1、 本科毕业设计 (论文 ) ( 届 ) 论文题目 基于 C8051F005的超声波测距系统 设计 (英文 ) C8051F005 based design of ultrasonicranging system 所在学院 电子信息学院 专业班级 电子信息 工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 日 摘 要 利用超声波测距迅速、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，因而得到了广泛的应用。目前，超声波技术已经广泛应用于各个工业部门的超声波探测 、 超声焊接、 超声检测和超声医疗等方面。 本设计利用 C8051F005 为主控芯片，利用单 片机
2、的一个端口发出 20us 以上的高电平给 TRIG 引脚，超声波 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回 在接收口输出低电平，一有输出就可以开定时器计时，当 此口变为高电平是就可以读定时器的值，此时就为 测距的时间，方可算出距离。并通过程序的设计将探测结果显示在液晶上，语音模块时时播报测量结果。 该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。 关键词： 超声波；单片机；测距； Abstract The use of ultrasonic distance measurement is
3、 rapid and convenient, simple, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry, which has been widely used. At present, the ultrasonic technology has been widely used in various industrial sectors of the ultrasonic probe, ultrasonic welding
4、, ultrasonic testing and ultrasonic medical treatment and other aspects. The design using C8051F005 as main control chip, using the machine of a port issued more than 20us high level to the TRIG pin, ultrasonic module automatically sends a 8 40KHz square wave, automatically detecting whether the ret
5、urn signals, a signal return in the receiving port output low level, an output can open a timer, when this export into high level is to read the timer value, this time for the ranging time, can figure out the distance. And through the process design will detect result is displayed on the liquid crys
6、tal, the voice module to report measurement result. The system circuit design is reasonable, stable operation, good performance, fast detection speed, calculation is simple, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry. Key Words： ultras
7、ound, microcomputer, ranging 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 3 3 硬件设计 . 6 3.1 主控芯片 C8051F005 . 6 3.1.1 芯片简介 . 6 3.1.2 C8051F005 基本配置 . 6 3.1.3 时钟电路 . 7 3.1.4 复位电路 . 7 3.1.5 下载接口电路 . 8 3.2 显示电路 （ HS12232-9 液晶 ） . 8 3.3 语音模块 . 9 3.3.1 ISD4004 接口方式 . 9 3.3.2 ISD4004 工作时序 . 10 3.4 超声波测距模块 . 11 3.4.1 模块接线 . 11 3.4
8、.2 超声波时序图 . 12 4 软件设计 . 13 4.1 总体程序流程图 . 13 4.2 中断服务程序 . 14 4.3 数据显示程序 . 15 4.4 语音程序 . 15 5 制作和调试 . 17 5.1 调试结果 . 19 6 结论 . 20 致谢 .205 参考文献 . 23 附录 1 毕业设计作品说明书 . 24 附录 2系统实物图 . 28 附录 3 总 原理图 . 28 附录 4 PCB . 28 附录 5 程序代码 . 28 1 引言 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波 (20kHz以上的机
9、械波 )，借助空气媒质传播，由被待捕捉的猎物或障碍物反射回 来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。 超声测距作为一种非接触测量技术，因其性能好，价格低廉、使用方便在 工业测量、车辆避障、安全预警、自动导航以及现场机器人等相关领域都有应用。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性，特别是在特定的工作环境下，如何提高超声波测距精度和范围等方面需要深入研究，这对于超声波检测技术的发展具有重要的应用意义。 近年来超声测试技术已明显表现出下列趋向 : 1、 由定性的判断缺陷的有无而发展为对缺陷的位置、大小、形状、性质进行定量判断，并且利用各种成像技术直接显 示缺陷的二维、三维
10、图像。 2、 向在线自动检测和仪器的智能化发展，其中非接触超声测试技术取得突破进展。 3、超声测试技术和材料的物性评价相结合，材料的设计、加工和工程应用迅速发展。 因此超声波在我们日常生活中应用非常广泛，如文献 8提到的在工业生产中，超声波被应用在金属材料和部分非金属材料探伤，钡口厚，以及超声振动切削加工、清洗、焊接等行业，以及进行物位、浓度、硬度、温度等检测。文献 2在医学领域，在诊断显像技术，血流测量计，胎儿检查仪，超声波洁牙器等医疗器械都是利用了超声波的特性。在军事领域中，超声波用于雷 达目标定位，武器制导等方面。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
11、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。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。 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 朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。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 仪的目的及
12、意义。 2 总体设计 超声波测距仪早已有了许多不同的设计和研究方案，目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，并且没有显示，操作使用很不方便。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距 和超声测距 4 种 2。雷达测距就是测量电池波往返雷达与目标之间的时间，在根据声波在空气中的速度计算。红外测距 利用的是红外线传播时的不扩散原理 ，根据 红外线在穿越其它物质时折射率很小而红外线的传播是需要时间的 ， 当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到再根据红外线从发
13、出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离 。 激光测距的原理和其他测距原理差不多，利用的也是激光往返目标物的时间。 与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点： (1) 超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物 体(如玻璃、抛光体 )。 (2) 超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。 (3) 超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。 经过对大部分资料文献综合之后，本人对超声波测距仪的设计方案分两个不同模块进行分
14、析，分析如下文所述： 方案一 . 基于 CPLD 的超声波测距系统 这种测距系统采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用VHDL(编写程序，使用 MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距功能。文献 3柳建生等利用 CPLD 器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时间进行计数，将计算结果在 LED 上显示出来。配合使用MAX+plusII 开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。其系统框图 2-1。 图 2-1 基于 CPLD 的超声波测距系统框图 超声波发射器向某
15、一方向发射 40kHz 的超声波，在发射超声波的同时，MAX7128S 内的计数器开始计数。超声波在 空气中传播，途中碰到障碍物就会立即返回来。超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到 CPLD， CPLD 立即停止计数。 CPLD 所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空气中的传播速度如设定为 332m/s，根据计数器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即： s=332t/2。 CPLD 开始计数后，只要传感器收到回波，CPLD 就立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波测距仪总是测得离传感器最近的物体的距离 3。 方案二 .基于单片机
16、的超声波测距系统 文献 10张海英设 计基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为 40kHz 的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。 测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给 LED 显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而 且单片机控制方便，计算简单 10。 以上比较了测距的方法和常见的超声波测距的方案，基于超声波对比的各种优点及单片机的操作简单，计算方便，我选择了基于单片机的超声波测距的方案进行专题研究。本方案通过用单片机控制超声波的发射和接收电路以及进行数据处理。由单片机产生一个信号，经超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空中传播，途中遇到障碍物就立刻返回，超声波接收器接到发射波后立刻停止计时，读取时间差，计算距离，并显示在 HS12232-9液晶上及语音播报。系统总框图如图 2-2所示， 图 2-2 系统框图
