畢業設計-基于at89c51單片機超聲波測距儀的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 管VCCVCCVCC20K*超聲波換能發射器*超聲波換能接收器 圖 24 超聲波測距電路原理圖 93 系統軟件的設計 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 超聲波 測距儀的算法設計 [10] 超聲波測距的原理為超聲波發生器 T 在某一時刻發出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 （ 1） 其中， d 為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的 時間。 在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下： RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關外部中斷 0 ? MOV R7, TH0 ；讀取時間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH；計算時間差 10 MOV 31H, A ；存儲結果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC? POP PSW RETI 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖 31（ a）（ b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 11 主程序首先是對系統環境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時約 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數器每計一個數就是 1μs ，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器 T0 中的數（即超聲波來回所用的時間）按式（ 2） 計算，即可得被測 物體與測距儀之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速為 344 m/s 則有： d=(ct)/2=172T 0/10000cm (2) 其中， T0 為計數器 T0的計算值。 測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離，主程序采用 C語言編寫。 超聲波發生子程序和超聲波接 收中斷程序 超聲波發生子程序的作用是通過 端口發送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻率約 40kHz 的方波），脈沖寬度為 12μs左右，同時把計數器 T0 打開進行計時。超聲波發生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷 將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時單片機 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優先級為先右后左。部分源程序如下： receive1： push psw push acc 12 clr ex1 ；關外部中斷 1 jnb , right ； 引腳為 0,轉至右測距電路中斷服務程序 jnb , left ； 引腳為 0,轉至左測距電路中斷服務程序 return： SETB EX1；開外部中斷 1 pop? acc pop? psw reti right： ...? ；右測距電路中斷服務程序入口 ? ajmp? return left： ... ；左測距電路中斷服務程序入口 ? ajmp? return 系統的軟硬件的調試 [11] 超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發射和接收采用 Φ15 的超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情況可以修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為 ～ ，測距儀最大誤差不超 過 1cm。系統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。 軟件的調試程序見附錄一 13 總 結 由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有做出實物。但是對設計有一個很好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距儀 能夠產生超聲波，實現超聲波的發送與接收，從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離。以數字的形式顯示測量距離。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 超聲波測距儀 硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用 PNP三極管 8550 驅動。 超聲波 發射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發射換能器 T 構成，單片機 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發射強度。輸出端采兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻 R1O、 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體 的諧振來工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 14 超聲波發射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 超聲波檢測接收電路 主要是由 集成電路 CX20216A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收 器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz與測距的超聲波頻率 40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用 CX20216A接收超聲波 (無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容 C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實現較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距 離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器 T0停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A 的輸 出接單片機 INT1 端口，同時單片機 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優先級為先右后左。 超聲波測距的算法設計原理為超聲波發生器 T在某一時刻發出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發生器與反射物體的距離。 在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負 跳變，在 INT0 或 INT1 端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 在元件及調制方面， 由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調試應該不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調試應該會正常工作。電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。 根據測量范圍要求不 同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容 C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度 15 和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。 致 謝 首先，我要感謝我的導 師 ***老師在畢業設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，同時也感謝本校的一些老師在畢業設計期間所給予我得幫助。在我畢業論文寫作期間，各位老師給我提供了種種專業知識上的指導和日常生活上的關懷，沒有您們這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業設計，借此機會，向您們表示由衷的感激。同時還要感謝系實驗室在畢業設計期間提供給我們優越的實驗條件。 接著，我要感謝和我一起做畢業設計的同學。在畢業設計的短短 3 個月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠的謝謝你們。同時，我還要感謝我的寢室同 學和身邊的朋友，正是在這樣一個團結友愛，相互促進的環境中，在和他們的相互幫助和啟發中，才有我今天的小小收獲。 最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養育成人，在生活和學習上給予我無盡的愛、理解和支持，才使我時刻充滿信心和勇氣，克服成長路上的種種困難，順利的完成大學學習。 還有許許多多給予我學業上鼓勵和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一并表示忠心地感謝！ 16 17 參考文獻 [1] 胡萍 .超聲波測距儀的研制 .計算機與現代化， [2] 時德剛，劉嘩 .超聲波測距 的研究 .計算機測量與控制， [3] 華兵 .MCS51單片機原理應用 .武漢：武漢華中科技大學出版社， 2021 .5 [4] 李華 .MCU51系列單片機實用接口技術 .北京：北京航空航天大學出版社， 1993. 6 [5] 陳光東 .單片機微型計算機原理與接口技術 (第二版 ).武漢：華中理工大學出版社， [6] 徐淑華，程退安，姚萬生 .單片機微型機原理及應用 .哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社， 1999. 6. 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