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基于AT89C2051单片机超声波测距系统设计.doc

发布时间：2022-06-25 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.34M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1.1设计任务
    1.2性能指标
    二、超声波测距原理概述
    2.1超声波传感器
    2.1.1 超声波发生器
    2.1.2 压电式超声波发生器原理
    2.1.3单片机超声波测距系统构成
    三、设计方案
    3.1 AT89C2051单片机
    3.2 超声波测距系统构成
    3.2.1 超声波测距单片机系统
    图3-2：超声波测距单片机系统
    3.2.2 超声波发射、接收电路
    图3-3：超声波测距发送接收单元
    3.2.3显示电路
    四.系统软件设计
    4.1 主程序设计
    五.调试及性能分析
    5.1调试步骤
    5.2 性能分析
    参考文献
    附录一：基于AT89C2051单片机超声波测距系统电原理图
    附录二 基于AT89C2051单片机超声波测距系统PCB图
    附录三 基于AT89C2051单片机超声波测距系统焊接组装图
    附录四 基于AT89C2051单片机超声波测距系统C语言原程序
    附录五附录:元件清单
    AT89C2051 单片机超声波测距系统 设计题目：AT89C2051 单片机超声波测距系统 姓名： 完成日期：2010 年 12 月 25 日 1
    目 录 一、设计任务和性能指标......................................................................................................................................3 1.1 设计任务.......................................................................................................................................................3 1.2 性能指标.......................................................................................................................................................3 二、超声波测距原理概述......................................................................................................................................4 2.1 超声波传感器...............................................................................................................................................5 2.1.1 超声波发生器.......................................................................................................................................... 5 2.1.2 压电式超声波发生器原理...................................................................................................................... 5 2.1.3 单片机超声波测距系统构成...................................................................................................................5 三、设计方案.......................................................................................................................................................... 6 3.1 AT89C2051 单片机.......................................................................................................................................7 3.2 超声波测距系统构成.................................................................................................................................. 8 3.2.1 超声波测距单片机系统.......................................................................................................................... 9 图 3-2：超声波测距单片机系统 .......................................................................................................................9 3.2.2 超声波发射、接收电路.......................................................................................................................... 9 图 3-3：超声波测距发送接收单元.................................................................................................................10 3.2.3 显示电路.................................................................................................................................................10 四.系统软件设计 .................................................................................................................................................. 11 4.1 主程序设计.................................................................................................................................................11 4.2 超声波测距子程序.................................................................................................................................... 12 4.3 超声波测距程序流程图............................................................................................................................ 13 4.4 超声波测距程子序流程图........................................................................................................................ 14 五.调试及性能分析.............................................................................................................................................. 14 5.1 调试步骤.....................................................................................................................................................14 5.2 性能分析.................................................................................................................................................... 15 参考文献................................................................................................................................................................ 15 附录一：基于 AT89C2051 单片机超声波测距系统电原理图............................................................................16 附录二 基于 AT89C2051 单片机超声波测距系统 PCB 图..................................................................................17 附录三 基于 AT89C2051 单片机超声波测距系统焊接组装图 ..........................................................................18 附录四 基于 AT89C2051 单片机超声波测距系统 C 语言原程序......................................................................19 附录五附录:元件清单..........................................................................................................................................24 2
    一、设计任务和性能指标 1.1 设计任务 利用单片机及外围接口电路(键盘接口和显示接口电路)设计制作一个超声波测距 仪器，用 LED 数码管把测距仪距测出的距离显示出来。 要求用 Protel 画出系统的电路原理图，印刷电路板，绘出程序流程图，并给出程 序清单。 1.2 性能指标 距离显示：用三位 LED 数码管进行显示（单位是 CM）。 测距范围：25CM 到 400CM 之间。误差：1%。 3
    二、超声波测距原理概述 超声波是由机械振动产生的,可在不同介质中以不同的速度传播。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。超声测距是一种非接触式的检测方 式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对 于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。 因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应 用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很 容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高;而且超声波传感 器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。 相位检测法虽然精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射波的影响。本仪器 采用超声波渡越时间检测法。其原理为: 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介 质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输 的距离。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时单片机开始计时，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。超声波在空气中的传播速度随温度变化，其对应值如表 2-1 ，根据计时器记 录的时间 t (见图 2-1)，就可以计算出发射点距障碍物的距离( s ) ，即: s = v t / 2 。 表 2-1 声速与温度的关系 温度(℃) －30 －20 －10 0 声速(m/s) 313 319 325 323 10 338 20 344 30 349 100 386 图 2-1 超声波测距时序图 4
    2.1 超声波传感器 2.1.1 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超 声波发生器可以分为两大类: 一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超 声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等; 机械方式有加尔统笛、液哨和气 流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相 同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 2.1.2 压电式超声波发生器原理 压电型超声波传感器的工作原理：它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和 顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压 电逆效应如图 2-2 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图 a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化 正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度 方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图 c 所示那样，压电陶瓷 在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。 图 2-2 压电逆效应图 2.1.3 单片机超声波测距系统构成 单片机 AT89C2051 发出短暂的 40kHz 信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射 后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动 单片机中断程序，读出时间 t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果 被送至 LED 数码管进行显示。 限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、反 5
    射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收 能力将决定最小可测距离。 开 始 测 量 超声波信号 开定时器 关定时器 数据运算 显示器 驱动电路 电声换能器 接收检测 电声换能器 图 2-3 超声波测距系统框图 三、设计方案 按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超 声波发射模块、接收模块共四个模块组成。 单片机主控芯片使用 51 系列 AT89C2051 单片机，该单片机工作性能稳定，同时也 是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。 发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。 接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。 超声波接收模 块 超声波发射模 块 （ A T 8 9 C 2 0 5 1 ） 单 片 机 控 制 系 统 供电单元 6 显示模块 键盘模块
    图 3-1：系统设计框图 硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波接收电 路三部分。单片机采用 AT89C2051。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率， 减小测量误差。单片机用 P3.5 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，P3.6 端口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 3 位共阳 LED 数码 管，段码输出端口为单片机的 P1 口，位码输出端口分别为单片机的 P3.2、P3.1、P3.0 口,数码管位驱运用 PNP 三极管 S9012 三极管驱动。 3.1 AT89C2051 单片机 AT89C2051 是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 2k bytes 的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和 128 bytes 的随机存取数据存储器 （RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-5l 指 令系统，片内置通用 8 位 央处理器和 Flash 存储单元，功能强大。AT89C2051 单片机 可为您提供许多高性价比的应用场合。 主要性能参数 ·与 MCS-51 产品指令系统完全兼容 ·2k 字节可重擦写闪速存储器 ·1000 次擦写周期 ·2.7V－6V 的工作电压范围 ·全静态操作：0Hz－24MHz ·两级加密程序存储器 ·128×8 字节内部 RAM ·15 个可编程 I／O 口线 ·2 个 l6 位定时／计数器 ·6 个 断源 ·可编程串行 UART 通道 ·可直接驱动 LED 的输出端口 ·内置一个模拟比较器 ·低功耗空闲和掉电模式 7
    功能特性概述 AT89C2051 提供以下标准功能：2k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，15 个 I／O 口线，两个 16 位定时／计 数器，—个 5 向量两级 断结构，一个全双工串行 通信口，内置—个精密比较器，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C2051 可降至 0HZ 的 静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，但 允许 RAM，定时／计数器，串行通信口及 断系统继续工作。掉电方式保存 RAM 中的内 容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3.2 超声波测距系统构成 本系统由单片机 A T 8 9 C 2 0 5 1 控制，包括单片机系统、发射电路与接收放大 电路和显示电路几部分组成，如图 3-1 所示。硬件电路的设计主要包括单片机系统及 显示电路、超声波发射电路和超声波接收电路三部分。单片机采用 AT89C2051。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 P3.5 端口输 出超声波换能器所需的 40kHz 的方波信号，P3.6 端口监测超声波接收电路输出的返回 信号。显示电路采用简单实用的 3 位共阳 LED 数码管，段码输出端口为单片机的 P1 口， 位码输出端口分别为单片机的 P3.2、P3.1、P3.0 口,数码管位驱运用 PNP 三极管 S9012 三极管驱动。 超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机 P3.7 输入一 个低电平脉冲。单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器 T0 计时，当检测到 P3.7 由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。单片机将 测得的时间与声速相乘再除以 2 即可得到测量值，最后经 3 位数码管将测得的结果显示 出来。 8
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