1、超声波测距离报告传感器与检测技术大作业报告项目：基于AT89C51的超声波测距传感器班级：08交通设备信息工程2班日期：2011年5月24日目录一系统实现原理及功能 3实现功能 3二、系统设计方案 3硬件设计 3主要芯片功能介绍 5系统软件设计 6二、误差分析 11三、实验心得 11四、参考文献 12一系统实现原理及功能当单片机控制超声波传感器向某一方向发射波束的同时，单片机内部开始计时。在传播过程中，超声波遇障碍物后反射回波。传感器接收到第一个反射波后，停止计时。由于超声波在空气中的传播速度是340m/s，根据计时时间及公式S=340t/2，即可得到发射点距障碍物的距离S。实现功能 本系统实
2、现要求测量距离范围为0.13米，精度误差在1厘米以内，并用LCD1602显示所测距离。二、系统设计方案硬件设计该系统硬件部分由发送模块、接收模块、显示模块、时间处理模块及电源模块组成。发送模块主要由74LS04和超声波发射器组成；接收模块主要由超声波接收探头和CX20106A组成；显示模块则有液晶显示器LCD1602及其辅助电路组成；时间处理模块是整个系统的中枢神经由AT89C51及其辅助电路组成。1、发射部分采用反向器74HC04和超声波换能器T构成震荡器、放大驱动电路。电路简单，噪声小，稳定性高。电路简单稳定，噪声小。 图1 超声波发射模块 图2 接收模块电路2、接收部分采用集成电路CX2
3、0106A。它是一款红外线检波接收的专用芯片，载波频率38KHZ与测距的超声波40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接受电路，且电路简单。可满足项目中关于距离和精度的要求，电路简洁实用，易于调试，且价格低。 3、计时部分采用单片机芯片STC89C51内部定时器，无需额外器件花销，且计时准确，受干扰小。 图三 主控及几计时模块4、显示部分显示部分使用LCD1602液晶显示板来完成显示的功能。它可以显示两行，每行16个字符，采用单+5V电源供电，外围电路配置简单。价格相对数码管高，但是它解决了数码管存在的各种问题，如功耗低、显示内容丰富，影像稳定不闪烁、抗干扰能力强，不但能节省电能，而且能实
4、现普通数码管无法实现的字符串显示功能。 图4 显示模块电路主要芯片功能介绍该实验所用主要器件：反向器74HC04、超声波发生器、CX20106A、单片机芯片STC89C51、LCD显示器。1、反向器74HC04 40KHZ方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。2、超声波发生器超声
5、波发生器可以分为两大类：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。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部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。 图5 超声波发生器外形及尺寸3、CX20106A电路采用集成电路CX20106A。这是一款红外线检波
6、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 与测距超声波频率40kHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1 的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C1 控制CX20106A内部的放大增益，R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 ，C1=1F。其余元件按图4 取值。US_R1 为超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0 上。当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口
7、。单片机在得到外部中断0 的中断请求后，会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理，在移动机器人的避障工作中，可以在中断服务程序设定需要单片机处理的最短距离。 图6 CX20106A内部方框图3、单片机STC89C51STC89C51内含4k Bytes Flash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），4个中断源，2个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。4、LCD显示器 LCD1602可以显示2行16个字符，有8位数据总线D0D7和RS，R/W，EN三个控制端口，工作电压为5V，并且具有字符对比度调节和背光功能。（1）引脚
8、参数如下：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2Data I/O2VDD电源正极10D3Data I/O3VL液晶显示偏压信号11D4Data I/O4RS数据/命令选择端（H/L）12D5Data I/O5R/W读写选择端（H/L）13D6Data I/O6E使能信号14D7Data I/O7D0Data I/O15BLA背光源正极8D1Data I/O16BLK背光源负极（2）1602型LCD的主要技术参数如下:显示容量16X2个字符芯片工作电压4.55.5V工作电流2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95X4.35(WXH)mm（3）基本操作程序：读状
9、态：输入：RS=L，RW=H，E=H 输出：D0D7=状态字读数据：输入：RS=H，RW=H，E=H 输出：无写指令：输入：RS=L，RW=L，D0D7=指令码，E=高脉冲 输出：D0D7=数据写数据：输入：RS=H，RW=L，D0D7=数据，E=高脉冲 输出：无 （注；各种芯片的具体说明见手册） 系统软件设计其程序如下：/调用库函数#include #include #include #include /定义所使用的数据类型typedef unsigned char uchar ;typedef unsigned int uint ;typedef unsigned long ulong ;
10、/定义变量uint timer1_count=0;uint tiemr0_count=0;ulong distance=0;uint i,length1,length2;uchar tab3;bit ok=0;/定义引脚sbit rs=P00;sbit rw=P01;sbit e=P02;sbit P27=P27;sbit P12=P12;sbit P13=P13;sbit send=P10;/函数声明void lcdinit(); /lcd初始化程序的声明void lcdsendc(uchar command);/发送lcd指令的声明void lcdsendd(uchar dat); /发送
11、lcd数据的声明void send_wave(uchar k); /发送k个波void ex0_init(void);void timer0_init(void); /定时器0初始化void timer1_init(void); /定时器1初始化void delay(uchar t);void lcdbusy();/主函数void main()code uchar lineone25=Distance is;/第一行显示缓存code uchar linetwo25=cm;/第二行显示缓存lcdinit();lcdsendc(0x80); /送第一行地址length1=strlen(lineon
12、e); /取数组字符数for(i=0;ilength1;i+) /送第一行数据 lcdsendd(lineonei);lcdsendc(0xc8); /送第二行地址length2=strlen(linetwo); /送第二行数据for(i=0;ilength2;i+) lcdsendd(linetwoi); ex0_init(); timer0_init(); timer1_init(); EA=1; while(1) if(ok=1) lcdsendc(0xc2); lcdsendd(tab2+0); lcdsendd(tab1+0); lcdsendd(tab0+0); ok=0; voi
13、d ex0_init(void) /外部中断0初始化EX0=0; PX0=1; IT0=0;void ex0_inte(void)interrupt 0 distance=(12/11.0592)*(tiemr0_count*65536+TH0*256+TL0)*173/10000; /计算测量距离 tab0=distance%10; /个位 tab1=(distance/10)%10; /十位 tab2=(distance/100)%10; /百位 ok=1; /有接收到，标志位置1 TR0=0; EX0=0;if(distance=10) /测量值小于等于10cm时报警P12=0; P13
14、=0; delay(30); P12=1; P13=1;void send_wave(uchar k) /发送超声波 while(k-) send=!send; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); send=!send; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); void timer0_init(void) /定时器0初始化 TMOD = 0X01; TH0=TL0=0X00; ET0=1; TR0=0;void timer0_inte(void)interrupt 1 /定时器0用来计溢出的
15、次数 tiemr0_count+;void timer1_init(void) /定时器1初始化 TMOD |= 0X20; TH0=TL0=0X00; ET1=1; TR1=1;void timer1_inte(void)interrupt 3 /定时器1用来定时发送超声波 timer1_count+; if(timer1_count=60) timer1_count=0; send_wave(4);/一次发4个波,延时一段进间,再发4个波,再延时再发送4个波. delay(1); tiemr0_count=0; EX0=1; TH0=TL0=0; TR0=1; /lcd初始化程序void
16、lcdinit() delay(150);/延时约15ms lcdsendc(0x38); /设置模式为8线传输,5*7阵列,二行显示 delay(50);/延时约5ms lcdsendc(0x38); delay(50);/延时约5ms lcdsendc(0x38); lcdsendc(0x38); lcdsendc(0x08); /关闭显示光标 lcdsendc(0x01); /清屏 lcdsendc(0x06); /设置光标的移动方式 lcdsendc(0x0c); /开显示,不显示光标,光标不闪/延时子程序void delay(uchar t)uint i,j;for(i=0;it;i
17、+)for(j=0;j20;j+);/发送lcd命令void lcdsendc(uchar command) rw=0; rs=0; P2=command; e=0; lcdbusy(); e=1;/发送数据void lcdsendd(uchar dat) rw=0; rs=1; P2=dat; e=0; lcdbusy(); e=1;/判断忙状态void lcdbusy() P2=0xff; do e=0; rs=0; rw=1; e=1;while(P27=1); e=0;三、误差分析温度/-30-20-100102030100声速c(m/s)31331932532333834434938
18、6 温度与声速的关系图本实验测量范围为5cm275cm.。小于5cm测量的值不符合实际值，5260cm测量值几乎与实际值吻合，总体的误差能保持在1cm以内。510cm测量时会有警报响起。产生误差的原因主要来自温度，以及超声波发射器和接收器间小距离间隔，导致信号直接传递或多次反射, 部分器件用其他参数接近的器件代替，电路板布局器件的焊接技术也会影响到测量的稳定度，还有测量较远距离时信号有所减弱，也会导致一定测量误差,由于是简易的测控系统再次就不在对温度进行校正。四、实验心得 通过本次大作业，我们从中学会了很多东西，包括从对一个课题的立项目到设计再到最终的设计每一个环节应该做些什么，又有了一次实践
19、，使得这些程序清晰的呈现在我的记忆中，也对传感器的知识有了深刻的认识和了解。从参考相关资料到每个模块的调试与仿真，再到电路板的焊接，每一个过程都参与，每一个过程都付出了汗水，当然也的到回报。特别是在编程上，虽然学习了单片机但时个一学期我已经基本上忘记的差不多了，但通过本次的大作业又使我对单片机进行了一个复习，特别是对于定时器和中断这一部分的知识有了一个很好的回顾。当然谈到最有趣的还是要数制作实物，一做就是一个天，可还是没出来，最后还是用示波器一点一点的测出原来是一个电阻的的参数不对。成功的那一刻那种心情无以表达。总之对于这样的课程确实希望有更多的这样平台，要比出几道题考一下强的多。总之一句话收益匪浅。四、参考文献 1、李光飞，楼然苗 单片机课程设计实例指导 北京航空航天大学出版社 2、秦实红，徐春辉 MCSG51单片机原理及运用 华中科技大学出版社 3、胡向东，刘京诚 传感器与检测技术 机械工业出版社
