單片機(jī)課程設(shè)計(jì)--超聲波測(cè)距儀

1、<p><b>　　課程設(shè)計(jì)成果說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　題 目： 超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué) 院：

2、 </p><p>　　班 級(jí)： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　2015年11月20日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>

3、;　　由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到日常使用的要求。 </p><p>　　超聲波測(cè)距儀，可應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。利用超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距

4、離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。   本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，采用以STC12C5A單片機(jī)為核心進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，最終完成超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。該測(cè)距儀主要由超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路、單片機(jī)控制電路、系統(tǒng)電源電路及顯示電路構(gòu)成。整個(gè)程序采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的

5、信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距器的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波；測(cè)距；傳感器</p><p><b>　　選題背景</b></p><p>　　隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動(dòng)測(cè)量技術(shù)不斷更新，非接觸式測(cè)量技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在很多工控場(chǎng)

6、合，測(cè)量的物體是不能夠直接接觸到的，或者是測(cè)量物體不宜直接接觸, 這個(gè)時(shí)候就要用到非接觸式的測(cè)量?jī)x器。自物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此超聲波技術(shù)得到廣泛運(yùn)用。而在超聲波測(cè)量領(lǐng)域，尤其是在測(cè)距領(lǐng)域，結(jié)合各種其他技術(shù)的應(yīng)用，超聲波測(cè)量變得十分普及。 </p><p>　　超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，縱向分辨率較高。超聲波對(duì)色

7、彩、光照度、外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲測(cè)距對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力，在液位測(cè)量、機(jī)器人避障和定位、倒車(chē)?yán)走_(dá)、物體識(shí)別等方面有著廣泛的運(yùn)用。與其他測(cè)距方法相比，超聲波測(cè)距方法有其自己的特點(diǎn)： </p><p>　　(1) 相對(duì)于聲波，超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過(guò)程中的衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。 </p><p>　　

8、(2) 相對(duì)于光學(xué)方法，超聲波的波速小，可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；對(duì)色彩、光照度、電磁場(chǎng)不敏感，被測(cè)物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。特別是在海洋勘測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　(3) 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化。 </p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)

9、用將越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)思路</b></p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)包括超聲波的發(fā)射與接收系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：</p><p>　　2-1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖&

10、lt;/p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計(jì)兩部分。系統(tǒng)硬件電路部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語(yǔ)音報(bào)警模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊組成。單片機(jī)為系統(tǒng)主控芯片，超聲波傳感器作為測(cè)量器件，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行程序處理，最后通過(guò)顯示模塊顯示出測(cè)量的距離值并進(jìn)行報(bào)警。如圖：3-1超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件框圖。</p><p>　　圖3-1超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件框圖</p&

11、gt;<p><b>　　基本原理 </b></p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)能夠在必要的時(shí)候（例如：汽車(chē)倒車(chē)）通過(guò)單片機(jī)控制發(fā)射電路發(fā)射超聲波，超聲波向前傳播。當(dāng)超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)反射回來(lái)，由接收電路接收。接收電路會(huì)把信號(hào)傳送到單片機(jī)中，由單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理。所得到的結(jié)果會(huì)通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出來(lái)。如果距離小于一個(gè)特定的值，單片機(jī)會(huì)發(fā)出指令讓報(bào)警裝置發(fā)出相

12、應(yīng)的警報(bào)聲。在此過(guò)程中，如果發(fā)射裝置與障礙物之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么LED數(shù)碼管會(huì)不斷地顯示兩者之間最新的距離。而單片機(jī)會(huì)對(duì)距離的變化情況發(fā)出不同的指令。如果兩者的距離超出一定的范圍（本次設(shè)計(jì)是四米），就不再會(huì)進(jìn)行報(bào)警。但是如果兩者之間的距離不斷縮小，那么報(bào)警的聲音就會(huì)發(fā)生變化，以便能夠給人們提示。</p><p>　　超聲波測(cè)距器是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)

13、射同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止時(shí)。通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差△T，然后求出距離L。 </p><p>　　基本的測(cè)距公式為： </p><p>　　S=(△T/2)*V  </p><p>　　其中

14、式中：  S ：為被測(cè)距離； </p><p>　　△T：為發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔；      </p><p>　　V ：為超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s 。</p><p>　　聲速確定后，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間，即可求得S 。&

15、lt;/p><p>　　超聲波測(cè)距原理圖如圖：</p><p>　　圖 1.1超聲波測(cè)距原理圖</p><p>　　超聲波測(cè)距模塊工作原理</p><p>　　這一部分采用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊。超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm--4m的非接觸式距離感測(cè)功能，包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測(cè)距模塊一觸發(fā)信號(hào)后發(fā)

16、射超聲波，當(dāng)超聲波投射到物體而反射回來(lái)時(shí)，模塊輸出一回響信號(hào)，以觸發(fā)信號(hào)和回響信號(hào)間的時(shí)間差，來(lái)判定物體的距離。</p><p><b>　　基本工作原理： </b></p><p>　　(1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào);</p><p>　　(2) 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

17、</p><p>　　(3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí) 間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2; </p><p><b>　　參數(shù)設(shè)置：（如圖）</b></p><p>　　圖 4-2-1 參數(shù)設(shè)置</p><p&

18、gt;<b>　　時(shí)序圖的說(shuō)明：</b></p><p>　　圖 4-3-1超聲波模塊時(shí)序圖</p><p>　　你只需要提供一個(gè)短期的 10uS 脈沖觸發(fā)信號(hào)。該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。回響信號(hào)是一個(gè)脈沖的寬度成正比的距離對(duì)象。可通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式: uS/5

19、8=厘米或者 uS/148=英寸。建議測(cè)量周期為 60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響.</p><p><b>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：</b></p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件電路的設(shè)計(jì)包含著軟件的設(shè)計(jì)思路，軟件的設(shè)計(jì)又能更好的發(fā)揮硬件的功能。軟件對(duì)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的，如果說(shuō)硬件是一個(gè)系統(tǒng)的軀體，那么軟件就是這個(gè)系統(tǒng)的靈

20、魂，整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行操作都是在軟件的協(xié)調(diào)指揮下進(jìn)行的。當(dāng)系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，軟件的設(shè)計(jì)在很大程度上就決定了產(chǎn)品的性能。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)分析</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，它所需要完成的主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和各個(gè)電路功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：<

21、;/p><p>　　信號(hào)控制。在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回波檢測(cè)接收電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成發(fā)射脈沖信號(hào)及輸出顯示。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。</p><p>　　信號(hào)處理。RAM中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值

22、直接顯示輸出，超聲波從發(fā)射出去碰到障礙物返回接收傳感器的時(shí)間，需要通過(guò)軟件定時(shí)器來(lái)記錄。根據(jù)這個(gè)時(shí)間才能計(jì)算出障礙物的距離。</p><p>　　數(shù)據(jù)傳輸與顯示。經(jīng)軟件處理得到的距離要以十進(jìn)制的方式送LED顯示。</p><p><b>　　軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　主程序：</b></p>

23、<p>　　圖 5.2.1 主程序框圖結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　超聲波產(chǎn)生子程序：</b></p><p><b>　　主程序：</b></p><p>　　//**************** 主程序 ***********************//</p><p>　　v

24、oid main()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　//</b></p><p>　　Ultrasonic_out=0;</p><p><b>　　SP=0X80;</b></p><p>　　P4SW=0x70

25、; //P4.4--P4.6為普通IO口 X111 xxxx;</p><p>　　P0M1=0X00; //P0為準(zhǔn)IO口</p><p>　　P0M0=0X00; //P0為準(zhǔn)IO口</p><p>　　setup(); //液晶上電初始化</p><

26、;p>　　TMOD=0x11; //16位定時(shí)器設(shè)定</p><p>　　TH0=0X3C; //50毫秒定時(shí)值</p><p>　　TL0=0XB0; //50毫秒定時(shí)值</p><p>　　TH1=0X00; //超聲回波計(jì)時(shí)用</p><p>　　TL1=0X00; //超聲回波計(jì)時(shí)

27、用</p><p>　　//flashing_lamp1=1; //關(guān)指示小燈1</p><p>　　LO_lamp=1; //關(guān)指示小燈或蜂鳴器</p><p>　　set_flashing_flag=0; //設(shè)定時(shí)調(diào)整單元閃爍標(biāo)志，0正常顯示，1熄滅</p><p>　　set_time_fl

28、ag=0; //時(shí)間調(diào)整控制，值域：0-8，分別為正常，調(diào)年、月、日、時(shí)、分、秒、星期、高溫、低溫</p><p>　　second_conter=0; //秒計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　//</b></p><p>　　BLACK=0; //開(kāi)液晶背光燈</p><

29、p>　　_write(0x80,16,disdata1);//初始開(kāi)機(jī)畫(huà)面,寫(xiě)液晶第1行</p><p>　　_write(0x90,16,disdata2);//初始開(kāi)機(jī)畫(huà)面,寫(xiě)液晶第2行</p><p>　　_write(0x88,16,disdata3);//初始開(kāi)機(jī)畫(huà)面,寫(xiě)液晶第3行</p><p>　　_write(0x98,16,disdata4)

30、;//初始開(kāi)機(jī)畫(huà)面,寫(xiě)液晶第4行</p><p><b>　　//</b></p><p>　　//18B20溫度傳感器開(kāi)機(jī)時(shí)先轉(zhuǎn)換一次</p><p>　　ow_reset(); // 18B20復(fù)位</p><p>　　write_byte(0xCC); // 18B20Skip ROM</p>

31、;<p>　　write_byte(0x44); // 18B20發(fā)轉(zhuǎn)換命令</p><p><b>　　//</b></p><p>　　delay1ms(3000); //LOGO顯示約3秒</p><p><b>　　//</b></p><p>　　//讀出EEPROM中存

32、放的高低溫報(bào)警設(shè)定值</p><p><b>　　//</b></p><p>　　temp_bj_max = IapReadByte(IAP_ADDRESS); //高溫報(bào)警設(shè)定值</p><p>　　temp_bj_min = IapReadByte(IAP_ADDRESS+1); //低溫報(bào)警設(shè)定值</p><p&

33、gt;<b>　　//</b></p><p>　　Bj_D=IapReadByte(IAP_ADDRESS+2)|(IapReadByte(IAP_ADDRESS+3)<<8); ////取報(bào)警距離數(shù)據(jù)</p><p><b>　　//</b></p><p>　　//初次寫(xiě)入程序時(shí)如數(shù)值不在規(guī)定域內(nèi)則指定

34、一個(gè)數(shù)據(jù)</p><p>　　if(Bj_D>max_D||Bj_D<min_D)Bj_D=100; //值在100mm--4000mm內(nèi)</p><p>　　if(temp_bj_max>max_temp||temp_bj_max<min_temp) temp_bj_max =40; //-40--80</p><

35、p>　　if(temp_bj_min<min_temp||temp_bj_min>max_temp) temp_bj_min =0; //</p><p><b>　　//</b></p><p>　　BjD_set_BCD_disp(); //設(shè)定參數(shù)顯示</p><p>　　temp_set_data_BCD

36、_disp(); //設(shè)定參數(shù)顯示</p><p>　　delay1ms(3000); //設(shè)定參數(shù)顯示約3秒</p><p><b>　　//</b></p><p>　　BLACK=1; //關(guān)液晶背光燈</p><p><b>　　//</b></p

37、><p><b>　　// </b></p><p><b>　　//</b></p><p><b>　　V=344; </b></p><p>　　Distance=0; </p><p><b>　　//</b></p>

38、;<p>　　_write(0x80,16,disdata1); //工作畫(huà)面,寫(xiě)液晶第1行</p><p>　　_write(0x90,16,DISP_DATA2);//工作畫(huà)面,寫(xiě)液晶第2行</p><p>　　_write(0x88,16,DISP_DATA3);//工作畫(huà)面,寫(xiě)液晶第3行</p><p>　　_write(0x98,16,DI

39、SP_DATA4);//工作畫(huà)面,寫(xiě)液晶第4行</p><p><b>　　//</b></p><p>　　//***********以下主程序循環(huán)開(kāi)始*********************//</p><p>　　while(1) </p>

40、<p><b>　　{</b></p><p>　　read_temp(); //讀18B20溫度數(shù)據(jù)</p><p>　　work_temp(); //處理溫度數(shù)據(jù)并顯示刷新</p><p><b>　　//</b></p><p>　　Distance_dis

41、play();//測(cè)距程序</p><p>　　if(KEY0==0)keywork(); //日歷時(shí)鐘調(diào)整、高溫低溫報(bào)警值設(shè)定</p><p><b>　　//</b></p><p>　　//flashing_lamp1=~flashing_lamp1;//主程序運(yùn)行指示燈,調(diào)試用。經(jīng)測(cè)試每循環(huán)一次為100MS</p>&l

42、t;p><b>　　//</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　//以上主循環(huán)程序結(jié)束//</p><p><b>　　感悟心得</b></p><p>　

43、　經(jīng)過(guò)測(cè)試，本系統(tǒng)在電源供電的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)距、實(shí)時(shí)顯示的功能，在4米距離內(nèi)，測(cè)量速度快、準(zhǔn)確、精度高。</p><p>　　但作品不足的地方是，由于受測(cè)量環(huán)境以及標(biāo)定工具的限制，測(cè)量距離未能達(dá)到很遠(yuǎn)的指標(biāo)，而系統(tǒng)測(cè)量距離拉長(zhǎng)的一個(gè)很重要的就是自動(dòng)增益控制模塊的成敗，鑒于所學(xué)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)時(shí)間的限制，沒(méi)能夠做到更加完美。</p><p>　　本超聲波系統(tǒng)在測(cè)量近距離時(shí)，顯示很穩(wěn)定且迅速、