单片机课程设计超声波测距系统设计

湖南工程学院

课程设计任务书

课程名称单片机原理与应用

课题超声波测距系统设计

专业班级自动化0901班

学生姓名段志勤

学号 200901020130 指导老师李晓秀

审批

任务书下达日期 2012 年 5 月 30 日任务完成日期2012 年 6 月 13 日

目录

序言 (6)

第一章、总体设计原理 (6)

1.1、超声波测距原理 (6)

1.2、超声波测距系统框图 (8)

1.3、程序流程图 (10)

第二章、系统硬件设计 (11)

2.1、超声波模块电路 (11)

2.2、数码管显示电路 (12)

2.3、单片机最小电路 (12)

2.4、键盘连接 (13)

第三章、系统软件设计 (14)

3.1、主程序流程图 (14)

3.2、子程序设计 (15)

第4章、调试结果 (21)

实验总结 (23)

参考文献 (24)

附录 A、整体电路图 (25)

附录B、程序清单 (26)

序言

由于超生波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色限制，较其他仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀等恶劣环境，具有少维护，不污染，高可靠，长寿命等特点。因此，超声波测距有着广泛的应用领域。利用超声波检测往往比较迅速，简单，计算方便，易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用要求。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，例如：液位、井深、管道长度等场合。

第一章、总体设计原理

本章主要介绍单片机超声波测距的主要原理，包括超声波测距的原理和STC89C52单片机的原理

1.1、超声波测距原理

谐振频率高于20kHz的声波被称为超声波。超声波为直线传播频率越高、绕射能力越弱、但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器、或称为超声换能器、它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能、向外发送超声波、反之，当换能器处在接收状态时

将声能(机械能)转换为电能。

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

声波发生器内部结构如图1-1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，

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1-1、超声波换能器内部示意图

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。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S=Ct/2，式中的C为超声波波速。

图1-2、超声波测距原理框图

由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。其系统框图如图1-2所示。

表1 声速与温度关系表

1.2、STC89C52单片机原理

STC89C52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。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，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。另外STC89X52 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 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35Mhz，6T/12T 可选。

图1-3、STC89C52引脚图

1.3、超声波测距系统框图

图1-4、超声波测距系统框图

第二章、系统硬件设计

硬件是一个机器的基础，没有硬件，所有机器都不存在，本章主要介绍单片机超声波测距的硬件原理。

2.1、超声波模块电路

图2-1、超声波模块电路

超声波模块如图2-1所示。从P2.6口给Trig口送一个10uｓ的脉冲，超声波模块自动发出40Khz的超声波，单片机中断计时。当遇到障碍物时超声波返回，并将一个高平信号送入单片机，中断关闭。

2.2、数码管显示电路

图2-2、数码管显示电路

显示电路采用采用LED数码管显示。本系统采用动态显示方式。该组数码管位共阳极数码管。当有低电平驱动时，数码管亮。

2.3、单片机最小电路

图2-3、最小单片机电路

单片机最小电路是单片机能正常工作的最小外接电路单元。是设计电路的核心部分，也是整个作品最关键，最重要的部分。单片机最小电路包括：复位电路，晶振电路。

2.4、键盘连接

图2-4、矩阵键盘电路

该矩阵键盘采用扫描式工作读入方式，扫描式键盘接口是一个输入输

出接口，行是输入接口，而列式输出接口，输入接口主要功能是解决数据

输入的缓冲问题，而列输出接口主要功能是进行数据保持能力。系统扫描键盘是若有键按下，则执行主程序相应程序，实现相应功能。

第三章、系统软件设计

软件是一个机器的灵魂，没有软件，机器就是一堆废铁，所以软件是一个机器必不可少的部分，本章主要介绍单片机超声波测距的软件设计。

3.1、主程序流程图

图3-1、主程序流程图

3.2、子程序设计

3.2.1、延时程序

void DelayUs2x(unsigned char t) { while(--t); }

void DelayMs(unsigned char t)

{

while(t--)

{

//大致延时1mS

DelayUs2x(245);

DelayUs2x(245);

}

}

3.2.2、键盘扫描程序

void key_scanf(void) {

if(p10==0)

{

DelayMs(10);

if(p10==0)

a=1;

}

if(p11==0)

{

DelayMs(10);

if(p11==0)

a=0;

}

if(p12==0)

{

DelayMs(10);

if(p12==0)

{

a=0;

disbuff[0]=0;

disbuff[1]=0;

disbuff[2]=0;

disbuff[3]=0;

}

}

}

3.2.3、超声波模块驱动程序

void zd3() interrupt 3 //T1中断用来驱动超声波模块 { key_scanf(); 每800ms就发送一次超声波 TH1=0xf8; 这样就能进行连续多次测距 TL1=0x30;

timer++;

if(timer>=400)

{

timer=0;

TX=1; //800MS 启动一次模块 _nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

TX=0;//给超声波模块发送端一个10us的高电平，就能发送40khz

的超声波

}

}

3.2.4、计算程序

void Conut(void)

{

float S1;

time=TH0*256+TL0;

TH0=0;

TL0=0;

S1=(time*1.7)/100; //算出来是CM

S=S1*10;

if((S>=7000)||flag==1) //超出测量范围显示“-”

{

flag=0;

disbuff[0]=10; //“-”

disbuff[1]=10; //“-”

disbuff[2]=10; //“-”

disbuff[3]=10; //“-”

}

else

{

disbuff[0]=S/1000;

disbuff[1]=S/100%10;

disbuff[2]=S/10%10;

disbuff[3]=S%10;

}

}

3.2.5、数码管显示程序

4位共阳数码管的驱动程序如下：

void Display(void) //扫描数码管

{

p20=0;

p21=1;

p22=1;

p23=1;

P0=discode[disbuff[0]];//第1个数码管点亮

DelayUs2x(20);

P0=0xff;

p20=1;

p21=0;

p22=1;

p23=1;

P0=discode[disbuff[1]];//第2个数码管点亮

DelayUs2x(20);

P0=0xff;

p20=1;

p22=0;

p21=1;

p23=1;

P0=(discode[disbuff[2]])&0x7f;//第3个数码管点亮 DelayUs2x(20);

P0=0xff;

p20=1;

p23=0;

p21=1;

p22=1;

P0=discode[disbuff[3]];//第4个数码管点亮

DelayUs2x(20);

P0=0xff;

p20=1;

p23=1;

p21=1;

p22=1;

//DelayMs(2);//显示小数}