單片機(jī)課程設(shè)計(jì)--超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)報(bào)告</b></p><p>　　題 目 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p>　　課 程 名 稱 單片機(jī)原理及應(yīng)用 </p><p>　　院 部 名 稱 機(jī)電工程學(xué)院 </p>

2、<p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí) 12電氣工程及其自動(dòng)化（單） </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　一 、概述…………………………………………………………………………………3</p>&

3、lt;p>　　1.1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的……………………………………………………………4</p><p>　　1.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………4</p><p>　　二、總體設(shè)計(jì)方案及說明…………………………………………………………………4</p><p>　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路……………………………………………

4、…………………4</p><p>　　2.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖………………………………………………………………5</p><p>　　三、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)……………………………………………………………………5</p><p>　　3.1 單片機(jī)的最小系統(tǒng)………………………………………………………………6</p><p>　　3.1.1AT89C

5、51單片機(jī)的功能與特點(diǎn)…………………………………………………6</p><p>　　3.2系統(tǒng)原理分析………………………………………………………………………6</p><p>　　3.2.1超聲波測(cè)距原理………………………………………………………………6</p><p>　　3.3 超聲波傳感器檢測(cè)電路…………………………………………………………6</p>

6、;<p>　　3.3.1超聲波檢測(cè)電路圖……………………………………………………………7</p><p>　　3.3.2 超聲波發(fā)生及感應(yīng)過程………………………………………………………7</p><p>　　3.4 超聲波測(cè)距接收………………………………………………………………………7</p><p>　　3.4.1 HC-SR04模塊……………………

7、………………………………………………7</p><p>　　3.4.2 T40、R40超聲波傳感裝置介紹………………………………………………7 </p><p>　　3.5 SCM1602顯示模塊……………………………………………………………………9</p><p>　　四 、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)…………………………………………………………………11</p>

8、;<p>　　4.1 軟件流程圖………………………………………………………………………11</p><p>　　4.1.1主程序流程圖………………………………………………………………11</p><p>　　4.1.2超聲波發(fā)生子程序…………………………………………………………11</p><p>　　4.2 系統(tǒng)源程序…………………………………………

9、……………………………12</p><p>　　五、系統(tǒng)仿真過程與結(jié)果…………………………………………………………………13</p><p>　　5.1 Proteus仿真軟件……………………………………………………………14</p><p>　　5.2仿真編譯過程…………………………………………………………………14</p><p>　　5

10、.3仿真效果圖………………………………………………………………15</p><p>　　六 、實(shí)物展示……………………………………………………………………………16</p><p>　　6.1實(shí)物元件與過程……………………………………………………………………16</p><p>　　6.2實(shí)物運(yùn)行與調(diào)試……………………………………………………………………15<

11、/p><p>　　6.3實(shí)物總結(jié)………………………………………………………………………15</p><p>　　七、總結(jié)…………………………………………………………………………………18</p><p>　　八 、參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………19</p><p>　　附錄，原理圖………………………………………

12、………………………………………20</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用了AT89C51作為中心處理器，HC-SR04模塊進(jìn)行超聲波方面的發(fā)生與感應(yīng)。然后介紹了總體的系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖、思路及元件選型。接下來，分硬件和軟件兩部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)的分析。硬件方面首先構(gòu)建了一單片機(jī)最小系統(tǒng)，然后集成各芯片完成設(shè)計(jì)。軟件方面通過外部中斷，定時(shí)器中斷

13、等完成開發(fā)的子程序的調(diào)用。最后重點(diǎn)詳細(xì)地講述了關(guān)于超聲波模塊的電路及收發(fā)過程。</p><p>　　最后進(jìn)行了系統(tǒng)仿真，仿真結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠滿足要求。本系統(tǒng)具有成本低，可靠性高和安全實(shí)用等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域。</p><p>　　關(guān)鍵詞：AT89C51單片機(jī)；超聲波模塊；最小系統(tǒng)</p><p><b>　　一、概述</b&

14、gt;</p><p>　　1.1課程設(shè)計(jì)應(yīng)達(dá)到的目的</p><p>　　通過本課程設(shè)計(jì)，使學(xué)生掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般步驟，掌握系統(tǒng)總體控制方案的設(shè)計(jì)方法。使學(xué)生進(jìn)一步掌握微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬、軟件開發(fā)方法，輸入/輸出(I/O)接口技術(shù)，應(yīng)用程序設(shè)計(jì)技術(shù)，并能結(jié)合專業(yè)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單實(shí)用的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。針對(duì)課堂重點(diǎn)講授內(nèi)容使學(xué)生加深對(duì)單片機(jī)硬件原理的理解及提高C51語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)的能力，為以后

15、的畢業(yè)設(shè)計(jì)搭建了單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)，提高學(xué)生的開發(fā)創(chuàng)新能力。</p><p>　　1.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，要求：</p><p>　?。?）系統(tǒng)功能：測(cè)距范圍：3cm-450cm，通過LCD1602顯示距離。</p><p>　　（2）給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，畫出硬件連線圖，并說明工作原理；

16、</p><p>　?。?）畫出程序框圖并編寫程序。</p><p>　　二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路</p><p>　　本設(shè)計(jì)的構(gòu)建是基于89C51單片機(jī)外圍芯片的超聲信號(hào)檢測(cè)的。超聲波發(fā)生模塊送出片刻的40KHz的矩形波信號(hào)，遇物體反射后，被超聲波接收模塊接收并作為本設(shè)計(jì)的Input，單片機(jī)對(duì)此信號(hào)

17、進(jìn)行判斷加工處理后，把計(jì)算出的距離結(jié)果傳到LCD顯示屏上，當(dāng)檢測(cè)距離小于預(yù)設(shè)值時(shí)報(bào)警模塊工作。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的硬件部分主要由AT89C51單片機(jī)控制模塊、超聲波發(fā)出和接收模塊、預(yù)警模塊以及LCD顯示模塊等幾部分組成。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)框圖如圖1.1所示。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的軟件部分由C語(yǔ)言編寫，程序采用模塊化設(shè)計(jì)思想，將各功能單獨(dú)程序化成子程序塊并進(jìn)行debug，在

18、完成主程序段的編寫和子程序的調(diào)用。系統(tǒng)軟件部分主要include主程序段、‘delay’子程序塊、、超聲波發(fā)生與感應(yīng)子程序塊等。</p><p>　　2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89C51為控制核心，由電源電路、單片機(jī)外圍電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、報(bào)警電路等部分組成，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1.1所示。其主要需完成任務(wù)是對(duì)傳感器到障礙物中間的距離的測(cè)量及對(duì)

19、測(cè)出距離的顯示以及小于預(yù)設(shè)值時(shí)的報(bào)警。</p><p>　　圖1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　三、系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機(jī)最小系統(tǒng)：能讓單片機(jī)regular work的最小硬件單元系統(tǒng)，如圖3.4所示。 一般具有:復(fù)位circuit;時(shí)鐘震蕩circuit。

20、此外，ISP下載口也belong單片機(jī)最小系統(tǒng)。 復(fù)位電路如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 復(fù)位電路圖</p><p>　　復(fù)位電路可將系統(tǒng)重置至一個(gè)已知的狀態(tài)。從單片機(jī)內(nèi)部來看，復(fù)位電路工作后，CPU將一些廠商早先設(shè)定的數(shù)載入至寄存器。</p><p>　　該電路的principle是將Capacitance與Resistance接至復(fù)位引腳

21、RST，組成Power on reset的功能。當(dāng)Reset level持續(xù)兩個(gè)machine cycle以上時(shí)，reset有效。具體數(shù)值需由RC電路計(jì)算出time constant t=RC1(t≥10ms)。</p><p>　　復(fù)位電路包括Reset button和Power on reset。</p><p>　　（1）Reset button：并聯(lián)一開關(guān)在復(fù)位電容上。按下開關(guān)，電

22、容釋放之前的電量，同時(shí)，復(fù)位引腳電壓的拉高完成Reset。</p><p>　　(2)Power on reset：在RST上外接一個(gè)RC充放電導(dǎo)電回路，即加入一個(gè)電容（一般為10uF）串聯(lián)至電源+5v，再加入一個(gè)電阻器（一般為10K）串聯(lián)至保護(hù)地。此外，要保證Reset成功，需使上電時(shí)復(fù)位引腳有足夠時(shí)間的high level。</p><p>　　振蕩電路如圖2.3所示。</p&g

23、t;<p>　　圖2.3 振蕩電路圖</p><p>　　振蕩電路也叫做晶振電路，任務(wù)是為CPU設(shè)定時(shí)鐘頻率。單片機(jī)運(yùn)行所有語(yǔ)句的時(shí)間都由時(shí)鐘頻率決定。clock frequency越高，CPU運(yùn)行越快。單片機(jī)一般從外部接入時(shí)鐘頻率，典型的clock frequency有11.0592MHz/12MHz。</p><p>　　單片機(jī)通常共用一個(gè)晶體振蕩器來滿足各部分同步運(yùn)行。

24、具體振蕩器經(jīng)常與鎖相環(huán)回路一起工作，以方便為系統(tǒng)提供clock frequency。</p><p>　　3.1.1 AT89C51單片機(jī)的功能與特點(diǎn)</p><p>　　AT89C51是一種具有l(wèi)ow voltage、low power consumption且high-performance等優(yōu)點(diǎn)的八位單片機(jī)。其內(nèi)部的芯片包含了一個(gè)8位微處理器、一個(gè)二百五十六字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及一個(gè)四千字

25、節(jié)程序存儲(chǔ)器。CMOS工藝與UNRAM技術(shù)在AT89C51的制作過程中被使用，且它的指令集合和輸出引腳都與早期美國(guó)INTECo.于1980年研制的MCS-51單片機(jī)相兼容。AT89C51因?qū)㈤W存與8位CPU結(jié)合在一個(gè)芯片中而成為一款高性能單片機(jī)，89LV51是它的一個(gè)低電壓版本。AT89C51單片機(jī)已成為一種靈活性高、功能強(qiáng)且價(jià)格實(shí)惠并在各種控制領(lǐng)域被普遍運(yùn)用的方案。外型及管腳排列如圖所示。</p><p>&l

26、t;b>　　功能概述</b></p><p>　　AT89C51 含滿足國(guó)標(biāo)的功能：片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘發(fā)生電路、4KB程序存儲(chǔ)器 Flash ROM（保留表格、數(shù)據(jù)及程序）、256B數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM/SFR（保留可以READ/WRITE的數(shù)據(jù)）、兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、四個(gè)8位I/O 口線、一個(gè)五中斷源二優(yōu)先級(jí)中斷系統(tǒng)、一個(gè)雙向信號(hào)傳輸U(kuò)ART串行通信口。而且，AT89C51可以執(zhí)行靜態(tài)邏輯操作，

27、此時(shí)最低的工作頻率可為0Hz，并有兩種省電運(yùn)行模式可供軟件運(yùn)行。Idle Mode可將CPU處于停止運(yùn)行狀態(tài)，但允許中斷控制系統(tǒng)、串行通訊口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及隨機(jī)存取存儲(chǔ)器持續(xù)運(yùn)行。Power Mode直到下一次硬件復(fù)位都會(huì)停止運(yùn)行振蕩器并且不允許其它所有部件運(yùn)行但會(huì)保留片內(nèi)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。 </p><p>　　AT89CA51 引腳功能說明</p><p><b&g

28、t;　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。</b></p><p>　　P0端：P0端為一組8位Open Drain型雙向input/output端，也即地址/總線復(fù)位端。每端能驅(qū)動(dòng)8位TTL邏輯門。當(dāng)P0端被置為1時(shí)，其變便成為高阻抗輸入端。P0端可被外部程序DATA存儲(chǔ)器使用，此時(shí)，其被當(dāng)作DATA/ADDRESS的

29、低八位使用。在閃存（Flash）進(jìn)行program工作時(shí)，P0 端輸入命令，當(dāng)閃存（Flash）運(yùn)行check任務(wù)時(shí)，P0端輸出命令，同時(shí)，確保P0端外部已連有pull-up resistor。</p><p>　　P1端：P1端是一組配有內(nèi)部pull-up resistor的雙向input/output端，為功能最單一的一組端口。</p><p>　　P2端：P2端也是一組配有內(nèi)部上拉電

30、阻的雙向input/output端。當(dāng)cpu訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，P2端輸出高八位地址信號(hào)。</p><p>　　P3端：P3端同樣是一組配有內(nèi)部上拉電阻的雙向input/output端。同時(shí)P3端的每一個(gè)管腳都另有功能。</p><p>　　主要屬性如表2-1所示。 </p><p><b>　　表2-1 主要屬性</b>&

31、lt;/p><p>　　控制信號(hào)引腳（RST、 ALE 、/PSEN 、/EA）</p><p>　　RST / Vpd (9腳)：復(fù)位輸入，‘1’信號(hào)有效。當(dāng)CPU剛接入電源時(shí)，其內(nèi)部各寄存器處于隨機(jī)狀態(tài)，當(dāng)此輸入端可持續(xù)24個(gè)時(shí)鐘周期的‘1’信號(hào)時(shí)，就能完成復(fù)位任務(wù)。單片機(jī)正常工作時(shí)， 此腳應(yīng)≤0.5V低電平。</p><p>　　ALE/PROG（30腳）：地址鎖

32、存允許信號(hào)端（Address Latch Enable）。當(dāng)CPU讀取外部ROM時(shí)，此管腳輸出信號(hào)的下降沿控制低八位地址的鎖存。平時(shí)運(yùn)行是，此管腳以振蕩頻率的六分之一穩(wěn)定發(fā)送正脈沖，能作對(duì)外輸出時(shí)鐘和定時(shí)信號(hào)。</p><p>　　/PSEN：程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)輸出端（Program Store Enable）。CPU讀取外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在訪問片外ROM時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期/PSEN輸出2次脈沖。當(dāng)讀取外

33、部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，/PSEN不出現(xiàn)。</p><p>　　/EA/VPP：片外程序存儲(chǔ)器訪問允許輸入端（External Access External）。當(dāng)/EA被置1時(shí)，CPU讀取片內(nèi)存儲(chǔ)器(4K)PC值超過0FFFH，將自動(dòng)運(yùn)行片外程序存儲(chǔ)器的程序。當(dāng)/EA被置0，CPU訪問片外EPROM/ROM，且運(yùn)行片外ROM的程序。</p><p>　　引腳圖如圖2.1所示。</p>

34、<p>　　圖2.1 AT89C51引腳圖</p><p>　　3.2 系統(tǒng)原理分析</p><p>　　3.2.1 超聲波測(cè)距原理</p><p>　　一般而言，人耳能聽到的聲波頻率為20赫茲--20000赫茲。Resonant frequency高于2KHz的聲波稱為“超聲波”。超聲波由于其穿透能力強(qiáng)、在液體中傳播距離遠(yuǎn)、易獲得較集中的聲能、方向性

35、好等特性，使其在實(shí)際生活中的各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　假定聲波在固定介質(zhì)中傳播的速度一定，而且能測(cè)量得到聲波從送出到感應(yīng)到的時(shí)間，那么從聲源到目標(biāo)物體的距離就可以被準(zhǔn)確地計(jì)算出來。這就是本設(shè)計(jì)的測(cè)距原理。超聲波測(cè)距，簡(jiǎn)單來說，就是通過連續(xù)地接收經(jīng)障目標(biāo)物體反射后的回波，進(jìn)而測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收的往返時(shí)間,最后求出超聲波經(jīng)過的距離。其關(guān)系式如公式（1）：</p><p>

36、<b>　?。?）</b></p><p>　　式中：S為所需測(cè)量的距離；c為超聲波在空氣介質(zhì)中的傳播速度；t為往返時(shí)間。</p><p>　　3.3 超聲波傳感器檢測(cè)電路</p><p>　　3.3.1 超聲波檢測(cè)電路圖</p><p>　　HC-SR04模塊由發(fā)生電路和感應(yīng)電路主成，發(fā)生超聲波circuit主體具有E

37、m78p153 SCM、MAX232chip及超聲波send裝置T40。感應(yīng)超聲波circuit主體具有 TL074operational amplifier及超聲波receiver R40組成。</p><p>　　3.3.2 超聲波發(fā)生及感應(yīng)過程</p><p>　　CPU啟動(dòng)system初始化。置EA為1打開總中斷，置“Trig”端10us的‘1’信號(hào)，啟動(dòng)HC-SR04模塊的EM7

38、8P153產(chǎn)生8段持續(xù)的40KHz矩形波，由MAX232電平轉(zhuǎn)換，增強(qiáng)發(fā)出功率。發(fā)生裝置把電信號(hào)變成超聲波信號(hào)發(fā)出。</p><p>　　當(dāng)CPU發(fā)出一端10us的啟動(dòng)信號(hào)后，Trig端從低電壓變成高電壓，模塊發(fā)出超聲波的同時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，等待感應(yīng)裝置receive到信號(hào)，一旦感應(yīng)到立即停止計(jì)時(shí)。將時(shí)間T傳遞給單片機(jī)，過程中ECHO端持續(xù)為‘1’信號(hào)的Time為路程時(shí)間T。</p><p&

39、gt;　　3.4超聲波測(cè)距接收</p><p>　　3.4.1 HC-SR04模塊</p><p>　　HC-SR04超聲波測(cè)距模塊能完成2厘米到400厘米間距的非接觸式距離測(cè)量任務(wù)，其電路簡(jiǎn)易且售價(jià)實(shí)在。此外，其相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)外圍電路也不復(fù)雜。該module具有發(fā)生circuit、感應(yīng)circuit及控制circuit。實(shí)物如圖4.1所示。</p><p><

40、;b>　　基本運(yùn)行流程</b></p><p>　?、僦肨RIG端口至少10us的‘1’電平啟動(dòng)超聲波發(fā)生；</p><p>　?、诎l(fā)生電路連續(xù)發(fā)出8個(gè)40khz的矩形波，等待感應(yīng)是否有回波；</p><p>　　③有回波，ECHO端輸出‘1’信號(hào)，‘1’信號(hào)連續(xù)時(shí)間即超聲波完成路程所花的時(shí)間。</p><p>　　模塊參數(shù)

41、如下表4-1。</p><p><b>　　表4-1模塊參數(shù)</b></p><p>　　超聲波sequence chart如圖4.2所示。</p><p>　　如圖4-2sequence chart顯示，一旦單片機(jī)發(fā)出一端10us以上Transister-Transister-Logic脈沖信號(hào)，該模塊會(huì)連續(xù)送出8個(gè)40khz矩形波信號(hào)且開始

42、等待感應(yīng)回波sign。只要感應(yīng)到回波sign，ECHO端就送出high level脈沖。輸出信號(hào)的Pulse width與Induction distance成正比。所以，將發(fā)出到感應(yīng)之間的T值代入公式能測(cè)算出汽車與物體的間距：</p><p>　　距離=高電平時(shí)間*聲速（340m/s）/2。</p><p>　　Module主體包括Em78p153單片機(jī)、MAX232Chip、Input

43、 operational amplifier TL074、Ultrasonic sensing device：T40-16、R40-16。</p><p>　　Em78p153單片機(jī)</p><p><b>　　①情況簡(jiǎn)述</b></p><p>　　Em78p153是采用高速CMOS工藝制造的8位single chip。采取EMC編

44、程器往單片機(jī)內(nèi)Write程序instruction。編程人員可在13位選項(xiàng)位挑取符合其需求的選項(xiàng)位，之中的保護(hù)位能prevent程序被上載。</p><p><b>　?、陔姎鈪?shù)</b></p><p>　　運(yùn)行Voltage參數(shù)（V）：2.0--6.0；</p><p>　　適應(yīng)Temperature區(qū)間（℃）：0--70；</p&g

45、t;<p>　　正常Frequency區(qū)間：DC--8MHz；</p><p>　　4個(gè)內(nèi)建IRC振蕩器；</p><p>　　2個(gè)雙向I/O端口；</p><p>　　32×8bit片內(nèi)寄存器（SDRAM）；</p><p>　　EM78P153的封裝為14腳；Small Out-Line Package小外形封裝、

46、Shrink Small-Outline Package)窄間距小外型塑封和dual inline-pin package雙列直插式封裝為3種封裝形式。</p><p>　　③pin分配如圖4.3所示。</p><p><b>　　MAX232</b></p><p>　　MAX232chip是MAXIM Co.特為RS-232串口design

47、的選擇單電源+5v供能的電平轉(zhuǎn)換chip。本設(shè)計(jì)只通過該chip完成level switch任務(wù)，將40kHz的矩形波從5V提升至20V，增強(qiáng)transmitting power。</p><p>　　①pin圖如圖4.4所示。</p><p><b>　　②引腳介紹</b></p><p>　　第一單元為電荷泵circuit。由1、2、3、4

48、、5、6號(hào)pin及4個(gè)電容組成。作用為發(fā)生+12v和-12v兩個(gè)電源，滿足RS-232串口電平的require。</p><p>　　第二單元為Data conversion通道。由7、8、9、10、11、12、13、14號(hào)pin組成兩個(gè)Data conversion。以上13號(hào)pin（R1IN）、12號(hào)pin（R1OUT）、11號(hào)pin（T1IN）、14號(hào)pin（T1OUT）為第一Data conversion

49、；8號(hào)pin（R2IN）、9號(hào)pin（R2OUT）、10號(hào)pin（T2IN）、7號(hào)pin（T2OUT）為第二Data conversion。</p><p>　　第三單元為供電circuit。15號(hào)pin GND、16號(hào)引pin VCC。</p><p>　　TL074（低噪聲JFET輸入operational amplifier）</p><p>　　引腳圖如圖4

50、.5所示。</p><p>　　具體引腳功能如表4-2所示：</p><p><b>　　表4-2 引腳表</b></p><p>　　TL074內(nèi)部組件數(shù)量如表4-3所示</p><p>　　表4-3 TL074組件</p><p>　　3.4.2 T40、R40超聲波傳感裝置介紹</p&

51、gt;<p>　　T40-16與R40-16</p><p>　　目前來看，超聲波發(fā)生裝置按如何發(fā)出超聲波能分為兩大種類：</p><p>　　1.Electric發(fā)出超聲波, 包含Piezoelectric type, magnetostrictive type 及 electric type等；</p>&l

52、t;p>　　2.Mechanical發(fā)出超聲波，包含Garr the flute, whistle 及 siren liquid flow等。</p><p>　　兩種類型send的超聲波的frequency、 power和Acoustic characteristics大相徑庭，所以適用場(chǎng)合也不一樣。壓電式超聲波發(fā)生裝置是現(xiàn)在比較常用

53、的。</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生裝置根本上來講為采用Piezoelectric crystal的諧振來運(yùn)作的。其內(nèi)部include兩個(gè)Piezoelectric crystal和一個(gè)共振板。在它的兩極處輸入電壓，同時(shí)保證該頻率等于Piezoelectric crystal的固有振蕩頻率時(shí)，Piezoelectric crystal就會(huì)產(chǎn)生共振，且使共振板一起振動(dòng)，于是便能send超聲波了。反之，若兩極處

54、沒外加脈沖信號(hào)，當(dāng)共振板receive回波時(shí)，會(huì)使Piezoelectric crystal產(chǎn)生振動(dòng)，機(jī)械能將transform 電信號(hào)，此刻其便是超聲波感應(yīng)裝置。電路中采用T40-16T/R超聲波換能器便是Piezoelectric type裝置。</p><p><b>　?、傺b置說明</b></p><p>　　Name：Piezoelectric c

55、eramics超聲波傳感器；</p><p>　　Type：T40-16T/R；</p><p>　　Category：通用型；</p><p>　　主frequency（KHZ）：40；</p><p>　　Outer diameter：16mm；</p><p>　　工作說明：T表示發(fā)生裝置，R表示receiver

56、，TR表示兩者兼用；</p><p><b>　?、陔姎鈪?shù)</b></p><p><b>　　如下表4-4所示：</b></p><p><b>　　表4-4 電氣參數(shù)</b></p><p>　　傳感器實(shí)物如圖4.8 所示。</p><p>　　H

57、C-SR04 具有超聲波的發(fā)生和感應(yīng)電路，因此，hardware方面不用再個(gè)人定制復(fù)雜的發(fā)生及感應(yīng)回路，software方面也不必再使用定時(shí)器來發(fā)生40Khz的矩形波驅(qū)動(dòng) piezoelectric ceramics共振近而發(fā)出超聲波。調(diào)用該module時(shí)，只需將‘Trig’端置一端大于10us的high level信號(hào),就能等待‘Echo’端的high level信號(hào)輸出。CPU一旦掃描到trigger signal就打開定

58、時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)。當(dāng)該端的high level信號(hào)消失時(shí)就完成計(jì)時(shí)并read定時(shí)器的Data，該Data為本次測(cè)距的time，然后帶入傳播速度公式就能complete對(duì)距離的計(jì)算。</p><p>　　3.5 SCM1602 顯示模塊</p><p>　　該模塊是由SCM1602液晶顯示器件組成，第3腳：VL為顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“

59、鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10k的電位器調(diào)整對(duì)比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第7~14腳：D0~D7位8為雙向數(shù)據(jù)線。

60、由上可知1602基本操作時(shí)序如下表2.5。其第15~16腳：背光電源腳。SCM1602與單片機(jī)的應(yīng)用連接電路圖如圖2.5所示。 </p><p>　　圖2.5 顯示電路圖</p><p>　　四、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1 軟件流程圖</b></p><p>　　4.1.1主程序流程圖<

61、/p><p>　　本設(shè)計(jì)的軟件部分主要有主程序、發(fā)射超聲波程序、1ms定時(shí)器中斷程序、LCD液晶屏顯示程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序?qū)?shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法能很高效的實(shí)現(xiàn)，而匯編語(yǔ)言編寫程序的代碼對(duì)于普通人十分難理解，不易于軟件的維護(hù)，而本設(shè)計(jì)的程序需要有相對(duì)復(fù)雜的運(yùn)算且有助于結(jié)構(gòu)化程序，所以程序語(yǔ)言選擇C語(yǔ)言。</p><p>　　首先初始化系統(tǒng)設(shè)置：置總中斷允許位EA為1、設(shè)置定時(shí)器T0、T1工作

62、模式為模式1（16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式）并將單片機(jī)各端口拉高。之后開始運(yùn)行功能模塊。</p><p><b>　　圖3.1主程序流程</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用頻率為12MHz的晶振電路，計(jì)數(shù)器的每一次計(jì)數(shù)就是1μs。當(dāng)main程序中掃描到表示接收回波成功的標(biāo)志位Echo發(fā)送的time（高電平持續(xù)時(shí)間），將超聲波往返所花費(fèi)的time（計(jì)數(shù)器T0中的time）帶

63、入到公式（3）運(yùn)算，就能計(jì)算出車尾與障礙物之間的距離，編程中設(shè)溫度為室溫20℃時(shí)的聲速為340m/s，則有：</p><p>　　d=(ct)/2=172T0/10000cm （3）</p><p>　　公式中，T0為計(jì)數(shù)器T0的time。</p><p>　　計(jì)算出距離后結(jié)果將會(huì)被發(fā)送給共陽(yáng)數(shù)碼顯示模塊，同時(shí)，結(jié)果也將發(fā)至語(yǔ)

64、音預(yù)警模塊。之后重復(fù)發(fā)送超聲波進(jìn)行測(cè)距任務(wù)。</p><p>　　4.1.2 超聲波測(cè)距子程序</p><p><b>　　4.2系統(tǒng)源程序</b></p><p>　　#include<reg51.h> //調(diào)用單片機(jī)頭文件</p><p>　　#include<i

65、ntrins.h></p><p>　　#define uchar unsigned char //無(wú)符號(hào)字符型 宏定義 變量范圍0~255</p><p>　　#define uint unsigned int /無(wú)符號(hào)整型 宏定義 變量范圍0~65535</p><p>　　sbit rs=P2^7;

66、 //LCD數(shù)據(jù)命令選擇端</p><p>　　sbit lcden=P2^5; //LCD使能端</p><p>　　sbit wr=P2^6; //LCD讀寫端</p><p>　　sbit trig=P3^7;

67、 //觸發(fā)控制信號(hào)輸入</p><p>　　sbit echo=P3^6; //回響信號(hào)輸出</p><p>　　sbit out=P2^1; //距離超出報(bào)警</p><p>　　uchar code table[]=" distance:"; //數(shù)組

68、定義</p><p>　　void delay(uint z) //1ms延時(shí)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=z;x>0;x--)</p><

69、p>　　for(y=110;y>0;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void write_com(uchar com) //LCD寫命令子程序</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　rs=

70、0;</b></p><p><b>　　wr=0;</b></p><p><b>　　P0=com;</b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=1;</b></p>

71、<p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void write_date(uchar date) //LCD寫數(shù)據(jù)子程序</p><

72、p><b>　　{</b></p><p><b>　　rs=1;</b></p><p><b>　　wr=0;</b></p><p><b>　　P0=date;</b></p><p><b>　　delay(5);</b&g

73、t;</p><p><b>　　lcden=1;</b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　

74、void main()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar k,m;</p><p>　　long temp; //距離</p><p>　　TMOD=0x01; //設(shè)置定時(shí)器0為模式1</p>&

75、lt;p>　　TH0=0x00; //定時(shí)器清零</p><p>　　TL0=0x00; //定時(shí)器清零</p><p>　　ET0=1; //開定時(shí)器0中斷2</p><p>　　EA=1; /

76、/開總中斷</p><p><b>　　wr=0; </b></p><p><b>　　lcden=0;</b></p><p>　　out=0; //關(guān)閉報(bào)警</p><p>　　write_com(0x38);</p><p>

77、;　　write_com(0x0c);</p><p>　　write_com(0x06);</p><p>　　write_com(0x01);</p><p>　　write_com(0x80);</p><p>　　for(k=0;k<13;k++)</p><p><b>　　{</b&g

78、t;</p><p>　　write_date(table[k]);</p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　write_com(0x80+0x40+9); //LCD位置定位</p><p&g

79、t;　　write_date('m'); </p><p>　　write_date('m'); //距離單位mm</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b

80、>　　TH0=0x00;</b></p><p><b>　　TL0=0x00;</b></p><p>　　trig=1; //觸發(fā)控制信號(hào)寫入1</p><p>　　for(m=0;m<20;m++) //延時(shí)等待20us</p><p><b>　　

81、_nop_();</b></p><p>　　trig=0; //觸發(fā)控制信號(hào)寫入0</p><p>　　while(!echo); //回響信號(hào)輸出為0</p><p>　　TR0=1; //開啟定時(shí)器0</p><p>　　while(echo);

82、 //等待回響信號(hào)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TR0=0; //關(guān)閉定時(shí)器</p><p>　　temp=TH0*256+TL0; //讀出定時(shí)器0的時(shí)間</p><p>　　temp*=170; //距離 = 速度 * 時(shí)間 將temp轉(zhuǎn)換成距離單

83、位為mm</p><p>　　temp/=1000;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(temp<=400) //距離小于40cm時(shí) 顯示當(dāng)前距離</p><p><b>　　{</b></p><p>&l

84、t;b>　　out=0;</b></p><p>　　write_com(0x80+0x40+5);</p><p>　　write_date(0x30+temp%1000/100);</p><p>　　write_date(0x30+temp%100/10);</p><p>　　write_date(0x30+temp

85、%10);</p><p>　　delay(1000);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else //當(dāng)距離大于40cm時(shí)顯示000 并且開啟報(bào)警</p><p><b>　　{</b></p><p&

86、gt;<b>　　out=1;</b></p><p>　　write_com(0x80+0x40+5);</p><p>　　write_date(0x30+0);</p><p>　　write_date(0x30+0);</p><p>　　write_date(0x30+0);</p><p&

87、gt;　　delay(1000);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　系統(tǒng)仿真過程與結(jié)果</b></p><p>　　

88、5.1 Proteus仿真軟件</p><p>　　Proteus軟件是由英國(guó)Lab Comenter Electronics 公司開發(fā)的EDA工具軟件，由ISIS和ARES兩個(gè)軟件構(gòu)成，其中ISIS是一款便攜的電子系統(tǒng)仿真平臺(tái)軟件，ARES是一款高級(jí)的布線編輯軟件。它集成了高級(jí)原理布線圖、混合模式SPICE電路仿真、PCB設(shè)計(jì)以及自動(dòng)布線來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的電子設(shè)計(jì)。</p><p>　　通

89、過Proteus ISIS軟件的VSM（虛擬仿真技術(shù)），用戶可以對(duì)模擬電路、數(shù)字電路、模數(shù)混合電路，以及基于微控制器的系統(tǒng)連同所有外圍接口電子元器件一起仿真。</p><p><b>　　5.2 編譯過程</b></p><p>　　仿真時(shí)，在Keil uVisions2軟件下打開，在此對(duì)話框下點(diǎn)擊Project項(xiàng)目，然后新建項(xiàng)目并命名超聲波測(cè)距，然后增加文件組測(cè)距源

90、程序.C文件，接著設(shè)置目標(biāo)屬性使其生成HEX文件，隨后進(jìn)行編譯連接，即能獲得程序?yàn)?HEX的文件。最后將生成的.HEX文件導(dǎo)入電路后就可以進(jìn)行仿真。利用Proteus實(shí)現(xiàn)了對(duì)LCD1602顯示屏的仿真,說明程序和電路圖都沒有問題。仿真結(jié)束后，將程序放入電路中，即可顯示仿真結(jié)果。</p><p><b>　　5.3 仿真效果圖</b></p><p><b>

91、　　初始狀態(tài)</b></p><p><b>　　超量程狀態(tài)</b></p><p><b>　　六、實(shí)物展示</b></p><p>　　6.1 實(shí)物元件與過程</p><p>　　成品如圖6.1,6.2所示。</p><p><b>　　圖6.1 正

92、面圖</b></p><p><b>　　圖6.2 背面圖</b></p><p><b>　　清單列表：</b></p><p>　　6.2實(shí)物運(yùn)行與調(diào)試</p><p><b>　　圖6.3 </b></p><p>　　如圖6.3所示，

93、將物體置于約100mm處，LCD顯示器顯示100mm。</p><p><b>　　圖6.4 </b></p><p>　　如圖6.4所示，將成品面對(duì)空地，LCD顯示器顯示000。同時(shí)，語(yǔ)音預(yù)警模塊提示超出量程（蜂鳴器工作）。</p><p><b>　　6.3實(shí)物總結(jié)</b></p><p>　　

94、在完成實(shí)物的焊接，程序的下載后，我們對(duì)實(shí)物進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)以下3點(diǎn)需注意的內(nèi)容。</p><p>　?。?）在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，需嚴(yán)格保證傳感器與障礙物中間不存在其他物體。</p><p>　?。?）盡量保證障礙物與地面相垂直。</p><p>　　在對(duì)所有的人為干預(yù)的因素進(jìn)行排除后，還是存在一部分的誤差。經(jīng)過對(duì)硬件、軟件的分析排查。發(fā)現(xiàn)超聲波回波時(shí)間對(duì)測(cè)定存在影響。為了

95、防止其他信號(hào)的干擾，提高測(cè)量的可靠性，超聲波傳感器常常一次發(fā)射的是多個(gè)超聲波脈沖串。實(shí)際測(cè)量時(shí)，接收電路接收到的往往不是第一個(gè)回波的過零觸發(fā)。這樣，最終測(cè)得的時(shí)間則與實(shí)際距離所對(duì)應(yīng)的時(shí)間不同，從而造成了超聲波回波時(shí)間引起測(cè)量誤差。測(cè)量盲區(qū)也對(duì)測(cè)定存在影響。超聲波傳感器安裝在汽車尾部的保險(xiǎn)杠上，當(dāng)障礙物不在超聲波發(fā)射的幾何角度上，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)量盲區(qū)。在測(cè)量盲區(qū)內(nèi)不能實(shí)現(xiàn)正常測(cè)距，測(cè)量誤差很大。</p><p>　　此

96、外，在程序指令運(yùn)行過程中需要占用一定的時(shí)間以及環(huán)境中的干擾因素等都會(huì)引起測(cè)量誤差。</p><p>　　由于時(shí)間精力和個(gè)人能力有限，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)還有很多不足。所以如若使用在實(shí)際生產(chǎn)中還應(yīng)在以下幾個(gè)方面進(jìn)一步探討： </p><p>　?。?） 如何將溫度對(duì)聲速的影響降到最低。</p><p>　　（2） 如何對(duì)非平面物體和傾斜物體進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)距。</p>

97、<p>　?。?） 如何減小測(cè)距盲區(qū)。</p><p>　?。?） 如何進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和重復(fù)性。</p><p><b>　　七、結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)講解了一種基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，列出了相應(yīng)的硬件電路及軟件編程的具體實(shí)施方案。</p><p>　　超聲波測(cè)

98、距的原理是：首先通過超聲波發(fā)射器發(fā)送超聲波，根據(jù)收到回波時(shí)的時(shí)間差就能計(jì)算出不明物體與車尾的間距，也就是說超聲波模塊向外發(fā)送超聲波，同時(shí)，發(fā)出超聲波的瞬間開始計(jì)時(shí)。與此同時(shí)，超聲波開始在介質(zhì)中散播，途中遇物體就會(huì)反射回來。當(dāng)接收裝置收到返回波的同時(shí)，結(jié)束計(jì)時(shí)，再將測(cè)量得的時(shí)間通過一段高電平反饋到單片機(jī)，將時(shí)間帶入到相應(yīng)的計(jì)算公式就可以求出障礙物與測(cè)量裝置的間距。以上就是利用了超聲波具有指向性強(qiáng)，在空氣中能傳播較遠(yuǎn)的距離等特性且根據(jù)反射原

99、理設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)。</p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的基本電路、超聲波發(fā)射接收模塊控制電路、LCD顯示電路、語(yǔ)音預(yù)警模塊四部分部分組成。單片機(jī)采用了AT89C51，晶振為12MHz，Trig端口置10us的有效信號(hào)，定時(shí)器T0測(cè)出時(shí)間差，顯示電路采用LCD液晶顯示器組成，語(yǔ)音預(yù)警用蜂鳴器代替。</p><p>　　總體而言，我從本設(shè)計(jì)上學(xué)到了很多，收獲頗豐。了解

100、了超聲波測(cè)距的原理，并更加掌握了單片機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)及相關(guān)外圍電路設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　八、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]許立梓.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.</p><p>　　[2]張開生，郭國(guó)法. MCS-51單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(7)：68-6