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        基于51單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計

        2011-06-02 01:33:24衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院曹月真
        電子世界 2011年10期
        關(guān)鍵詞:高電平液晶測距

        衡水職業(yè)技術(shù)學(xué)院 曹月真

        一、設(shè)計任務(wù)和性能指標(biāo)

        (一)設(shè)計任務(wù)

        利用單片機及外圍接口電路設(shè)計制作一個超聲波測距儀器,用液晶顯示器將測出的距離顯示出來。

        要求畫出系統(tǒng)的電路原理圖,實物圖,繪出程序流程圖,并給出程序清單。

        (二)性能指標(biāo)

        距離顯示:用LCD液晶顯示器進行顯示(單位是米)。

        測距范圍:1Ocm到4OOcm的距離感測功能,測距精度可達到5mm以內(nèi)。

        圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖

        圖2 超聲波測距模塊

        圖3

        二、設(shè)計方案

        按照系統(tǒng)設(shè)計的功能要求,初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成(如圖1)。

        單片機主控芯片使用51系列AT89S52單片機,該單片機工作性能穩(wěn)定,同時也是在單片機課程設(shè)計中經(jīng)常使用到的控制芯片。

        顯示模塊采用LCD12864,其突出優(yōu)點就是可以顯示漢字等字符,且與單片機的接口簡單,操作方便。

        超聲波發(fā)射模塊和接收模塊采用HCSRO4超聲波測距模塊,該模塊性能穩(wěn)定,測量距離精確,精度高,盲區(qū)(2cm)超近。

        三、主控電路

        本系統(tǒng)采用了STC89S52作為主控電路,圖2為主控電路原理圖,圖3為主控電路實物圖。

        STC89S52為STC公司的一款通用單片機,其操作簡便,功能強大,適用于簡單的控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和動作控制方面。該芯片加密性強,具有超強抗干擾性能:

        1.高抗靜電(ESD保護)

        2.輕松過2KV/4KV快速脈沖干擾(EFT測試)

        3.寬電壓,不怕電源抖動

        4.寬溫度范圍:-4O℃~85℃

        5.I/O口經(jīng)過特殊處理

        表1 12864液晶基本特性

        6.單片機內(nèi)部的電源供電系統(tǒng)經(jīng)過特殊處理

        7.單片機內(nèi)部的時鐘電路經(jīng)過特殊處理

        8.單片機內(nèi)部的復(fù)位電路經(jīng)過特殊處理

        9.單片機內(nèi)部的看門狗電路經(jīng)過特殊處理

        該芯片在系統(tǒng)可編程,無需編程器,可遠程升級,可以直接替換ATMEL,PHILIPS,Winbond等產(chǎn)品。

        四、超聲波模塊

        (一)超聲波測距原理

        通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波,根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。這與雷達測距原理相似。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。(超聲波在空氣中的傳播速度為34Om/s,根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s),即:s=34Ot/2)

        (二)超聲波測距的應(yīng)用領(lǐng)域

        超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比,如電磁的或光學(xué)的方法,它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距,由于空氣中波速較慢,其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來,具有很高的分辨力,因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。

        (三)HC-SRO4超聲波測距模塊

        HC-SRO4模塊可以提供2cm-4OOcm的非接觸式距離感測功能,測距精度可達到3mm;可以滿足設(shè)計要求(見圖2)。

        1.主要技術(shù)參數(shù):

        (1)使用電壓:DC5V

        (2)靜態(tài)電流:小于2mA

        (3)電平輸出:高5V

        (4)電平輸出:低OV

        (5)感應(yīng)角度:不大于15度

        (6)探測距離:2cm-45Ocm

        (7)高精度:可達O.3cm

        2.模塊工作原理:

        (1)采用IO觸發(fā)測距,給至少1Ous的高電平信號;

        (2)模塊自動發(fā)送8個4Okhz的方波,自動檢測是否有信號返回;

        (3)有信號返回,通過IO輸出一高電平,高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(34OM/S))/2

        3.模塊特點:

        (1)超聲波對色彩和光照度不敏感,可在黑暗、有粉塵和測量透明物體的環(huán)境下使用;超聲波對電磁干擾不敏感,可在有電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作;超聲波易于集成化、小型化。

        (2)超聲波會受溫度、氣流、材質(zhì)等影響;超聲波測距如欲達到一定精度,需要復(fù)雜的外圍電路支持。

        五、顯示模塊

        顯示單元部分采用12864液晶模塊,根據(jù)設(shè)計要求,用于顯示測量距離,其顯示單元電路如圖3所示。

        (一)12864液晶功能及優(yōu)勢

        帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式,內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示;其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個16*16點漢字,和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令,可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面??梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字。

        12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比,不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多,且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。

        (二)12864液晶基本特性

        12864液晶基本特性如表1所示。

        六、系統(tǒng)軟件設(shè)計

        超聲波測距的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序及顯示子程序組成。超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的計算(計算距離時),又要求精細計算程序運行時間(超聲波測距時),所以控制程序可采用C語言編程。

        [1]張毅剛.新編MCS-51單片機應(yīng)用設(shè)計[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2004.

        [2]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2001.

        [3]黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽制作實訓(xùn)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

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