【《超声波测距仪的硬件和软件系统设计案例》3300字】

超声波测距仪的硬件和软件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u24038超声波测距仪的硬件和软件系统设计案例 1105811硬件电路设计 136711.1单片机ATC89C51芯片与DS18B20温度传感器介绍 187251.2超声波电路发射设计 352431.3超声波接收电路设计 347551.4温度补偿电路设计 4158361.5电源电路设计 569141.6超声波显示电路设计 6142092系统程序设计 749602.1超声波测距仪的算法设计 7174392.2超声波接收中断程序设计 770332.3主程序 81硬件电路设计1.1单片机ATC89C51芯片与DS18B20温度传感器介绍ATC89C51单片机是一款使用STC89C51RC单片机处理芯片的系统，一般的AT系列单片机都是ATTML公司使用IntelMCS-51单片机技术研制的前沿品种。该单片机在其芯片上有4K的E2ROM，编程/擦除在通盘电气（5伏和12伏模式）中实现,也在线编程和远程编程中进行操作。它具有擦掉速度、运用时间长等特性。由于本设计的功能操作便捷，即使采用AT89C52也不会影响使用，但是AT89C51可以在设计中的所用通盘功能都能进行使用，而我们的实验涉及不到这么多的功能，所以，我们可以选择采用功能相对较少，但对于我们实验性价比更高的AT89C51，AT89C51材料十分便宜，在网上、线下商店上的购买途径都可以获得。AT89C51共有4组引脚端口和8个其他功能引脚，4组：P0P1P2P3端口每个端口有8个引脚比方：P0.0-P0.7XTAL1XTAL2GNDVCCVPPALEPSENRST其中每个端口可能对应着各异的功能，例如：P1.2/INT0（外部终止0）P1.3/INT1（外部终止1）P1.4T0（记时器0外部输入）P1.5T1（记时器1外部输入）P1.6/WR（外部数据存储器写选通）P1.7/RD（外部数据存储器读选通）单片机引脚图如下图所示：图1.1AT89C51单片机引脚图DS18B20digital式温度传感器对于新手来说十分友好，它操作简捷易上手且准确度高，本身具有抗外界干扰能力强、体积小、成本低，且运行状态十分稳定的digital式温度传感器，不用再另外经过议定去模拟信号转换digital信号的Microprocessor，因此高性价比与实操性就远远胜过其它的温度传感器。DS18B20digital式温度传感器是使用的是Integratedchip和单总线技术，这样不仅减小外部环境对温度传感器造成的紊乱，也能增加测量的精确度，同时，对于直接将被测得温度直接转化为digital信号也更加容易，无需像以前那般繁琐，再经过一道模数转化器的操作，这样可以使得数据的传输和操作更便捷，接口也清晰更易上手，大幅度的降低了工作的中的误差。表1.1DS18B20的引脚说明1.2超声波电路发射设计超声波的发射板块是由超声波发射探头构成的,单片机的P0.O端口可以发射40kHz的信号,使用9012三极管作为驱动放大,驱动压电晶片超声波换能器可以产生超声波,超声波发射电路如图1.2所示。超声波发射子程序的步骤：起初发射时需要装入填计时器,在超声波发射完成的同时也要使得定时器停止,记得重新装填，以方便下次发射。图1.2发射电路设计1.3超声波接收电路设计在接收电路中我们选用的是CX20106A红外线接收处理芯片，因为它使用的信号是与40kHz的超声波信号最接近,并且抗外界扰乱能力很强。我们可以用外围电阻去调试其中心处理频率,用来变换接收电路的灵敏度和抗干扰，也可以变化外围电路电容大小。此系统的超声波接收板块由超声波接收探头和CX20106A组成，如图1.3所示。超声波接收子程序的步骤：首先是使用INTO中断检测回波信号,若有回波信号就中止外部中断,与此同时可以关闭计时器的计时,使得测距成功标志位标为为1(表示测距成功),并开始计算时间值,通过算出的待测距离,保存最后结果后再开启外部中断,等侯下回测量。图1.3接收电路1.4温度补偿电路设计DS18B20digital式温度传感器采用的是Integratedchip和单总线技术，这样大幅度的减小外界环境对温度传感器的扰乱，而且也增强了测量的精确度，且不扰乱直接把被测得温度转化成digital信号，不用再向我们以前一样再经过一道模数转化器，如此运作使得数据的传输和处理过程加大程度的简化，接口也更精简。（1）电压范围大，外部提供的电压区间：1.0-6V，可以采用USB接口进行充电。（2）由于DS18B20温度传感器能支持许多的中组建网测量功能，因此，一个DS18B20就能够由多条迥异的线路相连，对物体的温度测量实施操作。（3）DS18B20作为一体化产品，本身是无需任何外部的原件再组装，它的一切功能原件、传感器原件，或者转换电路原件都汇聚于一块电路板上，例如三极管等。（4）温度范围-55～+125。（5）9-12位能采用网络编程的分辨率，其所对应分辨的temperature为1/2、0.5/2、0.5/4、0.5/8，能进行精度高的温度操作。最高9位温度分辨率可在90ms内换为为digital，最高12位分辨率可在760ms内转换为digital。DS18B20适配的是“一线总线”接口,测量温度范围为-55~125℃,在-10~85℃范围内,精度为±0.5℃。在现场环境中，使用此种方式进行传输的话,就可以大幅度提高该系统的抗干扰性。温度补偿电路的设计如图1.4,数据输入/输出脚连到单片机的PO.1脚,电源接口接入的是+5V的电压,外加5.6kQ的上拉电阻,由于DS18B20是单总线温度传感器,如果它没接上电源,就得强行为它拉线进行供电;如果DS18B20有电源,则得保障一个上拉就能稳定运行的工作。温度传感器DS18B20在使用中无需外围元件,检测出的温度值在内部就能转换,就像一个三极管得集成电路，结果用数字信号传传输出来，单片机通过对其输出的信号的识别,用软件来处理温度数字值。图1.4温度补偿电路1.5电源电路设计本设计电源电路选取的是普通12V电源供电，为了得到合适电压,需要在操作上用稳压器来稳压，采取的是LM7805来得到稳定的+5V直流电压电源，其中的电路图如图1.5所示。图1.5电源电路图输入电压由LM7805的稳压输出+5V的电压，图中的IN4007是为了稳固LM7805避免电源极性接反损坏LM7805，滤波电容使用的是100uF电解和104瓷片电容并联操作。1.6超声波显示电路设计LED两类，分别是七段、八段、共阴、共阳的区别。LED数码管的构造简单，价格便宜，性价比和操作性都是上乘之选。下图1.6出示八段LED数码显示管的结构与原理图。图1.6a是八段共阴数码显示管结构图,图1.6b是它的原理图，图1.6c为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管通过八只发光的二极管构成，编号为a、b、c、d、e、f、g和SP，各自与同名管脚相连接。七段LED显示管与八段LED相比，只少了一只发光二极管SP,剩下的都与八段LED相同。图1.6八段LED数码显示管原理和结构2系统程序设计2.1超声波测距仪的算法设计超声波测距的原理是，由超声波发生器T在某时发射出超声波信号，当遇到被测物体时超声波就会被立刻反弹回去时，此时超声波接收器R会接收到超声波。这样只需要计算出从发出超声波信号到达接收到返回信号所用的时间，就能得出超声波发生器到达反射物体的距离。在启动发射电路时着手启动单片机内部的定时器To，使用定时器的计数功能记录超声波发射的时间与收到反射波的时间。超声波反射波收到信号时，接收电路输出端就会出现一个负跳变，在INTO或INT1端就会出现一个中断请求信号，单片机响应外部终止请求，执行外部中断服务子程序，识别时间差，计算出距离。2.2超声波接收中断程序设计超声波发生子程序的用途就是经过P1.0端口发射两个左右的超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12us左右，并且把计数器TO开启来计时。超声波测距器主程序使用外中断О检测返回超声波信号，一旦收到返回得超声波信号(即INTO引脚出现低电平），马上开启超声波接收中断程序，之后迅速关闭计时器T1，结束计时，并将测距完成得标志字写上1。如果当计时器超过时仍然检测不出超声波d额返回信号，则定时器T1溢出中断将外中断О关闭，并将测距成功得标志字标记为0，用来表示本次实验失败。单片机在TO时分发射出方波，同时开始定时器的计时，当接收回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器结束计数，通过算出时间差，即获得超声波在媒介中传播的时间t，便可测出该距离。2.3主程序起初就要主程序就需要对系统环境进行初始化，定时器TO工作模式设置为16位定时/计数器模式，并对显示端口PO与P2清零;接下来调用超声波发生子程序发射一个超声波脉冲。为了防止超声波从发射器径直传入接收器引起的直射波，需要延时大约0.1ms后再打开外中断О接收返回的超声波信号。由于使用的是12MHz的晶振，每计一个数计数器就显示lus,所以，再主程序检测到收到成功的标志位后,将计数器TO中的数(即超声波来回所用的时间）按公式计算，就能算出被测物体与测距器之间的距离。设计