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1、目 录一、课程设计任务书2二超声波传感器测距原理42.1超声波传感器42.2超声波测距原理概述5三系统总体设计方案6四系统的硬件结构设计84.1 单片机最小系统原理概述84.2超声波发射电路144.3 超声波检测接收电路144.4 超声波测距系统的显示电路设计154.5 PROTUES仿真硬件电路图15五系统软件的设计165.1 超声波测距仪的算法设计165.2 程序流程图165.3 主程序设计185.4定时中断服务子程序设计185.5超声波发生子程序和超声波接收中断程序设计19六调试结果20七系统误差来源及解决方案分析22八收获体会23参考文献24附录一 超声波测距电路原理图25附录二 程序
2、清单26附录三 元件清单36一、 课程设计任务书智能仪器综合设计课程设计任务书题目：超声波测距系统设计一、课程设计任务超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，如液位、井深、管道长度等场合。超声波测距的原理是，发射器发射出超声波，遇到被测物体后返回声波由接收器接收，测量出超声波发射和接收到回波的时间差，超声波波速与时间差乘积的一半即为被测距离。该超声波测距系统以AT89S52单片机为核心进行设计。二、课程设计目的通过本次课程设计使学生掌握：1）智能仪器的一般设计、实现方法；2）超声波传感器测距的工作原理；3）智能仪器设计的实际调试技巧。从而提高学生对智能仪器的设计和调试能力。
3、三、课程设计内容和要求1、掌握超声波传感器的测距原理，测量结果数显；2、根据超声波测距原理，设计超声波测距系统的硬件结构电路并画出原理图；3、用PROTUES对所设计的系统进行仿真；4、给出软件设计流程图；5、系统软硬件连调，给出该测距系统的性能指标，并对产生的误差进行分析。四、课程设计报告要求报告中提供如下内容：1、目录2、正文（1）课程设计任务书；（2）超声波传感器测距原理；（3）系统总体设计方案；（4）超声波测距系统硬件电路的设计，包含发射电路、接收电路和显示模块的设计，用PROTEL软件绘制硬件原理图并列出器件清单，用PROTUES仿真；（5）软件设计：程序流程图及清单（子程序不提供清
4、单，但应列表反映每一个子程序的名称及其功能）；（6）调试结果：各个关键点波形和实测数据组；（7）系统误差来源及解决方案分析；3、收获、体会4、参考文献五、课程设计进度安排周次工作日工作内容第一周1布置课程设计任务，查找相关资料2熟悉智能仪器综合实验平台所提供的相关资源3完成总体设计方案4画出硬件原理图并进行仿真5完成硬件接线，编写程序并调试第二周1编写程序并调试2编写程序并调试3编写程序并调试及准备课程设计报告4完成课程设计报告并于下午两点之前上交5答辩本课题共需两周时间七、课程设计考核办法本课程设计满分为100分，从课程设计平时表现、课程设计报告及课程设计答辩三个方面进行评分，其所占比例分别
5、为20%、40%、40%。二超声波传感器测距原理2.1超声波传感器超声波是由机械振动产生的，可以在不同的介质中以不同的速度传播，其频率高于20KHz。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距是一种非接触式的检测电路，因而利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。
6、超声波发射器如今有两类，一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。本系统选用的是压电式超声波传感器。它是利用压电效的应原理，压电效应有逆效应和顺效应，实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器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，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压
7、迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。发射器发出的超声波以速度在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离。由于超声波也是一种声波，其声速v与温度有关，表2.1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表2.1 超声波波速与温度的关系温度（）-30-20-100102030100声速（ms）3133193253233383443493862.2超声波测距仪原理概述超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（
8、timeofflight）。其原理为：检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波换能射器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质
9、地、反射和入射波之间的夹角以及接受换能器的灵敏度。接受换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。三 系统总体设计方案超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率
10、高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。超声波测距系统主要由超声波接收器、发射器、放大电路、单片机和显示器几部分组成，其系统框图如下图3.1所示：图3.1 超声波测距系统框图显示模块中，通过测得数据经p0口送至LCD进行显示，LCD显示原理：液晶显示模块是12864 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字、16X16 点阵、128 个字符、8X16 点阵及64X256 点阵，显示RAM GDRAM 可与CPU 直接，接口提供两种界面来连接微处理机8-位并行及串行两种连接方式具有多种功能光标显示画面移位睡眠模式等。显示资料RAM 提供642 个位元组的空
11、间，最多可以控制4 行16 字和64 个字的中文字型显示，当写入显示资料RAM 时可以分别显示CGROM HCGROM 与CGRAM 的字型，ST7920A 可以显示三种字型：半宽的HCGROM 字型CGRAM 字型及中文CGROM 字型 ，三种字型的选择由DDRAM 中写入的编码选择，在0000H 0006H 的编码中将自动的结合下一个位元组，组成两个位元组的编码达成中文字型的编码，A140 D75F 各种字型详细编码如下：1 显示半宽字型 将8 位元资料写入DDRAM 中范围为02H 7FH 的编码2 显示CGRAM 字型将16 位元资料写入DDRAM 中总共有0000H 0002H 00
12、04H 0006H四种编码3 显示中文字形将16 位元资料写入DDRAMK ，范围为A1A1H- F7FEH 的编码。绘图显示RAM 提供64 *32 个位元组的记忆空间，最多可以控制256 *64 点的二维绘图缓冲空间，在更改绘图RAM 时，先连续写入水平与垂直的坐标值，再写入两个8 位元的资料到绘图RAM而地址计数器AC 会自动加一。在写入绘图RAM 的期间，绘图显示必须关闭整个写入绘图RAM的步骤如下：1 关闭绘图显示功能2 先将水平的位元组坐标X 写入绘图RAM 地址3 再将垂直的坐标Y 写入绘图RAM 地址4 将D15 D8 写入到RAM 中5 将D7 D0 写入到RAM 中6 打开
13、绘图显示功能四 系统的硬件结构设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路四部分。单片机采用AT89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的LED。4.1 单片机最小系统原理概述AT89S52单片机是整个系统的主控制器，欲使单片机正常工作，必须要设计单片机的最小系统。单片机最小系统，是指最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对于51系列的单片机来说，最小系统一般应该包括单片机、晶振
14、电路、复位电路。一般的晶振电路中晶振的负载电容为15p或12.5p ，如果再考虑元件引脚的等效输入电容，则两个22p的电容构成晶振的振荡电路就是比较好的选择。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。51单片机的最小系统原理图如下图4.1所示。 图4.1 51单片机最小系统原理图AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止
