【《基于STC89C52芯片的超声波检测系统设计》7800字】

基于STC89C52芯片的超声波检测系统设计目录TOC\o"1-3"\h\u22006第1章绪论 1309181.1研究背景及意义 1123161.2国内研究现状 2264851.3研究目的和研究内容 313134第2章硬件设计分析 372432.1设计内容 3218052.2系统功能与分析 36822.3HC-SR04超声波测距传感器 458132.4四位共阳数码管 5220772.5焊接与调试 728955第3章软件设计分析 9283643.1软件设计方案 9150493.2串口通信 11142953.3流程图 11197253.4KEIL 126650第4章系统测试及测试结果 14144554.1硬件整体检查 1431664.2实验过程 1412814.3烧入程序 14304044.4测试结果 1593164.4.1硬件连接图 1543434.4.2检测结果数据 16123764.5检测结果分析 164763结论 17第1章绪论1.1研究背景及意义超声波测距作为迥异于传统上利用激光、涡流等方式测量机械产品内部间距的全新方法，产生超声波的仪器生产成本低且不用消耗太多能耗，超声波的应用不受光磁等常见杂质的干扰等优点[1]。因此广泛的应用于我国在大型工业产品质量控制、测量高大建筑物指标以及对无人驾驶的器械或者机器人进行定位等领域。人工智能技术迅猛发展短短几十年，智能机器就能够实现半自主或全自主与人交互，那么何为机器人？日本的加藤一郎说满足三个条件才能定义为机器人：①具有手，脚，脑三个要素。②具有接触式和非接触式（起到眼耳作用的）传感器。③具有平衡感能自己纠正姿态[1,2]。超声波作为富含能量的强指向性声波，自身高强度的能量储备和极低的消耗速度让超声波拥有在介质中超远距离传播的能力。因此通过将超声波生产装置应用于测绘机器人之中，可以极大的拓宽测绘工作的环境限制并通过自动化应用的方式提升测距工作的准确程度。例如通过测定超声波的来回时间可以渐渐变的测量出人工难以实施测量的高毒性或者高腐蚀性的化学液体液面高度，或者应用于交通执法中实时测定快速行驶的汽车的行进速度和其是否保持了两车之间的合法距离[3]。超声波的另外一个优点在于其传播速度较为缓慢，较为容易测量出超声波的传播时间并进而计算出目标的距离这一重要的检测参数。其次，超声波作为强指向性和穿透性的音波，其自身的强定向性有利于在限定时间内以直线距离通向目标，提高检测的精度并降低操作难度。1.2国内研究现状国内目前各个公司研发出的超声测距测向产品模拟了蝙蝠等生物的超声波生理功能，通过向外发射可以往返的高能声波的方式，通过计算声音的传播速度和测定声波往返的时间来对目标距离及逆行测算。国内的超声测距仪应用主要分三个领域，第一是对工矿企业在生产过程中的地底岩洞深度、矿藏埋藏情况等进行初步勘探，其二是应用于交通执法和交通导航等领域内，通过测定前后车距和汽车行驶速度来提醒当事人保证自身的安全。最后是通过对战车、运动机器人等人工智能上的应用来帮助其在行驶过程中及时避障。因为超声波生产仪器功率的问题，目前国产应用于生活之中的超声波测距仪产生的超声波只能辐射周围10m左右，高精尖的军用或者特种超声测距仪器可以让声音传播超过60m。虽然已经取得了可喜的成绩和进步，但是和国外相关设备能够传播远达到126m的技术标准相比较还具有巨大的差异和不足。我国目前的超声检测技术大多数采用膜片振动来感应和记录回向的超声波，因此其测向的精度较高可以十分容易的感受到回程的声波。但是这种高灵敏度的测绘仪器不具有稳定型和排除干扰的能力，十分容易受到风沙雨雪等恶劣天气的影响。目前通过引入信息科技的方式，我国的超声仪器研制工作具有了极大的进展。通过将检测仪从之前的单码改造为具有双码现实功能的信息微处理终端，超声波检测仪器不仅可以及时的记录检测结果还能够对其记录到的监测信息进行初步的计算和处理。随着具有强悍超声检测能力的仪器的大量出现，我国在超声仪器研发方面的工作取得了突破性进展。1.3研究目的和研究内容本课题的目的是通过优化目前的超声测绘机器的结构，以单片机系统作为主体，通过将超声波发射和接收电路与显示电路之间进行有机巧妙的结合，来研发出一套小体积高灵敏度多功能的超声测绘机器系统。本设计选用目前市场上极为畅销的STC89C52单片机这种高性价比的超声波模块控制转换系统作为控制平台，通过将持续稳定的超声波输出系统和灵敏的超声波进而结合，通过控制和降低超声波发射和接受产生的时间差来达到精准测算与目标之间距离的目的[4]。此次选题旨在通过学习了解和运用超声波测距方面的力学机械学等知识来提升自己的综合能力。第2章硬件设计分析2.1设计内容本设计分为四部分，具体介绍如下：功能模块：功能设计实现了以STC89C52单片机为主要核心，HC-SR04超声波测距模块硬件模块：是以STC89C52单片机为主控。软件模块：软件设计是基于C语言编程，应用KEIL4进行编译，通过编写程序来实现网络连接部分以及对显示距离数据进行实时监测[5]。2.2系统功能与分析超声测距仪器的结构是以单片机系统作为主体来控制超声波的功率和模式，通过将超声波发射和接收电路与显示电路之间进行有机巧妙的结合，来研发出一套小体积高灵敏度多功能的超声测绘机器系统。具体见图2.2所示。超声波超声波接收超声波发送扫描驱动数码管显示单片机控制图2.2超声波测距系统结构框图模块设计分析超声波测距运动物体检测系统的整体设计：压电式超声波发射器的主要作用机理是借用S=VT/2这一公式，通过在超声波向外发出的一瞬间开始计算时间，当接收到超声波因遇到障碍物时回弹的声波的时候为止花费的在途时间，以提前置入超声波发射器内的智能计算器来计算出障碍物与测距器之间的距离，并将计算结果显示在数码管显示屏上[6]。（2）超声波发射电路设计：第一，根据测绘仪器于被测物之间的间距来设定超声波的脉冲宽度和个数。待测距离越大则相应的就更加频发的发射脉冲并设置宽度越大的脉冲间隔。第二，设置稳定的脉冲发射装置和仪器。超声探测电路主要通过能量转化为输出脉冲儿形成大量的方波。通过将电阻进行R6分压设计，在A966基极中回巨之后利用集电极施加压力将其经过中周变压器输出，最终通过谐振回路产生频率为40KHZ的信号作用于发射探头上。（3）超声波接收电路设计：直接选用国内目前性能较为优秀的HC-SR04超声波测距模块来构成接收超声波的电路主体[7]。这样本设计就可以在目标距离处于2cm-400cm之间的测量任务进行高达3mm的精准测量。该模块工作原理如下：超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理：a.模块采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；b.模块自动检测所发送的八个标准方波在何时返回。c.IO口ECH0在接收到一个测量信号的时候就会输出一个以超声波往返时间为存在时间的高电平。通过测量高电平持续时间就可以结合超声波的传播速度计算出测试距离；d.TRIG从0->1时证明存在需要测量的障碍物此时会触发主控制板的工作进程。根据本设计的测量极限计算，ECH0在高达十毫秒的时间里都无法接收到150us0信号就证明在仪器的测距能力范围内不存在任何障碍物[8,9]。本模块作为具有稳定生产超声波并排除恶劣天气干扰的能力。尽管本设计的机体尽可能的缩小了接收头和发射器的面积，但是并未影响到其测量精度。因为本设计通过设计在10MS内即可完成一轮的超声波周期对快速移动的目标进行捕获，通过将接收头和发射头之间设置为直线以减少接收信号的时候产生的误差，并通过向外提示其在10mm内进行三角形测量是存在缺陷的方法来保证其测绘的精确度。最后通过设置清晰的LED指示灯来及时反应测试结果。（4）显示电路：由简单的4位共阳极LED数码管组成动态显示机制。（5）电源电路：可利用便携的5V干电池和若干1.5V干电池来分别向控制系统和超声波测距仪供电。2.3HC-SR04超声波测距传感器系统通过传来的信息或者指令，才会进行相应的操作，然后才能继续下一步工作，不同的信息对应着不同的操作。所以获取信息是首要第一位，以下是超声波模块的介绍：1、典型工作用电压：5V。2、超小静态工作电流：小于2mA。3、感应到返回的角度：不大于15度。4、没有粉尘干扰的探测距离：2cm-400cm5、精度高探测更灵敏：可达0.3cm。6、盲区（2cm）超极的近。HC-SR04超声波测距模块其拥有精确度很高，可靠性及其好，实时性也很优越，性价相对比高等诸多优点，操作起来并且在连接硬件上也简单，能够随时检测液面距离并将数据传递给主控芯片。经过以上比较，HC-SR04超声波传感器性能很稳定、价格也合理、检测效率尤为高、转换尤为简单的优点，HC-SR04超声波传感器能够达到本次设计目的的条件。如图2.3、图2.4。图2.3HC-SR04超声波传感器实物图图2.4HC-SR04超声波测距连接原理图2.4四位共阳数码管显示器具有可以直观的表现出实验和测量信息的优点，因此其被广泛的应用于各式各样的智能仪器和各种娱乐用电子产品之中。目前通过引入信息科技的方式，我国的超声仪器研制工作具有了极大的进展。通过将检测仪从之前的单码改造为具有双吗现实功能的信息微处理终端，超声波检测仪器不仅可以及时的记录检测结果还能够对其记录到的监测信息进行初步的计算和处理。相应的根据各个仪器自身的不同数据显示需求来设计并安装复杂程度不同的显示器成为了目前测绘仪器的必要配置。本设计基于功能需求决定采用串行的方式用4个LED数码管显示距离的cm数值[10]。发光二极管LED应用于单片机之中的时候妖媚通过静态的方式对驱动进行显示要么通过动态的方式对驱动进行显示。如果决定选择静态显示驱动，就需要设置较多的I/O接口，并持续向其供应恒定电流来满足众多显示器引脚的用电需求。此时单片机通过稳定的向接口电路发送不变的字形段码即可显示测绘结果，如显示新的数据则及时对段码进行变更即可。这种设计方式可以降低对CPU功率和费用的需求，但是每增加一个显示位数，其运算所需要的时间就会延长并需要更多的连线口来解决供电问题。动态显示驱动则主要是通过脉冲点来来给LED供应能源。显示器的COM端会在不同的时段得到电力供应并显示出不同的亮度和结果。因为本设计的精确度较高，为了尽可能的简化设计、缩小体积以便利该设计的规模化生产，本设计决定选择以8155芯片作为设计的核心，通过引入不同的I/O口来拓展其应用系统、将字形输出口设计为PA口来提高显示的亮度[11]。采用8路反相驱动器74LS244驱动来充分利用位控线在八端全亮时产生的较大驱动电流、利用共阳极的LED显示器作为系统的硬件构成并利用PC口对其进行控制。读取实时数据。如图2.4。图2.4数码管驱动电路2.5STC89C52单片机单片机开发板使用USB通电，有上电和复位，所有IO引脚全部外扩,方便连接外部实验使用和烧录程序使用。如图2.5图2.5单片机开发板2.5焊接与调试焊接工具（可根据实际情况酌情选用）1.电烙铁（焊接必备工具，烙铁头建议用尖型或者刀头的）2.电烙铁架子（用于暂时不焊接时放置电烙铁）3.焊锡丝（焊接必备工具，直径建议0.5mm左右的）4.海绵（湿水膨胀再用，用于擦拭烙铁头，清除烙铁头上的焊锡）5.吸锡器（用于焊错元件时，吸走焊盘上的焊锡，以便拆下元件）6.钳子（用于焊接完元件后，剪掉元件多余的管脚）7.镊子（用于焊接较小元件时夹取元件）8.万用表（用于测量元件值、电压、电流和调试）焊接步骤、注意事项与调试万用板套件的焊接需要有一定的电子电路基础和焊接基础。焊接时应以原理图为基础，然后可以参考实物图的元件布局和搭线，自定义布局和接线，遇到不清楚的我是首先询问朋友或者老师，其次是到电子交流群询问。焊接之前先大概排版一次，每个电路和每个元件焊接的位置事先插到面包板上，最主要的找到合适位置焊接单片机最小系统，再参考的实物图从上到下，从左到右依次焊接，不要自定义焊接顺序。焊接过程可以有效的利用元件多余的管脚当作导线进行搭线，线路短的可以用焊锡走线，线路长和有交叉的就需要使用底层飞线或者顶层跳线，还要注意不要焊接短路和虚焊，相邻管脚的焊锡不要接触一起，飞线、跳线、焊盘，不然使得导体接触在一起造成短路。焊接焊盘的时间不宜过长，烙铁温度不宜过高，焊锡不宜过多，尽量避免重复拆焊，这些可能会导致元件损坏和焊盘损坏。原理图上标号相同的要接在一起，每根线都要根据原理图一一检查，节点处的几根线是否少接了哪根线，或者接错了地方，都要接线正确。注意到每个元件的值和正负极，芯片一定要注意缺口位置。按键也是容易出错的地方，如果不了解按键的使用，把任意对角两个管脚接进电路即可。焊接完成通电之前，先检查每处的VCC和GND是否焊接正确，是否短路，芯片是否插反，管脚接线是否正确。电路中各个VCC和GND是否已经接在一起，检查单片机的VCC（40脚）、GND（20脚）、EA（31脚）、复位电路、晶振电路的焊接。这里提到的是电路能否正常工作的前提，也是供电后不正常时重点检查的地方。如果单片机最小系统都不能正常工作，那么其它地方也不能正常工作。有数码管的套件如果数码管不显示或者不正常，检查三极管驱动电路和各个段码对应的管脚的焊接。其他地方哪里不正常，就重点检查对应功能所在的电路的焊接。万用板的焊接成功率不是百分之百，不能保证每个人焊接都能实现功能，这个也主要跟自己的基础有关。

第3章软件设计分析3.1软件设计方案主程序作为单片机的大脑决定了着单片机能否准确无误的处理从外界返回的信息以实现单片机端的正常功能。主程序通过外界信息的反馈情况来决定是调用下设的子程序继续测量还是因为缺乏测量对象而中断服务。在程序初始化完成之后，主程序会调用子程序重复向外发射信号，并在发射周期结束之后根据是否接收到信号回波来决定是否存在障碍物，如果没有接收到回波则将会中断发射信号的过程。如图3.1，3.2图3-1单片机软件主程序流程图3-2单片机软件子程序流程图功能说明：距离值并非是TH0*256时间值+TLO中这一公示中测算出时间差，此时需要将第一步得到的数据代入距离的计算公式中，引入声音在常温下传播速度为340M/S这来进行再次处理。处理得出的二进制结果将进一步通过十进制进行转换。功能说明:本测试仪器的显示功率会对目标距离小于40CM的测量对象发出警报。并在目标距离小于5cm的时候发出红灯大声警报。系统软件的主要目的是通过对系统硬件收集到的信息进行加工处理为我们所需要的数据结果即距离数值。因此本设计的系统软件至少具备以下功能：一、信号控制通过对系统硬件是否收集到回波这一事实的判定来决定是否要增益控制信号与门控信号还是中止继续发送发射脉冲信号。并根据不同的目标距离来决定采用何种时序进行信号输出。二、数据存储在同一周期之内储存超声波往返所用的时间，在计算出该周期内的目标距离并开始下一段周期的时候清除第一个阶段的数据。三、信号处理将RAM里存储的计数值通过距离=高电平时间*声速（340M/S）/2这一公示处理为实际距离值并进行显示四、数据传输与显示本系统的设计以单片机STC89C52为主体，通过设计科学控制流程将所有的指令和数据都通过STC89C52汇编语言表现出来。由于距离值的得出和显示是在中断子程序里完成的，因此在初始化的发射程序后进入到中断响应的等待过程。中断响应后则经过计算转换的最终结果通过显示屏显示出来[13,14]。3.2串口通信串口通信也可以这么说成串口传输，其是指主机即PC端和外接通过数据线连接进行通信设备，日常中常见的通信串口包含RS232、RS485、RS422等。本次设计是用USB连接线使单片机和PC端连接[15。在操作串口之前需要进行初始化。上位机传输一个16进制数至寄存器中格式为&H，再由寄存器将该16进制数输送给下位机格式为0x。3.3流程图连接好各个模块，STC89C52单片机上电，传感器初始化，准备检测距离，通过I2C总线将数据传给单片机，如图3.3。开始开始系统初始化等待反射超声波发送超声波脉冲计算距离显示结果图3.3流程图3.4KEILKEILC52是一款兼容单片机C语言软件的开发系统。提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等，以下是建立工程的步骤：1.先建立文件夹， 建立工程，把工程放入文件夹。如图3.4。图3.4建立工程2.选择STC89C52这个芯片。如图3.5。图3.5选择芯片3.新建一个.C件了，保存在刚刚建立工程的文件夹，然后编译，然后将.C文件添加到资源组里。如图3.6。图3.6添加点C文件4.点击如图图标，如图3.7。图3.7点击图标5.切换到output栏中，在产生hex文件之前打上勾即可，并点击确定。如图3.8。图3.8确定产生hex文件6.当提示显示出指令creatinghexfilefrom".\obj\****"...时hex文件就已经生成于obj文件夹中。第4章系统测试及测试结果4.1硬件整体检查第一步对板子进行检查，查看器件是否损坏。第二步观察所用器件是否松动。第三步查看电源是否短路，查看线有没有连接好。第四步，在第一步和第二步都没有问题的情况下，连接USB通上先，连上电，检查所用的器件是否能工作。综合检查测试，更加适用于本设计的开发系统。只需要直接进行相关器件的检测，查看是否能正常工作，是否存在短路等问题，以便及时解决[16]。4.2实验过程本次实验选取手掌作为实验作物，以下是实验步骤：1.选取五个点并记录位置，测量距离（四个点太少，不能低于5个点，应包括最近距离与最远距离的时候，这样数据才有波动）。并用皮尺测量查看测量精度。4.3烧入程序首先找到电脑的通信端口（COM3），将下载线插入COM3口，打开下载程序的软件，如图所示：（1）打开软件后，进行如下操作：（2）设置串口号为COM3。（3）选择单片机的型号为STC89C52。（4）打开程序hex文件。（5）点击下载/编程。（6）进行程序下载烧录，如图4.1、4.2、4.3。图4.1烧入程序图4.2烧入程序成功显示图4.3烧入程序原理4.4测试结果4.4.1硬件连接图图4.4硬件连接图4.4.2检测结果数据连接硬件图，并且上电，等待初始化，烧入程序，进行实验得到的数据结果如图4.5。图4.5检测结果单片机显示4.5检测结果分析数据分析：本设计通过数码管来记录数据，当数据变化正常时表明设备运行情况正常，没有出现故障。（1）误差原因：室内温度变化记录在数据中，多次测量结果显示不同的室内温度是导致误差的原因。温度补偿模块能够消除温度对数据带来的影响。查阅资料学习发现，根据超声波的原理,测量误差的来源有:1、发射起始时刻和开始计时时刻之间的偏差;2、滞后的原因有接收到回波时刻到被检测出时刻。3、滞后—接收到中断请求时刻到中断响应停止时刻计时之间;4、52型单片机中计时器其本身存在的误差;5、环境温度对声波速度以及上述因素的影响。大致为上述五个来源,逐一分析:第一项偏差源于单片机一次只能处理一件事,所以启动发射和启动