超声波测距系统的仿真

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1、淮海工学院课程设计报告书课程名称：单片机控制系统课程设计题 目基于单片机的超声波测距系统系（院）：东港学院学期：2013-2014-2专业班级：D自动化111姓名：王佳力学号： 2011130874评语成绩:签名:日期:1引言超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循超声波 是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性 介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸 收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科 技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和

2、生活之中。系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电 路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和LED控制电路等。 我采用以AT89C51单片机为核心的数字显示超声波测距仪的硬件电路。整个电路采用模 块化设计，由信号发射和接收、供电、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波 后发射出去，单片机的计时器开始计时，超声波被发射后按原路返回，在经过放大带通 滤波整形等环节，然后被单片机接收，计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片 机,通过程序对速度进行校正，结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程 序、预置子程序、发射子程序、接收子程

3、序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进 行数据发送与接收，实现数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发 射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等，空气 的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。再设计 的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。1.1设计目的和要求本次课程设计是根据“自动化专业培养计划”而制定的。单片机控制系统课程 设计是自动化专业的学生在学过相关专业课以后进行综合训练的教学环节,特别是 自动控制系统、单片机原理及应用、计算机控制技术等专业课学完

4、之后的 一次实践教学。其目的在于使学生在课程设计过程中能够理论联系实际，在实践中 充分利用所学理论知识分析和研究设计过程中出现的各类技术问题，巩固和扩大所 学知识面，为以后走向工作岗位进行设计打下一定的基础。在设计过程中，通过课程设计，使学生了解一般电气控制系统、自动控制 系统和计算机控制系统设计的过程、步骤、要求、工作内容及设计方法。训练学生 综合运用专业课的能力，提高学生工程设计的能力。1.2设计的内容综合运用微机原理及应用单片机原理及应用、DSP技术原理及应用、计 算机控制技术和检测技术与自动化仪表的知识，掌握单片机控制系统的组成、原理及工作方式，了解单片机控制系统的设计步骤与方法，特别

5、是要了解单片机系统开发 的整个过程，完成系统的软、硬件设计。2设计电路2.1系统设计方案发射电路检测电路接受电路w发射探头目标接物收探头图2-1系统设计方案图系统计划在实验室内实现小范围测距，测试距离约为0.2m3m米，系统的整体结 构如图2-1所示。发射电路采用单片机端口编程输出40kHz左右的方波脉冲信号，同 时开启内部计数器TO。由于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动 超声传感器UCM-40T发射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路。从接收传感器探头UCM-40T传来的超声波的回波很微弱（几十个mV级），又存在着 较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考

6、虑的。本系统设计此部分电路 时采用一级放大和带通滤波电路，中心频率4OKHz左右，放大滤波电路均采用了高速精 密运算放大器TL082，输出信号大约在5V左右。由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应 信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过LM393构成的比较电路，将正弦信 号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超 声信号，内部计数器停止计时。显示电路采用动态扫描显示，主要是处于节省硬件的考虑。通过单片机编程将内部计数得到的时间数据转换为距离信息，通过3位LED数码管显示，数据XXX,单位cm。2.2单片机的选择本系统硬

7、件部分由AT89C51控制器、超声波发射电路及接收电路和LCD显示电路组 成。由单片机AT89C51编程产生10us以上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定 接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发 射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信 号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为低电平，读取单片机中定时器的值。单片 机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并 由单片机控制显示出来。系统设计框图见图2-2。发AT89二LCD接C51DS1图2-2系统设计总框图由图1-3时序图可以看出，超

8、声波测距模块的发射端在T0时刻发射方波，同 时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响 应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t由此便可计算出距离。发射$血日邸冲接收到旳伯号图2-3时序图2.3超声波部分的设计2.3.1超声波传感器的选择在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高， 在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是 40KHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器 UCM-R40KI组成，其特性参数如表2-4所示。型号UCM-T40K

9、1UCM-R40KQ结构开放式开放式使用方式发射接收中心频率40 土 1KHZ38 土 1KHZ频带宽2 土 0.5 KHZ2 土 0.5KHZ灵敏度110 dBV/ubar65 dBV/ubar声压115 dB min( 0dB = 0.02 mPa)-70dB min(0dB 二 1Vjubar)指向角75 o80 o容量2500 土 25% pF2500 土 25% pF图2-4 传感器UCM-T40KI和传感器UCM-R4OKI特性参数2.3.2超声波发射电路设计超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40-16T能向外界发出40 kHz左右 的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波

10、脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由 555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端 口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲 信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足 够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40-16T以声波形式发射到 空气中。发射部分的电路，如图2-5所示。图中输出端上拉电阻R31，R32，方面可 以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效 果，缩短其自由振荡的时间。图2-5超声波发射电路框图本系

11、统用单片机P1.0发射一组方波脉冲信号，其输出波形稳定可靠，但输出电流 和输出功率很低，不能够推动发射传感器发出足够强度的超声信号，所以在此间加入一 个单电源乙类互补对称功率放大电路，如图2-6所示。-VCC图2-6超声波发射电路2.3接收电路的设计接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。因压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷，电荷量很少，只能提供微小交变的电压 信号，而不能提供电流信号。所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分 放大，同时考虑可能出现干扰信号，放大有用信号的同时加入滤波电路，驱动后面的比 较器输出电位跳变，作为确定接收到的时刻。前置放

12、大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰， 从而达到最大信噪比，以利于后续电路的设计。电路如图2-7所示，考虑到超声换能器的输出电阻比较大（一般数百兆欧姆以上）， 因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗；同时，换能器的输出电压很小（数十毫伏）， 这就要求前置放大电路有很高的精度、很小的输入偏置电压。前置放大电路是由一个 高精度、高输入阻抗放大器TL082及电阻R2、R和R构成，组成反向比例放大电路，3这样可以减小地线噪声的影响。2.4单片机LED显示电路设计显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都 要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不

13、同而己。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器 或者屏幕较大的LCD于显示的距离范围在4米之内，选用3位LED示，表示距离的XXXcm 数值。液晶屏。综合课题的实际要求由数码管，通过单片机编程实现显示，表示距离的 XXXcm数值。/798107 116 125 134 143 N152 161 Res Pack41 2 3 4 5 6 7 XXXXXX XYKK 8 P abed efgDDpy Red-CCC3VC1- 2- 3- 4- 5- 6- 7 X- X- X- X- X- X- X /K K8 p a b cd e

14、f gDDpy Red-CC/XIX2/X3/X4/X7/X8a KgDPDpy Red-CCY3IN1OUT1IN2OUT2IN3OUT3IN4OUT4IN5OUT5IN6OUT6IN7OUT7GNDCOM141310121198P0.0/AIP0.1/AIP0.2/ADP0.3/ADP0.4/ADP0.5/ADP0.6/ADP0.7/ADP1.0/TP1.1/T2IP1.2/E(P1.3/CEP1.4/CEP1.5/CEP1.6/CEP1.7/CEIK2C2 XTAL11XTAL1XTAL2Y1VCCRSTEA/VPP PSEn ale/ProgP3.0/RxDP3.1/TxDP3.2/I

15、Nt0P3.3/INT1P3.4/T0P3.5/T1P3.6/WRP3.7/RDVSSP2.0/AP2.1/AP2.2/A1P2.3/A1P2.4/A1P2.5/A1P2.6/A1P2.7/A110AT89S51图2-8显示部分的电路图ULN2003A VCCOECLKVCCD0O0D1O1D2O2D3O3D4O4D5O5D6O6D7O7GNDV 74ACQ574PC本单元电路设计如图2-8所示，米用3位共阴极数码显示管，显示字符由单片机 P2 口送至锁存器74HC574锁存，再经显示驱动芯片ULN2O03驱动数码管显示,P0.1-P0.3 分别控制每一位的动态显示。74HC574为三态输出D

16、型上升沿触发器，图2-9为其引脚图，在输入使能端0E有 效时，当时钟脉冲CK有上升沿跳变，触发器发生翻转，将锁存的8路输入数据（即单片 机P2 口送出的字符数据）送出显示。其功能表，如表2-1OE1D2D3D4D5D6D7D8D9D匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚O 98 7 654321 一I T4 一I 一I 一1 一I 一I 1X 一Ic K c Q- Q- Q- Q- Q- Q- Q- Q- L u- 1 2 3 4 5 6 7 0Q Cnnnnnnnnn图2-9 74HC574引脚图INPUT却OUTPUT aQ QOECLKDQLHaHdLL*LaLH or LQ2HX图2-10ULN2003

17、引脚图表2-174HC574功能表ULN2003为显示驱动芯片，抬升单片机的输出电流，提高负载驱动能力。其引脚如 图2-10所示，其内部含七对达林顿放大管，其主要功能:当输入为高电平时，输出为低 电平;输入为低电平时，输出为高电平。本课题让单片机P0.1-P0.3经此芯片提升驱动 能力从而控制数码管的位选，实现数据动态扫描输出。2.4.1 LCD显示部分本设计显示部分采用字符型TC1602液晶显示所测距离值。TC1602显示的容量为2 行16个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸 多优点，与数码管相比，显得更专业、美观。使用时，可将P0与LCD的数据线相连， P

18、2 口与LCD的控制线相连，如图2-11所示。1615E 1妙_I帅22-11 I TC?602 液晶显8765W电路，第 5脚祁W討读写信号线，第6脚E为使 脚：doD7为8位双向数据线。.这里要注意正好相相反,，因此在编写软件时需要做处其中,TC1602第4脚RS能端。第714丿片机端的DOD7是接到LCD / 602的D1DO,20 kl理，使读取正确。3系统软件设计器选择,的是，为了布线方便，单3.1系统程序结构(1) DS18B20温度传感器接口模块，分为初始化程序、写入命令以及读取子程序等 部分；(2) 基于YB1602的显示模块，分为初始化子程序、写入子程序以及显示子程序；(3)

19、 本次设计使用C语言编写程序,C语言相比汇编有许多的优势;编译器使用Keil Version2进行程序编译，该软件功能强大使用方便。主程序，分为系统初始化、按键处理以及各个子程序的调度管理等部分。 如图3-1所示描述了各个模块的关系：DS18B20初始化超声波发射距离计算按键处理LED显示模块超声波接收蜂鸣器鸣音图3-1系统软件方框图3.2系统主程序:本设计主程序的思想如下：(1) DS18B20在12位精度下转换周期为750ms，故900ms满足该速度要求；超声波每隔 60ms发送一次。(2) 按键S为测量启动键；(3) 系统采用AT89S52的内时钟：12MHz；(4) 没有使用看门狗功能

20、；(5) 超声波发送一定时间后才开始启动检测，避免直达信号造成误判。所以系统最小测量约为112mm；系统主程序如下：void main(void)uchar i,j; for(i=0;i255;i+) for(j=0;j255;j+);sys_i nit(); display。； sta_flag=0;waitforstarting: wh il e(START); for(i=0;i20;i+) delay1ms();if(START)goto waitforstarting;/延时，等待系统外围复位完成/初始化/显示/标准复位/检测按键BUZZER=0; i=100000; while(i

21、);BUZZER=1; i=100000; while(i);TR0=1;/蜂鸣器鸣音一次提示按键按下/启动定时器0while(1)if(sta_flag)wh il e(0=CSBIN);/60MS到了，超声波已经发送/等待超声波返回TR1=0; jsh=TH1;t emp=wd(); count=0;/停止计数testt emp();/重新启动转换display。；comp ut er();/刷新显示/计算距离hex to bcd();/转化成BCD码sta_flag=0;void sys_init(void)uchar i;/标志清零for(i=0;i29;i+)/显示清零 numi=0

22、;TM0D=0xll;TH0=0x15;TL0=0xA0;P0=0;CNT=0;/超声波发送关闭CSBIN=1;EA=1;/开放总中断Ini t_LCD();3.2实现距离计算floa t Dis_cou nt()/距离计算函数float cm;cm二TH1*256+TLl;cm-=7610; cm*二speed; cm/=20000; return cm;3.3系统原理图/减去限制10M的初值+可调误差值/计算距离uS*34650m3.3.1系统PCB板图/转换为s单程4心得体会本次设计是对自动控制系统、单片机原理及应用、计算机控制技术等专业课 学完之后的一次复习和应用，在设计过程中遇到了一些难题，查阅参考资料给了我很大 的帮助。这次的设计也是存在不足的，在实际生产应用方面还有很大改进的的空间，但 是尽自己的努力设计出这个超声波测距系统也让自己觉得很满足和充实，在今后的学习 中我会牢记专业知识，在作业或者生活中运用所学，学以致用。5参考文献1求是科技单片机典型模块设计实例导航第一版北京：人民邮电出版社.2002 2谢剑英，贾青微型计算机控制技术第三版.北京：国防工业出版社,2001 3潘新民微型计算机与传感器技术.北京：人民邮电出版社，19964肖看、李群芳，单片机原理、接口及应用，第二版，清华大学出版社2010