超声波测距实训报告毕业设计(编辑修改稿)

超声波测距实训报告毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

z 的石英晶振，使内部振荡器按照石英晶振的频率频率进行振荡 ，从而就可以产生时钟信号。 时钟信号电路如图 所示。 图 时钟信号电路 （ 3） 复位 RST（ 9 脚） 当振荡器运行时，只要有有两个机器周期即 24 个振荡周期以上的高电平在这个引脚出现时，那么就将会使单片机复位，如果将这个引脚保持高电平，那么 51 单片机 芯片就会循环不断地进行复位 [5]。 复位后的 P0 口至 P3 口均置于 高电平 ，这时程序计数器和特殊功能寄存器 将 全部清零 [5]。 本课题设计的单片机复位电路如图 所示。 图 单片机复位电路图 （ 4） 输入输出口 （ I/O 口 ） 引脚 P0 口是一个三态的双向口 ，既可以作为数据和地址的分时复用口，又可以作为通用输入输出口 [5]。 P0 口在有外部扩展存储器时将会被作为地址 /数据总线口，此时 P0口就是一个真正的双向口；而在没有外部扩展存储器时， P0 口也可以作为通用的 I/O接口使用，但此时只是一个准双向口；另外， P0 口的输出级具有驱动 8 个 LSTTL 负载的能力即输出电流不小于 800 uA[5]。 专业技能综合实训报告 第 12 页 共 37 页 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，而 P1 口只有通用 I/O 接口一种功能，而且 P1 口能驱动 4 个 LSTTL 负载；在使用时通常不需要外接上拉电阻就能够直接驱动发光二极管；在端口 置 1 时，其内部上拉电阻将端口拉到高电平，作输入端口用 [5]。 对于输出功能，在单片机工作的时候，可以通过用程序指令控制单片机引脚输出高电平或低电平 [5]。 例如： 指令 CLR 是清零的意思， CLR 的意思 就是让单片机的 端口输出低电平；而指令 SETB 是置 1 的意思， SETB 的意思就是让单片机 端口输出高电平 [5]。 P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，而且 P2 口具有驱动 4 个 LSTTL负载的能力 [5]。 P2 端口置 1 时，内部上拉电阻将端口的电位拉到高电平，作为输入口使用；在 对内部的 Flash 程序存储器编程时， P2 口接收高 8 位地址和控制信息，而在访问外部程序和 16 位外部数据存储器时， P2 口就送出高 8 位地址 [5]。 在访问 8 位地址的外部数据存储器时， P2 引脚上的内容在此期间不会改变 [5]。 P3 口也是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P3 口能驱动 4 个 LSTTL 负载，这 8 个引脚还用于专门的第二功能 [5]。 P3 口作为通用 I/O 口接口时，第二功能输出线为高电平。 P3 口置 1 时，内部上拉电阻将端口电位拉到高电平，作输入口使用；在对内部 Flash 程序存储器编程时，此端接控制信息 [5]。 P3 口的第二功能，如表 所示 [5]。 表 P3 口第二功能表 P3 引脚 兼用功能 串行通讯输入口（ RXD） 串行通讯输出口（ TXD） 外部中断 0 请求输入端 （ INT0） 外部中断 1 请求输入端 （ INT1） 定时器 0 输入端 (T0) 定时器 1 输入端 (T1) 外部数据存储器写选通信号输出端（ /WR） 外部数据存储器写选通信号输出端（ /RD） 专业技能综合实训报告 第 13 页 共 37 页 （ 5） 其它控制或复用引脚 （ a） ALE/PROG（ 30 脚）：地址锁存有效 信号输出端。 在 访问片外存储器时，ALE（地址锁存允许）以每机器周期两次进行信号输出，其下降沿用于控制锁存 P0口 输出的低 8 位地址；在不访问片外存储器的时候， ALE 端仍以不变的频率输出脉冲信号 (此频率是振荡器频率的 1/6),而在访问片外数据存储器时， ALE 脉冲会跳空一个 ,此时是不可以做为时钟输出 [5]。 对片内含有 EPROM 的机型在编程时，这个引脚用于输入编程脉冲 /PROG 的输入端 [5]。 （ b） /PSEN（ 29 脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平时有效。 当89S51 从外部程序存储器取指令或常数时，每个机 器周期内输出 2 个脉冲即两次有效，以通过数据总线 P0 口读回指令或常数。 但在访问片外数据存储器时， /PSEN 将不会有脉冲输出 [5]。 （ c） /EA/Vpp（ 31 脚）： /EA 为 片外程序存储器访选用端。 当该引脚访问片外程序存储器时，应该输入的是低电平，要使 89S51 只访问片外程序存储器 ,这时该引脚必须保持低电平；而在对 Flash 存储器编程时，用于施加 Vpp 编程电压 [5]。 单片机最小系统 单片机 最小 系统 是其他 拓展 系统的最 基本的基础 ，单片机 最小系统是指一个真正可用的单片机最小配置系统 即单片机能工作的系统。 对于 80S51 单片机，由于片内 已经自带 有 了 程序存储器， 所以 只 要单片机 外接时钟电路和复位电路就 可以 组成了 单片机的 最小系统 了。 单片机的最小系统如图 所示。 专业技能综合实训报告 第 14 页 共 37 页 图 单片机最小系统原理图 超声波发射和接收电路设计 超声波是一种振动频率超过 20 kHz 的机械波，它可以沿直线方向传播，而且传播的方向性好，传播的距离也较远，在介质中传播时遇到障碍物在入射到它的反射面上就会产生反射波 [6]。 由于超声波的以上几个特点，所以超声波被广泛地应用于物体距离的测量、厚度等方面 [6]。 而且，超声波的测量是一种 比较理想的的非接触式的测距方法 [6]。 当进行距离的测量时，由安装在同一水平线上的超声波发射器和接收器完成超声波的发射与接收，并且同时启动定时器进行计数 [7]。 首先由超声波发射探头向倒车的方向发射超声波并同时启动定时器计时，超声波在空气中传播的途中一旦遇到障碍物后就会被反射回来，当接收探头收到反射波后就会给负脉冲到单片机使其立刻停止计时 []。 这样，定时器就能够准确的记录下了超声波发射点至障碍物之间往返传播所用的时间 t（ s） [7]。 由于在常温下超声波在空气中的传播速度大约为 340 m/s[7]，所以障碍 物到发射探头之间的距离为： S=340t/2=170t 因为单片机内部定时器的计时实际上就是对机器周期 T的计数，而本设计中时钟频率 fosc取 12 MHz，设计数值 N，则： T＝ 12/fosc=1μs 专业技能综合实训报告 第 15 页 共 37 页 t=NT＝ N（ s） S＝ 170NT＝ 170N/1000000（ m） 在程序中按 式 S＝ 170NT＝ 170N/1000000 计算距离。 超声波发射电路设计 超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。 超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的 40 kHz 的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用 74LS04 芯片进行信号放大，超声波发射电路如图 所示。 图 超声波发射电路 工作时，由单片机产生 40 kHz 的脉冲从 口向超声波的发射电路部分发出信号，再经 74LS04 放大电路放大后，驱动超声波探头将超声波发射出去。 超声波接收电路设计 由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数也要比较大。 超声波接收电路主要是由集成电路 CX20206A 芯片电路构成的， CX20206A 芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。 CX20206A 芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测 量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的 专业技能综合实训报告 第 16 页 共 37 页 放大增益效果。 CX20206A 芯片的 5 脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。 CX20206A 芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。 超声波接收电路如图 所示。 图 超声波接收电路 HRSR04 超声波集成模块 HRSR04 超声波集成模块是将超声 波发射探头，超声波接收探头， CX20206A 芯片电路， 74LS04 芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。 HRSR04 超声波集成 模块正面外观如图 所示， HRSR04 超声波集成 模块的背面外观如图 所示。 专业技能综合实训报告 第 17 页 共 37 页 图 HRSR04 超声波集成模块正面外观图 图 HRSR04 超声波集成模块背面外观图 HRSR04 型 超声波集成模块的工作电压为 5 V，而且此模块的静态工作电流是小于 2 mA 的 ，工作时候可以比较稳定。 而且，它的感应的角度不大于 15176。 ，可以减少了很大部分可能存在的角度 干扰问题。 此模块的测距范围为 2 cm～ 5 m，能基本满足测距要求，而且其精度可以达到 cm，盲区仅仅为 2 cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，而且测距也比较稳定。 HRSR04 超声波集成模块采用的是 I/O 触发测距，给至少 10 us 的高电平信号。 另外，此模块可以自动发送 8 个 40 kHz 的方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，如果检测到有信号返回则通过 I/O 口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，则，所测量的距离 =（高电平 专业技能综合实训报告 第 18 页 共 37 页 时间 声速） /2。 一个控制口发 出 一个 10 us 以上的 高电平 ， 就可以在接收口等待高电平输出。 一有输出就可以开定时器计时 ， 当此口变为低电平时就可以读定时器的值 ， 此时就为此次测距的时间 ，就能够 算出距离。 这样 不断的 循环 周期测 ， 就可以 在不停地移动的过程中 测量 距离 值了。 但是，为防止发射信号对回收信号的影响，本超声波集成模块的测量周期最好定在 60 ms 以上，所以本设计将测量周期定在 80 ms。 显示报警模块设计 液晶片 显示模块设计 市面上常用的 LED 数码管有两种即共阳极数码管与共阴极数码管 ，由于耗电量大故选择了这款液晶片，其内部结构与数码管类似； 单片机对数码管的显示可以分为静态显示和动态显示，静态显示能够稳定地显示数值，但是搭建电路时比较烦索，而动态显示是数码管轮流显示再利用人眼的“视觉暂留”特性，这样看出来的就是在显示不同数值 [8]。 液晶片 的动态显示比较实用，电路构建简单，所以本设计采用动态扫描的方法显示测量距离，只要轮流显示的速度足够快的时候就能够实现测量数值的显示。 显示模块选用 4 位 液晶片 进行动态扫描，此扫描方式能完全达到显示要求。 显示模块连接电路图如图 所示。 专业技能综合实训报告 第 19 页 共 37 页 图 显示模块连接电路图 报警模块设计 报警模块通过单 片机给定不同频率利用蜂鸣器发出不同声音。 报警模块电路图如图 所示。 图 报警模块电路图 专业技能综合实训报告 第 20 页 共 37 页 3． 4 系统整体电路 根据本章前面对设计的各个相关模块的分别讲述讲述，再结合单片机的引脚功能，从而得到系统整体电路图，如图 所示。 图 系统整体电路图 在图 中， 4 位共阳极数码管的八个显示比划分别外接到单片机的 到 端口，用于显示所测量距离，数码管的共阳极端分别接在单片机的 、 、 、 这四个端口，利用单片机的动态扫描的方式将距离显示出 来。 单片机的 接到蜂鸣器报警电路，用于蜂鸣器测距报警。 专业技能综合实训报告 第 21 页 共 37 页 4 系统软件设计 本设计采用的是模块化的思路来进行设计和编写程序，程序主要由系统主程序和中断程序构成。 主程序完成单片机的初始化，超声波的发射和接收、计算超声波发射点与障碍物之间的距离、数码管显示和蜂鸣器报警等。 系统程序设计的主要的功能。