基于单片机和smc1602的超声波测距系统设计

基于单片机和smc1602的超声波测距系统设计内容摘要：

中的波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向的信息很容易检测出来，因而具有很高的分辨力，且其准确度也较其它方法高；此外，超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。 目前，基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。 超声波测距系统的应用非常广泛，它涉及到了现代的工业，军事等等方面，它的发展 快慢同时也标志着一个国家的发展速度，对于它的研究永远不会停止，人们要求它能够使测距更简单，经济，普遍；使它的硬件更容易实现。 为此，本文根据超声波测距原理设计了一种以 MCS51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距系统。 基于单片机和 SMC1602 的超声波测距系统设计 2 第 1 章 绪论 概述 本系统中的超声波信号由 80C51 单片机产生，它可通过 口输出一个 40kHz 的脉冲信号，并持续发射 216s。 原始信号是 5Vpp。 该信号经过运行放大 3 倍后，可驱动超声波发射头发出 15Vpp、 40kHz 的脉冲超声波。 由于接收头与发射头配对，因此，接受后可将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运行放大 5 倍后加至高通有源滤波电路滤除低频杂波，当系统通过程序 计算得到所测距离后，再将 其转化成 ASCII 码送到 液晶显示器。 课题的总体设计及思路 超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即所谓的脉冲 —— 回波方式。 该方式的基本电路框图如图 11 所示。 由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回波信号处理电路和单片机控制电路等几部 分组成。 单 片 机发 射 电路信 号 处理接 受 电路s被测物体 图 11 超声波测距原理框图 发射电路通常是一个工作频率为 40kHz的多谐振荡器，该振荡器可由 555 时基集成电路或其他电路构成多谐振荡器电路型式。 多谐振荡 器 受单片机控制，产生一定数量的发射脉冲 (通常为 5～ 16个 )，用于驱动超声波发射传感器，并激励出超声波在空气中传播，遇障碍物反射而返回。 超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信号，由于该信号幅度较小 (几到十几毫伏 )，因此须由低噪声放大、 40kHz 带通滤波电路将回波信号放大到一定幅度，且干扰成分较少，并由回波信号处 理电路转换成方波信号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。 单片机根据脉冲发射时间和接收到回波的时间计算出时间差 t，即超声波在空气中传播的时间，并由式 (11)： ctS 21 （ ） 计算出距离 S，式中参数 c 是超声波在空气中的传播速度。 本设计是在 次基础上加上单片机并在液晶显示器上显示出来。 所以它的原理框图如图 12 所示 ： XX 大学 毕业设计（论文） 3 发 射 探 头接 受 电 路检 波 电 路发 射 电 路接 受 探 头AT89C51单片机SMC1602液晶显示器 图 12 基于单片机的 SMC 超声波测距原理框图 基于单片机和 SMC1602 的超声波测距系统设计 4 第二章 硬件电路的设计 AT89C51单片机 AT89C51 单片机是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4K bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 128bytes 的随机数据存储器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（ CPU）和 Flash 存储单元，使其为众多嵌入式控制应用系统提供了灵活性高且价廉的解决方案。 下面是对单片机 AT89C51 主要特性进行了一些描述 ： 1. 主要性能参数： ●与 MCS51 单片机产品兼容； ●4K 字节可重擦写 Flash 存储器； ●1000 次擦写周期； ●全静态操作： 0Hz～ 24MHz； ●三级加密程序存储器； ●128 8 字节内部 RAM； ●32 个可编程 I/O 口线； ●2 个 16 位定时器 /计数器； ●5 个中断源； ●可编程串行 UART 通道； ●低功耗空闲和掉电模式； ●工作温度： 55℃ ～ +125℃ ； ●储藏温度 ： 65℃ ～ +150℃ ； ●任一引脚对地电压 ： ～ +； ●最高 工作电压 ： ； ●直流输出电流 ： ； 芯片 引脚介绍： XX 大学 毕业设计（论文） 5 3 93 83 72 62 52 42 33 53 33 22 12 23 63 42 71 13 02 81 02 9p 1 0 p 0 0R X Dp 2 7p 2 1p 2 5p 2 4p 2 3p 2 2p 2 0p 0 7p 0 6p 0 5p 0 4p 0 3p 0 2p 0 1P S E NA E L / PT X Dp 2 6p 1 7p 1 6p 1 5p 1 4p 1 2p 1 3p 1 18 9 C 5 1I N T 0I N T 1T 1T 0E A / V PX 2X 1R E S E TW RR D 图 21 89C51 引脚图 VCC： 电源 VSS：地 P0 口： 8 位漏极开路的双向 I/O 口。 作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。 对 P0 端口写“ 1”时， 引脚 用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。 在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。 在 Flash 编程时， P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。 程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL逻辑电平。 对 P1 端口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 在 Flash 编程和校验时， P1 口接收低 8 位地址字节。 P2 口：具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P2 输出缓冲器能驱动四个 TTL逻辑电平。 对 P2 端口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 在访问外 部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存 储器时， P2 口送出高八位地址。 在这种应用中， P2 口使用很强的内部上拉电阻发送 1。 在使用 8 位地址访问外部数据存储器时， P2 口输出 P2 锁存器的内容。 在 Flash 编程和校验时， P2 口也接收高位地址字节和一些控制信号。 P3 口： P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P3 输出缓冲器能驱动四个 TTL 逻辑电平。 对 P3 端口 写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 P3 口亦作为 AT89C51 特殊功能（第二功能）使用， P3 口还具有以下特殊功能 ： RXD() 串行输入口 TXD() 串行 输出口 基于单片机和 SMC1602 的超声波测距系统设计 6 INT0() 外部中断 0 INT1() 外部中断 T0() 定时器 0 外部输入 T1() 定时器 1 外部输入 WR() 外部数据存储器写信号 RD() 外部数据存储器读信号 RST：复位输入。 晶振工作时， RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。 ALE/ PROG ：控制信号（ ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。 在 Flash 编程时，此引脚（ PROG ）也用作编程输入脉冲。 在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来做为外部定时器或时钟使用。 然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时， ALE 脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为 8EH 的特殊功能寄存器（ SFR）的 D0 位置“ 1”， ALE 操作将无效。 这一位置“ 1”， ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效。 否则， ALE 将被微弱拉高。 这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN ：外部程序存储器选通信号（ PSEN ）是外部程序存储器选通信号。 当 AT89C51从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器 周期 被激活两次，而在访问外部数据存储器时， PSEN 将不被激活。 EA /VPP：访问外部程序存储器控制信号。 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令， EA 必须接地。 为执行内部程序指令， EA 应该接 VCC。 在 Flash 编程期间， EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 复位电路 本系统的复位电路主要是用 CAT810， CAT810 的主要性能如下： CAT809 和 CAT810 是微控制器监控电路，用来监控数字系统的电源。 在工业级温度范围的应用中可直接代替 MAX809 和 MAX810。 CAT809 和 CAT810 产生一个复位信号，这个信号在电源电压低于预置的阈值时和电源电压上升到该阈后的 140ms内有效。 由于 Catalyst半导体运用了底层浮动闸（ floating gate）技术 AE2TM，因此器件可以供任何特定的复位阈值。 7 个工业标准的阈值可支持+、 +、 + 和 + 的系统。 CAT809 的 RESET 是推挽输出（低有效）， CAT810 的 RESET 也是推挽输出（高有XX 大学 毕业设计（论文） 7 效）。 电源的快速瞬态变化可忽略，当 Vcc低至 时输出可保证仍处于正确状 态。 CAT809/810 可工作在整个工业级温度范围内（－ 40℃～ +85℃），包含 3 脚 SOT23和 SC70 两种封装形。 阈值后缀选择器指定阈值电压阈值后缀名称： (1)管脚配置 C A T 8 1 0213G N D3 脚 S O T 2 3R E S E T 图 22 CAT810 引脚图 (2)管脚 描述 表 21 CAT810 管脚说明 管脚号 名称 描述 CAT809 CAT810 1 1 GND 地 2 － RESET 复位低有效。 RESET 在 Vcc 降到低于复 位阈值时有效，并在 Vcc 上升到大于复位阈值后的至少 140ms 内仍保持低电平。 － 2 RESET 复位高有效。 RESET 在 Vcc降低到低于复位阈值时有效，并在 Vcc 上升到大于复位阈值后的至少 140ms 内仍保持高电平。 3 3 Vcc 监控的电源电压。 基于单片机和 SMC1602 的超声波测距系统设计 8 (3)典型工作特性 : Vcc＝正常范围， TA=－ 40℃～ +85℃，除非特别说明。 典型值在 TA=+25℃和 Vcc＝5V（ L/M/J 版本）、 Vcc＝ （ T/S 版本）、 Vcc＝ 3V（ R 版本）、和 Vcc＝ （ Z 版本）得到。 Vcc低于 时的有效复位。 为了确保 CAT809 的 RESET 管脚在 Vcc低于 时的状态可知，建议在 RESET 和GND 之间连接一个 100kΩ 的下拉电阻，电阻的阻值不作严格限制。 对于 CAT810，则需要在 RESET 和 Vcc之间连接一个上拉电阻。 VccCAT 810G NDRESET100 k电源。 图 23 Vcc低于 时 RESER 有效图 V c cC A T 8 0 9G N DR E S E T 图 24 Vcc低于 时 RESET 有效 (4)双向复位管脚的连接 : CAT809/810 可与 uP/uC 的双向复位管脚相连。 通过在 CAT809/810 的复位输出和uP/uC 的双向复位管脚之间串联一个。