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1、.山 东 工 商 学 院SHANDONG INSTITUTE OF BUSINESS AND TECHNOLOGY单片机课程实训SCM PRACTICAL TRAINING实训设计题目Title Of Training 二维定位系统设计 分院（系别）Department 信息与电子工程学院 专业Speciality 电科 班 级Class2013级2班设计作者Author 张琪 苑根基 肖明亮完成日期Date2015年6月25日组 别Team 7 指导教师Advisor 张 岩.超声波定位系统摘要我们根据超声波的特性来研发制成超声波传感器，机械振动频率比声波高波，我们称之为超声波。超声波的频率
2、比较高，其次波长短和绕射现象不明显，而且具有方向性好，能量消耗缓慢，能长距离传播等优点。当今社会，在传感器以及自动控制测距离的方案中，超声波测距是被最广泛应用的一个方案，它被使用于以下的实际操作中，例如，水位的测量，建筑工地测距这些场合。本论文讨论了超声波的定位系统以及相应的算法，还比较全面地描述了超声波传感器的原理以及特性。基于超声波测距原理的分析，提出了超声波测距系统的设计过程和需要问题。以MC9S12XS128单片机为核心，我们设计好的超声波测距仪以及硬件电路有很多优势，它的精度高、低成本以及数字显示的使用微型。这个系统的电路的设置和布局较合理，工作性能和稳定性好，计算简单，实时控制是比
3、较容易做到的，更重要的是，测量精度满足了工业实际的要求。关键词：超声波定位算法；超声波传感器；超声波测距；误差分析。目 录第一部分 课程设计任务书1一、课程设计题目1二、课程设计时间1三、课程设计提交方式1四、设计要求1第二部分 课程设计报告2一、单片机发展简史2二、MCS-51单片机系统简介3三、设计思路4四、硬件设计电路5五、软件设计流程8六、程序源代码9七、结束语14八、参考文献15.第一部分 课程设计任务书一、课程设计题目二维定位系统设计二、课程设计时间一周三、实训提交方式提交实训设计报告四、设计要求1. 基本要求 1.对矩形平面内的物体进行距离测量，给出其距离矩形四个顶点中任意两个顶
4、点间的距离，并显示，误差 5cm。 2.当平面内没有被测物体时，给出相应的声光报警信息。3.给出物体相对于其中一条边的方位角度 ，误差 。 2. 发挥部分 1.移动被测物体，传感器可以捕获到物体的移动，并重新给出距离和方位角度。注：物体的移动可以人为手动移动，但传感器不能手动对准物体，捕获时间小于2分钟。2.物体连续运动时，可以记录物体移动的轨迹，并绘图显示。3.进一步提高测量精度。.第二部分 课程设计报告一、 单片机发展概况1.1什么是单片机单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、
5、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。以8位单片机的推出作为起点，单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段：第一阶段（1976-1978）：单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的控索，参与这一控索的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。第二阶段（1978-1982）单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个
6、方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多机通信功能的串行通信接口。第三阶段（1982-1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS-51系列的广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了
7、外围电路路功能，强化了智能控制的特征。第四阶段（1990现在）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。二、 MCS-51单片机系统简介单片机：硬件简单，字长一般为8位，也有16位的，存储空间最小。集成的片内外设比较丰富。由于硬件的局限性，导致软件上就不能太大，采集速度低。难以完成复杂的实时运算。单循环式，一般没有操作系统。ARM系列：也叫高端单片机，硬件集成度高，集成的片内外设很多，通常集成串口，USB，CAN等各种控制器，通讯方便。字长一般32位。性能高，速度快，主频
8、一般100M左右，ARM9可达600M可以同时进行复杂的实时运算。某些DSP的运算能力超过奔腾计算机。存储空间大，可以支持操作系统，带操作系统，多任务并发处理能力强，实时性高。三、 设计思想当前超声波测距技术应用已经比较成熟，但是对超声波定位系统的研究探讨才在刚起步的阶段。超声波定位的原理和无线电定位原理有比较相似，区别是超声波其在空气传播过程中的衰减很大，其仅能在较小的空间范围适用。在实际中，超声波测距系统在短距离测量中得到了应用，其精度在厘米级，如在没有人的车间的场所运动物体定位的选择等使用超声波定位系统比较好。为了研究超声波定位系统，我们要从研究超声波的测距方法开始，之后由距离和提供的计
9、算方法来求出待被定位的物体的位置坐标，我们采用的是反射式测距法：这种测距法就是超声波发射器发射超声波，然后发射的超声波被待测物反射从而产生回波被接收探头接收 ,我们依据回波和发射波之间的时间隔则就可以求出待测物与发射器之间的长度距离。其原理图如图1-1所示图1-1 采用回波测距法的原理图超声波发射器在空气中向任一目标位置发射超声波，发射超声波的同一时刻马上进行计时，超声波在空气传递过程当中如果遇到障碍物就会即刻返回，一旦超声波接收器获取到反射信号则就会马上中止计时。超声波处于空气中传播的速率约为340米每秒，并读出计时器所获得的时间t，基于计算公式就能够求出发射点与障碍物之间的长度距离s，也就
10、是：s=340t/2。这就是所被人们称为时间差测距法。四、 硬件电路设计对于超声波发射和接受部分要考虑其结构复杂，所以在设计时考虑设计的难易程度和在涉及做成实物时让其简化，所以在设计时我选择用US-100超声波收发模块。以下是对超声波模块作出说明；该超声波收发模块可自己产生40kHz的方波，并经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后由超声波接收探头接收。经接收电路的检波放大，积分整形，在ECHO引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距离成线性关系。具体过程如图3-2所示。 图3-2 US-100超声波收发模块工作时序图图3-2表明：只需要在Trig/TX管脚输入一个
11、10us以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过ECHO/RX管脚输出。在此模式下，模块将距离值转化为340m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一个高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：（高电平时间*340m/s）/2注：因为距离值已经经过温度校正，此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正，也就是不管温度多少，声速选择340m/s即可。使用US-100超声波收发模块进行距离测量测量时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器
12、计算回响信号宽度，并换算成距离即可。该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠，其参数指标如表3-3所示。 图3-3超声波收发模块应注意测量周期必须在60毫秒以上，防止发射信号对回响信号的影响。模块共有两个接口，即模式选择跳线和5pin接口。模式选择跳线接口设置为当安装上短路帽时为UART（串口）模式，拔掉时为电平触发模式。报警电路 图3-5所示为LED报警电路。电路设计为低电平输出时LED灯亮，高电平关闭。而且接在128芯片的A2脚上，当A2脚输出低电平时，LED灯闪烁报警。 图3-4报警电路显示电路图3-5 12864显示模块1. GND 电源地2. VCC 电源正（35.5V）3.
13、SCL 脚，在SPI 和IIC 通信中为时钟管脚4. SDA 脚，在SPI 和IIC 通信中为数据管脚5. RES OLED 的RES#脚，用来复位（低电平复位）6. DC OLED 的D/C#E 脚，数据和命令控制管脚7. CS OLED 的CS#脚，也就是片选管脚 元器件清单LM2940 1 开关 1128芯片 1 电容0.1uf 2舵机 2 电解电容 0.47uf 1 22uf 1超声波模块 2 470uf 1LED灯 212864 1 电阻5.1k 1 1k 1五、 软件设计框图本设计软件主程序流程图如图4-1所示，外部中断子程序流程图如图4-2所示 图4-1 主程序流程图 图4-2外部中断子程序流程图六、 程序源代码/=MAIN()=/*主函数*/void main(void) int i=0; int succeedflag_L = 0,succeedflag_R = 0; double angle = 0; byte a = 0, b = 0; int X,Y; double LF, RF; double L_average, R_average; double cos,sin; SetBusCLK_16M(); PitInit(); PWM_Init(); DD
