毕业论文-基于单片机的超声波测距器设计

毕业论文-基于单片机的超声波测距器设计内容摘要：

附加压力现象叫声压作用。 从成本和实用性上来 说，超声波测距在 现代工业生产 应用中 是 最优方案 的 选择。 随着超声波技术的发展，高端的超声波测距模块在精度上已经达到 mm 级别， 而超声波测距 带温度补偿的功能 又可以大大的 消除 温度的影响，使测量更精确，更稳定。 超声波测距器 比较低廉的成本价格以及比较高的安全性能，也成为了人们选择它的不二理由。 表 12 给出了上述三种不同测距方式的比较。 表 12 不同测距的方式比较 方式比较 精度 造价 抗干扰 测试距离 激 光 7mm 较高 强 较长 超 声 波 32mm 低 一般 较长 红 外 线 20cm150cm 低 弱 短 基于 单片机 的 超声波 测距器的设计思路 超声波是指频率高于 20 kHz的机械波。 为了以超卢波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。 完成此功 能 的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探5 头。 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。 超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF(time of flight)。 首先测出超声波从发射至遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度即得到 2倍的声源与障碍物之问的距离。 测量距离的方法有多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 因为超声波在标准空气中的传播速度为 ，由单片机计时，单片机使 用 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中 传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。 利 用超声波检测距离，设计较方便，计算处理也较简单，并且 在测量精度方面也能达到要求。 超声波发生器可以分为 2类：一是用电气方式产生超声波；二是用机械方式产生超声波。 该课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。 根据设计要求并综合各方面因素，采用 AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成， 该 系统 的 框图如图 11所示。 图 11 超声波测距器系统设计框图 6 第二章 基于单片机的超声波测距器的硬件系统设计 系统 总体设计 思想 整体电路的控制核 心为单片机 AT89C51。 超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。 超声波探头接 OUT 口实现超声波的发射和接收。 另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。 整体结构图包括超声波发射电路 ,超声波接收电路 ,单片机电路 ,显示电路与温度测量电路等几部分模块组成。 而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。 在发射后把信号放大，接收前也要把还再次放大 基于单片机的测距器主要是基于单片机的测距系统，在系统的设计当中 要以单片机为核心器件，共分为超声波发射电路和超声波检测接收电路及显示部分。 超声波测距电路的设计框图如图 21 所示。 图 21 超声波测距电路框图 本方案采用单片机作为控制系统，用单片机产生数个 40kHz 的超声波，脉冲持续时间为 左右，时隔 反复进行。 此脉冲信号作为计时的起始脉冲，由单片机输出的端口的高频脉冲经过 74LS04 六反相器功率放大、升压后与超声波探头产生共振，使超声波探头工作，则超声波由超声波发射器发射探头发射出去。 接收电路由超声波接收器、CX20206A 集成电路组成。 使 用 CX20206A 集成电路对接收探头收到的信号进行放大、滤波。 当 CX20206A 接收到发射 40kHz 的信号时，会在倒数第二脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入，停止计数器 TO 计数，并读取TO 计数值存储。 发射超声波时，压电传感器的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 接收超声波时，两电极间未添加其余电，共振板接收到超声波，将压迫压电晶片作为振动，从而将机械能转换为电信号。 本系统按照设计的要求，主要是根据超声波测距原理，以 AT89C51 单 片机控制系统为核心来设计并研究的。 以下是对超声波测距系统的各部分电路的说明： 首先， AT89C51 单片机最小系统是本系统设计的核心部分，它的主要作用是：发射 40kHz的方波信号用来驱动超声波传感器发生超声波信号；利用计数器 TO对超声波从发射到接收所用的时间进行计数；根据外部中断 O 口来检测超声波回波信号；根据所测出的时间及有7 关参数来计算距离；控制有关参数的输入和显示等。 其次，显示电路的作用是采用动态扫描法使 4 位 LED 共阳数码管实时显示。 超声波发射电路的作用主要是将单片机发射过来的 40kHz 的方波信号放大加 到超声波发射传感器两极，用以驱动超声波传感器发生超声波信号。 再次 ，超声波检测接收电路的作用主要是对接收到的超声波回波进行放大和调整，将其转换成为单片机的中断信号。 最后，显示电路的作用主要是根据有关参数及设计要求使系统按照要求发出相应的显示内容或信号。 单片机的简单介绍与性能特点 单片机一词最初源于 “ SingleChip Microputer” ，简称 “ SCM”。 单片机也叫做 “ 微控制器 ” 或者 “ 嵌入式微控制器 ”。 它不是完成某一个逻辑功能的芯片（芯片也称为集成电路块，它是 1958 年 9 月 12 日 ，在 Robert Noyce 的领导下，科研小组发明集成电路后开始出现的一个名称），而是把一个微型计算机系统集成到一个芯片上。 概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。 它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。 近年来，微处理器已广泛应用于多种领域，尤其是在智能仪器仪表中的应用更是如此，这不仅引起了产品本身的变革，也深深地影响设计的理念的变革。 智能仪器仪表作为一种智能系统，其核心在于微处理器。 基于微处理器的智能系统设计，已成为目前电子设计领域的一个热点。 智能系统是一个复杂的系统，一般包含微处理器、 按键与显示人机界面、 A/D 转换、 D/A转换等基本功能部件，同时也包含与应用领域相关的其他特殊部件。 智能系统一般需要在恶劣的环境下长期连续地工作，因此在满足功能的基础上，其可靠性也是设计时需要考虑的一个方面，目前已经普遍应用于通信、雷达、遥控和自动控制等各个领域中。 单片机（ Microcontroller，又称微控制器）是在一块硅片上继承了各种部件的微型计算机，这些部件包括中央处理器 CPU、数据存储器 RAM、程序存储器 ROM、定时器 /计数器和多种 I/O 接口电路。 本课题研究的主要单片机为 AT89C51 单片机 ，这是一款基于 8051 单片机的基础上研制而出的一款新型单片机，其主要工作部件及原理都遵循 8051 单片机的构造及工作原理。 AT89C51 是 ATMEL 公司的产品，它既拥有改进型 8051 增加的 FLAH 类型的储存器，还拥有 MCS 8051 内核公开的技术构造。 在指令方面，做到了与 8051 单片机的全方面兼容。 AT89C51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公司的高密度 、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS51 指令系统及 8051 引脚结构，芯片内集成了通用 8位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机的 AT89C51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 下面就从基础单片机的特点对单片机进行简单的介绍。 系统 单片机 的选择 系统单片机的选择要基于单片机的特点，而 AT89C51 单片机是基于 8051 系列单片机的一个产品， AT89C51 单片机 是 ATMEL 公司推出的通用型单片机，它的基本型产品与传统的8051 单片机只是在制作工艺方面略有不同。 传统的 8051 单片机的片内存贮器 ROM 为掩膜型的，在制造芯片时已经将应用程序固化进去，使得单片机拥有了某种专项的功能。 而AT89C51单片机的片内无 ROM，使用时可以根据不同的情况相应的外接 EPROM型的 ROM，这样一来，更加方便改写固化的应用程序。 AT89C51 单片机的一般说明 如下 ： AT89C51 具有如下特点： 40 个引脚， 8k Bytes Flash 片内程序存储器， 256 bytes 的随机8 存取数据存储器（ RAM）， 32个外部双向输入 /输出（ I/O）口， 5 个中断优先级 2层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时 计数器 ,2 个全双工串行通信口，看门狗（ WDT）电路，片内时钟振荡器。 AT89C51 的数据存储包括 256 字节的内部 RAM，特殊功能寄存器（ SFR）， 2K 字节的片内 EEPROM 和可扩展至 64K 的外部数据存储器。 此外， AT89C51 设计和配置了振荡频率可为 0Hz并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下， CPU暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 同时该芯片还具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同 产品的需求。 除了上述的不同之处外， AT89C51 单片机与一般的 8051 单片机都具有以下的特点： 8 位 CPU；片内振荡器及时钟电路； 32 根 I/O 线；外部存贮器寻址范围 ROM、 RAM 各 64K； 2 个 16 位的定时器 /计数器； 5 个中断源； 2 个中断优先级；全双工串行口；布尔处理器。 AT89C51 单片机的一些极限参数为： 操作温度： 0176。 C— +70176。 C；储存温度范围： 65176。 C— +150176。 C； EA/VPP 脚相对于 VSS的点压： 0V— +13V；其他任何脚相对于 VSS 的点压： — +；每个 IO 脚的最大 IOL。 图 AT89C51 单片机各部分组成 AT89C51 单片机的中央处理器（ CPU）是单片机的核心，它是完成运算和操作控制的关键。 AT89C51 单片机的中央处理器主要包括运算器和控制器两大部分： 运算器： 运算器主要用来实现算术、逻辑运算和位操作。 其中包括算术和逻辑运算单元ALU、累加器 ACC、 B 寄存器、程序状态字 PSW 和两个暂存器等。 ALU 是运算电路的核心，实质上是一个全加器，完成基本的算术和逻辑运算。 算术运算包括加、减 、乘、除、增量、减量、 BCD 码运算；逻辑运算包括 “ 与 ” 、 “ 或 ” 、 “ 异或 ” 、左移位、右移位和半字节交换，以及位操作中的位置位、位复位等。 暂存器 1和暂存器 2 是 ALU 的两个输入，用于暂存参与运算的数据。 ALU 的输出也是两个：一个是累加器，数据经运算后，其结果又通过内部总线返回到累加器；另一个是程序振荡器和时钟电路 数据存储器 128 字节 程序存储器 14KB CPU 两个 16 位定时器 计数器 中断 控制 总线扩展控制器 并行可编程 I/O 口 可编程 串行口 内部总线 外部中断 扩展控制 P0 P1 P2 P3 RXD TXD 9 状态字 PSW，用于存储运算和操作结果的状态。 累加器是 CPU 使用最频繁的一个寄存器。 ACC 既是 ALU 处理数据的来源，又是 ALU运算结果的存放单元。 单片机与片外 RAM 或 I/O 扩展口进行数据交换必须通过 ACC 来进行。 B寄存 器在乘法和除法指令中作为 ALU 的输入之一，另一个输入来自 ACC。 运算结果存于 AB 寄存器中。 控制器：控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内各组成单元进行工作的部件，主要包括程序计数器 PC、 PC 增量器、指令寄存器、指令译码器、定时及控制逻辑电路等，其功能是控制指令的读入、译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制。 AT89C51单片机中， PC是一个 16位的计数器，可对 64KB 程序存储器进行寻址。 复位时 PC 的内容是 0000H 存储器：单片机内部的存储器分为程序存储器和数据存储器。 AT89C51 单片机的程 序存储器采用 4KB 的快速擦写存储器 Flash Memory,编程和擦除完全是电器实现。 外围接口电路： AT89C51 单片机的外围接口电路主要包括： 4 个可编程并行 I/O 口 ,1 个可编程串行口， 2 个 16 位的可编程定时器以及中断系统等。 AT89C51 单片机的中央处理器主要构成如图 第一章 图 AT89C51 单片机的中。