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超聲波測距儀(實時顯示聲光報警)_畢業(yè)設計論文報告-在線瀏覽

2025-06-05 23:26本頁面
  

【正文】 三章:硬件設計。主要闡述系統(tǒng)軟件編程及實施方案;第五章:系統(tǒng)測試。第二章 系統(tǒng)方案設計距離測量的方法很多,但超聲波測距以其非接觸式、攜帶方便、簡單易用等優(yōu)點被人們廣為應用。 設計要求系統(tǒng)主要研究的是基于單片機的超聲波測距,其主要功能要求如下: 能實時顯示測量距離; 當距離小于預置值時(本設計預置值為10cm),系統(tǒng)指示燈閃爍且蜂鳴器報警提示; 測量距離誤差小于1cm;本設計擴展功能如下: 能進行溫度補償并顯示溫度值; 當距離大于200cm時數(shù)碼管顯示CCC; 當環(huán)境溫度大于90℃時,蜂鳴器報警提示。本文章所提出的超聲波測距儀實現(xiàn)了低成本、電路簡單、使用方便、相對高的精度等優(yōu)點。單片機通過溫度傳感器進行溫度補償校正超聲波此時環(huán)境溫度下的速度,由路程與速度和時間的關系計算出傳感器與障礙物之間的距離。:2 系統(tǒng)最終方案通過各個模塊的分析和論證(詳細請看第三章),決定系統(tǒng)各模塊的最終方案如下:控制模塊:采用STC89S51單片機做主控制器;超聲波發(fā)射接收模塊:HCSR04超聲波模塊;顯示模塊:四位一體共陽極數(shù)碼管;報警模塊:蜂鳴器和發(fā)光LED;溫度補償模塊:DS18B20溫度傳感器芯片。本章節(jié)主要講述單片機各引腳功能、各模塊的設計原理圖或選擇方案等。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造,與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。AT89C51主要特性 ●與MCS51 兼容●4K字節(jié)可編程閃爍存儲器●壽命:1000寫/擦循環(huán)●數(shù)據(jù)保留時間:10年●全靜態(tài)工作:0Hz24Hz●三級程序存儲器鎖定●128*8位內(nèi)部RAM●32可編程I/O線●兩個16位定時器/計數(shù)器●5個中斷源●可編程串行通道●低功耗的閑置和掉電模式●片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 ●外形封裝:40腳PDIP AT89C51各引腳的含義和功能1. 電源引腳VCC和VSSVCC(Pin40):電源端,正常工作電壓接電源+5V,~。 AT89C51和AT89C2051的管腳圖2. XTAL1和XTAL2為外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1(Pin19)和XTAL2(Pin18)分別為STC89C52的片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端和輸出端,同時,XTAL2也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。3. 控制信號引腳(1) RST(Pin9)RST為單片機內(nèi)部CPU的復位信號輸入端??稍赗ST和VCC之間接一個10181。(2) ALE/(Pin30)ALE為低八位地址鎖存使能輸出和編程脈沖輸入端。可以驅(qū)動8個LS型TTL負載。(3) (Pin29)為訪問外部程序存儲器讀選通信號,可以驅(qū)動8個LS型TTL負載,為外部程序存儲器控制信號。CPU在訪問外部程序存儲器時,在每個機器周期中,信號兩次有效。:當=1時,CPU從片內(nèi)程序存儲器開始讀取指令;如果外部還有擴展程序存儲器,則CPU在執(zhí)行完內(nèi)部程序存儲器程序后,自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器程序。VPP:在對8952內(nèi)部EPROM編程時,此引腳應接21V編程電源。在CPU訪問片外存儲器時,P0口自動做為地址/數(shù)據(jù)復用總線使用;定義為I/O端口時,需要外接上拉電阻,是準雙向I/O口;在對EPROM編程時,由P0口輸入指令字節(jié),在驗證程序時,P0輸出指令字節(jié)(驗證時應接上拉電阻)。(2) ~(Pin1~Pin8)P1口是8位準雙向的并行I/O端口,當需要某位先輸入的時候,應該在輸入操作前,加一條輸出1的指令,然后再輸入才正確。對于AT89S52,P1端口的某些引腳還可以有第二功能。(3) ~(Pin21~Pin28)當P2口用做高8位地址時,控制信號用電子模擬開關MUX接通地址端,高8位地址信號便加到輸出端口,從而實現(xiàn)9位地址的輸出。(4) ~(Pin10~Pin17)P3口是8位準雙向并行的I/O口,一個具有第二變異功能且可位操作的端口。當系統(tǒng)需要擴展外部器件時,P3口可以作為第二功能使用。 AT89C51單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是單片機能夠工作的最小硬件組合。最小系統(tǒng)中,時鐘腳XTAL1和XTAL2外接12MHZ石英晶振并通過兩個22pf的電容接地,同時采用了手動加上電復位電路。例如圖3的最小系統(tǒng)中的充電時間常數(shù)=1010610103s=10ms,此時間常數(shù)足以使RST在保持為高電平的時間內(nèi)完成復位操作。 數(shù)碼管顯示模塊數(shù)碼管顯示電路由一個四位一體的共陽數(shù)碼管、上拉電阻、PNP做開關組成。當PNP導通時,相應的三極管控制的數(shù)碼管就會工作,從而數(shù)碼管就會顯示障礙物到傳感器的距離。HCSR04的基本工作原理如下:(1)通過給TRIG一個至少10181。(2)當TRIG被觸發(fā)時,模塊自動發(fā)送8個40KHZ的方波,并自動檢測是否有信號返回。測試距離=(聲速(340m/s)*高電平時間)/2。S的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號,與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm。s以上的高電平,HCSR04模塊內(nèi)部就會自動循環(huán)發(fā)出8個40KHZ的脈沖,一旦檢測到回波信號就會輸出回響信號,回響信號的脈沖寬度魚檢測距離成正比。檢測距離=聲速*高電平持續(xù)時間/2。同時,此模塊不宜帶電連接,否則會影響模塊的正常工作。方案二:采用超聲波接收模塊CX20106A以及超聲波探頭TR40超聲波傳感器的主要材料有壓電晶體(電致伸縮)及鎳鐵鋁合金(磁致伸縮)兩類。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?,它能將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生超聲波,同時它接收到超聲波時,也能將其轉(zhuǎn)變成電能,所以它可以分為發(fā)送器或接收器。超聲波探頭如圖7所示。波長越長,頻率越小,檢測距離越大,如具有毫米級波長的緊湊型傳感器的檢測范圍為300~500mm,波長大于5mm的傳感器檢測范圍可達到8m。聲波發(fā)射角,因而更適合精確檢測相對較小的物體。至15186。此外,我們還有外置探頭型的超聲波傳感器,相應的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。1. 74LS04推挽式超聲波發(fā)射電路74LS04是6非門(反相器)他的工作電壓+5V,他的內(nèi)部含有6個s反相器,74LS04的作用就是反相把1變成0。本設計采用定時中斷的方式產(chǎn)生40KHZ的方波,發(fā)射電路主要由74LS04反相器和T40超聲波發(fā)射換能器構(gòu)成,一路經(jīng)一級反相器輸送到超聲波換能器的一個電極,另一路經(jīng)兩級反相器輸送到換能器的另一個電極。輸出端采用兩個反相器并聯(lián),可以提高驅(qū)動能力;上拉電阻R10和R11既可以提高74LS04反相器輸出高電平的驅(qū)動能力,又可以增強超聲波換能器的阻尼效果,減少其自由振蕩時間。 74LS04管腳圖 T40超聲波探頭實物圖 超聲波發(fā)射電路原理圖2. 超聲波接收電路超聲波接收電路主要由專用紅外遙感接收芯片CX20106A和R40超聲波換能器組成。(),當接收到信號時外部中斷0開始中斷,停止定時器計時,算出超聲波發(fā)射到接收信號的時間,算出換能器到障礙物之間的距離。缺點:必須保證接收到的信號為40KHZ,否則無法解調(diào)。 CX20106A管腳圖: 超聲波接收電路原理圖HCSR04超聲波發(fā)射接收模塊與用T: HCSR04模塊與TR40和CX10206A模塊對比HCSR04模塊TR40和CX10206A模塊精度≥3mm≥1cm最遠射程4m2~3m最近射程2cm10cm測量角度15176。HCSR04超聲波發(fā)射接收模塊就解決了這個問題,其發(fā)射信號的頻率比較穩(wěn)定,發(fā)射超聲波的個數(shù)比較合理。S以上的高電平即可發(fā)射出頻率為40KHZ的超聲波,調(diào)試簡單;而用方案二制成的超聲波發(fā)射接收模塊編程則相對復雜,而且發(fā)射出的超聲波頻率不夠穩(wěn)定,與程序和硬件皆有關系,調(diào)試時相對麻煩。 聲光報警模塊 聲光報警電路主要由一個有源蜂鳴器、兩個發(fā)光二極管、一個PNP三極管等組成。當障礙物到傳感器的距離小于預置距離時,使紅色發(fā)光二極管閃爍,使三極管的發(fā)射極與基極導通,有足夠使蜂鳴器發(fā)出聲音的頻率電流流過蜂鳴器,蜂鳴器響,從而實現(xiàn)聲光報警提示。在復位期間,單片機的ALE和引腳均輸出為高電平。當系統(tǒng)上電后,復位電路給RST引腳一個短暫的高電平信號,這個信號隨電容的充電而逐漸降低,高電平持續(xù)時間和RC電路的充放電時間有關。當按鍵開關被按下時,VCC通過一個電阻連接到RST引腳,給它一個高電平信號,按鍵松開時,RST恢復為高電平,復位完成。 聲光報警電路 上電復位原理圖 DS18B20溫度補償電路DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的采用1Wire總線技術的典型產(chǎn)品。由于1Wire具有成本低、節(jié)省I/O口、抗干擾能力強、便于總線擴展和維護等特點。 上電復位加手動復位原理圖1. DS18B20的工作性能如下:●1Wire數(shù)據(jù)通信。●最高12位分辨率?!窨蛇x擇寄生工作方式?!癖粶y溫度在10℃~+85℃時,精度為177?!駜?nèi)置E2PROM,限溫報警功能?!穹庋b形式多樣。電源極性接反時,芯片不回燒毀。DS18B20是通過一種片上溫度測量的技術來測量溫度的。然后,計數(shù)器1從預置數(shù)開始減計數(shù)直至減至0時,溫度寄存器的溫度 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20測溫電路方框圖 (a) (b) (c) (a)三引腳T092DS18B20 (b)8引腳181。此后,溫度寄存器的數(shù)值是隨計數(shù)器1的工作不斷修改的,只有當計數(shù)器2的預置數(shù)減到0時,溫度寄存器的溫度值才會停止變化。SOP封裝以及3引腳T092封裝三種形式。 DS18B20對ROM的操作命令 引腳號(T092)引腳名稱引腳功能1GND接地2DQ數(shù)據(jù)輸入輸出引腳3VDD可選VDD引腳,當工作在寄生電源時,該引腳接地 DS18B20的供電方式DS18B20可以采用兩種供電方式,即外部供電方式和寄生電源供電方式。但GND必須接地。同時,為了使DS18B20得到足夠的工作電流,應給1Wire提供一個強上拉,一般可以用一個場效應管將I/O線直接拉到電源上。值得注意的是,當溫度超過100℃時,則不推薦使用寄生電源供電方式,應采用外部電源供電方式。其編寫程序步驟如下:(1) DS18B20初始化;(2) 操作指令讀;(3) 操作指令寫;(4) 溫度轉(zhuǎn)換;(5) 讀取溫度值。 +5V電源電路 第4章 軟件設計在單片機的開發(fā)與應用中,除了匯編語言外,還可以用C語言。因此,本設計主要采用C語言編寫。眾所周知,匯編語言是一種面向機器的程序語言,指令執(zhí)行速度快,執(zhí)行時間固定,故其效率很高,但其語言格式比較晦澀、可讀性差、難以編寫和調(diào)試,也不便于移植。雖然本設計的溫度傳感器對時間精度要求高,但經(jīng)過仔細計算得出的C語言已被廣泛應用,故直接用已有的程序也能做到對溫度的精確讀取,所以本設計全部使用C語言編程。流程為先在PC機平臺上用Keil UV4編寫好程序,然后通過STC_ISP_V480下載器將程序燒到單片機上反復調(diào)試和修改,達到要求,完成設計。外部中斷0開始中斷,同時綠燈亮,表明接收到回波,立即停止定時器0計時,保存定時器的計數(shù)值。 系統(tǒng)主要模塊程序設計,在發(fā)射超聲波的同時把定時器0打開進行計時,定時器0工作在方式1。超聲波發(fā)射程序如下:Trig=1;delay_20us(); Trig=0;超聲波成功接收(外部中斷0)程序如下:INT0_() interrupt 0 // 外部中斷是0號 { o
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