毕业设计（论文）基于单片机的超声波避障系统.doc

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1、基于单片机的超声波避障系统摘 要 STC89C51单片机是一款八位单片机，他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本系统以设计题目的要求为目的，采用STC89C51单片机为控制核心，利用超声波传感器检测空间中的障碍，达到指定距离报警，显示实时距离功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，实验测试结果满足要求。关键词：STC89C51单片机；超声波避障；传感器；报警Ultrasonic obstacle avoidance system based on single chipAbstract The SCM STC89C51 an eight microcontroller, ease o

2、f use and versatility by the majority of users. The system design subject requirements for the purpose of using the SCM STC89C51 core control, the use of ultrasonic sensors to detect space obstacles to reach a specified distance alarm, display real-time distance function. The whole system is a simpl

3、e circuit structure, high reliability, to meet the requirements of the experimental test results.Keywords ：STC89C51 single chip computer；Ultrasonic obstacle avoidance；Sensor；Alarm目录 第一章 绪 论51.1 设计目的及意义51.1.1设计的目的51.1.2设计的意义5第二章 超声波测距仪的设计思路62.1 超声波测距原理62.2 超声波测距工作过程72.3 超声波测距仪原理框图82.4 超声波测距设计的任务和要求82

4、.5 超声波测距方案设计与论证92.5.1超声波测距方案的论证92.5.2超声波测距的技术方案分析 92.5.3超声波测距声波传感器10第三章 超声波避障系统硬件设计103.1超声波避障的硬件设计思想103.2单片机最小系统103.3下载电路123.3.1 RS232总线接口芯片MAX232123.3.2显示电路133.3.3单片机复位电路143.3.4时钟电路143.4超声波发射电路设计153.5超声波接收电路163.6 避障报警电路及电路图和实物图17第四章 软件设计194.1软件设计总体框图194.2软件程序模块化设计194.2.1初始化模块194.2.2中断计时模块204.2.3延时模

5、块204.2.4数据处理模块204.2.5液晶显示模块214.2.6按键输入模块22第五章 系统设计与制作的问题与特点235.1 多次反射问题235.2 超声波传感器的盲区235.3 可测障碍物的极限参数245.4 测量距离与信号强度的关系24总结24参考文献25致谢26第一章 绪 论1.1设计目的及意义1.1.1设计的目的 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加

6、高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。1.1.2设计的意义 随着科技的发展，人们生

7、活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。第二章 超声波测距仪的设计思路

8、2.1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，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间，发射点距障碍物的距离，如图一所示图一 超声波测距原理图一中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用表示，由图可得： (1) (2)将式(2)带入式(1)得： (3)在整个传播过程中，超声波所走过的距离为： (4)式中：为超声波的传播速度，为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式(4)带入式(3)可得： (5)当被测距离H远远大于M时，式(5)变为

9、： (6)这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离2。 由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。 表一 超声波波速与温度的关系表 2.2超声波测距工作过程启动超声波测距电路时，工作过程如下；1. 由

10、单片机发出40KHz的脉冲串，每10个脉冲为一串；2脉冲串通过超声波发射电路驱动超声波发射换能器发出超声波；3单片机在发送脉冲的时刻开始计时；4超声波遇到障碍物后的回波被超声波接收换能器接收，其输出的正弦波经过两级放大；5再经过电压比较器，下降沿中断信号中断单片机的计时；6读TH0时间值；7时间*速度 ，计算出距离数据；8在LCD上显示距离。2.3 超声波测距仪原理框图 单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。 图二

11、 超声波测距仪原理框图2.4超声波测距设计的任务和要求 设计一超声波测距仪，任务： (1).了解超声波测距原理。 (2).根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。 设计一超声波测距仪，要求： (1).设计出超声波测距仪的硬件结构电路。 (2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。 (3).对设计的电路进行分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。 2.5超声波测距方案设计与论证2.5.1超声波测距方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被

12、测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。2.5.2超声波测距的技术方案分析 常用的避障技术方案有超声波测距方案和红外触发方案。超声波测距方案在制作优良的条件下可以达到毫米级误差，可进行精确测量，适合远距离测量。而红外触发方案误

13、差一般较高，易受电流波动影响；不可进行较远（超过50厘米）距离测量。所以为了达到更精确的避障本此设计采用超声波测距方案进行避障。本设计的核心部件为超声波传感器，以下对超声波传感器的原理和结构展开说明。2.5.3超声波测距声波传感器 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。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，或者超声波探头。 本系统所采用的SP-40-38F型超声波传感器超声波传感器型号代码: SP-40-38F 外壳直径- 16(mm)T 发射 R-接收 40KHZ-中心频率图三 超声波传感器实物图 表二 SP-40-38F特性参数型号SP-40-38F中

14、心频率40士1KHZ发射电压大于115dB接受灵敏度大于-64dB/V/ubar-6dB指向50deg电容2400士25%允许输入电压20V第三章 超声波避障系统硬件设计 超声波避障系统硬件主要包括STC89C51单片机最小系统、超声波发射和接收电路、动态显示电路、蜂鸣器报警电路。3.1超声波避障的硬件设计思想按设计要求，根据超声波测距原理，以STC89C51单片机系统为核心，制作超声波测距电路。它的各部分电路的说明如下:1STC89C51单片机最小系统是超声波测距的核心部分，主要任务: (1) 控制一个40KHz的脉冲驱动振荡电路，启动振荡电路工作，振荡电路振荡出与超声波发射器的固有频率相同

15、频率，使换能器能最大效率工作; (2) 延时程序延时一个40KHz的脉冲; (3) T0工作在方式2，自动装载，实现串口通讯，波特率 2400bit/s晶振频率 12MHz; (4)根据超声波发射和接收的时间差与串口接收的速度数值相乘，进行有关参数计算出距离; (5) 数据的显示;2超声波发射电路作用是将振荡电路振荡出40KHz的脉冲信号，信号幅值是18V(可调节)，脉冲信号将驱动超声波发射传感器，发射超声波。3超声波接收电路主要包括微弱信号放大、电压比较中断信号输出等部分。它是用来对接收到的回波进行放大和整形，即将回波信号转换成单片机的中断信号。4根据设计要求，距离要通过显示器实时地显示出来

16、 。3.2单片机最小系统本设计中的单片机型号为STC89C51，采用了频率为12MHz的晶振与两个电容组成的晶振电路，为单片机提供工作时序。复位电路是按键电平复位，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。最小系统电路图如图四所示。 图四 单片机最小系统电路图3.3下载电路3.3.1 RS232总线接口芯片MAX232由于计算机要和单片机进行通信，完成信息的传送，本设计采用串行口进行传送。因为串行口输出是RS232 信号，逻辑“1”用-3V-25V信号表示，逻辑“0”用+3V+25V 信号表示，不是TTL 信号，与单片机信号不同，因此二者进行通信必须进行电平转换，一般选用MAX

17、232 芯片来实现这种转换。 图五 MAX232图六 下载电路原理图3.3.2显示电路LCD1602字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用161，162，202和402行等的液晶显示模块，模块组件内部主要由LCD显示屏、控制器、列驱动器和偏压产生电路构成。1602LCD采用标准的16脚接口，各引脚接口说明如图七所示：图七 显示电路3.3.3单片机复位电路在单片机应用系统工作中，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，为需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。单片机的复位都是靠外部电

18、路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平，只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。单片机复位电路通常采用以下几种方式：上电自动复位，上电自动复位是通过外部复位电路的点容充电来实现的，在电容充电的过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。系统复位，在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。适用于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠的同步复位。按

19、键电平复位，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。考虑本设计结构简单，干扰小，故采用按键电平复位。电路图如图八所示。图八 按键电平复位电路3.3.4时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器构成。XTAL1是接外部晶体管的一个引脚，在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。电

20、路中的电容一般取30左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2到12，电路中采用12，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。其电路如图九所示。图九 时钟电路3.4超声波发射电路设计发射电路目的:为超声波发射器提供它所需要的脉冲电信号本文中脉冲发射采用软件方式，利用STC89C51的P2.6口发射40 kHz的方波信号，经过CD4069放大后输出到超声波换能器，产生超声波。CD4069是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用. 本系统将40 kHz方波信号分成两路，分别由CD069经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。如图十所示： 图十 超声波发射电路3.5超声波接收电路放大电路目的:微弱

21、信号放大。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时。CX20106A的外部接线如图十一所示。图十一 超声波接收电路上图中1脚是接收信号输入端，2脚是调节接收信号灵敏度，电阻越小灵敏度越高。电容越大，灵敏度越高。电容一般取1F，电阻50300 的，在干扰较大的场合增加电阻阻值可将灵敏度调低，干扰小的场合减小阻值将灵敏度调高。5脚主要用来调节中心频率，这里取200 K，7脚接上拉电阻，这里取1 K左右。3.6 避障报警电路及电路图和实物图本次设计采用电磁式蜂鸣器进行报

22、警。当距离小于十五厘米时单片机控制蜂鸣器发出警报。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 图十二 蜂鸣器电路图图十三 实物电路图图十四 硬件实物图第四章 软件设计4.1软件设计总体框图超声波测距系统软件部分各模块关系如图十五，模块中单片机是主体，各模块关系平行，在程序执行中，顺序执行。图十五 软件部分各模块联系关系图按照测距的需要:需要时间T、速度V进行TV运算得距离S。时间T用单片机P2.6控制振荡电路，振荡产生产生40KHz的脉冲串，再经过驱动

23、超声波换能器发射超声波，同时采用计时器计时，当超声波接收器接收到回波信号时停止计时，由此得出超声波的的传输时间T。根据公式S=1/2V*T算出距离。4.2软件程序模块化设计4.2.1初始化模块模块对定时器T0做初始化，T0工作方式 1, 16位定时。声波在空气中传播，超声波所传播距离为发射处到被测物面加被测面到接收处距离，实际为2倍测量距离，故当传播2cm得距离，在最后计算时应该折算成测量距离。在开始发射超声波的时刻T0开始计时，等待INT0中断，在INT0中断时停止T0计时，在中断程序中读出TH0、TL0时间值 。超声波传播中要发射1串脉冲，实验表明，8-10个脉冲为一串最佳。由此 10*1

24、 /40, 000=250us即需要250us的一个脉冲，250us的脉冲是利用延时程序得到，延时脉冲控制振荡电路，振荡电路振荡 10个25us(40KHz)的脉冲串经过驱动电路驱动超声波器。4.2.2中断计时模块中断模块是在中断后根据需要，对特殊寄存器及数据进行的相关处理。1. T1中断，T1初值TL1,TH1清零。，直到INT0中断，读出时间值，最长时间是65536uS，直到中断INT0发生中断停止，即关断中断控制位TR1。 2. T0是用于波特率发生器，禁止中断。本系统是采用12M晶振，即机器周期是1us,波特率设定为2400/。3. INT0中断在启动发射脉冲的同时，STC89C51的

25、内部计数器T1开始计数。T1的作用就是测量从超声波发射至接收到回波的时间，外部中断的中断源INT0接收超声波接收电路的CX20106A引起共振后输出低电平，进入外部中断处理子程序。外部中断0处理子程序的 主要工作过程是：(1)总中断关EA;(2)清标志位TR1;(3)读出TL1,TH1的时间值。4.2.3延时模块延时目的:单片机上电瞬间，发射控制位是高电平，因此可能会瞬间使振荡电路工作，使有超声波发射接收，超声波接受器接收产生误中断，为此在程序开始时清除发射控制位，关断中断，需要延长足够的时间(2s)，使超声波回波渐渐消失才可以开发射控制位开始发射接收测距，在此期间，各特殊寄存器还在复位状态，

26、即中断禁止。此时 INT0中断关断，总中断关断。4.2.4数据处理模块计算距离值:数据处理主要是将时间乘以速度，得出距离。然后将十六进制数据十进制化，送显示。数据处理具体的过程是这样的：首先超声波发射端发射40KHZ的波同时启动定时器1，当接收端接收到超声波发射端发射出的40KHz的波时，给单片机INT0一个中断请求信号，定时器1停止计时，得到的时间数据储存在TL1,TH1中，然后由公式： 将数据取出，在由公式： 计算出距离。 4.2.5液晶显示模块LCD1602模块在本系统中主要起着开界面数字显示，以及各控制效果的显示。采用直接访问方式。液晶显示的操作流程图见下图十六：算法为： 将四位数中的

27、各个位上的数取出送去显示，其中b是万位，c是千位，d是十位，e是个位，精度到mm。图十六 液晶显示的操作流程图液晶显示D0到D7口接P0.0到 P0.7，单独使用一个口，为了避免数据的干扰，由于P0口没有上拉电阻，所以需要一个排阻进行电压的扩大.4.2.6按键输入模块(1)按键时显现人机对话的一个控制按钮，通过按键的操作，对系统进行发送操作指令，后经与MCU串行通信，然后在液晶上显示。(2)按键查询式的流程图见下图十七: 图十七 按键查询式的流程图按键的四个键分别接P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,由于P1口具有上拉电阻，所以不再需要加上拉电阻进行电压的放大。第五章 系统设计与制作的问题

28、与特点5.1 多次反射问题当障碍物较杂乱的时候，超声波存在多次反射现象。在实验中，将超声波传感器指向房间一个堆有杂乱物体的角落，超声波经过多次折射后，引起的接收系统不断动作。此时对单次测距影响不大，在采用中断方式响应检测信号时，侧到第一个脉冲下降沿就关闭中断，不再响应后续进入的信号。但对连续测距来说，要设置两次测距间的时间间隔，等前一次发射的超声波基本衰减消失后，再启动下一次测距。5.2 超声波传感器的盲区 分立式超声波传感器盲区主要是由信号串扰引起，发射信号未经反射就被接收探头感应到。超声波发射后，立即引起了接收探头误动作，如果此时计算从发射到接收的时间将得到错误值。在设计中可以给串扰信号加

29、上加窗信号，加窗信号就是盲区信号。盲区信号可以采用软件延时开中断的方法，在发射后延时一段时间，避开串扰信号后再开中断。5.3 可测障碍物的极限参数根据波得衍射传播原理，当障碍物的距离小于波长的一半时，将发射波得绕射，当障碍物距离大于波长的一半时才能反射。设计采用的超声波传感器的发射频率为39，响应半波长为4.25mm，因此最小侧到4.25mm的障碍物。实际测量结果能得到的有效障碍物距离为9cm。5.4 测量距离与信号强度的关系将超声波接收器的信号引入示波器，测得接收到信号的强弱与障碍物距超声波发射接收器的距离成反比。另外还与超声波发射接收头之间相对角度有关。当超声波发射器与接收器互成120角时

30、，接收的效果最好。由于发射功率不大，当距离超声波1m时，接收到的信号极其微弱，杂波成分很大。总结这次毕业设计的课题是设计一个基于单片机的超声波避障系统，该系统能够实现实时测距，设定报警距离并在设定距离之内实现报警的功能。该硬件系统是在史毅敏老师的一定指导下，由自己设计和完成的，锻炼了我独立思考解决问题的能力。这些对我将来踏上工作岗位以后也是非常受益的，因为这是对我踏上工作岗位前的一次综合演练，也是一次真正的理论转化为实践的契机。尽管在设计的这个课题上有一定的成功案例可以去参考去借鉴，并且这些案例很成功也很出色，但是我仍然希望通过自己的努力来完成这个设计并希望有所突破。所以在本次设计过程中我完全

31、是按照系统的整体设计的要求来进行，从课题分析开始，再进行总体设计、详细设计,最后到系统实现，每一步都非常细心非常用心，每一步都让我将理论学习的知识应用到实践中去。使我掌握了一整套规范的设计操作流程，通过设计我受益匪浅。 参 考 文 献【1】 陈伯时,电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社【2】何立民,单片机应用系统设计.北京：航天航空大学出版社【3】何希才,新型实用电子电路400例.电子工业出版社，【4】 张毅刚，彭喜元.新编MCS-51单片机应用设计.第一版，哈尔滨工业大学出版社,2003,2527,411417【5】 赵负图，传感器集成电路手册.第一版，化学工业出版社，2004,590

32、591【6】李华，MCS-51系列单片机实用接口技术，第三版，北京：1997年【7】张红润，实用自动控制，成都：科技大学出版社。1990年1月【8】康华光，电子技术基础，北京：高等教育出版社，1983年10月【9】潘新民，微型计算机控制技术，北京：人民邮电技术出版社，1988年3月【10】赵依军，单片机微型接口技术。北京：人民邮电技术出版社，1989年3月【11】李广弟，单片机基础，北京：北京航空航天大学出版社，2001【12】胡汉才，单片机原理及其接口技术，北京：清华大学出版社，1996【13】王毅，单片机器件应用手册，北京：人民邮电出版社，1995致 谢大学生活一晃而过，回首走过的岁月，心中倍感充实，当我写完这篇毕业论文的时候，有一种如释重负的感觉，感慨良多。首先诚挚的感谢我的论文指导老师史毅敏老师。她在忙碌的教学工作中挤出时间来审查、修改我的论文。还有教过我的所有老师们，你们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。感谢四年中陪伴在我身边的同学、朋友，感谢他们为我提出的有益的建议和意见，有了他们的支持、鼓励和帮助，我才能充实的度过了四年的学习生活。