码如表所示 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 21 图3 15 数码管字型编码 1 4 LED 七段数码管动态显示方式 所有LED的段选线共同连接在一起共用一个8位I O口 而每个LED的位选分别 由一根相应的I O口线控制 因此必须采用动态扫描显示方式 每一个时刻只选 通其中一个LED 同时在段选口送出该位LED的字型码 图3 16 LED七段数码管动态显示连接 电路的接法决定了必须采用逐位扫描显示方式 即从段选口送出某位LED的 字型码 然后选通该位LED 并保持一段延时时间 然后选通下一位 直到所有 位扫描完 在本设计中使用了 5 个数码管 主要是为了配合倒车雷达防撞系统的数据显 示要求 即以米为单位 并精确到毫米级 如 0 466 米 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 22 3 3 开发工具 3 3 1 编程环境 我们采用C语言和Keil C51 IDE v7 5进行程序的编写 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发 系统 与汇编相比 C语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有明显的优 势 因而易学易用 用过汇编语言后再使用C来开发 体会更加深刻 Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具 全 Windows界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成的汇编代码 就能体会 到Keil C51生成的目标代码效率非常之高 多数语句生成的汇编代码很紧凑 容 易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 该软件的界面如下 图3 17 Keil C界面 3 3 2 EDA 软件 PROTEL PROTEL 是 PROTEL 公司在 80 年代末推出的 EDA 软件 是电子设计者的首选软 件 它较早就在国内开始使用 在国内的普及率也最高 几乎所有的电子公司都 要用到它 现今的 PROTEL 已发展到 PROTEL99 网络上可下载到它的测试板 是个庞大 的 EDA 软件 完全安装有 200 多 M 它工作在 WINDOWS95 环境下 是个完整的板 级全方位电子设计系统 PROTEL99 包含了电原理图绘制 模拟电路与数字电路混合信号仿真 多层印 制电路板设计 包含印制电路板自动布线 可编程逻辑器件设计 图表生成 电子表格生成 支持宏操作等功能 并具有 Client Server 客户 服务器 体 系结构 同时还兼容一些其它设计软件的文件格式 如 ORCAD PSPICE EXCEL 等 其多层印制线路板的自动布线可实现高密度 PCB 的 100 布通率 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 23 该工具界面如下 图 3 18 PROTEL99 界面 3 4 设计要求和构想 单片机为核心控制部分 根据设定的工作方式 产生 40kHz 方波 经过驱动 电路驱动超声波发生器发出一簇信号 单片机此时开始计时 接收回路为谐振回路 将收到的微弱回波信号检出 送信号放大电路放大 收到产生脉冲输出送单片机中断端 单片机收到中断信号后停止计时 计算出距 离值 保存等待读出或直接经UART 送出 接收过程中 单片机定时控制放大电 路的增益 逐渐提高 以适应距离越远越弱的回波信号 核心器件为STC12LE5410AD TL852 16mm 超声波收 发器 采用5V 供电 因为5V 是最常见的工作电压为了减小干扰 选用3 3V 供电 的单片机 使用目前常用的1117 3 3 三端稳压器将5V 降到3 3V 减小电源扰动 的影响 增加可靠性 采用左右侧超声波接收器 可实现类似 瞄准 定位的功能 可使测量结果 更精确 对于测距系统功能的实现 主要包括进行距离测量 发送数据 显示数 据等 由于STC12LE5410AD的引脚有限 而系统又要用动态显示方式控制5个数码 管显示数据 这就还需要12个I O口 其中4个控制位选 8个直接接七段数码管 引脚 所以我们可考虑用AT89C51作为辅助 由其来控制数码管 该芯片价格低 廉 而且容易学习 这样的话我们就可以让单片机STC12LE5410AD作为主要芯片 用于实现测距系统绝大部分功能 然后STC12LE5410AD可通过串口通信方式将我 们比较关注的测量结果传送给AT89C51由其单独控制数码管显示 为了充分以用AT89C51的引脚 我们还将它的某一只引脚接一个按键 当该 按键按下时 可控制AT89C51通过串口通信触发STC12LE5410AD开始自动工作 这 样使得测距系统可以单独脱离倒车雷达防撞系统而存在 即使没有倒车雷达防撞 系统控制也可以自动工作 同时 我们也可让AT89C51的一只引脚接经过三极管 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 24 放大的蜂鸣器 用以控制其鸣叫 而这就主要属于倒车雷达防撞系统部分的功能 总的来说我们可以把AT89C51和PC机端的倒车雷达防撞系统都当成上位机 它们 彼此不干扰 而STC12LE5410AD控制系统当成下位机 这样的话 我们的思路就 很明显了 而且系统各部分主要的功能设计也就比较清楚了 简单地说 STC12LE5410AD主要负责测量 AT89C51负责数码管显示和蜂鸣 PC机端的界面主 要负责显示和危险系数提醒 3 5 系统部分电路工作原理 3 5 1 超声波发送部分 图3 19 超声波发射驱动电路 Send Ctrl Cut Off 端由STC12LE5410AD控制 此单片机的I O 口可设置为 推挽输出模式 这是经典51不具备的 拉电流 灌电流均可达20mA 保证了 D882 有足够的驱动能力和快速的通断性能 变压器的次级电感与发射器 发射器为容性 一般为2400p 左右 构成谐振 回路 好处是提高了发射效率 但副作用是发射后的余波时间较长 导致近距离 的回波被淹没 在该电路中 必须注意在调试时 跳线帽要断开 避免程序出错导致电路出 现短路 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 25 3 5 2 STC12LE5410AD 单片机控制部分 图3 20 MCU控制电路 MCU STC12LE5410AD端口资源分配如下 P1 0 P1 3 控制TL852 增益 设置为OC 输出 852 内部有上拉电阻 P1 4 P1 7 保留 P3 0 RXD P3 1 TXD UART 通讯 P3 2 INT0 接SOUT 端 作为超声波发射时的852 输出抑制 置为 OC 输出 P3 3 INT1 超声波接收输入 设置为输入 P3 4 产生超声波发射方波 设置为推挽输出模式 P3 5 控制P1 用于衰减余波 设置为OC 输出模式 P3 7 工作指示灯 设置为OC 输出模式 东莞理工学院 2009 届学士学位论文 基于单片机的超声波测距及应用 超声波测距系统设计 26 3 5 3 超声波回波