毕业设计-基于单片机的超声波雷达测速系统设计

毕业设计-基于单片机的超声波雷达测速系统设计内容摘要：

电路（ LCD 或 LED驱动电路），脉宽 调制电路 (PWM)，模拟多路转换及 A/D 转换器等电路集成到一块单片机上，构成一个最小然而很完善的计算机系统。 这些电路能在软件的控制下准确快速的完成程序设计者事先规定的任务。 总的而言单片机的特点可以归纳为以下几个方面：集成度高、存储容量大、外部扩展能力强、控制功能强、低电压、低功耗、性能价格比高、可靠性高这几个方面。 单片机按内部数据通道的宽度，可分为 4位、 8 位、 16位及 32位单片机。 它们被应用在不同领域里， 8位单片机由于功能强大，被广泛的应用在工业控制、智能接口、仪表仪器等各个领域。 8位单片机在中、小规模应 用场合仍占主流地位，代表了单片机的发展方向，在单片机应用领域发挥越来越大的作用。 随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭， 32 位单片机应用得到了长足发展。 单片机有着微处理器所不具备的功能，它可以独立地完成现代工业控制所要求的智能化控制功能这就是单片机的最大特点。 然而单片机又不同于单板机，芯片在没有开发前，它只是具备功能极强的超大规模集成电路，如果赋予它特定的程序，它便是一个最小的、完整的微机控制系统。 它与单板机或个人电脑有着本质的区别，单片机属于芯片级应用，需要用户了解单片机芯片的结构和指令 系统以及其它集成电路应用技术和系统设计所需要的理论和技术，用这样特定的芯片设计应用程序，从而使芯片具备特定的智能。 AT89C52是一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash 存储器。 使用 Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造， 与工业 17 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU和在系统可编程 Flash，使 AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下 标准功能： 8k字节 Flash， 256字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器， 2个数据指针，三个 16位定时器 /计数器，一个 6向量 2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 另外， AT89S52 可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 它一共有 40个引脚，引脚又分为四类。 其中有四个电源引脚，用来接入单片机的工作 电源。 工作电源又分主电源、备用电源和编程电源。 还有两个时钟引脚 XTAL XTAL2。 还有由 P0口、 P1口、 P2口、 P3口的所有引脚构成的单片机的输入 /输出（ I\O）引脚。 最后一种是控制引脚，控制引脚有四条，部分引脚具有复位功能。 综上所述，单片机的引脚特点是： 单片机多功能，少引脚，使得引脚复用现象较多。 单片机具有四种总线形式： P0和 P2组成的 16位地址地址总线； P0分时复用为 8位数据总线； ALE、 PSEN、 RST、 EA和 P3口的 INT0、 INT T0、 T WR、RD以及 P1口的 T T2EX组成控制总线；而 P3口的 RXD、 TXD组成串行通信总线。 鉴 于 89C52 所具备的功能可以实现本测速系统的要求，所以本系统主控芯片选择 89C52，然后在主 芯片外围加上 12MHZ 的晶振，以及电源 等电子元器件构成单片机 最小系统，本设计要求按键控制超声波信号的发射，数码管显示，所以 在最小系统的基础上再加以补充 电路。 物体的运动速度经过单片机的运算处理后送到数码管显示 ，数码管显示的电路连接图如图 10 所示， 数码管显示所用的驱动为集成芯片 74HC573，其引脚图如图 9所示： 18 OE1D12D23D34D45D56D67D78D89GND10LE11Q812Q713Q614Q515Q416Q317Q218Q119VCC20SN74HC573AN 图 9 74HC573引脚图 图 9 为 74HC573 引脚图 ， 74HC573 有 三态总线驱动输出 、 置数全并行存取 、 使能输入 以及 有改善抗扰度的滞后作用 等特点。 74HC573 的八个锁 存器都是 透明的 D 型锁存器，当使能（ G）为高时， Q 输出将随数据（ D）输入而变。 当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。 输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。 这种 电路可以驱动大电容 或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需 要外接口。 特别适用于缓冲寄存器， I/O 通道 ， 双向总线驱动器和工作寄存器。 单片机系统设计完成后 与前文所设计的超声波发射与接收电路进行连接，整体设计原理图见附录 2。 19 图 10 数码管显示电路 本次设计的所使用的数码管为共阴极 ，图 10 所示的两个三位数码管，可以看到所有数码管的阳极，即标有 A、 B、 C、 D、 E、 F、 G、 H的引脚全部连接在一起，然后与上面的 U4 元件 74HC573 锁存器的数据输出端相连，锁存器的数据输入端连接单片机的 P0 口， P0口同时加了上拉电阻。 数码管中WE1， WE2， WE3， WE4， WE5， WE6 是它们的位选端，每一个数码对应一个位选端，与上面的 U5 元件 74HC573 的数据输出端的低 6位 相连， U5 的数据输入端也连接到单片机的 P0 口。 两个锁存器的锁存端分别与单片机的 、 相连，因为单片机可以控制锁存器的锁存端，进而控制锁存器的数据输出，这种分时控制的方法便可以方便的控制数码管显示任意数字。 20 小结 本章 对超声波 测速雷达系统的硬件电路进行了设计 ， 其中包括了超声波发射、超声波接收、单片机控制以及数码管显示几部分。 其中超声波发射又包括低通滤波电路和超声波换能电路， 超声波接收则包括整形放大电路、波形变换电路以及超声波检测接收电路。 有了超声波发射与接收的硬件电路，为后续单片机控制软件编程打下了基础。 21 第 3章 超声波测速系统软件的 设计 主程序 由超声波超声波测速 用 C语言开发系统可以大大缩短开发周期，明显增强程序的可读性，便于改进和扩充。 使用 C语言进行 8052系列单片机系统开发，编程者可以专注于应用软件部分的设计，不必将大量的精力花在内存分配等底层工作上，从而大大加快了软件开发的速度。 因此，本系统采用 C语言来进行系统的软件设计，本次设 计软件调试的环境是 Keil uVision4。 本 次设计的超声波雷达测速系统同时具有时差法以及多普勒测速功，对单片机进行初始化之后，调用发射子程序产生产生两个周期 40KHZ的方波发射出去，同时定时器 0开始计时，当超声波信号碰到物体反射回来后，当接收器收到回波信号时定时器 0停止工作，同时启动定时器 1，当下一个上升沿到来时，定时器 1停止计时进入外部中断，同理再发射一次超声波信号，利用定时器 0的时间记录得到两次物体与发射探头的距离进而求出物体运动速度，而利用定时器 1的时间记录则可以得出回波信号的频率，进而利用多普 勒原理求出物体速度。 超声波雷达测速的 主 程序流程图如图 12所示，超声波测速源程序见附录 1。 测速系统程序由按键 s1控制单片机发送方波，方波的发射是靠单片机产生方波， 由 ， 周期的控制由高低电平时间来实现，设计要求产生 40KHZ的方波，所以控制方波的周期为 25us，即高电平 ，低电平。 由于要进行多普勒测速 所以理论上至少要发射两个周期以上才能利用定时器捕捉回波信号的周期 ，以此来得出回波信号与所发 40KHZ之间的频差来得到物体运动速度。 当第一个高电平产生并发送出去后定时器 0开始计时。 发出的 的 超声 波在碰到运动物体反射回来进入超声波接收电路 后，经波形变换以及整形放大后通过芯片 CX20206a进入到单片机的 ，其中CX20206a在没有高电平到时，其输出为高电平，当有信号到时其跳变为低 22 电平。 所以可以根据 ，当收到第一个高电平时，即 0的计时停止，存储 T0的数据为 num1，同时启动定时器 1，当 ， T1定时停止，并存储 T1数据为 num2。 等接受完毕后接着再发射一次，同时启动定时器 0，当收到回 波后停止，定时器 0记录数据为 num3。 得到定时器数据后，分别利用时差法计算公式以及多普勒计算公式对速度进行计算。 但测速系统在测速过程中 还应该考虑干扰物体对测速的影响，应该考虑此次测速是否有效，本设计拟对 5m以上物体的速度进行测量，所以利用软件编程设计对 T0定时器的时间记录进行判断，即当 num1次测速失败，应该重新测量。 其次就是对两种方法测速结果进行比较如果二者测速结果相差 ，即△ V量。 子程序流程图如图 11所示。 当系统判断 测速 数据有效时，需要对测量出来的数据进行显示，本次设计是针对速度在 10m/s以下运动物体速度测量，显示保留两位小数，即利用 3位显示。 图 11 测量结果判断流程图 开始 △ V输出到显示 开始 输出到显示num1 输出到显示 N N Y Y 23 图 12 测速系统流程图 开始 初始化 调发射子程序 定时器 0 开始计时 N到 Y 定时器 0停止计时 是 否有 上升沿 是 否有 回波 N Y 显示 结束 启动定时器 1 定时器 1停 止计时 调发射子程序 是 否有 回波 定时器 0停止计时 计算速度 定时器 0 开始计时 Y N 24 主程序中 对于定时器的控制 由 定时中断服务子程序以及外部中断 子程序来实现， 定时中断服务子程序以及外部中断 子程序如图 13 和图 14 所示： 图 13 定时中断服 务子程序 图 14 外部中断服务子程序 小结 本章根据超声波 测速系统的 硬件电路 设计，对系统软件进行了设计，从系统的算法入手，按照测速步骤对超声波测速系统软件编程进行了详细的介绍，画出了测速系统的主要流程，将软件和硬件充分结合， 测速 系统已初步形成。 定时中断 入口 定时器初始化 发射超声波 是否 发射完 停止发射 返回 外部 中断入口 关外部中断 读取时间值 计算速度 结果输出 开外部中断 返回 25 第 4章 系统 性能 分析 系统功能分析 本系统可以实现对变速物体的速度进行比较准确的测量 ， 由于现有的超声波换能器最远的探测距离 为 35m，所以无法实现对更远距离的物体进行速度测量。 对于时差法测速 ， 是根据两次超声波发 射与接收物体的运动位移与所用时间之间的关系得出的， 本系统设计本着以最短测量周期实现对速度的测量，所以经过系统分析超声波探头的探测距离为 10m,设在常温下，即 15℃下声波在空气中传播速度为 340m/s,则 在这个基础上可以将测量周期控制在 以内 ,在运动物体的速度不超过 10m/s 的情况下，根据系统的程序计算，测量误差不超过。 对于时差法测速， 在 测速 过程中物体的运动位移是一定的，但在时差上在程序中未能考虑到 各部分电路的传输速度，导致测量结果出现误差，实际测速中应在回波接收完之后才发射第二次 ,但在程 序计算中，是默认在第一次回波后直接发射第二次，所以由此造成对速度的计算中少加了 50us的时间，这个时间 对 时差法测速 测速的误差 影响 不足 ,40KHZ 的方波其波长为 25us，根据超声波雷达测速系统的要求，当测量距离在 10m 以下时， 设此时的声速为 340m/s，则 对于时差法的两次发射 与接收 所耗时间可以控制在 以内，可以实现测量周期不超过 的设计要求。 对于多普勒测速 ， 多普勒测速时捕捉回波信号的周期， 其测量的精度损失主要来源于电路 以及持续 运行速度， 再对测量精度影响的就是环境温度对测量的影响 ， 但一般情况下温度相对恒定， 所以测量精度相对较高，可以实现预期的精度要求 ，多普勒测速是对回波信号的的周期进行测量进而得出速度的，理论上只需发射一次即可实现测速，其测量周期在测量距离不超过 30m 的情况下，设声速为 340m/s，其测量周期小于 ，符合测速系统的设计要求。 无论是时差法测速还是多普勒测速，其速度最后都利用数码管进行显示，数码管显示可以保证测速结果精确到 26 系统误差分析 本次设计的超声波雷达测速系统，按照系统设计要求把时差法测速以及多普勒测速在一套系统中得到了 实现，由单片机为。