【正文】 系主任批準(zhǔn)簽 字 日期 3 基于 51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 摘 要 超聲波 具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。 編寫系統(tǒng)軟件，并進(jìn)行整體調(diào)試。根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，掌握簡(jiǎn)單的一般設(shè)計(jì)方法和步驟。 設(shè)計(jì)要求： 設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)電路。 要求可以進(jìn)行實(shí)物演示。 本 文 詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 8051 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距 的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問(wèn)題，給出了以 8051 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測(cè)量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來(lái)改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。無(wú)庸 2 置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，掌握簡(jiǎn)單的一般設(shè)計(jì)方法和步驟。 編寫系統(tǒng)軟件，并進(jìn)行整體調(diào)試。 本文目標(biāo) 及設(shè)計(jì)內(nèi)容 本課題的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到日常測(cè)量要求。 本文的第一章為引言部分，總體上介紹本次設(shè)計(jì)的任務(wù) 、本課題的一些簡(jiǎn)單的背景知識(shí)。第五章為系統(tǒng)調(diào)試部分，介紹了仿真軟件以及原理圖在仿真軟件中的仿真過(guò)程。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。其系統(tǒng)原理框圖如 圖21所示 。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。超聲測(cè)距大致有以下方法： ① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離； ② 測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超 聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測(cè)距離為 S=1/2vt （ 22） 本測(cè)量電路采用第二種方案。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 米 /秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá) 到毫米級(jí) 。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件： CPU(Central Processing Unit，中央處理器 )、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 22所示 。 5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。 2 系統(tǒng)資源 系統(tǒng)的資源包括起主控作用的單片機(jī)，單片機(jī)的晶振電路，用來(lái)產(chǎn)生 40kHz的超聲波。 幾種常見(jiàn)的方案 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)、超聲波接收電路的設(shè)計(jì)及 LED顯示電路的設(shè)計(jì)。同時(shí)對(duì)其中的任意一種原理的電路也有很多種。 U 4 A U 4 BU 4 DU 4 CU 4 ER 1R 2V C C7 4 H C 0 47 4 H C 0 4S E N DP 1 . 0 圖 26 由集成芯片 74HC04構(gòu)成的發(fā)射電路 如圖 26，編程由單片機(jī) 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給 由 74HC04組 成的推挽式電路進(jìn)行 功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射 換能器 9 TCT40－ 16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。 V C CR 1R 2TS E N DP 1 . 0 圖 28 由一個(gè)三極管構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 圖 28是由一個(gè)三極管和兩個(gè)上拉電阻組成的超聲波發(fā)射電路。 超聲波接收電路較發(fā)射電路會(huì)比較復(fù)雜，經(jīng)過(guò)查資料，接收電路一般有以下幾種，如圖所示。 圖 210是由檢波芯片 LM567構(gòu)成的接收電路， LM358將 超聲波探頭傳遞過(guò)來(lái) 的信號(hào)放大后 又傳遞給 LM567檢波， LM567的濾波頻率設(shè)定為 40kHz。本文將在第三章詳細(xì)介紹 發(fā)射電路和接收電路的工作原理。 該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射 /接收電路和 LED 顯示器組成。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。 U 4 A U 4 BU 4 DU 4 CU 4 ER 1R 2V C C7 4 H C 0 47 4 H C 0 4S E N DP 1 . 01 k1 k 圖 32 由 74HC04組成的功率放大電路 74HC04內(nèi)部集成了六個(gè)反向器，同時(shí)具有放大的功能。此電路和第二章提到的兩個(gè)由三極管構(gòu)成的發(fā)射電路相比較，雖然比較復(fù)雜，但其放大性能、穩(wěn)定性和可靠性更好，更適合做超聲波測(cè)距系統(tǒng)，尤其是較遠(yuǎn)距離的超聲波測(cè)距系統(tǒng)裝置 [9]。 同時(shí) ， 使用集成電路也可以減少電路之間的相互干擾 ， 減小電噪聲 [10]。 在本電路的調(diào)試中，如果一直發(fā)射超聲波，在 7 腳將會(huì)有周期的低電平產(chǎn)生。 C X 2 0 1 0 6V C CI N T OI N 2 3 G N D 5 6 O U T V C CC 1R 1C 2C 3R 2C 4R 3R0 . 0 5 6u F4 . 7 k1 u F2 2 0 k3 3 0 p F2 2 k3 . 3 u F 圖 34 CX20206A接收電路 CX20206 的內(nèi)部圖如圖 35所示 [11]。但 C 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R= ， C= 。例如，取 R=200kΩ 時(shí)， fn≈42kHz ，若取 R=220kΩ ，則中心頻率 f0≈38kHz 。 自 動(dòng) 偏 置DR 14 . 71 . 0 u FC 1C 23 3 0 p FR 2+前 置 放 大 限 幅 放 大通 帶 濾 波 峰 值 濾 波 積 分 比 較 整 形 輸 出R 32 2 0 kC 33 3 0 p FR 42 2 0 k12 3 4 5 6 78輸 出+ 5 V 圖 35 CX20206的內(nèi)部圖 CX20206 的總放大增益約 80dB，以確保其 ⑦ 腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅 范圍內(nèi)。 ⑦ 腳為輸出端， CX20206 處理后的脈沖信號(hào)由 ⑦ 腳輸出給后續(xù)電路在加工處理推動(dòng)負(fù)載工作。如圖 36所示。對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。單片機(jī)用 40kHz 方波信號(hào)，利用外中斷 0口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。常用的超聲波探頭有兩種，即壓電式超聲波傳感器和磁致式超聲波傳感器。 電 極共 振 板壓 電 晶 片 圖 38 壓電式超聲波傳感器的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)圖 壓電傳感器由壓電晶片、鍥塊、接頭等組成。前者用于超聲波發(fā)射，后者用于超聲波接收。 1kHz 發(fā)射電壓 大于 115dB 接收靈敏度 大于 64dB/V/ubar 6dB指向 50deg 電容 2400177。例如，把立即數(shù)0C0H 送累加器的指令為： Begin: MOV A, 0C0H； 立即數(shù) 0C0H— A 標(biāo)號(hào)區(qū)段 操作碼區(qū)段 操作數(shù)區(qū)段 注釋區(qū)段 標(biāo)號(hào)區(qū)段是由用戶定義的符號(hào)組成，標(biāo)號(hào)區(qū)段可有可無(wú)。 操作數(shù)區(qū)段是指令要操作的數(shù)據(jù)信息。加入注釋的目的是為了便于閱讀。 22 匯編語(yǔ)言的編程環(huán)境 單片機(jī)開發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開軟件，我們寫的匯編語(yǔ)言源程序要變?yōu)?CPU可以執(zhí)行的機(jī)器碼有兩種方法，一種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。掌握這一軟件的使用對(duì)于使用 51系列單片機(jī)的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)是十分必要的，如果你使用 C 語(yǔ)言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國(guó)內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機(jī)也很可能只支持該軟件），即使不使用C 語(yǔ)言而僅用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)事半功倍。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全 Windows 界面。 2. Keil C51 單片機(jī)軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)，如圖 (1)所示，其中 uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和 for Dos 的集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程。 ABS 文 件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51 或 tScope51 使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如 EPROM 中。 Keil C51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，所以本設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫程序。 系統(tǒng)初始化后就啟動(dòng)定時(shí)器 T1從 0開始計(jì)數(shù)，此時(shí)主程序進(jìn)入等待，當(dāng)?shù)竭_(dá) 65 ms時(shí) T1溢出進(jìn)入 T1中斷服務(wù)子程序；在 T1中斷服務(wù)子程序中將啟動(dòng)一次新的超聲波發(fā)射，此時(shí)將在 40 kHz的方波，同時(shí)開啟定時(shí)器 T0計(jì)時(shí)，為了避免直射波的繞射，需要延遲 1 ms后再開 INT0中斷允許； INT0中斷允許打開后，若此時(shí) (INT0)引腳出現(xiàn)低電平則代表收到回波信號(hào)，將提出中斷請(qǐng)求進(jìn)入 INT0中斷服務(wù)子程序，在INT0中斷服務(wù)子程序中將停止定時(shí)器 T0計(jì)時(shí)，讀取定時(shí)器 T0時(shí)間值到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)設(shè)置接收成功標(biāo)志；主程序一旦檢測(cè)到接收成功標(biāo)志，將調(diào)用測(cè)溫子程序，采集超聲波測(cè)距時(shí)的環(huán)境溫度，并換算出準(zhǔn)確的聲速，存儲(chǔ)到 RAM存儲(chǔ)單元中；單片機(jī)再調(diào)用距離計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì) 算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離；此后主程序調(diào)用顯示子程序進(jìn)行顯示；若超過(guò)設(shè)定的最小報(bào)警距離還將啟動(dòng)揚(yáng)聲器報(bào)警；當(dāng)一次發(fā)射、接收、顯示的過(guò)程完成后，系統(tǒng)將延遲 100 ms重新讓 T1置初值，再次啟動(dòng) T1以溢出，進(jìn)入下一次測(cè)距。 25 a a ab c b c b 圖 42 脈沖工作時(shí)序圖 超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出的一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 R 所接受。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲 波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 1ms(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因 )后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷 0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào) (INT0引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進(jìn)入中斷程序。單片機(jī)進(jìn)入等待階段且計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí) ,當(dāng)有中斷時(shí)進(jìn)入定時(shí)中斷子程序進(jìn)行判斷，如有回波則進(jìn)入外部中斷子程序 ,若沒(méi)有則跳出程序重新開始。這樣就會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，產(chǎn)生嚴(yán)重的誤差，所以需要延遲一定時(shí)間。 Proteus主要由ISIS和 ARES兩部分組成， ISIS的主要功能是原理圖設(shè)計(jì)及與電路原理圖的交互仿真， ARES主要用于印制電路板的設(shè)計(jì)。目前支持的單片機(jī)類型有： 68000系列、 8051系列、 AVR系列、 PIC12系列、 PIC16系列、 PIC18系列、 Z80系列、 HC11系列以及各種外圍 芯片?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和 SPICE分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。在發(fā)射電路的輸入端接脈沖信號(hào)發(fā)生器，然后在輸出端接示波器以觀察輸出波形?？梢杂^察到，在示波器的 A項(xiàng)輸出為 12us 左右的方波信號(hào)，頻率為 40kHz，幅值為 。但由于在仿真時(shí) Proteus中元器件庫(kù)中出現(xiàn)了很多器件短缺的問(wèn)題，此仿真并沒(méi)有進(jìn)行成功，所以本節(jié)只對(duì)系統(tǒng)調(diào)試做一些說(shuō)明。 將 發(fā)射電路與顯示電路和單片機(jī)連接，如圖 55 所示。點(diǎn)擊菜單欄中的調(diào)試選項(xiàng)觀察示波器的波形。 圖 51 Proteus的構(gòu)成圖 30 圖 52為 Proteus的界面。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如 Keil C51 uVision2等軟件。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、 RS232動(dòng)態(tài)仿真、 I2C調(diào)試器、 SPI調(diào)試器、鍵盤和 LCD系統(tǒng)仿真的功能；有