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1、黑龙江东方学院单片机课程设计报告基于单片机的超声波测距仪 学生姓名张凤军学 号09103129专 业电子信息工程专业班 级2009级1班指导教师闵昆龙学 部计算机科学与电气工程课程设计时间2012年6月18日基于单片机的超声波测距仪 摘要超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换成超声波；而在收到回波的时候
2、，则将超声振动转换成电信号。关键词：超声波测距仪；超声波传感器；压电效应目录摘要I第1章 绪论3 超声波测距仪的设计思路3整体设计3实现过程31.1.3 应用前景3 超声波测距仪的原理41.2.1 算法设计4第2章 超声波测距仪系统结构介绍5 系统结构框图52.2 超声波发射电路简介5超声波接收电路简介52.4 液晶显示62.5 本章小结6第3章 系统硬件电路设计73.1 单片机介绍73.2 单片机最小系统设计73.2.1 单片机时钟电路介绍83.2.2 单片机复位电路介绍9超声波发射电路93.3.1 MAX232芯片93.3.2 MAX232芯片引脚介绍103.3.3 发射电路图介绍10超声
3、波接收电路103.4.1 TL074芯片103.4.2 芯片内部结构113.4.3 芯片引脚功能113.4.4 超声波接收电路图113.5 液晶显示电路12本章小结12第4章 系统软件调试环境介绍13 Keil编程软件介绍13 软件功能13 软件应用流程13 STC程序下载软件功能介绍19 软件应用流程20 本章小结22第5章 系统程序设计23 系统程序设计流程图23 XX程序模块详细流程图23 程序流程图对应程序代码23 XX程序模块详细流程图23 程序流程图对应程序代码23 本章小结23结论24参考文献25附录26附录A26附录B27基于单片机的超声波测距仪第1章 绪论1.1 超声波测距仪
4、的设计思路整体设计本设计采用以8051单片机为核心的低成本，高精度，微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序，预置子程序，发射子程序，接收子程序和显示子程序组成，各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图，程序流程图，经实验证明，这套系统软硬件设计合理，抗干扰能力强，实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车，建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。实现过程超声波测距仪电路主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接
5、收电路三部分组成。采用8051来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。利用单片机控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT1引脚，当INT1引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 应用前景随着科学技术的快速发展，超声波在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限。因此这是一个正在蓬勃发展而又无限前景的技术与产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求
6、。1.2 超声波测距仪的原理 算法设计超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：d=s/2=(ct)/2 其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片
7、机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。第2章 超声波测距仪系统结构介绍2.1 系统结构框图本设计采用单片机8051为控制核心，实现超声波测距仪的基本测量功能。超声波测距仪硬件框图如图2-1所示 单 片 机蜂鸣器接收电路发射电路按键控制液晶显示电 源图2-1 超声波测距仪系统框图 2.2 超声波发射电路简介压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，
8、将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。2.3超声波接收电路简介集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容CS的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 液晶显示液晶显示器（）具有工作电压低、微功耗、显示信息量大和接口方便等优点，现在已被广泛应用于计算机和
9、数字式仪表等领域，成为测量结果显示和人机对话的重要工具。液晶显示器按其功能可分为三类：笔段式液晶显示器、字符点阵式液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。前两种可显示数字、字符和符号等，而图形点阵式液晶显示器还可以显示汉字和任意图形，达到图文并茂的效果，其应用越来越广泛。 本章小结 通过设计题目要求，了解超声波发射电路和接收电路，采用AT89C2来实现对超声波发射和接受处理模块的控制。实现利用超声波对距离的测量。第3章 系统硬件电路设计3.1 单片机介绍51单片机是对目前所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发
10、展，8031单片机取得了长足的进展，成为目前应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。目前很多公司都有51系列的兼容机型推出，在目前乃至今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机，还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。 单片机最小系统设计其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。如图3-1所示，单片机最小系统主要由8051单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两
11、侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20uF的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。 图3-1 8051单片机最小系统 单片机时钟电路介绍 单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益的反相放大器，
12、当外接晶振后，就构成了自激振荡，并产生振动时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、24MHZ。本设计中时钟电路图如图3-2所示，我们选择了12MHZ和晶振分别接引脚XTAL1和XTAL2，电容C1，C2均选择为30pF，对振荡器的频率有稳定作用，当频率较大时，正弦波、方波、三角波及锯齿波中每一点的延时时间为几微妙，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。 图3-2 单片机时钟电路 单片机复位电路介绍复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2，斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复
13、位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种式。本设计选择了按键复位如图3-3，在系统运行时，按一下开关，就在RST断出现一段高电平，使时钟电路图器件复位。 图3-3 单片机复位电路超声波发射电路 MAX232芯片 MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，如图3-4所示，使用+5v单电源供电。MAX220MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供12V电源的应用。图3-4 MAX232内部结构 MAX232芯片引脚介绍第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成
14、。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。3. 发射电路图介绍 超声波发射电路图如图3-5所示： 图3-5 超声波发射电路 TL074芯片TL074芯片是四运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源供电工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电
