基于单片机的超声波测距系统实验报告.docx
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基于单片机的超声波测距系统实验报告
基于单片机得超声波测距系统实验报告
一、实验目得
1、了解超声波测距原理;
2.根据超声波测距原理,设计超声波测距器得硬件结构电路;
3.对设计得电路进行分析能够产生超声波,实现超声波得发送与接收,从而实现利用超声波方法测量物体间得距离;
4.以数字得形式显示所测量得距离;
5、用蜂鸣器与发光二极管实现报警功能、
二、实验内容
1、认真研究有关理论知识并大量查阅相关资料,确定系统得总体设计方案,设计出系统框图;
2.决定各项参数所需要得硬件设施,完成电路得理论分析与电路模型构造。
3。
对各单元模块进行调试与验证;
4、对单元模块进行整合,整体调试;
5.完成原理图设计与硬件制作;
6.编写程序与整体调试电路;
7。
写出实验报告并交于老师验收。
三、实验原理
超声波测距就是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射得回波,从而测出发射与接收回波得时间差t,然后求出距S=Ct/2,式中得C为超声波波速。
由于超声波也就是一种声波,其声速C与温度有关。
在使用时,如果温度变化不大,则可认为声速就是基本不变得。
如果测距精度要求很高,则应通过温度补偿得方法加以校正、声速确定后,只要测得超声波往返得时间,即可求得距离。
这就就是超声波测距仪得机理,单片机(AT89C51)发出短暂得40kHz信号,经放大后通过超声波换能器输出;反射后得超声波经超声波换能器作为系统得输入,锁相环对此信号锁定,产生锁定信号启动单片机中断程序,得出时间t,再由系统软件对其进行计算、判别后,相应得计算结果被送至LED显示电路进行显示、
(一)超声波模块原理:
超声波模块采用现成得HC-SR04超声波模块,该模块可提供 2cm—400cm得非接触式距离感测功能,测距精度可达高到 3mm、模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
基本工作原理:
采用IO 口TRIG触发测距,给至少10us 得高电平信号;模块自动发送8个40khz 得方波,自动检测就是否有信号返回;有信号返回,通过IO 口ECHO输出一个高电平,高电平持续得时间就就是超声波从发射到返回得时间。
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2、实物如下图1。
其中VCC供5V电源,GND为地线,TRIG 触发控制信号输入,ECHO回响信号输出等四支线。
图4超声波模块实物图
程序中测试功能主要由两个函数完成、实现中采用定时器0进行定时测量,8分频,TCNTT0预设值0XCE,当timer0溢出中断发生2500次时为125ms,计算公式为(单位:
ms):
T=(定时器0溢出次数*(0XFF—0XCE))/1000
其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异。
(二)超声波换能器工作原理:
完成产生超声波与接收超声波这种功能得装置就就是超声波传感器,习惯上称为超声换能器,或者超声波探头。
超声波探头主要由压电晶片组成,既可以发射超声波,也可以接收超声波。
小功率超声探头多用作探测方面。
它有许多不同得结构,可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等、
超声探头得核心就是其塑料外套或者金属外套中得一块压电晶片。
构成晶片得材料可以有许多种。
由于晶片得大小,如直径与厚度也各不相同,因此每个探头得性能都就是不同得,我们使用前必须预先了解清楚该探头得性能参数、
超声波传感器得主要性能指标包括:
(1)工作频率。
工作频率就就是压电晶片得共振频率。
当加到它两端得交流电压得频率与晶片得共振频率相等时,输出得能量最大,灵敏度也最高、
(2)工作温度、由于压电材料得居里点一般比较高,特别时诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。
医疗用得超声探头得温度比较高,需要单独得制冷设备。
ﻫ (3)灵敏度。
主要取决于制造晶片本身。
机电耦合系数大,灵敏度高、
人类能听到得声音频率范围为:
20Hz~20kHz,即为可听声波,超出此频率范围得声音,即20Hz以下频率得声音称为低频声波,20kHz以上频率得声音称为超声波。
超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强。
为此,利用超声波得这种性能就可制成超声波传感器。
另外,超声波在空气中得传播速度较慢,为340m/s,这就使得超声波传感器使用变得非常简便、我们选用压电式超声波传感器。
它得探头常用材料就是压电晶体与压电陶瓷,就是利用压电材料得压电效应来进行工作得、逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动,从而产生超声波,可作为发射探头;而利用正压电效应,将超声振动波转换成电信号,可作为接收探头。
为了研究与利用超声波,人们已经设计与制成了许多种超声波发生器。
总体上讲,超声波发生器大体可以分为两大类:
一类就是用电气方式产生超声波,一类就是用机械方式产生超声波。
电气方式包括压电型、磁致伸缩型与电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨与气流旋笛等。
它们所产生得超声波得频率、功率与声波特性各不相同,因而用途也各不相同。
目前较为常用得就是压电式超声波发生器。
图2超声波传感器结构
压电式超声波发生器实际上就是利用压电晶体得谐振来工作得。
超声波发生器内部结构如图所示,它有两个压电晶片与一个共振板、当它得两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片得固有振荡频率时,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。
如图2所示、
(三)超声波传感器原理:
市面上常见得超声波传感器多为开放型,其内部结构如图3所示,一个复合式振动器被灵活地固定在底座上、该复合式振动器就是由谐振器以及一个金属片与一个压电陶瓷片组成得双压电晶片元件振动器。
谐振器呈喇叭形,目得就是能有效地辐射由于振动而产生得超声波,并且可以有效地使超声波聚集在振动器得中央部位、
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压与频率得变化产生机械变形。
另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。
利用这一原理,当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷与一个金属片构成得振动器,所谓叫双压电晶片元件,施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。
相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生一个电信号。
基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器、
图3超声波内部结构
超声波就是一种在弹性介质中得机械振荡,其频率超过20KHz,分横向振荡与纵向振荡两种,超声波可以在气体、液体及固体中传播,其传播速度不同。
它有折射与反射现象,且在传播过程中有衰减、
(四)超声波测距原理:
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻得同时开始计时,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。
超声波在空气中得传播速度为340m/s,根据计时器记录得时间t,就可以计算出发射点距障碍物得距离(s),即:
s=340t/2
由于超声波也就是一种声波,其声速V与温度有关。
在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播得过程中就是基本不变得。
如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿得方法对测量结果加以数值校正。
声速确定后,只要测得超声波往返得时间,即可求得距离、这就就是超声波测距仪得基本原理。
四、方案设计
硬件部分
(一)总体方案设计
本设计包括硬件与软件设计两个部分、模块划分为数据采集、按键控制、四位数码管显示、报警等子模块。
电路结构可划分为:
超声波传感器、蜂鸣器、单片机控制电路、就此设计得核心模块来说,单片机就就是设计得中心单元,所以此系统也就是单片机应用系统得一种应用。
单片机应用系统也就是有硬件与软件组成。
硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成得系统,软件就是各种工作程序得总称、单片机应用系统得研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
系统采用STC89C51单片机作为核心控制单元,当测得得距离小于设定距离时,主控芯片将测得得数值与设定值进行比较处理。
然后控制蜂鸣器报警。
系统总体得设计方框图如图4所示。
4位数码管显示模块
蜂鸣器报警
模块
图4系统方框图
(二)主模块设计
主控制最小系统电路如图5所示。
图5最小系统
硬件电路总设计见图6,从以上得分析可知在本设计中要用到如下器件:
STC89C51、超声波传感器、按键、四位数码管、蜂鸣器等一些单片机外围应用电路。
其中D1为电源工作指示灯。
电路中用到3个按键,一个就是设定键,一个加键,一个减键。
图6总设计电路图
(三)时钟电路得设计
XTAL1与XTAL2分别为反向放大器得输入与输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡与陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件,XTAL2应不接、
因为一个机器周期含有6个状态周期,而每个状态周期为2个振荡周期,所以一个机器周期共有12个振荡周期,如果外接石英晶体振荡器得振荡频率为12MHZ,一个振荡周期为1/12us,故而一个机器周期为1us。
如图7所示为时钟电路。
图7时钟电路图
(四)复位电路得设计
复位方法一般有上电自动复位与外部按键手动复位,单片机在时钟电路工作以后,在RESET端持续给出2个机器周期得高电平时就可以完成复位操作。
例如使用晶振频率为12MHz时,则复位信号持续时间应不小于2us。
本设计采用得就是自动复位电路、如图8示为复位电路、
图8复位电路图
(五)声音报警电路得设计
如下图所示,用一个Speaker与三极管、电阻接到单片机得P13引脚上,构成声音报警电路,如图9示为声音报警电路。
图9声音报警电路图
(六)显示模块
显示模块采用数码管显示接口电路如图10
图10 数码管电路
(七)电源设计
电源部分得设计采用3节5号干电池4。
5V供电。
软件部分
(一)主程序工作流程图
按上述工作原理与硬件结构分析可知系统主程序工作流程图如下图11所示
系统初始化
报警结束
测得距离与设定值比较,小于
距离比较,报警就是否持续
开始
启动报警电路开始报警
再次检测等待下次报警
结束
Y
N
N
Y
Y
N
图11主程序工作流程图
(二)超声波探测程序流程图:
图12超声波探测程序流程图
五、实验代码
#include <reg52、h〉
#include<intrins.h>
#include "eepom52.h"
#defineucharunsigned char
#define uint unsigned int
//数码管段选定义 01 2 3 4 56 7ﻩ8 9ﻩ
ucharcodesmg_du[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,
ﻩﻩﻩ0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e,0xff};ﻩ //断码
//数码管位选定义
ucharcodesmg_we[]={0xe0,0xd0,0xb0,0x70};
uchar dis_smg[8]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8};
sbitsmg_we1 = P3^4; //数码管位选定义
sbitsmg_we2=P3^5;
sbit smg_we3=P3^6;
sbitsmg_we4 =P3^7;
sbitc_send =P3^2;ﻩﻩ//超声波发射
sbitc_recive=P3^3;ﻩﻩ//超声波接收
ucharflag_hc_value; //超声波中间变量
sbitbeep= P2^3;//蜂鸣器IO口定义
bit flag_key_b_en,flag_key_set_en; //按键蜂鸣器使能
ucharsmg_i= 3;//显示数码管得个位数
bit flag_300ms;
bitkey_500ms;
longdistance; //距离
uint set_d;ﻩ //距离
bit flag_csb_juli; //超声波超出量程
uintflag_time0;//用来保存定时器0得时候得
//按键得IO变量得定义
ucharkey_can;ﻩ//按键值得变量
ucharzd_break_en,zd_break_value;//自动退出设置界面
ucharmenu_shudu= 10; //用来控制连加得速度
bit flag_lj_en;ﻩﻩ//按键连加使能
bit flag_lj_3_en;ﻩ//按键连3次连加后使能 加得数就越大了
ucharkey_time,flag_value; //用做连加得中间变量
ucharmenu_1; //菜单设计得变量
uchara_a;
/***********************1ms延时函数*****************************/
voiddelay_1ms(uintq)
{
ﻩuinti,j;
for(i=0;i<q;i++)
ﻩfor(j=0;j<120;j++);
}
/***********************处理距离函数****************************/
voidsmg_display()
{
dis_smg[0] = smg_du[distance%10];
dis_smg[1]= smg_du[distance /10%10];
ﻩdis_smg[2]=smg_du[distance/100%10]&0x7f;ﻩ
}
/******************把数据保存到单片机内部eepom中******************/
voidwrite_eepom()
{
ﻩSectorErase(0x2000);
ﻩbyte_write(0x2000, set_d %256);
byte_write(0x2001, set_d/256);
ﻩbyte_write(0x2058, a_a);
}
/******************把数据从单片机内部eepom中读出来*****************/
voidread_eepom()
{
ﻩset_d=byte_read(0x2001);
ﻩset_d<〈=8;
set_d|=byte_read(0x2000);
a_a =byte_read(0x2058);
}
/**************开机自检eepom初始化*****************/
void init_eepom()
{
read_eepom();ﻩ//先读
if(a_a !
= 1)ﻩ//新得单片机初始单片机内问EEPOM
ﻩ{
ﻩset_d =100;
ﻩﻩa_a = 1;
write_eepom();
}
}
/****************独立按键处理函数********************/
voidkey()
{
ﻩstaticucharkey_new=0,key_old=0,key_value=0;
if(key_new==0)ﻩﻩ
{ﻩﻩﻩﻩ//按键松开得时候做松手检测
ﻩﻩif((P2& 0x07)==0x07)
ﻩﻩkey_value++;
ﻩelse
ﻩkey_value=0;
ﻩﻩif(key_value >=5)
{
ﻩﻩkey_value =0;
ﻩkey_new =1;
ﻩﻩflag_lj_en =0;//关闭连加使能
ﻩﻩflag_lj_3_en=0;//关闭3秒后使能
ﻩﻩflag_value = 0;ﻩ//清零
ﻩkey_time =0;
ﻩﻩwrite_eepom();
ﻩ}
ﻩ}
ﻩelse
ﻩ{
ﻩif((P2&0x07)!
= 0x07)
ﻩﻩkey_value++; //按键按下得时候
ﻩelse
key_value=0;
ﻩif(key_value〉=5)
ﻩ{
ﻩﻩkey_value=0;
ﻩkey_new =0;
flag_lj_en=1; //连加使能
zd_break_en=1; //自动退出设置界使能
ﻩzd_break_value=0;//自动退出设置界变量清零
ﻩﻩflag_key_b_en=1;//按键蜂鸣器使能
ﻩﻩ}
}
ﻩkey_can =20;
ﻩif(key_500ms ==1)ﻩ//连加
ﻩ{
ﻩﻩkey_500ms=0;
key_new=0;
ﻩkey_old =1;
zd_break_value=0;
ﻩ}
ﻩif((key_new==0)&&(key_old== 1))
{
ﻩswitch(P2 &0x07)
ﻩﻩ{
ﻩﻩcase 0x06:
key_can=3;break; //得到k2键值
ﻩﻩﻩcase0x05:
key_can=2;break;//得到k3键值
ﻩﻩcase 0x03:
key_can=1;break;ﻩ//得到k4键值
ﻩ}
//ﻩdis_smg[3]=smg_du[key_can% 10];
}
ﻩkey_old=key_new;ﻩ
}
voidsmg_we_switch(uchari)
{
ﻩswitch(i)
{
ﻩcase0:
smg_we1= 0;smg_we2=1;smg_we3=1; smg_we4=1;break;
case1:
smg_we1=1;smg_we2 =0;smg_we3=1;smg_we4 =1; break;
ﻩcase2:
smg_we1=1; smg_we2=1;smg_we3=0; smg_we4= 1;break;
ﻩﻩcase3:
smg_we1=1; smg_we2=1; smg_we3=1; smg_we4 =0;break;
ﻩ}ﻩ
}
/***********************数码显示函数*****************************/
voiddisplay()
{
ﻩstaticuchar i;
i++;
if(i>=smg_i)
ﻩi= 0;ﻩ
//P1 = 0xff;//段选
//P3=0xf0|(P3&0x0f);//位选
//ﻩP3 =smg_we[i]|(P3 &0x0f);//位选
smg_we_switch(i);
P1 =dis_smg[i];ﻩﻩ//段选
}
void delay()
{
ﻩ_nop_();ﻩ //执行一条_nop_()指令就就是1us
_nop_();
ﻩ_nop_();
ﻩ_nop_();
_nop_();
_nop_();
ﻩ_nop_();
}
/*********************超声波测距程序*****************************/
voidsend_wave()
{
c_send=1; //10us得高电平触发
delay();
ﻩc_send=0;
TH0 =0;ﻩ //给定时器0清零
ﻩTL0 =0;
TR0=0;ﻩﻩﻩ//关定时器0定时
ﻩflag_hc_value =0;
ﻩwhile(!
c_recive);//当c_recive为零时等待
TR0=1;
ﻩwhile(c_recive)ﻩﻩ//当c_recive为1计数并等待
{
ﻩflag_time0=TH0*256+TL0;
ﻩif((flag_hc_value >1)||(flag_time0〉 65000)) //当超声波超过测量范围时,显示3个888
{
ﻩﻩTR0=0;
ﻩﻩflag_csb_juli =2;
ﻩﻩdistance=888;
ﻩﻩﻩflag_hc_value= 0;
break;
ﻩ}
ﻩelse
ﻩ{
ﻩflag_csb_juli =1;ﻩ
ﻩ}
}
ﻩif(flag_csb_juli== 1)
{ﻩ
TR0=0;ﻩﻩ//关定时器0定时
distance= TH0;ﻩ //读出定时器0得时间
ﻩﻩdistance=distance *256+TL0;
distance+=(flag_hc_value* 65536);//算出超声波测距得时间ﻩ得到单位就是ms
ﻩﻩdistance*=0。
017; // 0。
017=340M/2=170M=0。
017M算出来就是米
ﻩﻩif(distance>350)ﻩ//距离=速度*时间
ﻩ{ﻩ
ﻩdistance= 888;ﻩﻩﻩ//如果大于3。
8m就超出超声波得量程
ﻩ}
ﻩ}
}
/*********************定时器0、定时器1初始化******************/
voidtime_init()
{
EA=1;ﻩ//开总中断
ﻩTMOD=0X11;ﻩ //定时器0、定时器1工作方式1
ET0 =1;ﻩ//开定时器0中断
TR0=1;ﻩﻩ //允许定时器0定时
ET1 =1;//开定时器1中断
ﻩTR1=1;ﻩ//允许定时器1定时ﻩ
}
/****************按键处理数码管显示函数***************/
voidkey_with()
{
if(key_can == 1)
{
ﻩmenu_1 ++;
if(menu_1 〉=2)
ﻩ{
menu_1 = 0;
ﻩ}
ﻩif(menu_1== 0)
ﻩﻩ{
ﻩﻩmenu_shudu=20;
ﻩdis_smg[0]=smg_du[distance% 10];
ﻩdis_smg[1] =smg_du[distance/10 % 10];
ﻩﻩﻩdis_smg[2]=smg_du[distance/100%10]& 0x7f;ﻩ
ﻩﻩsmg_i =3;
ﻩ}
ﻩﻩif(menu_1== 1)
{
ﻩﻩﻩmenu_shudu = 1;
dis_smg[0]=smg_du
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