基于单片机的超声波测距.doc

信息学院信息学院 电子设计竞赛辅导电子设计竞赛辅导 作业设计报告作业设计报告 完成日期 完成日期 2012 年年 月月 日日 专 业 电子信息科学与技术 班 级 092 班 设计题目 超声波测距 学生姓名 指导教师 叶林鹏 目目 录录 一 设计任务和性能指标 2 1 1 设计任务 2 1 2 性能指标 2 二 设计方案 3 三 系统硬件设计 4 3 1 单片机最小系统 4 3 2 超声波发射电路 4 3 3 超声波检测接收电路 5 3 4 报警电路 6 3 5 显示电路 7 四 系统软件设计 8 4 1 主程序设计 8 五 调试及性能分析 10 5 1 调试步骤 10 5 2 性能分析 10 六 心得体会 11 参考文献 12 附录 1 系统硬件电路图 13 附录 2 程序清单 14 2 一 设计任务和性能指标一 设计任务和性能指标 1 11 1 设计任务设计任务 利用单片机及外围接口电路 键盘接口和显示接口电路 设计制作一个含有 温度补偿的超声波测距仪器 用 LED 把环境温度和测距仪距被测物的距离显示 出来 要求用 Protel 画出系统的电路原理图 要求以最少组件 实现系统设计所 要求的功能 印刷电路板 要求布局合理 线路清晰 绘出程序流程图 并 给出程序清单 要求思路清晰 尽量简洁 主程序和子程序分开 使程序有较 强的可读性 1 21 2 性能指标性能指标 1 距离显示 用三位 LED 数码管进行显示 单位是 CM 2 环境温度 用三位数码管进行显示温度 绝对温度 3 测距范围 5CM 到 300CM 之间 4 键位 复位键 便携电源开关 USB 供电开关 温度显示距离显示 5 烧显器的连接 电路的仿真玉检测 3 二 设计方案二 设计方案 按照系统设计的功能的要求 初步确定设计系统由单片机主控模块 电源 模块 显示模块 键扫描模块 超声波发射模块 超声波接收模块 温度补偿 模块共七个模块组成 主控芯片使用 51 系列 STC89C52 单片机 该单片机工作性能稳定 同时也 是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片 本设计在接受模块采用了由索 尼公司生产的 CX2016A 红外接收芯片来实现超声波的接收 CX2016A 是一款红 外线检波接收的专用芯片 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 与测距超声波频率 40KHz 较为接近 可以利用它作为超声 波检测电路 实验证明其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力 同时通过改 变部分参数来改变接受电路的灵敏度和抗干扰能力 所以我们采用该芯片作为 接收模块主要组成部分 发射电路主要采用差分放大电路来实现的 由反相器 74LS04 和超声波发射 换能器 T 构成 输出的 40kHz 的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到超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的两端 之所以采用该方案是因为通 过差分放大电路可以提高超声波的发射强度 进而增加了发送距离 最终扩大 了设备的测量范围 系统设计框图如图 2 1 超声波接收 模块 超声波发射 模块 单片机控制系统 AT89C52RC 显示模块 键盘模块 控制开关模块 图 2 1 系统设计框图 4 三 系统硬件设计三 系统硬件设计 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路 温度补偿电路 超声波 发射电路和超声波检测接收电路四部分 单片机采用 AT89C52 或其兼容系列 采用 12MHz 高精度的晶振 以获得较稳定时钟频率 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 的方波信号 利用外中断 0 口监测超 声波接收电路输出的返回信号 显示电路采用简单实用的 3 位共阳 LED 数码管 段码用 74LS273 驱动 位码用 PNP 三极管 8550 驱动 3 13 1 单片机单片机最小系统最小系统 5l 系列单片机中典型芯片 AT89C51 采用 40 引脚双列直插封装 DIP 形式 内部由 CPU 4kB 的 ROM 256 B 的 RAM 2 个 16b 的定时 计数器 TO 和 T1 4 个 8 位的全双工 IO 端 P0 P1 P2 P3 一个全双功串行通信口等组成 特别 是该系列单片机片内的 Flash 可编程 可擦除只读存储器 E PROM 使其在实 际中有着十分广泛的用途 在便携式 省电及特殊信息保存的仪器和系统中更 为有用 该系列单片机所组成的最小系统如图 3 1 所示 图 3 1 单片机最小系统原理图 5 3 23 2 超声波发射电路超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图 2 2 所示 发射电路主要由反相器 74LS04 和超 声波发射换能器 T 构成 单片机 P1 0 端口输出的 40kHz 的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到超声波换 能器的另一个电极 用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端 可 以提高超声波的发射强度 输出端采两个反向器并联 用以提高驱动能力 上 位电阻 R1O R11 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 缩短其自由振荡时间 如图 3 2 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的 超声波换能器内部 有两个压电晶片和一个换能板 当它的两极外加脉冲信号 其频率等于压电晶 片的固有振荡频率时 压电晶片会发生共振 并带动共振板振动产生超声波 这时它就是一个超声波发生器 反之 如果两电极问未外加电压 当共振板接 收到超声波时 将压迫压电晶片作振动 将机械能转换为电信号 这时它就成 为超声波接收换能器 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同 使 用时应分清器件上的标志 3 33 3 超声波检测接收电路超声波检测接收电路 集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片 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38 kHz与测距的超声波频率40 图 3 2 超声波发射电路原理图 6 kHz较为接近 可以利用它制作超声波检测接收电路 如图2 3 实验证明用 CX20106A接收超声波 无信号时输出高电平 具有很好的灵敏度和较强的抗干 扰能力 适当更改电容C4的大小 可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力 如图3 3 3 43 4 报警电路报警电路 报警电路主要由一个三极管和报警器组成 当被测距离超过 3 米时 由于接收机未接受 到信号 触发报警电路 因为定时器控制 3 米所需要的时间 当超过这个时间 报警器触 发 图 3 3 超声波接收电路原理图 7 3 53 5 显示电路显示电路 显示电路主要由74ls273芯片驱动 用PNPC8550三级管进行位选 七段共 阳极数码管显示 硬件电路图如图3 5所示 8 图 3 5 显示电路原理图 9 四四 系统软件设计系统软件设计 4 14 1 主程序设计主程序设计 主程序中包括报警子程序 计算子程序 显示子程序 如图 4 1 所示 在主程序设计中 我们采用了汇编编程 首先进行系统初始化 其次利用 循环产生4个40KHZ的方波 由输出口进行输出 并开始计时 第三读取外界环 境的温度 由该温度确定环境中的超声波传输速度 第四等待中断 若超声波 被接收探头捕捉到 那么通过中断可测得超声波在环境中的传播时长 第五进 行计算 求得测距仪到被测物的距离 第六进行距离显示 图 4 1 程序流程图 图 4 1 主程序流程图 10 五五 调试及性能分析调试及性能分析 5 15 1 调试步骤调试步骤 我们的步骤是先焊接各个模块 焊接完每个模块以后 再进行模块的单独 测试 以确保在整个系统焊接完能正常的工作 首先焊接的是电源模块 其中 包括USB供电和电池供电两种方式 电源模块焊接完以后 进行电源模块的测试 当插上USB以后电源指示灯并没有亮 说明电源模块有问题 后来发现稳压芯片 发烫 得出一定是电源和地短了 接下来就开始检查USB的地和电源是不是接反 了 然后开始检查PCB和电路图 发现确实是封装错了 USB解决以后测试 发 现电源指示灯还是没有亮 不过7805还是发热 经检查知道 7805的封装也错 了 经改装电源模块可以正常工作了 接下来是单片机最小系统的测试 焊接 完以后发现系统没有问题 程序可以正常下载 然后是超声波发送模块的焊接 焊接完以后 编写一个专门的发射超声波的程序 然后用示波器测试通过 在 测试显示程序的时候数码管不能正常工作 不亮 后来发现是驱动芯片74LS273 的CLK没有和单片机的控制端连接上 不能将数据锁存到数码管中 后来用跳线 连接上了 接下来是软件的调试过程 在软件的调试过程中 遇到了很多的问 题 每个问题也解决了 经过3 4天的调试终于将程序调试通过了 5 25 2 性能分析性能分析 虽然结果和预想的有很大的差距 但总体来说已经基本上达到了要求 理想上超声波测距能达到5到7米左右 而我们所能实现的最大距离只有3米 造 成这种原因我想有以下几点 1 由于我们采用的是11 0592MHZ的晶振 理论上是按照12MHZ的晶振计算的 所以对系统造成了一定的误差 2 由于温度传感器DS18B20距离单片机较近 所采集到的温度严重受到单片 机的影响 造成系统误差 3 单片机接收端其中有个电阻是4 7欧姆的 由于种种原因没有找到4 7欧 姆的 就找了个5 5欧姆的代替 造成系统误差 11 六六 心得体会心得体会 俗话说 好的开始是成功的一半 通过这次实习 我们学到了很多东西 在进行课程设计时 我们应该做到以下三点 首先 我认为最重要的就是认真 的研究老师给的题目 其次 在老师讲解的基础上认真研究硬件电路的设计 和软件流程的设计 最后 重点实现软硬结合的综合调试 这次的实习 我们进行了硬件电路图设计 PCB板的设计 以及软件的编程 实现 软硬件的综合调试 最终一个完整的课程设计成果出来了 很高兴它能 按着设计的思想与要求运作起来 当然 这其中也有很多问题 第一 不够细 心 比如在PCB制作过程中没有建立网络报表导致了部分连线没有倒入PCB板中 还有部分封装出现了错误 第二 实践环节上 这次课设是对我所学的理论课 程的一次检验 对于这次综合课程实习 使我们的动手能力得到提升 同时纠 正我们对 系统 这一概念以往的错误理解 就实现功能来说 设计结果能够符合题意 成功完成了此次实习要求 我 们不只在乎这一结果 更加在乎的 是这个过程 这个过程中 我们花费了大 量的时间和精力 更重要的是 我们在学会创新的基础上 同时还懂得合作精 神的重要性 学会了与他人合作 在已度过的大学时间里 我们大多数接触的 是理论课 我们在课堂上掌握的仅仅是专业课的理论知识 如何去锻炼我们的 实践能力 如何把我们所学的专业基础课理论知识运用到实践中去呢 我想做 类似实习就为我们提供了良好的实践平台 同时这次实习给我们带来前所未有的的启发 首先 查阅资料的必要性 在做本次实习的过程中 我感触最深的当属查 阅大量的设计资料了 为了让自己的设计更加完善 查阅这方面的设计资料是 十分必要的 同时也是必不可少的 我们是在做单片机实习 但我们不是艺术 家 他们可以抛开实际尽情在幻想的世界里翱翔 而我们一切都要有据可依 有理可寻 不切实际的构想永远只能是构想 永远无法升级为设计 我们能做 的就是理论结合实际 其次 在这次课程设计中 我们运用到了以前所学的专业课知识 如 模 拟和数字电路知识等 虽然过去从未独立应用过它们 但在学习的过程中带着 12 问题去学我发现效率很高 这是我做这次课程设计的又一收获 再次 在实习之前 我们要对所用单片机的内部结构有一个系统的了解 知道该单片机内有哪些资源 要有一个清晰的思路和一个完整的的软件流程图 在设计程序时 不能妄想一次就将整个程序设计好 反复修改 不断改进是程 序设计的必经之路 要养成注释程序的好习惯 一个程序的完美与否不仅仅是 实现功能 而应该让人一看就能明白你的思路 这样也为资料的保存和交流提 供了方便 在实习过程中遇到问题是很正常的 但我们应该将每次遇到的问题 记录下来 并分析清楚 以免下次再碰到同样的问题 但是从中学到的知识会 让我受益终身 发现 提出 分析 解决问题和实践能力提高都会受益于我在 以后的学习 工作和生活中 最后 我们在这次实习中我们使用了分模块焊接 分模块测试的方法进行 硬件电路的焊接和测试 这是我们最宝贵的收获 这样做可以避免走很多弯路 使得调试也条理分明 总体上说 这次实习中收获很多 感触也很多 13 参考文献参考文献 1 徐维祥 刘旭敏 单片微型机原理及应用 大连 大连理工大学出版社 1996 2 李光飞 楼然苗 胡佳文 谢象佐 单片机课程设计与实例指导 北京 北京航空航天大学出版社 2004 3 余永权 89系列FLASH单片机原理及应用 北京 电子工业出版社 2002 4 李群芳 黄建 单片机微型计算机与接口技术 北京 电子工业出版社 2001 5 楼然苗 李光飞 51系列单片机设计实例 北京 北京航空航天大学出版社 2003 6 王守中 51单片机开发入门与典型实例 北京 人民邮电出版社 2009 14 附录附录 1 系统硬件电路图系统硬件电路图 R6 4k 7 R8 4k 7 Y1 12M HzC2 30p F C3 30p F R1 10K S1 RS T P1 0 P1 1 P1 2 P1 4 P1 3 RS T EA VP 31 X1 19 X2 18 RE SET 9 RD 17 WR 16 IN T0 12 IN T1 13 T0 14 T1 15 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 P0 0 39 P0 1 38 P0 2 37 P0 3 36 P0 4 35 P0 5 34 P0 6 33 P0 7 32 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PS EN 29 AL E P 30 TX D 11 RX D 10 GN D 20 Vcc 40 U1 89C 51 Vcc Vcc Vcc Vcc Vcc Vcc R7 4k 7 P2 0P2 1P2 2 P3 0 P3 1 P3 2 P1 5 P1 6 P1 7 R5 4k 7 P2 3 d1d2d3d4 Q1 901 2 Q2 901 2 Q3 901 2 Q4 901 2 C4 104 P3 3 1 2 3 J1 PO WER P3 5 P3 6 P3 7 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 R2 510 Vcc D1 LE D1 11 A 12 1H 10 F 9 2H 8 3H 7 B 6 4H 1 E 2 D 3 DP 4 C 5 G DS 1 d1 d2 d3 d4 P0 0 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 12 U2 A 74A LS0 4 34 U2 B 74A LS0 4 89 U2 D 74A LS0 4 56 U2 C 74A LS0 4 1011 U2 E 74A LS0 4 R3 1k R4 1k U3 TX P1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 U5CX 2010 6A U4 RX C1 10u C6 10u C7 10u C5 473 C8 330 p R1 1 200 k R9 100 R1 0 200 k Vcc P32 1 2 J2Vcc R1 2 4k 7 Q5 901 2 LS 1 SPEAKE R Vcc P1 1 C1 5 104 附录附录 2 2 程序清单程序清单 VOUT EQU P1 0 TEMP1 EQU 36H TEP1 EQU 37H DQ EQU P1 7 FLAG1 EQU 38H ORG 0000H JMP START ORG 0003H JMP PINT0 主程序 START MOV P3 0FFH MOV P0 0FFH MOV P1 0FFH MOV P2 0FFH MOV TMOD 01H MOV TH0 00H MOV TL0 00H CLR IE0 SETB PX0 SETB EA SETB EX0 15 CLR IT0 MOV R4 4 SETB TR0 k CPL P1 0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ R4 K JNB IE0 LCALL TEMP LCALL GET TEMPER LCALL CHANGE LCALL WORK LCALL DISPLAY1 LJMP START PINT0 CLR TR0 CLR EX0 MOV 30H TL0 MOV 31H TH0 RETI TEMP SETB DQ NOP CLR DQ MOV R0 0FBH 给延时程序赋初值 TSR1 DJNZ R0 TSR1 延时 SETB DQ MOV R0 25H 给延时程序赋初值 TSR2 JNB DQ TSR3 S18B20 是否存在 存在就跳转到 TSR3 DJNZ R0 TSR2 不存在等待 TSR3 SETB FLAG1 置标志位 表明 DS18B20 存在 CLR P2 0 二极管指示 AJMP TSR5 TSR4 CLR FLAG1 LJMP TSR7 TSR5 MOV R0 06BH TSR6 DJNZ R0 TSR6 延时 TSR7 SETB DQ 表明不存在 RET 读转换后的温度值 GET TEMPER SETB DQ LCALL TEMP JB FLAG1 TSS2 RET 若不存在则返回 TSS2 MOV A 0CCH 跳过 ROM LCALL WRITE 18B20 MOV A 44H 发出温度转换命令 LCALL WRITE 18B20 LCALL TEMP MOV A 0CCH 跳过 ROM LCALL WRITE 18B20 MOV A 0BEH 发出读温度换命令 LCALL WRITE 18B20 LCALL READ2 18B20 读两个字节的温 度 RET 写 ds18b20 汇编程序 16 WRITE 18B20 MOV R2 8 CLR C WR1 CLR DQ MOV R3 6 DJNZ R3 RRC A MOV DQ C MOV R3 23 DJNZ R3 SETB DQ NOP DJNZ R2 WR1 SETB DQ RET 读 18B20 程序 读出两个字节的 温度 READ2 18B20 MOV R4 2 低位存在 29 H 高位存在 28H MOV R1 29H RE00 MOV R2 8 RE01 CLR C SETB C NOP NOP CLR DQ NOP NOP NOP SETB DQ MOV R3 7 DJNZ R3 MOV C DQ MOV R3 23 DJNZ R3 RRC A DJNZ R2 RE01 MOV R1 A DEC R1 DJNZ R4 RE00 RET 读出的温度进行数据转换 CHANGE MOV A 29H MOV C 28H 0 将 28H 中的最低位移入 C RRC A MOV C 28H 1 RRC A MOV C 28H 2 RRC A MOV C 28H 3 RRC A MOV 29H A LCALL CONVERSE RET DISPLAY CONVERSE MOV A 29H 将 29H 中的十六进制数转换成 10 进制 MOV DPTR TABLE MOVC A A DPTR MOV TEMP1 A TABLE DB 165D 165D 165D 166D 166D 166D 167 D 167D 167D 167D DB 168D 168D 168D 169D 169D 169D 170 D 170D 170D 171D DB 171D 171D 172D 172D 172D 173D 173 D 173D 174D 174D DB 174D 174D 175D 175D 175D RET 计算子程序 WORK MOV PSW 18h 选择 3 区 R 系列寄存器 MOV R3 31H MOV R2 30H MOV R1 00D MOV R0 TEMP1 LCALL MUL2BY2 MOV R3 27H MOV R2 10H LCALL DIV4BY2 LCALL HBCD RET 17 两字节无符号数乘法程序 R7R6R5R4 R3R2 R1R0 速度 X 时间 2 MUL2BY2 CLR A MOV R7 A MOV R6 A MOV R5 A MOV R4 A MOV 46H 10H MULLOOP1 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 MOV A R6 ADDC A 00H MOV R6 A MOV A R7 ADDC A 00H MOV R7 A MULLOOP2 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 10000 DIV4BY2 MOV 46H 20H MOV R0 00H MOV R1 00H 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 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