基于51单片机的超声波测距系统设计.docx
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基于51单片机的超声波测距系统设计
1设计任务
本文采用超声波传感器,IAP15单片机以及LCD显示模块设计了一种超声波测距显示器,可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。
是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器,具有一定的实用价值。
2设计思路
2.1超声波测距
2.1.1超声波
超声波是指频率在20kHz以上的声波,它属于机械波的范畴。
近年来,随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。
随着经济发展,电子测量技术应用越来越广泛,而超声波测量精确高,成本低,性能稳定则备受青睐。
超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律,如在介质的分界面处发生反射和折射现象,在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。
正是因为具有这些性质,使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高,超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。
一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向)。
因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。
同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点,因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。
2.1.2超声波测距原理
最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离s,即:
s=340t/2由于超声波也是一种声波,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的过程中是基本不变的。
如果对测距精度要求很高,则应
通过温度补偿的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的时间,即可求得距离。
距离计算公式:
S?
?
x?
?
d=2=2()
其中d为被测物与测距器的距离,s为声波的来回路程,c为声波,t为声波来回所用的时间。
其中声速c与温度有关。
(2-2)
C=331.5+0.607T
如果要提高测距精确度,则必须考虑温度的影响,也可取室温简化电路设计,将温度传感器作为扩展电路,在力所能及的情况下完成。
2.1.3超声波测距模块HC-SR04
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可
达3mm模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。
实物如图2-1所示:
图2-1HC-SR04模块实物图
HC-SR04T作原理及说明:
1、给Trig触发控制信号10端口至少10us的高电平信号。
2、模块自动发送8个40khz的方波,并自动检测是否有信号返回。
3、有信号返回时,Echo回响信号输出端口输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
4、两次测距时间间隔最少在60ms以上,以防止发射信号对回响信号的影响。
如图2-2所示:
lOuS旳TTL
mtft号
睛坏发出3个40KHZ豚碑mnnnipifim*■
梗块内部发岀佶号
输岀口响回晌电平输出
佶号2检测距藹威比例
图2-2HC-SR04工作原理
2.2LCD1602显示屏
LCD1602显示屏实物如图2-3所示:
图2-3LCD1602显示屏
LCD1602电路原理图如图2-4所示:
U2
亠丄o—HrF■中灯厂勺乂
SUOs:
?
OCHHHUmcCCC一I—
图2-4LCD1602电路原理图
2.3IAP单片机
IAP15F2K61S2单片机为增强型8051CPU具有1个单时钟/机器周期,其工作电压为4.2V〜5.5V,速度比普通的8051快8〜12倍;61K字节片内FLASH?
序存储器,片内大容量2048字节的SRAM大容量的片内EEPPOJM擦写次数在10万次以上;一共有8道10位高速ADC速度高达30万次/s,3路PWM还可当3路DA使用;共有3通道比较单元,内部高可靠复位,8级可选复位门槛电压,彻底省掉外部复位电路;内部高精度RC时钟,内部时钟从5MH〜35MHz可选,相当于普通8051的60MH〜420MHz两组高速异步串行通信端口,可以在5组管脚之间进行切换,分时复用可当5组串口使用;各种接口扩展齐全,一根USB线实现系统供电、程序下载及通信功能。
单片机实物图及引脚图如图2-5、图2-6所示:
图2-5IAP单片机实物图
40P4.5/ALE
鹃P2.7A15.-'GGP2_3
38P2.$/A14/CCP1._3
37P2.5/A13/CCP0_3
36P24/A12/ECL3.SS.2
35P2.3/M1/M0SL2
34F2.2/AWMrSO_2
33P2.1/A9SCLK.2
32P2.D/AarRSTOUT_LOW
31卩4.削HD
30P4,2/WR
29P4J/M1S0_3
28P3.7/INT3/TXD_2/CCP2fCCP2_2
27P3.6/INT2;RXD^2rCCPl_2
26P^^/TirrOCLKQ'QCPQ-^
25P3.4/TaniClK0ECI_2
24P3.3/INT1
23P3.2;INT0
22P3.1/TXDrT2
21P3.0/RX01NT4ZT2CLKO
2.4单片机最小系统
对于一个单片机系统,能够工作的前提是具有最小系统模块,最小系统一般包括单片
机、晶振电路、复位电路。
单片机的复位及晶振电路都是常见的接法,电源用一个按键控
图2-7单片机最小系统
2.4.2电源电路
此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给,也可使用外部稳定的5V电源
供电模块供给。
2.4.1时钟电路
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。
内部时钟电路的晶振频率一般选择
在4MHZ~12MH之间(本设计选用12MHZ,外接两个谐振电容,该电容的典型值为30pF。
如图2-8所示:
图2-8时钟电路
243复位电路
按键复位就是在复位电容上并联一个开关,当开关按下时电容被放电、RST也被拉到
高电平,而且由于电容的充电,会保持一段时间的高电平来使单片机复位。
如图2-9:
图2-9复位电路
2.4系统整体设计
系统主要由三部分组成:
单片机,超声波测距模块和LCD1602显示屏构成。
单片机在
控制中作为控制器,用于对超声波模块的控制和计时,显示电路主要实时显示测量数值。
系统框图如图2-10所示:
图2-10系统框图
3原理图
根据前面对设计的各个相关模块的分别讲述,再结合单片机的引脚功能,从而得到系统整体电路图,如图3-1所示:
图3-1原理图
在图3-1中,LCD1602的D0到D7连接10K上拉排阻并外接到单片机的P2.0至UP2.7端口,用于显示所测量距离,超声波HC-SR04的trig端、echo端分别接在单片机的P0.0、P3.2这两个端口,利用单片机的计时器将时间计算出来。
最后通过程序设计将计算出的距离显示到LCD1602液晶显示屏上。
4PCB图
生成PCB如图4-1、4-2所示:
C2
(O
URYSiIAL
C3
C1
R1$
U2
口心耶轻Q
SIP1冷打审B
Q
图4-1PCB原理图
5程序流程图
5.1主程序设计
这次软件设计使用的软件是KeiluVision4。
Keil4集成开发环境是一个窗口化的软件开发平台,它集成了功能强大的编辑器、工程管理器以及各种编译工具Keil4使用简
单、功能强大,是设计者完成设计任务的重要保证,还能加速单片机应用程序的开发过程。
主程序首先是对系统环境初始化,设定定时器TO工作模式为6位定时计数器模式,
置位总中断允许位EA并给显示端口P2清0。
然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲,为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发,需要延时约0.1ms
(这也就是超声波测距器会有一个最小测距离的原因)后,才打开外中断0接收返回的超声波信号。
由于采用的是12MHZ的晶振,计算器每计一个数就是1us,,当主程序检测到接收成功的标志位后,将计数器T0中的数(即超声波来回所用的时间)按计算公式计算,即可得被测物体与测距器之间的距离,设计时取声速为340m/s。
超声波测距程序见附录。
5.2程序流程图
主程序流程图如图5-1所示:
开始
系统初始化
Lri
r
发射超声波脉冲
等待反射超声波
计算距离
显示结果0.5s
测距程序流程图如图5-2所示:
图5-2测距程序流程图
6设计感想
在本次实训中,我们首先第一周进行了FPGA的学习,由老师带领我们学习FPGA的基本操作以及简单电路的设计,其中我认为最为主要的就是让我们认识到了FPGA的发展现
状以及发展前景。
通过了解,我们知道了FPGA的方便,可以用语言来实现我们需要的功
能,进而自动实现其电路的设计,帮助我们简化了很多步骤,在这一周的学习当中,我们首先学会了如何用语言来实现流水灯的设计,以及其基本的设计思路和方法还有quartus2软件的使用方法,继而学会了如何捕捉上升沿,这个很重要,对于以后我们工作能够起很大的作用,最主要的是我们学到了很多电路设计方面的经验,这些是我们平常在书本上学不到的,能够帮助我们在以后的工作当中节省很多的时间,创造了很多捷径,能够提高我们的效率。
在第二周的时间里,我设计了超声波测距电路,首先当我拿到这个题目时,对于这个课题只有一些初步的想法,通过理论课的学习对此有一个初始的印象,然后就是去找资料,了解到了我们要设计的这个电路具体的实现原理、所需模块等方面,以及他的组成部分,基于这个单片机,我们首先就要设计它的最小系统,然后我们还需要超声波传感器。
并且还需要对于测完的距离进行显示,这时就需要显示装置,这里我们用的是LCD1602A显示
屏。
拿到这些装置以后,我并不会连接,所以就需要认识每个器件的引脚功能,工作原理,引脚的定义以及接法等等,然后我们就要进行绘制原理图,然后生成PCB板,在确认无误
之后才能进行焊接,在焊接过程当中我们要注意的是焊点是否焊严,焊锡不能过多,走线要符合布局,在开始这次的设计工程当中,没有安排好布局,把LCD1602勺数据口和单片
机引脚接反,这是一个失误的地方,在老师指导下纠正过来。
我在焊接完板子之后,要进行测试,首先测试显示装置,由于没有电位器,我们就要计算电阻,使显示器能够正常工作,有适当的对比度,亮度等等,在我们进行测试的时候,换了好几个电阻才调整到了适当的亮度。
在各模块都工作正常后,我们要进行程序的编写,要考虑很多方面,例如接口,语法,逻辑等有没有错误,这些是很必要的,然后进行调试,更改程序等等。
本次设计的超声波测距电路经过测试,误差在1CM左右是0-2CM里可以接受的范围。
经过本次实训,使我收获良多,首先我们认识到了FPGA的发展现状,然后我们了解
了电路设计制作的基本流程,让我对这方面的工作有了一定的认识,帮助我们规划以后的工作,这些是我们本次实训的最大收获。
而且,在设计超声波测距电路过程中我查阅了很多的资料,自主的学习了很多以前没有注意但是实际需要的东西,帮助我们完善了知识储备,也在一定程度上增强了了我们实际的工作能力,这些是我们在课堂学习当中没办法实践的方面,然而在以后我们走上工作岗位上这些却是很重要的东西,所以很感谢这次生产实习让我学到了这么多的东西,做出了实物也使我很有成就感,对这方面的内容有了更大的兴趣以及了解,能够在我走上工作岗位之前给自己提个醒,未雨绸缪,提早做好工作之前的准备。
参考文献
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[2]范立南.单片机原理及应用教程.北京大学出版社,2013.
[3]楼然苗,李光飞•单片机课程设计指导•北京航空航天大学出版社,2012.
[4]俞国亮.MCS-51单片机原理及应用.清华大学出版社,2008.
⑸瞿金辉,周蓉生•超声波测距系统的设计•中国仪器仪表,2007.8.
⑹谭浩强.C语言程序设计(第四版).清华大学出版社,2011.11
[7]周凯,赵望达,赵迪.高精度超声波测距系统.测试技术卷,2007
附录A器件清单:
器件清单如表A-1所示:
元件
说明
数量
IAP15F2K61S2
单片机
1
HC-SR04
超声波模块
1
LCD1602
液晶显示屏
1
CH340G
USB转TTL下载器
1
按键开关
四脚
1
自锁开关
六脚
1
瓷片电容
30pF
2
电解电容
10uF
1
滑动变阻器103
10KQ
1
排阻A102J
10KQ上拉电阻
1
电阻
10KQ
1
电阻
300Q
1
晶振
12MHz
1
导线
若干
表A-1器件清单
附录B程序代码:
#inelude
#includevintrins.h>
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
uints,time,a,b,c,d;
sbitRS=P3A6;
sbitRW=P3A5;
sbitEN=P3A7;
sbitTrig=P0A1;
sbitEcoh=P0A。
;
ucharcodedis_code1[]="DistaneeTest:
"
uchardis_code2[]="0.00M";
ucharcache[3]={0,0,0};
voiddelay_ms(uinttimer)
{
uchari=0;
while(timer--)
for(i=600;i>0;i--);
〃@12.000MHz
}
voidDelay15us(unsignedchari)
{
_nop_();
_nop_();
i=42;
while(--i);
}
voidwait()
{
RS=O;
RW=1;
EN=O;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
EN=1;
P2=0XFF;
while(P2&0X80);
EN=O;
}
voidwrite_lcd_com(ucharcom)
{
wait();
RS=0;
RW=0;
EN=0;
_nop_();
EN=1;
P2=com;
delay_ms(5);
EN=0;
}
voidwrite_lcd_data(uchardat)
{
wait();
RS=1;
RW=0;
EN=0;
_nop_();
EN=1;delay_ms(5);
P2=dat;
EN=0;
}
voidled」nit()
{
EN=0;
write_lcd_com(0x38);
delay_ms
(1);write_lcd_com(0x06);
delay_ms
(1);
write_lcd_com(0x0C);
delay_ms
(1);
write_lcd_com(0x01);delay_ms
(1);
}
voidchaoshengbo(void)
{
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
s=time*0.17;〃?
?
?
?
CMcache[0]=s/1000;cache[1]=s/100%10;cache[2]=s/10%10;dis_code2[0]=cache[0]+'0';dis_code2[2]=cache[1]+'0';dis_code2[3]=cache[2]+'0';
write_lcd_com(0x80+0x40);
write_lcd_data(dis_code2[0]);
write_lcd_data(dis_code2[2]);
write_lcd_data(dis_code2[3]);
voidmain()
uchari=0;
lcd」nit();
AUXR&=0x7F;
//
定时器时钟12T模式
TMOD&=0x00;
//
设置定时器模式
TMOD|=0x11;
//
定时器工作方式1
ET0=1;
//
定时器0中断允许
EA=1;
//开总中断
write_lcd_com(0x80);
for(i=0;i<15;i++)
write_lcd_data(dis_code1[i]);
delay_ms
(1);
write_lcd_com(0x80+0x40);
for(i=0;i<16;i++)
write_lcd_data(dis_code2[i]);
delay_ms
(1);
delay_ms(2000);
i=0;
while
(1)
while
(1)
Trig=1;
Delay15us();
Trig=0;while(!
Ecoh);
TR0=1;
while(Ecoh);
TR0=0;
chaoshengbo();delay_ms(1000);
}
}
外部中断1函数
voidtimer0()interrupt1//
{
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
}