基于單片機的超聲波測距儀設計畢業設計(論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 構如圖 31 所示。它主要由單片機、超聲波發射及接收電路、超聲波傳感器、鍵盤、 LED 顯示電路及電源電路組成。系統主要功能包括： 1) 超聲波的發射、接收， 并根據計時時間計算測量距離； 2) LED 顯示器顯示距離； 3) 鍵盤接收用戶命令并處理； 4) 當系統運行不正常時，用電平式開關與上電復位電路復位。 圖 31 超聲波測距儀系統結構框圖 齊魯工業大學 2020 屆本科畢業設計（論文） 7 單片機 AT89C52 單片機即單片微型計算機 SCMC（ Single Chip MicroComputer）。它把構成一臺計算機的主要功能部、器件，如 CPU（進行運算、控制）、 RAM（數據存儲）、 ROM（程序存儲）、輸入 /輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）、中斷系統、定時 /計數器等集中在一塊芯 CPU（進行運算、控制 ）、 RAM（數據存儲）、 ROM（程序存儲）、輸入/輸出設備（例如：串行口、并行輸出口等）制功能，所以又稱為微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。相對于普通微機，單片機的體積要小得多，一般嵌入到其他儀器設備里，實現自動檢測與控制，因此也稱為嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 本設計的 MCU 采用的是 DIP（ Dual Inline Package 塑料雙列直插式）封裝的AT89C52 高性能 8 位單片機。 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內含 4k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128 bytes 的隨機存取數據存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準 MCS51指令系統，片內置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內置功能強大的微型計算機的 AT89C51 提供了高性價比的解決方案 [9]。 AT89C52 是一個低功耗高性能單片機， 40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數器 ,2 個全雙工串行通信口， AT89C51 可以按照常規方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash存儲器結合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發成本。 其引腳圖如圖 32[4]。 AT89C52 的引腳 功能 有： 1) 主電源引腳 VSS—— 第 20 腳，電路接地電平。 VCC—— 第 40 腳，正常運行和編程校驗 +5V電源。 2) 時鐘源 XTAL1—— 第 19 腳，一般外接晶振的一個引腳，它是片內反相放大器的輸入端口。當直接采用外部信號時，此引腳應接地。 XTAL1—— 第 18 腳，接外部晶振的另一個引腳，它是片內反相放大器的輸 出端口。當采用外部振蕩信號源泉時，此引腳為外部振蕩信號的輸入端口，與信號源相連接 [10]。 齊魯工業大學 2020 屆本科畢業設計（論文） 圖 32 AT89C52 的引腳圖 3) 控制、選通或復用 RST/VPD—— 第 9 腳， RESET 復位信號輸入端口。當單片機正常工作時，由該引腳輸入脈寬為 2 個以上機器周期的高電平復位信號到單片機。在 VCC 掉電期間，此引腳 (即 VPD)可接通備用電源，以保持片內 RAM 信息不受破壞。 PROGALE/ —— 第 30 腳，輸出允許地址鎖存信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE 信號的負跳變將 P0 口上的低 8 位地址送入鎖存器。在非訪問外部存儲器期間，ALE 仍以 1/6 振蕩頻率固定不變地輸出，因此它可對個輸出或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 PROG 為第二功能，當對片內程序存儲器編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。 PSEN —— 第 29 腳，訪問外部程序存儲器選能信，低電平有效。當 AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效， 即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現。 /VPP/EA ：外部訪問允許。欲使 CPU 公訪問外部程序存儲器（地址0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復位時內部會鎖存 EA 端狀態。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V的編程允許電源 VPP，當然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 VPP。 4) 多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 腳， 8 位漏極開路雙向 I/O 端口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 P1 口 —— 第 1~8 腳，具有內部上拉電路的 8 位準雙向 I/O 端口。在對片內程序存齊魯工業大學畢業 2020 屆本科畢業設計（論文） 9 儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，用做低 8 位地址總線。 P2 口 —— 第 21~28 腳，具有內部上拉電路的 8 位準雙向 I/O 端口。當單片機 訪問存儲器時，用做高 8 位地址總線；在對片內程序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，亦用做高 8 位地址總線。 P3 口 —— 第 10~17 腳，具有內部上拉電路的 8 位準雙向 I/O 端口。它還提供特殊的第二變異功能。它的每一位均可獨立定義為第一功能的 I/O 口或第二變異功能。第二變異功能的具體含義如表 31： 表 31 P3口的第二變異功能 端口引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） 0INT （外中斷 0） 1INT （外中斷 1） T0 （定時 /計數器 0） T1 （定時 /計數器 1） WR （外部數據存儲器寫選通） RD （外部數據存儲器讀選通） 超聲波傳感器 超聲波是指頻率高于 20kHz 的機械波。超聲波在恒定環境條件下的傳播速度不變。 超聲波傳感器主要材料有壓電晶體 （電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，所以它可以分成接收器和發送器。超聲波傳感器由兩個壓電晶片和一個共振板組成，當壓電晶片的兩極加上頻率等于其固有諧振頻率的脈沖信號時，壓電晶片產生共振，并帶動共振板產生振動，同時帶動壓電晶片也一起振動，將機械能轉換為電能，稱為超聲波接收器。超聲波傳感器利用壓電效應進行電能和超聲波機械能的相互轉換，也稱為超聲波換能器。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，但外觀基本一致。有的超聲波傳感器既作發送，也能作接收。 齊魯工業大學畢業 2020 屆本科畢業設計（論文） 10 第 4 章 硬件電路設計 超聲波發射電路 超聲波發射電路原理圖如圖 41所示。發射電路主要由反相器 74LS04和超聲波發射換能器 T40構成，單片機 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。輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上位電阻 R R2 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。 圖 41 超聲波發射電路原理圖 超聲波接收電路 超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級放大電路和鎖相環電路組成。超聲波傳感器接收到的反射波信號非常微弱，兩級放大電路用于對傳感器接收到的信號進行放大。鎖相環電路接收到頻率符合要求的信號后向單片機發出中斷請求。鎖相環LM567 內部壓控振蕩器的中心頻率為 )(10 CRf P? ，鎖定帶寬與 C3 有關。由于發送的超聲波頻 率為 40kHz，幫調整相關元件使鎖相環的中心頻率為 40kHz，只響應該頻率的信號，避免了其他頻率信號的干擾。 當超聲波傳感器接收到超聲波信號后，送入兩級放大器放大，放大后的信號進入鎖相環檢波，如果頻率為 40kHz，則從 8 腳發出低電平中斷請求信號送單片機 端，單片機檢測到低電平后停止定時器的工作。超聲波接收電路如圖 42 所示。 齊魯工業大學畢業 2020 屆本科畢業設計（論文） 11 圖 42 超聲波接收電路 顯示電路 顯示電路如圖 43，四位 LED 組成動態掃描電路，由 AT89C51 的 P0 口輸出。動態掃描時，由 P2 口控制 LED 的當前顯示位。當距 離測量結束并調用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數。當按下按鍵 k2 時，將會顯示溫度值，延時 5s 后恢復顯示距離值。 圖 43 顯示電路 電源電路 電源電路如圖 44所示。為方便起見，本設計采用的是 9V電池供電，直流電送入三端穩壓器 LM7805 穩壓，輸出 +5V穩恒直流電，作為電路的電源。 LED 是電源指示燈，通電后發光。 齊魯工業大學畢業 2020 屆本科畢業設計（論文） 12 圖 44 電源電路 第 5 章 軟件設計及系統仿真 主程序流程 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。 因為本設計對時間要求精度較高的部分全部由單片機內部的定時器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對時間精度要求也高，但經詳細計算所得出的 C 程序已被廣泛應用，故直接借用已有程序也能作到對溫度的準確讀取，所心本設計全部使用 C語言編程，這樣能使設計中所用到的公式能方便快捷的體現和實現， 又縮短了論文的篇幅。本設計的主程序流程圖如圖 51 所示。 齊魯工業大學畢業 2020 屆本科畢業設計（論文） 13 N Y N Y N Y Y N 開始 系統初始化 顯示測量距離 測溫，根據溫度和時間計算距離 顯示溫度5s 發射超聲波， T1計時 K2 閉合？ T1停止定時，保存定時值 N 接 收 到 反 射波？ K1 閉合？ K3 閉合？ 圖 51 主程序流程圖 系統上電后，首先系統初始化，不斷掃描按鍵 k1，若按鍵 k1 按下，則開始測量空氣溫度，然后將 置位，使定時器 T0 開始定時，控制超聲波傳感器發出超聲波，同時使定時器 T1 開始定時。 CPU循環檢測 引腳，當 為低電平時接收到回波，立即使 T1 停止工作，保存定時器的計數值。 然后根據溫度和傳輸時間計算距離，溫度補償措施使測量精度有了明顯提高，計算出距離后調用距離顯示子程序， LED 顯示距離。 最后檢測按鍵 k2，若 k2 閉合，則調用溫度顯示子程序， LED 顯示溫度（溫度并非測量距離時用于補償的溫度，而是當前溫度） 5s 后恢復顯示本次測量距離；若按鍵k2 沒有閉合，則顯示器恒定顯示最新一次的測量結果；若要進行下一次測量，則先齊魯工業大學畢業 2020 屆本科畢業設計（論文） 14 要按下 k3 重新開始，再按下按鍵 k1 才執行新一次測量。由于不需輸入數據，鍵盤只設置了 3 個按鍵，用于開始測量距離并顯示溫度功能設置等。 設計 超聲波 發送及接收中斷子程序原理 超聲波發生子程序的作用是通過 端口發送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 T1 打開進行計時 ，定時器 T1工作在方式 0。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 1 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 1INT 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T1 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 T1 溢出中斷將外中斷 1 關閉，并將測距成功標志字賦值 0 表示此次測距不成功。 距離計算子程序 當前溫度和超聲波往返時間均測量出來后，用 C語言根 據公式計算距離來編程是比較簡單的算法。 根據測量距離 ctD 21? ，其 實現 程序算法如下： include void distance(void) { double radical,dist,t。 radical=sqrt(1+(temnum+273)/273)。 dist=*t*radical。 return(dist)。 } —— Keil 單片機開發中除必要的硬件外，同樣離不開