毕业设计论文-基于单片机的测距仪的设计

毕业设计论文-基于单片机的测距仪的设计内容摘要：

波；超声波信号的接收采用锁相环 LM567 对放大后的信号进行频率监视和控制。 一旦探头接到回波，若接收到的信号频率等于振荡器的固有频率（此频率主要由 RC值决定），则其输出引脚的电平将从“ 1”变为“ 0”（此时锁相环已进入锁定状态），这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。 可对测得数据优化处理，并 采用温度补偿，使测量误差降到更低限度； AT89C51 还控制显示电路，用动态扫描法实现 LED 数字显示。 系统结构设计 超声波测距仪系统结构如图 所示。 它主要由单片机、超声波发射及接收电路、超声波传感器、温度传感器、键盘、 LED 显示电路及电源电路组成。 系统主要功能包括： 1) 超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离； 2) 检测空气温度用于距离计算的补偿； 3) LED 显示器显示距离、温度； 4) 键盘接收用户命令并处理； 5) 当系统运行不正常时，用电平式开关与上电复位电路复位。 图 超声波测距仪系统结 构框图 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 7 第 4 章 主要元件介绍 单片机 AT89C51 单片机即单片微型计算机 SCMC（ Single Chip MicroComputer）。 它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如 CPU（进行运算、控制）、 RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入 /输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时 /计数器等集中在一块芯 CPU（进行运算、控制）、 RAM（数据存储）、 ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。 相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 本设计的 MCU 采用的是 DIP（ Dual Inline Package 塑料双列直插式）封装的AT89C51 高性能 8 位单片机。 AT89C51 是一个低电压，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 128 bytes 的随机存取数据存储器（ 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 位中央处理器和 Flash 存储单元，内置功能强大的微型计算机的 AT89C51 提供了高性价比的解决方案。 AT89C51 是一个低功耗高性能单片机，40 个引脚， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时内含 2 个外中断口， 2 个 16 位可编程定时计数器 ,2 个全双工串行通信口，AT89C51 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。 其引脚 图如右图。 AT89C51 的引脚功能有： 图 AT89C51 的引脚图 1) 主电源引脚 VSS—— 第 20 脚，电路接地电平。 VCC—— 第 40 脚，正常运行和编程校验 +5V电源。 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 8 2) 时钟源 XTAL1—— 第 19 脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输入端口。 当直接采用外部信号时，此引脚应接地。 XTAL1—— 第 18 脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。 当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相 连接。 3) 控制、选通或复用 RST/VPD—— 第 9 脚， RESET 复位信号输入端口。 当单片机正常工作时，由该引脚输入脉宽为 2 个以上机器周期的高电平复位信号到单片机。 在 VCC 掉电期间，此引脚 (即 VPD)可接通备用电源，以保持片内 RAM 信息不受破坏。 PROGALE/ —— 第 30 脚，输出允许地址锁存信号。 当单片机访问外部存储器时，ALE 信号的负跳变将 P0 口上的低 8 位地址送入锁存器。 在非访问外部存储器期间，ALE 仍以 1/6 振荡频率固定不变地输出，因此它可对个输出或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 PROG 为第二功能，当对片内程序存储器编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。 PSEN —— 第 29 脚，访问外部程序存储器选能信，低电平有效。 当 AT89C51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲。 在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 /VPP/EA ：外部访问允许。 欲使 CPU 公访问外部程序存储器（地址0000HFFFFH）， EA 端必须保持低电平（接地）。 需注意的是：如果加密位 LBI 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 Flash 存储器编程时，该引脚加上 +12V的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V编程电压 VPP。 4) 多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 脚， 8 位漏极开路双向 I/O 端口。 作为输出口用时，每位能吸收电 流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口写“ 1”可作为高阻抗输入端用。 在访问数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 P1 口 —— 第 1~8 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，用做低 8 位地址总线。 P2 口 —— 第 21~28 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 当单片机访问存储器时，用做高 8 位地址总线；在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，亦用做高 8 位地址总线。 P3 口 —— 第 10~17 脚，具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 它还提供特殊的第二变异功能。 它的每一位均可独立定义为第一功能的 I/O 口或第二变异功能。 第长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 9 二变异功能的具体含义如表 ： 表 P3 口的第二变异功能 端口引脚 第二功能 RXD （串行输入口） TXD （串行输出口） 0INT （外中断 0） 1INT （外中断 1） T0 （定时 /计数器 0） T1 （定时 /计数器 1） WR （外部数据存储器写选通） RD （外部数据存储器读选通） 超声波传感器 T R40 超声波是指频率高于 20kHz 的机械波。 超声波在恒定环境条件下的传播速度不变。 超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。 电致伸缩的材料有锆钛酸铅（ PZT）等。 压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波 ，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成接收器和发送器。 超声波传感器由两个压电晶片和一个共振板组成，当压电晶片的两极加上频率等于其固有谐振频率的脉冲信号时，压电晶片产生共振，并带动共振板产生振动，同时带动压电晶片也一起振动，将机械能转换为电能，称为超声波接收器。 超声波传感器利用压电效应进行电能和超声波机械能的相互转换，也称为超声波换能器。 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，但外观基本一致。 有的超声波传感器既作发送，也能作接收。 这里仅介绍小型超声波传感器，其结 构如图 1 所示，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工 图 T R40 外观 作频率一般为 2325KHZ 及 4045KHZ。 这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。 该种有 T/R4016， T/R4012 等（其中 T 表示发送， R表示接收， 40 表示频率为 40KHZ， 16 及 12 表示其外径尺寸，以毫米计）。 本设计采用的就是发送超声波传感器 T40 及接收超声波传感器 R40,其外观如图。 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 10 温度传感器 DS18B20 温度传感器主要由热敏元件组成。 热敏元件品种教多 ，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。 以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。 半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。 本设计采用的是美国 Dallas 半导体公司的不锈钢封装的 DS18B20 数字温度传感器。 DS18B20 是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有 的壁厚， 具有很小的蓄热量，采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。 DS18B20 支持“一线总线”接口（ 1Wire），测量温度范围为 55176。 C～ +125176。 C，在10～ +85176。 C 范围内 ,精度为177。 176。 C。 现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。 DS18B20 采用 3 脚 PR35 封装 （图 ）： DS18B20 数字化温度传感器的主要性能如下： 1) 适用电压为 3V～ 5V； 2) 9～ 12 位分辨率可调，对应的可编程温度分别为 ℃、 ℃、 ℃、℃； 3) TO9 SOIC 及 CSP 封装可选； 4) 测温范围： 55℃～ 125℃； 5) 精度： 10℃～ 85℃范围内177。 ℃； 6) 无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起； 7) 每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。 图 PR35 封装 图 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 11 第 5 章 硬件电路设计 超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图。 发射电路主要由反相器 74LS04和超声波发射换能器 T40构成，单片机 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。 输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。 上位电阻 R R2 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。 图 超声波发射电路原理图 超声波接收电路 超声波接收电路由超声波传感器、两级放大电路和锁相环电路组成。 超声波传感器接收到的反射波信号非常微弱，两级放大电路用于对 传感器接收到的信号进行放大。 锁相环电路接收到频率符合要求的信号后向单片机发出中断请求。 锁相环LM567 内部压控振荡器的中心频率为 )(10 CRf P ，锁定带宽与 C3 有关。 由于发送的超声波频率为 40kHz，帮调整相关元件使锁相环的中心频率为 40kHz，只响应该频率的信号，避免了其他频率信号的干扰。 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 12 当超声波传感器接收到超声波信号后，送入两级放大器放大，放大后的信号进入锁相环检波，如果频率为 40kHz，则从 8 脚发出低电平中断请求信号送单片机 端，单片机检测到低电平后停止定时器的工 作。 超声波接收电路如图 所示。 图 超声波接收电路 显示电路 显示电路如图 ，四位 LED 组成动态扫描电路，由 AT89C51 的 P0 口输出。 动态扫描时，由 P2 口控制 LED 的当前显示位。 当距离测量结束并调用显示程序，就会显示距离大小，显示两位小数。 当按下按键 k2 时，将会显示温度值，延时 5s 后恢复显示距离值。 图 显示电路 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 13 电源电路 电源电路如图。 为方便起见，本设计采用的是 9V电池供电，直流电送入三端稳压器 LM7805 稳压，输出 +5V稳恒直流电，作为电路的 电源。 LED 是电源指示灯，通电后发光。 图 电源电路 复位电路 AT89C51 复位有一个专用的外部引脚 RESET，外部可通过此引脚输入一个正脉冲使单片机复位。 所谓复位，就是强制单片机系统恢复到确定的初始状态，并使系统重新从初始状态开始工作。 本设计采用的是电平式开关与上电复位电路，为了能使运行中的系统，经人工干预，强制系统进行复位。 其电路图如 所示： 图 复位电路 长沙航空职业技术学院毕业设计（论文） 14 第 6 章 软件设计 主程序流程 我们知道 C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇 编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序。