现代通信技术专业课程设计题目：基于单片机控制的超声波测距报警系统设计系 部：电子与信息工程系专业班级：学生姓名：学 号：指导教师：时 间：2012.10.8-2012.10.19 完成时间 2012年 10月目录1 总体设计方案11.1 课程设计的任务与要求11.1.1 课程设计的任务11.1.2 课程设计的要求21.2 超声波测距原理21.3 超声波测距系统的总体方案32 系统硬件电路设计52.1 STC89C52芯片介绍52.2 单片机最小系统52.3 超声波模块72.3.1 超声波发射模块72.3.2 超声波接收模块72.4 LED数码管显示模块82.5 报警模块93 系统软件设计103.1 Keil uVision3软件介绍103.2 软件流程图103.3 系统的软件调试114 硬件调试135 设计总结15参考文献16附录162012.10 上海师范大学天华学院电信系现代通信技术专业课程设计 211 总体设计方案1.1 课程设计的任务与要求 1.1.1 课程设计的任务利用所学数字电子技术、信号处理、控制等技术，设计、制作并调试完成一个单片机最小化系统，并在此基础上，将最小系统与综合实验开发平台上的超声波模块、显示模块进行正确的链接（如图2.1所示），使单片机可接收超声波模块输出的距离信号，并对其进行合理的处理后，在显示模块上实时显示超声波模块与障碍物的距离（单位：cm，精确到小数点后1位）。障碍物超声波模块51单片机系统显示模块图1.1 系统连接示意图具体内容如下：（1）设计最小化单片机系统；（2）装焊、调试最小化单片机系统；（3）设计并编程，以构成超声波测距信号发生回路；（4）设计并编程，完成超声波信号处理，以实现测距功能；（5）设计并编程，以实现超声波测距结果显示；（6）设计并编程，以实现超声波测距报警功能；（7）设计并完成系统启动/复位功能。 1.1.2 课程设计的要求（1）实验开发平台上的数码管可实时显示障碍物与超声波模块的距离信息，单位为cm，精确到小数点后1位（如显示27.2表示27.2cm）；（2）当测试距离小于10cm或大于50cm时报警，且以上两种情况的报警方式需有明显区别（可采用蜂鸣器的蜂鸣时间长短加以区别，或在显示模块上显示不同的报警信息）；（3）系统应具备测距启动功能，或当系统报警后，可以复位系统，使其开始重新测距。1.2 超声波测距原理超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，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停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=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的距离S，如公式2.1所示： S=C*t/2=C*t0 (1.1) 其中，t0就是所谓的渡越时间。可以看出主要部分有： （1）供应电能的脉冲发生器（发射电路）；（2）使接收和发射隔离的开关部分；（3）转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器；（4）接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；（5）接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；（6）记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。距离测量系统常用的频率范围为 25KHz300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度8。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能，目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。1.3 超声波测距系统的总体方案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。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求9。 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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本次设计采用STC89C52单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。如图2.2所示，为超声波测距系统原理框图，系统的设计及器件的选择正是在这个基础上进行的。整个系统由STC89C52芯片、超声波发射模块、超声波接收模块、LED数码管显示模块、报警模块以及稳压电源组成，最后通过硬件和软件来实现各个模块的功能。LED显示报警稳压电源发射电路接收电路发射探头接收探头STC89C52图2.2 超声波测距系统原理框图从STC89C52芯片IN 脚输入40KH 的方波信号，也可从单片机的I/O 口连续发出高低电平，产生方波，方波的个数一般为10 个左右，发出后用户启动定时器，开始计时，此时，超声波发射头开始发出超声波，当发出的超声波被前方的障碍物返射回来，返射回来的超声波被接收探头接收到，此时，模块的OUT 引脚会产生一个从高电平到低电平的跳变，此时要停止计时，通过计时的时间，根据公式2.2计算测量距离： 测量距离 = 时间 * 声速 ( 340m/s ) / 2 （1.2） 距离测量完毕后，将在LED数码管上显示目前的距离，当距离小于25cm或大于27cm时，蜂鸣器就会报警，报警完毕后，系统复位，重新开始测距。 超声波模块测得的是被测物体与探头之间的垂直距离，测量时要保持探头正对被测物体。超声波测量会受环境风速、温度等的影响。由于超声波有测量盲区的固有特性，当测量位置发生变化而接收到的数据不变时，说明进入了测量盲区。2 系统硬件电路设计2.1 STC89C52芯片介绍STC89C52系列单片机是新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机，是MCS-51系列单片机的派生产品。它在指令系统、硬件系统和片内资源中与标准的8052单片机完全兼容，DIP-40封装系列与8051为pin-to-pin兼容，指令代码是与8051完全兼容的单片机4。8 位的CPU，片内有振荡器和时钟电路,工作频率为024MHz；片内有256个字节的数据存储器RAM；片内还有8K字节的程序存储器ROM；4个8位的并行I/O口（P0、P1、P2、P3）；1个全双工串行通讯口；3个16位的定时器/计数器（T0、T1、T2）可处理 6个中断源，两级中断优先级。P0.0P0.7:8位数据口和输出低8位地址复用口(复用时是双向口、不复用时也是准双向口)；P1.0P1.7: 通用I/O口（准双向口）；P2.0P2.7: 输出高8位地址（用于寻址时是输出口、不寻址时是准双向口）；3.0P3.7: 具有特定的第二功能（准双向口）1。注意：在不外扩ROM/RAM时，P0P3均可作通用I/O口使用，而且都是准双向I/O口；并且P0口需外接上拉电阻，P1P3可接也可不接，但用作输入时都需要先置“1”。2.2 单片机最小系统单片机最小系统主要由电源、复位、振荡电路以及扩展部分等部分组成。对于一个完整的电子设计来讲，首要考虑的就是为整个系统提供电源的供电模块，电源模块的稳定可靠是系统平稳运行的前提和基础。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。复位电路由按键复位和上电复位两部分组成。单片机的置位和复位，都是为了把电路初始化到一个确定的状态，一般来说，单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部，复位的时候单片机是把一些寄存器以及存储设备装入厂商预设的一个值。单片机复位电路原理是在单片机的复位引脚RST上外接电阻和电容，实现上电复位。当复位电平持续两个机器周期以上时复位有效。复位电平的持续时间必须大于单片机的两个机器周期。最小系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器，它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片机接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率上6。如图3.1所示，为单片机最小系统电路图。图3.1 单片机最小系统电路图2.3 超声波模块 2.3.1 超声波发射模块发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由STC89C52芯片的P3.3口控制其是否工作。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声波传感器3。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。如图2.2所示，为超声波发射电路。图2.2 超声波发射电路 2.3.2 超声波接收模块接收电路的主要任务是检测回波，并向STC89C52芯片发出中断以停止计时，由STC89C52芯片的P3.2口控制其是否工作。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为STC89C52芯片能够接收的信号并向STC89C52芯片申请中断以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路2。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。如图3.3所示，为超声波接收电路。图2.3 超声波接收电路2.4 LED数码管显示模块显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已7。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏。综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的 LED 驱动输出设备。由于测试所得的距离需要精确到小数点后1位，所以本设计采用 3 个 LED 数码管来表示距离的cm数值。本设计采用共阳级数码管，我们将LED数码管显示模块上的J1上的8个端口与STC8951芯片上的P0.0P0.7相连接，作为段选；再将J2上的3个端口与STC89C5