超声波测距器课程设计文档格式.docx
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3.2.1单片机芯片的选择6
3.2.2AT89C51定时计数应用电路6
3.3超声波发射电路设计6
3.3.1选择超声波发生器类型6
3.3.2超声波发射电路设计7
3.4超声波接收电路设计8
3.5超声波显示电路设计9
4.软件设计9
4.1波测距器的算法设计10
4.2系统的主控制程序设计11
4.3发生子程序设计12
4.4接收中断程序设计13
4.5显示程序设计14
4.6距离计算程序15
5.结论17
参考文献18
1.设计目的
超声波测距器,可应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
要求测量范围在0.10〜4.00m,测量精度1cm测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
2.总体方案
硬件部分
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收电路三部分组成。
采用AT89C1或其兼容系列来实现对CX20106A红外接收芯片和74LS04系列超声波发射模块的控制。
单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送,然后单片机不停的检测INT0引脚,当INT0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。
软件部分
主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。
3.硬件设计
3.1超声波测距器硬件电路设计
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测
出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离。
路程、波速、时间之间的关系,可用下列简单的公式表示:
ds/2(ct)/2
上式中,d为超声波传播单边的路程,s为超声波来回的路程,c为超声波波速,t为超声波来回所用的时间。
当声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。
这就是超声波测距的原理。
超声波测距的原理如图所示。
根据超声波测距原理,超声波测距器需要有超声波发生器、超声波接收器、超声波传播的计时器。
按照系统设计功能的要求,硬件电路由单片机计时及控制电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路、显示电路及电源五部分组成。
系统原理总框图见图。
4
培咀泌压
3.2超声波测距器的原理总框图
321单片机芯片的选择
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROMFalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能CMOS位微处理器,俗称单片机。
89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。
该器件采用ATME高
密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼
容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL勺89C51是一种高效微控制器,89C2051是它的一种精简版本。
89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
3.2.2AT89C51定时计数应用电路
AT89C51单片机片内集成有两个可编程的定时/计数器T0和T1⑷。
它们既可以工作于定时模式,也可以工作于外部事件计数模式。
本设计采用定时计数器T0,根据需要,让其工作于方式1。
方式1的计数位数是16位,由TL0作为低8位,TH0作为高8位,组成16位加1计数器。
其初值在65535〜0范围,计数范围为1〜6553&
具体应用见程序设计部分。
3.3超声波发射电路设计
3.3.1选择超声波发生器类型
压电式超声波换能器利用压电晶体的谐振来工作,其内部结构如图所示。
超
声波换能器有两个压电晶片和一个共振板。
当它的两极外加电脉冲信号,其频率
等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将发生共振,从而带动共振板振动,产生超声波。
反之,如果在共振板上外加适当的机械振动,使压电晶片发生共振,将在压电晶片之间产生交变的电信号。
这时它就成为了超声波接收器。
本设计选用压电式超声波换能器TCT40—I0FI作超声波发射器。
使用时注意分清器件,因为它与接收换能器在结构上稍有不同。
3.3.2超声波发射电路设计
超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T构成,如图所示。
图中T为超声波发射器,采用TCT40—I0FI,外型尺寸①15。
输出端采用两个反向器并联,用以提高驱动能力。
上拉电阻R2,R3一方面可以提高反向器
74LS04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。
工作时,单片机的定时器T0产生40KHz方波信号,从P1.3端口输出,一路经过一级反向器后送到超声波发射器T的一个电极,另一路经过两极反向器后送到超声波发射器T的另一个电极,从而将40KHz电脉冲信号加到超声波发射器T,使T发射超声波。
电路采用推挽形式,向超声波发射器T提供电脉冲信号,可以提高超声波的发射强度。
3.4超声波接收电路设计
超声波接收电路主要由超声波接收换能器R和超声波检测接收模块构成,
如图所示。
图中R为超声波接收器,采用TCT40—IOSI,外型尺寸①15。
U5是超声波检测接收模块,设计时选用了红外线检波接收专用集成电路芯片CX20106A。
选用的原因是CX20106A常用的载波频率为38KHz,与测距的超声波频率40KHZ较为接近,可以将发射的超声波之频率控制为38KHz。
电路中设置的电容C4,适当更改其大小,可以改变接收电路的抗干扰能力;
适当改变电路中的电容C6,可改变电路的灵敏度。
工作时,接收的超声波信号经R转换为电信号,加到CX20106A的输入端(1脚),处理后由CX20106A的输出端(7脚)送达单片机的中断口INT0,申请CPU处理。
3.5超声波检测接收电路
3.5超声波显示电路设计
显示电路采用LED数码管显示。
LED数码管显示有静态显示方式和动态显示方式,本系统采用并行输出的动态显示方式。
显示电路结构
根据本超声波测距器显示测距数据的需要,采用4位LED动态显示电路。
其中2位显示小数部分,2位显示整数部分。
显示信息输入部分由单片机P0输出
端,连接74LS244相应输入端,驱动器输出端经限流电阻连接相应字段码端;
字位控制部分分别由三极管驱动,选用PNP型晶体管9012,其基极经限流电阻
连接单片机的P2口相关端子,集电极连接数码管的共用端,发射极连接电源。
显示电路如图所示[5]。
3.6超声波测距动态显示电路
4软件设计
超声波测距器的软件主要由主程序,超声波发生子程序,超声波接收中断程序以及显示子程序组成。
4.1波测距器的算法设计
从前面距离的计算公式可知,c为声速,对于超声波,在常温20C时,其数值为344米/秒;
若能准确测量出超声波从发射到返回所用时间,则可以计算出发射点到被测障碍物之间的距离。
测量距离时,由超声波测距器的主控制器中定时器记录时间,设计中要求超
声波测距时精确计算程序运行时间。
测量超声波来回所用的时间,当送出一个超声波脉冲后,需要延时约0.1ms,才打开外中断0接收返回的超声波信号,这是为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射波触发。
单片机工作时晶振频率为12MHz,计数器每计1个
数就是1卩,当主程序检测到接收成功的标志位后,将停止计数器T0计数。
计算距离,将计数器T0中的计数值T0带入距离的计算公式计算,即可得被测物体与测距器之间的距离。
具体为
6ds/2(344t)/2(172T0)/10
计算的结果,以十进制BCD码方式送往LED显示,显示时间约0.5s,然后再发超声波脉冲重复测量过程。
4.2系统的主控制程序设计
主程序包括对系统环境初始化,设置定时器T0工作模式,调用超声波发生子程序,等待反射超声波,计算距离,显示距离;
重复。
主程序流程图如图。
4.1主程序流程图
探※※※※※主程序※探※※※※
4.3发生子程序设计
超声波发生子程序,主要功能是单片机控制,通过P1.3端口发送2个左右超声波脉冲信号,频率为约40kHz的方波,其脉冲宽度为12卩左右,同时把计数器T0打开进行计时。
ORG0000H
LJMP
START
ORG
0003H
PINT0
000BH
INTT0
0013H
RETI
001BH
INTT1
0023H
002BH
4.4接收中断程序设计
超声波接收中断程序,主要功能是单片机控制,检测外中断0返回超声波信号,一旦接收到返回超声波信号(即INTO引脚出现低电平),立即进入中断程序。
进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时,并将测距成功标志字赋值1。
如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号,则定时器T0溢出中断将外中断0关闭,并将测距成功标志字赋值2以表示本次测距不成功。
;
T0中断,65ms中断一次
INTTO:
CLR
EA
TR0
MOV
TH0,#00H
TL0,#00H
SETB
ET1
TR0;
启动计数器T0,用以计算超声来回
时间
TR1
开启发超声波用定时器T1
OUT:
;
T1中断,发超声波用
INTT1:
CPL
VOUT
DJNZ
R4,RETOUT
TR1;
超声波发完毕,关T1
R4,#04H
EX0;
开启接收回波中断
RETIOUT:
RETI
外中断0,收到回波时进入
PINT0:
CLR
关计数器
EX0
44H,TL0;
将计数值移入处理单元
45H,TH0
00H;
接收成功标志
如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号,则定时器T0溢出中断将
外中断0关闭,并将测距成功标志字赋值2,以表示本次测距不成功。
4.5显示程序设计
40H为最咼位,43H为最低位,先扫描高位
DISPLAY:
MOV
R1,#40H;
G
MOVR5,#0E7H;
PLAY:
A,R5
P0,#0FEH
P2,A
@R1
DPTR,#TAB
MOVC
A,@A+DPTR
P0,A
LCALL
DL1MS
INC
R1
JNB
ACC.0,ENDOUT;
RRA
MOVR5,A
AJMPPLAY
ENDOUT:
MOVP2,#0FEH
MOVP0,#0FEH
RET
DB
TAB:
0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FEH,88H,0BFH
共阳段码表
“8”,“9”,
“0”,“1”,J”,“3”,
不亮,A,-
4.6距离计算程序
PUSH
ACC
PSW
B
PSW,#18h
R3,45H
R2,44H
R1,#00D
R0,#17D
MUL2BY2
R3,#03H
R2,#0E8H
DIV4BY2
DIV4Y2
400H,R4
A,40H
JNZ
JJ0
40H,#0AH;
取咼位为
0,不点亮
JJ0:
A,R0
R4,A
A,R1
R5,A
R3,#00D
R2,#100D
41H,R4
A,41H
JJ1
A,40H;
次高位为
0,先看最高位是否为
不亮
SUBB
A,#0AH
41H,#0AH;
最咼位不亮,次咼位也不亮
JJ1:
R2,#10D
42H,R4
A,42H
JJ2
A,41H;
次次咼位为0,先看次咼位是否为不
亮
42H,#0AH;
次咼位不亮,次次咼位也不亮
JJ2:
43H,R0
POP
结论
本设计采用AT89C51单片机作为计时及主控制器、用TCT40—IOFI作超声波发射器、用TCT40—IOSI和CX20106A构成超声波检测接收电路。
将相关控制编程,写入单片机,实现了以单片机控制的超声波测距器。
本超声波测距器采用硬件电路和软件控制相结合,电路结构简单,低成本,
操作方便,工作稳定,测量精度高,可达0.01米。
可用于日常生活及工农业生产中距离的测量及位置监控。
例如管道长度、油
井深度、液面高度,建筑施工各点定位等。
本超声波测距器只具有测量显示功能,没有反馈与控制功能。
其设计思想可以应用于智能安全系统。
例如,在车辆智能自动安全系统中,检测车辆左、右动、静态障碍物,并显示距离,至危险区域后与智能模糊控制器通信以采取最佳避让措施等
参考文献
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[7]康华光.电子技术基础模拟部分[M].北京.高等教育出版社,2003:
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[8]刘道兴.电子技术培训教学讲义[M].内部资料,2003
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