基于单片机的无线测距仪设计毕业论文(编辑修改稿)

基于单片机的无线测距仪设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

射与接收，为距离的测量工作提供计算时间的依据； （ 3）四位共阳数码管：实时显示距离； （ 4）按键：负责给单片机最小系统输入设置指令，比如加键、减键、复位键； （ 5）复位电路：当系统运行 的过程中出现不正常的状况时，为了保证整个系统的正常运行可通过复位电路进行系统初始化； （ 6）时钟电路：负责整个系统的计时工作； （ 7）电源电路：为整个系统提供稳定的电压输出。 本次基于单片机的无线测距仪设计主要包括硬件电路和软件程序设计两个部分。 数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警机制是整个硬件电路的主要组成模块。 程序设计主要体现在，设计出编码语言让单片机计算系统实时计算出距离值并发出报警反馈上。 如图 1 所示：系统方框结构图。 6 S T C 8 9 C 5 2超 声 波发 射 电 路超 声 波接 收 电 路蜂 鸣 器数 码 管按 键复 位 电 路电 源 电 路时 钟 电 路 图 1 系统方框图 3 硬件电路及模块单元设计 主要元件介绍 STC89C52 单片机 单片机是指将具有强大运算功能的系统集成在一块芯片上的微型计算机。 既然是微型计算机，单片机也同样具有跟普通计算机相同的功能结构，我们知道普通计算机具备的功能模块有：进行运算和控制功能的 CPU，进行数据存储的 RAM，进行程序存储的 ROM，控制系统需要与外部设备发生连接时所需要的控制串行口、并行口的输入 /输出设备，除了以上这些模块，单片机还有对内外部指令进行执行与中断的信号中断系统，也有控制时间计数的定时 /计数器等等。 单片机都将这些功能模块集中在一起并加以实现，所以单片机又被叫做是微控制器 MCU（ MicrocontrollerUnit）。 相对于普通计算机笨重的主机 ， 单片机展现出了体积小、分量轻、性价比高优势 ， 而且实现自动检测与控制 ， 因此单片机也被称为嵌入式微控制器EMCU（ EmbeddedMicrocontrollerUnit)。 本课程设计所使用的 STC89C52 单片机在外表封装方面，采用的是目前比较普遍的塑料双列直插式（ DIP）封装技术，由于从芯片引出来的管教较长，更利于我们在搭建电路板块时，对单片机模块 的焊接。 而在内部性能方面， STC89C52 单片机则表现的更为强大，它的强大主要表现在：不仅对电压值的要求低，以便满足普通的小实验设计要求与实际的运用，另外STC89C52 还搭载了 高性能 CMOS 8 位 微控制器 内含 8k 字节的可反复擦写的 Flash，只读程序存储器（ ROM）和 512k 字节的随机存取数据存储器 （ RAM）， 兼容标准 MCS51 指令系统，这使得 STC89C52 在功能表现好不逊色，足以完成普遍的实验设计的要求。 由此看来， 内置功能强大的 STC89C52 单片机为我此次的课程设计。 在单片机系统运算方面 提供了高性 价比 7 的解决方案。 下面具体的介绍 STC89C52 的强大内置功能，低功耗高性能的特点是 STC89C52 单片机主要吸引单片机设计爱好者的重大因素之一，它所据有的引脚数一共有 40 个，其中 32 个引脚可以作为外部双向输入 /输出（ I/O）端口，同时负责内含外部中断口有 4 个， 3 个 16 位可编程定时计数器， 2 个全双工串行通信口 等等， STC89C52 都将这些功能与 通用的微处理器和Flash 存储器结合在一起，这样一来又让 STC89C52 的高性价比得到了提升，另外让 Flash 存储器实现了可反复擦写，不仅利于爱好者们的多次试验测试还可有效地降低开发成本。 其引脚图如下图 2 所示 [2]。 图 2 单片机引脚图 从图 3 我可知道 STC89C52 单片机一共有 40 个引脚，每个或某一类引脚都有各自指向的作用，本次设计我进运用到了只有单片机中的 P1 系列端口、 P2 系列部分端口、 RST 端口、 0 INT0/INT1 端口、 WR 端口、 RD 端口、时钟源端口、主电源端口，其主要引脚功能如 下： （ 1）主电源引脚 单片机必须在通电的情况下才能正常使用，所以为保证正常运行和编程校验，必须将第40 位引脚 VCC 引脚接电源正极；此外，光 VCC 接电源正极是不够的，为了形成一个回路，我们还需将第 20 位引脚 —VSS 引脚接地，这也是我们常见的 GND 引脚。 （ 2）时钟源引脚 单片机的时钟引脚有两个，即第 19位引脚 —XTAL1引脚和 XTAL2引脚。 XTAL1和 XTAL2分别是单片机片内反相器的输入和输出端口，它们的作用主要是用来给单片机控制器里的时钟电路提供外部震荡源。 在接法上，应将外部晶振的两个引脚分别接在 XTAL1 与 XTAL2 端口上，另外由于使用的情况不同，两个端口接法也有所差异。 如在设计试验中直接采用外部震荡信号的话，那就应该把 XTAL1 引脚接地，而将外部振荡信号源与 XTAL2 的端口想连接；而在单片机使用内部时钟时，应该将 XTAL1 引脚和 XTAL2 引脚接石英晶体和电容。 （ 3）复位引脚 8 为了提高单片机在运行过程中的抗干扰能力，而且保证整个电路的稳定工作， STC89C52还具备复位功能 RST——第 9 位引脚， RST 作为 RESET 复位信号输入端口，为了让单片机能够正常工作，当给系统连续输入 2 个周期以上的有效高电 平时，复位引脚接收到高电平信号后，使得整个系统完成复位初始化操作。 （ 4）多功能 I/O 端口引脚 由图可知， STC89C52 一共具有 4 类 I/O 端口，分别是 P0、 P P P3 口。 顺便补充一句，在这 4 类 I/O 端口中 P3 口还具有第二功能，在下文我会简单地介绍。 单片机的第 39～ 32 引脚分别是 P0 口的 ～ 端口，对应着 8 位漏极开路的双向 I/O端口。 在 P0 口作为输出端口的时候，这 8 个引脚端口能驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，在对这 8个端口进行赋值定义的时候，只要写入 “1”就意味着将这些端口设置为高阻抗输入端。 此外当P0 提供低 8 位地址和 8 位数据总线，只能在访问数据存储器或程序存储器的情况下才能实现，并且只有激活内部上拉电阻才能算是有效的。 单片机的第 1～ 8 引脚分别是 P1 口的 ～ 端口，与 P0 口所不同的是： P1 口是 8位具有内部上拉电路的准双向 I/O 端口。 要想将它在用作为低 8 位地址总线，只能在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时才行。 单片机的第 21～ 28 引脚分别是 P2 口的 ～ 端口，它和 P1 同样是 8 位具有内部上拉电路的准双向 I/O 端口。 但 是和 P1 端口有所区别的是：当单片机访问存储器时， P2 口在对片内程序存储器（ EPROM 型）进行程序编程和校验时，用做高 8 位地址总线。 单片机的第 10～ 17 引脚分别是 P3 口的 ～ 端口，它具有内部上拉电路的 8 位准双向 I/O 端口。 与其他 3 个 I/O 端口有不同的是，它有其他端口不具备的第二特殊变异功能。 也就是说， P3 口既能独立定义原来的 I/O 口功能，也能定义第二变异功能。 第二变异功能的具体含义如表 1 所示： 表 1 引脚第二功能表 端口引脚 第二功能 RXD （串行输入口） TXD （串行输出口） INT0 （外中断 0） INT1 （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） （ 5） WR/RD 端口引脚 9 在对 P3 端口的介绍中，我们知道 WR 和 RD 是 P3 端口的第二特意功能中的两种，当前作为第二特意功能时，只要将外部数据存储器接入这两个端口，即可对外部数据进行读写功能了。 超声波传感器 我们通常提到的超声波传感器具体来讲是这样的一种传感型设备：它一方面可以自己产生一定频率的超声波，在产生超声波之后，与此同时它也可以接收碰到被摄物而被反射过来的声波信号。 因此，它还有另外一个名称，那就是超声换能器。 一般情况下，我们选择的超声波传感器都是以压电的方式来产生超声波的，这种传感器的探头通常是用晶体材料或者陶瓷材料制成的，这些材料也要通过压电处理，而探头的工作原理正是利用这些通过压电处理过的材料所产生的压电效应，如图 3 所示 [3]。 图 3 超声波传感器结构 超声波传感器的探头由分为两种，一种是用于发射， 称为发射探头，一种是用于接收，称为接收探头。 发射探头通常是利用逆向的压电效应来工作的，其原理是在逆向的压电效应中，频率较高的电振动会被转化称为同等高频率的机械振动，通过这样的方式来产生超声波。 而接收探头通常是利用正向的压电效应来工作的，其原理是把传感器产生的带有振动的波形转化成电信号。 对于超声波传感器探头而言，其最重要的部分是一块通过压电处理过的晶片，这个晶片储藏在探头外部的包裹之下，而探头的外部材料通常是塑料材质或金属材质的。 超声波传感器之所以能发射和接收超声波，这块经过压电处理的晶片起到了决定性的核心作 用。 另外，衡量超声波传感器的优势和性能特点主要依靠以下三个参数： 第一个衡量参数是传感器的工作频率。 传感器工作时所产生的频率是由经过压电处理的晶片在共同振动时所产生的频率决定的。 也就是说，增加超声波传感器灵敏度的方法，就是通过调节使得传感器的工作时所产生的交流电的电压频率和晶片共同振动时所产生的频率一致，这样能产生巨大的能量和超高的灵敏度。 第二个衡量参数是传感器的工作温度。 因为通过压电处理过的材料，通常来说其居里点都很高，但是超声波探头在测量物体距离时所消耗的功率很小，这就导致了其工作时的温度 10 几乎不会发生变化，这样传感器就能连续工作而不至于因为温度的剧烈变化而失去作用。 第三个衡量参数是灵敏度。 传感器灵敏度的高低主要是由其生产制造过程中所使用的晶片决定的。 而晶片的机械和电力之间的耦合系数是和灵敏度成正比的。 电路设计 针对本次课程设计的目的和要求，我把系统的整体硬件电路主要划分成超声波接口电路，单片机的最小系统、数码管的显示电路、蜂鸣 器的报警电路、电源接口电路，按键电路六大主要硬件部分来做，最后他们之间通过软件指令的形式连接在一起 [4]。 如图 4 硬件电路图。 ａ STC89C52 ｂ 超声波 传感器 11 c 数码管 ｄ 按键 图 4 硬件元件电路组图 超声波电路 通过内部原理图， 可以发现超声波传感器中的反相器和超声波发射换能器主要构成超声波传感器的发射电路。 超声波的接收器、两级放大电路和锁相环电路则构成了超声波传感器的接收电路。 发射电路与接收电路的结合实现了超声波传感器发射与接收声波的功能 [5]。 超声波电路原理图如图 5 所示 ： 图 5 超声波发射电路原理图 12 超声波发射电路 超声波传感器中的反相器和超声波发射换能器主要构成超声波传感器的发射电路。 单片机的第 12 号引脚 INT0 端口输出 8 个频率在 40kHz 左右的方波信号，这个信号分成两路形成一个回路，其中超声波换能器的一个电极接收到的信号是由一级反向器推送到，而超声波换能器的另一个电极所接收到的信号则是由两级反向器推送到。 为了提高超声波的发射强度，我将方波信号以推换的形式加到超声波换能器的两端，另外把两个反向器连接方式设置为并联的连接方式，用以提高传感器的驱动能力 [6]。 图 6 超声波发射电路原理图 超声波接收电路 与发射电路所不同的是，超声波传感器的接收电路由三部分构成。 如图 7 所示： 图 7 超声波接收电路原理图 一、超声波接收器，其作用主要负责对发射出的超声波进行回波的接收；二、两级放大 13 电路，由于接收器接收回来的反射波信号比较微弱，以至于传感器难以对其进行解析，所以我们利用放大电路来把接收到的反射波信息进行放大；三、锁相环电路，锁相环电路起到一个向单片机控制器发出中断信号的作用，这意味着测距已经成功完成向。 其工作的模式为：反射源信号经过放大以后，通过对信号的解析，只要接收到符合要求的频率信号，单片机控制器就会接到来自锁相环电路发出的中断请求。 由于发送的超声波频率为 40kHz 左右，为了提高超声波接收器能够准确接受到反 射波，也为了避免其他频率信号的干扰，我在调整相关元件的时候，将 40kHz 设置为锁相环的中心频率，这样一来，锁相环电路很大程度上只能响应该频率的信号，有利于其对反射波的接收。