超声定位测距仪设计报告.docx
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超声定位测距仪设计报告
论文编号：
A甲07
参赛题目
（超声定位测距仪）
山东轻工业学院
电子信息与控制学院
（姓名专业班级联系方式）
薄夫宽电子信息工程
宋宜飞电子信息工程
高辉电子信息工程
山东轻工业学院
第二届“银兴杯”电子设计大赛
设计方案
作品名称：
超声定位测距仪
参赛编号：
A甲07
题目名称：
超声定位测距仪
摘要：
超声波测距定位仪要求测距误差小于2厘米，测量角度误差小于10度，测量时间小于10秒，测量范围2×2米正方形内任意放置的超声定位测距仪。
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制
本定位测距仪由单片机STC89C52为主控制器，超声波发射电路主要由反相器4001和超声波发射换能器构成，超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它是一款红外线检波接收的专用芯片。
为精确测量角度，采用步进电机24BYJ48，大大提高了定位角度精度。
关键词：
单片机STC89C52芯片CX20106A，L298N
步进机24BYJ48
目录
一、系统设计5
1.1、设计要求5
1.2系统各模块方案5
二、系统硬件设计与实现6
2.1、超声波测距部分设计6
2..1.1、超声波发射电路6
2.1.2、超声波检测接收电路7
2.1.3、主控部分8
2.2、超声波定位部分设计9
2.2.1、角度传感器电路设计10
2.3、显示电路原理11
三、软件设计与工程流图11
四、参考文献14
1、系统设计
1.1、设计要求
1.设计包括可移动发射装置和定位测距仪。
2.定位仪能在在2×2米正方形范围内准确定位。
3.测距误差小于2厘米，测量角度误差小于10度，测量时间小于10秒。
1.2系统各模块方案
设计思路：
题目的大部分要求还是在发挥部分，要做到满足题目要求的同时有大较大的创新点。
我们采用基于51单片机的超声波测距，以及采用步进电机测量方位。
设计电路主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和角度传感器电路等几部分组成。
经过仔细分析和论证，决定了各模块的最终方案如下：
1.STC89C52：
测距定位仪的核心单片机
2.步进电机24BYJ48，驱动芯片L298N
3.发射探头R40-165.驱动芯片CD4001
4.接受探头T40，及红外线检波接收芯片CX20106A
5.显示模块，利用HC373驱动，共阳4位LED
图1超声波测距定位仪系统方框图
二、系统硬件设计与实现
2.1、超声波测距部分设计
根据设计要求并综合各方面因素，可以采用STC89C52单片机作为主控制器，步进电机做角度测量，超声波做距离测量，采用动态扫描法实现LED显示距离与角度，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，
2.1.1、超声波发射电路
压电超声波转换器的功能：
利用压电晶体谐振工作。
内部结构上图所示，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，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器;如没加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接受转换器。
超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。
图2超声波发射接收头
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。
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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，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换能器。
超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。
本设计中发射器电路采用集成电路模块不需考虑这些问题。
其原理图如图3所示。
图3超声波发射电路
2.1.2、超声波检测接收电路
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图5）。
实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干
扰能力。
适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图4超声波接收电路
本电路包括超声波接收头，电压器、检波电路和单稳态延时电路，如图6所示。
图5接收电路组成图
2.1.3、主控部分
STC89C52：
8K字节在系统可编程Flash存储器、1000次擦写周期、全静态操作：
0Hz～33Hz、三级加密程序存储器、32个可编程I/O口线、三个16位定时器/计数器八个中断源、全双工UART串行通道、低功耗空闲和掉电模式、掉电后中断可唤醒、看门狗定时器、双数据指针、掉电标识符。
图6STC89C52
其引脚图如图7所示。
图7STC89C52系列引脚图
以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。
2.2、超声波定位部分设计
1、角度电路设计
选用的电机为：
24BYJ48—5V
带有齿轮减速，噪音极低，运转平稳，减速比为1/64，步矩角为5.625/64°，通过单片机发射脉冲信号转驱动后带动点击转动，每一脉冲转动5.625/64°，通过计数器计数中断前脉冲数量，再乘以步距角就可得到准确的角度信息。
其采用四相八拍工作方式，需要对电机的每“一相”进行驱动，驱动电路我们选用L298N。
驱动电路如下：
图10角度电路
2.3、显示电路原理
LED数码管外部有10个引脚，其中3,8脚为公共端也称位选端，其余8个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字（（0-9中的一个）必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的8位段选码（也称字形码），在位选端加上低电平即可，二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5V的电压。
一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）a～g，另一个小数点为dp发光二极管。
当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。
为了保护各段LED不被损坏，需外加限流电阻。
为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。
动态扫描显示方式需要解决多位LED数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的通过P1口实现：
而每一位的公共端，即LED数码管的“位控”，则由P3口控制。
这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。
在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。
图12显示器原理图
三、软件设计与工作流程图
超声波测距定位仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序、角度测量程序及显示子程序组成。
我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。
其流程图如下。
复位
发送超声波同时控制步进电机开始转动
产生外部中断int0
由脉冲数及步距得偏转角度
再次发射超声波并启动计数
由计时时间的距离
数码管分时并动态显示数据
系统运行时，软件首先对单机片和发射接收端初始化，然后，从接受到超声波时步进电机脉冲数计算出角度，接着，初始化发射端接收端，测距离。
最后初始化显示部件，将距离和角度显示出来。
四、参考文献
1.张培仁.MCS—51单片机原理与应用.北京：
清华大学出版社.1998.12
5.王化祥等.传感器原理及其应用.天津：
天津大学出版社.1999
6.童诗白等.模拟电子技术基础.北京：
高等教育出版社.2000
附录
C程序：
#include
#include
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
sbitrec=P3^2;
sbitp27=P2^7;
sbitp26=P2^6;
sbitp25=P2^5;
sbitp37=P3^7;
sbitp36=P3^6;
ucharj;
uintcount=0;
uintcounts=4800;
uintstep,i;
floatds=0;
uintan;
uintdst;
constunsignedcharclockstep[8]={0x80,0x90,0x10,0x30,0x20,0x60,0x40,0xc0};
codeunsignedcharseg7code[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//显
voiddelayms（unsignedchari）
{unsignedintj;
while（i--）
{
for（j=0;j<125;j++）;
}
}
voiddelay（unsignedchartc）//延时程序
{unsignedintj;
whiletc--）
{
for（j=0;j<100;j++）;
}
}
voidLed（uintag,ds）//显示函数PO口作为wei选，P2口duan选
{
P0=0x80;
P2=seg7code[ag/100];//取出角度高位，查表，输出。
delay
（1）;//延时
P0=0x40;
P2=seg7code[ag%100/10];//取出角度低位，查表，输出。
delay
（1）;//延时
P0=0x20;
P2=seg7code[ag%10];//此位。
delay
（1）;//延时
///P0=0x10;
///P2=0x39;//显示C，译为度。
///delay
（1）;
P0=0x08;
P2=seg7code[ds/1000];//距离最高位。
delay
（1）;
P0=0x04;
P2=seg7code[ds%1000/100];//距离
delay
（1）;
P0=0x02;
P2=0x7f&seg7code[ds%100/10];//距离，此位有小数点
delay
（1）;
P0=0x01;
P2=seg7code[ds%10];//距离最低位
delay
（1）;
}
voidmoto（void）//正转，setp是步数64huo4096;
{
p37=1;
j=0;
for（i=0;i{
if（j<8）
{
j++;
}
else
{
j=0;
}
P1=clockstep[j];
delaym
（2）;
}
}
voidcheck（void）interrupt0//l298nenaenbjiep3^7
{
p37=0;
step=i;
counts=step+2;
an=（uint）（step*0.075）;//步距5.625度
p36=1;
EA=0;
}
voidmain（void）/*主程序*/
{
p36=0;
EA=1;/*CPU开中断*/
EX0=1;
moto（）;
p36=0;//fashe
while（rec==1）
{
count++;//11.0592m,
}
ds=334.5*count;
ds=ds*1000;/////cm
dst=（uint）ds;
p36=1;
for（;;）
{
Led（an,dst）;
}
}
//////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////
说明。
P0口接段选，P2口的7,6,5位选-------LED
P3的2口为超声波接收引脚，低变，产生中断
P3的6口为超声波接收引脚，为0时发射
P1口驱动步进电机，高4位来接4线
P3的7口为L298N的ENA,ENB
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