《單片機(jī)原理及應(yīng)用》

單片機(jī)課程設(shè)計報告

1.1  課程設(shè)計選題及原理………………………………………………2

1.2  課程設(shè)計選題調(diào)研…………………………………………………2

1.2.1 選題目的與意義………………………………………………2

1.2.2 國內(nèi)外研究綜述………………………………………………3

第2 章  方案設(shè)計……………………………………………………………………………4

        2.1  主要任務(wù)…………………………………………………………………… 4

        2.2  設(shè)計框圖…………………………………………………………………… 4

2.3  設(shè)計所需元器件及簡介………………………………………………… 4

2.4  設(shè)計程序流程簡圖…………………………………………………………5

2.5  編程語言的選擇

第3 章  電路及部分代碼設(shè)計…………………………………………………………… 6

3.1  Stc12c5a60s2最小系統(tǒng)……………………………………………………6

3.2  超聲波測距模塊……………………………………………………7

3.3  數(shù)碼管顯示模塊…………………………………………………………… 8

3.4  蜂鳴器報警模塊…………………………………………………………… 9

3.5  總仿真結(jié)果及實物測量結(jié)果……………………………………………10

第4 章  課程設(shè)計心得體會和總結(jié)………………………………………………………11

4.1  心得體會…………………………………………………………………… 11

4.2   總結(jié)……………………………………………………………… 11

第1 章  課程設(shè)計概述

超聲波測距儀

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(dá)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。

最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。   

由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒▽�測量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，

只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。

1.2  課程設(shè)計選題調(diào)研

超聲波是指頻率在20KHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇，可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，利用計算超聲波在發(fā)送端和接收端之間的傳輸時間和聲速來測量距離，對被測目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在很大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。

目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，比如油庫和水箱液面的精確測量和控制，汽車輔助泊位系統(tǒng)的應(yīng)用，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測等。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。

歷史上使用超聲波來測量距離是從第二次世界大戰(zhàn)時海軍的聲納技術(shù)的發(fā)展開始。聲納是一種利用聲波在水下測定目標(biāo)距離和運動速度的儀器。經(jīng)過幾個世紀(jì)，科學(xué)家們對此反復(fù)研究，最終發(fā)現(xiàn)了超聲波的原理。超聲波測距應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機(jī)器人視覺識別等方面。

超聲波作為一種檢測技術(shù)，采用的是非接觸式測量，由于它具有不受外界因素影響，對環(huán)境有一定的適應(yīng)能力，且操作簡單，測量精度高等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。這些特點可使測量儀器不受被測介質(zhì)的影響，大大解決了傳統(tǒng)測量儀器存在的問題，比如，在粉塵多的情況下對人引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對測量儀器腐蝕，觸電接觸不良造成的誤測等。此外該技術(shù)對被測元件無磨損，使測量儀器牢固耐用，使用壽命加長，而且還降低了能量損耗，節(jié)省人力和勞動的強(qiáng)度。因此，利用超聲波檢測既迅速、方便、計算簡單，又易于實時控制，在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。

然而超聲波測距在實際應(yīng)用中也有很多局限性。由于超聲波在傳播過程中，聲壓會隨距離的增大而呈指數(shù)規(guī)律衰減，遠(yuǎn)目標(biāo)的回波信號幅度小，信噪比低，用固定閾值的比較器檢測回波，可能導(dǎo)致越過門檻的時間前后移動，從而影響計時的準(zhǔn)確性，這必然會影響到測距的準(zhǔn)確度。此外，構(gòu)成超聲波傳感器的壓電陶瓷片在壓電的雙向轉(zhuǎn)換過程中，存在慣性，滯后等現(xiàn)象，以及超聲波脈沖在空氣中傳播本身及多重的反射路徑，均導(dǎo)致回波信號被展寬，也會使測量產(chǎn)生較大的誤差，影響了測距的分辨率。其它如溫度，風(fēng)速等也會對測量造成一定的影響。工程師針對這些誤差提出的可變閾值的超聲波測距方法，從回波信號處理的角度出發(fā)，分析了超聲波回波曲線的特性，利用回波包絡(luò)的峰值檢測技術(shù)以確定回波到達(dá)的時刻，另外，利用溫度補償電路可以降低溫度對聲速的影響，這些改進(jìn)都大大的提高了超聲波測距的準(zhǔn)確性。

計量學(xué)在制造業(yè)中越來越重要。直接在機(jī)器上測量尤其能推動制造業(yè)的發(fā)展。目前為止大部分還是采用視覺的或觸覺的測量方法。但是墻的厚度就不能用這些來測量，因此德國人把超聲系統(tǒng)結(jié)合到機(jī)器設(shè)計出了測距方法。隨著超聲波的發(fā)展，早在2000年時英國人就設(shè)計出了可觀察，識別并測距的超聲波集成系統(tǒng)。

設(shè)計制作一個超聲波測距儀，通過單片機(jī)控制超聲波測距模塊，計算并顯示所測距離以及實現(xiàn)報警功能。

整體電路的控制核心為單片機(jī)STC12C5A60S2。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外超聲波發(fā)射和接受模塊hc-sr04還有具有溫度補償?shù)淖饔茫�使測量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與蜂鳴器報警電路等幾部分模塊組成。

本設(shè)計主要的四個模塊：超聲波發(fā)射和接收模塊，蜂鳴器報警模塊，單片機(jī)

STC12C5A60S2，四位數(shù)碼管顯示模塊。以下是設(shè)計框圖

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                         圖1 設(shè)計框圖

增強(qiáng)型 8051 CPU，1T，單時鐘/ 機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。工作電壓5.5V-3.3V。STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。

通用I/O口（36/40/44個），復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口） 可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不要超過55mA。

本設(shè)計中用到的單片機(jī)管腳有P1,P2.0-P2.3,P3.5-P3.7。

超聲波測距模塊HC-SR04 可提供2-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達(dá)3mm。模塊包括超聲波發(fā)器、接收器與控制電路本模塊性能穩(wěn)定，測度距離精確。能和國外的SRF05,SRF02等超聲波測距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)（2cm）超近,穩(wěn)定的測距是此產(chǎn)品成功走向市場的有力根據(jù)

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     圖2 HC-SR04正面圖

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：底0V
                  5：感應(yīng)角度：不大于15度   6:高精度 可達(dá)0.2cm

7：探測距離：2cm-450cm   

接線方式：VCC，trig（控制端），echo（接收端），GND

模塊工作原理：(1)采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;

(2)模塊自動發(fā)送8個40khz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(340M/S))/2;

   超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，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約為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。

存在4個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角。

數(shù)碼管（LED SegmentDisplays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。led數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，led數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類。本設(shè)計用到的是共陽極，靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動數(shù)碼管。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機(jī)的I/O端口進(jìn)行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)制譯碼器譯碼進(jìn)行驅(qū)動。

共陽TAB: DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,088H

本設(shè)計還需要的元件有蜂鳴器，電阻，電容，12M晶振，按鍵，三極管，面包板等

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                 圖3 設(shè)計程序流程簡圖

設(shè)計流程圖說明：本設(shè)計P3.5連接超聲波發(fā)射端，P3.7口接超聲波接收端。首先單片機(jī)開始工作，系統(tǒng)初始化后單片機(jī)向P3.5口發(fā)送40KHZ的方波，使超聲波發(fā)射和接受模塊開始工作，當(dāng)P3.7口接收到高電平時計時器開始計時，選用的是計時器工作方式1，16位。當(dāng)P3.7口接收到低電平的時候計時器關(guān)閉。此時時間存在TH0,TL0中，這是通過計算子程序把時間換算成距離四位，從高到底分別存在78H,77H,76H,75H。此時調(diào)用顯示子程序把距離顯示在四位數(shù)碼管中。再調(diào)用報警子程序，根據(jù)距離的判斷，使蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音。延時很短的時間，繼續(xù)下次的測量。

在編程語言的選擇上，我們主要考慮使用我所學(xué)過的匯編語言和C語言。

匯編語言是一種面向機(jī)器的低級的程序設(shè)計語言。它直接利用機(jī)器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機(jī)器語言程序的指令一一對應(yīng)的。匯編語言由于是面向機(jī)器的程序設(shè)計語言，與具體的計算機(jī)硬件有著密切的關(guān)系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機(jī)器語言指令一一對應(yīng)，即一條匯編語言的可執(zhí)行指令對應(yīng)著一條機(jī)器語言指令，反之亦然。因此，匯編語言可直接利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性，如寄存器、標(biāo)志位以及一些特殊指令等，具有執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少等優(yōu)點。

在本設(shè)計中，設(shè)計程序過程相對不復(fù)雜，用匯編語言完全可以實現(xiàn)，所以本設(shè)計選擇了使用匯編語言進(jìn)行編程。

在電源旁接了開關(guān)控制電源。復(fù)位電路旁還接了按鍵，方便復(fù)位操作。

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         圖4 單片機(jī)工作最小系統(tǒng)

設(shè)計思路：單片機(jī)P3.5發(fā)送40KHZ的方波，超聲波接收到后開始測距，返回一段高電平到P3.7就是超聲波的測量的時間，所以程序設(shè)計時P3.7接收到高電平時開啟定時器，P3.7口接收到低電平時關(guān)閉定時器，這樣定時器TH0,TL0里存儲的就是測量的時間，根據(jù)公式s=340t/2就可以計算出距離。

流程圖

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              圖5超聲波發(fā)射和接收流程圖

電路部分

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圖6 超聲波發(fā)射和接收電路

根據(jù)超聲波測距模塊原理代碼設(shè)計部分如下

P3.5發(fā)射，P3.7接受

MOV TMOD,#01H         ;置定時器T0工作方式樣3,對內(nèi)部機(jī)器周期計數(shù)

     CJZCX: MOV TL0,#00H   ;裝入定時器初值

            MOV TH0,#00H

      puzel:MOV 14H,#08H    ;超聲波發(fā)射持續(xù)200us

       Here:CPL P3.5        ;輸出40kHz方波

            NOP             ;

            NOP             ;

            NOP             ;

            DJNZ 14H,Here   ;

        QBA:JB P3.7,QBC     ;等待1跳到QBC

            DJNZ R1,QBA

            DJNZ R0,QBA

        QBC:SETB TR0        ;測到1開始計時

            SETB P3.2

        QBB:JNB P3.7,QBD    ;等待0跳到QBD

            JMP QBB

        QBD:CLR P2.3        ;測到0關(guān)閉計時

            CLR TR0

設(shè)計思路：此時通過計算后四位數(shù)據(jù)分別從高到底存在78H,77H,76H,75H里，顯示數(shù)據(jù)時從高到低，P1口接a-h，P2.0-P2.3口接共陽極。首先賦值P2口0FEH,讓78H中的數(shù)據(jù)給高位，在左移，把77H數(shù)據(jù)給次高位，這樣循環(huán)知道四位數(shù)據(jù)全部顯示，此時跳到主程序。

電路部分如圖6

代碼部分（說明顯示四位左端為高位，代碼中78H,77H,76H,75H分別存了四位，P1口接a-h，P2.0-P2.3接共陽極）

DISPLAY:    MOV R1,#78H      ;立即數(shù)78H送寄存器中

            MOV R5,#0FEH     ;立即數(shù)FEH送寄存器R5中

    PLAY:  MOV A,R5         ;寄存器R5中的數(shù)值送累加器A中

            MOV P2,A         ;累加器A中的數(shù)值送P2口

            MOV A,@R1        ;以寄存器R1中的數(shù)為地址單元的數(shù)值送累加器中

            MOV DPTR,#TAB    ;16位地址送地址寄存器中

            MOVC A,@A+DPTR   ;以中的地址為基地變址尋址單元中的數(shù)送累加器

            MOV P1,A         ;累加器A中的數(shù)值送P1口

            MOV R6,#14H      ;立即數(shù)據(jù)14送寄存器R6中

        DL1:MOV R7,#19H      ;立即數(shù)據(jù)19送寄存器R7中

        DL2:DJNZ R7,DL2      ;寄存器中的數(shù)據(jù)減1,不為零時則轉(zhuǎn)移

            DJNZ R6,DL1      ;寄存器中的數(shù)據(jù)減1,不為零時則轉(zhuǎn)移

            DEC R1           ;寄存器R1中的數(shù)值減1

            MOV A,R5         ;寄存器R5中的數(shù)值送累加器A中

            JNB ACC.3,ENDOUT ;地址位為0則轉(zhuǎn)到ENDOUT

            RL A             ;累加器循環(huán)右移

            MOV R5,A         ;累加器A中的數(shù)值送寄存器R5中

            AJMP PLAY        ;絕對短轉(zhuǎn)移

    ENDOUT: SETB P3.5        ;置P3.5口

            RET              ;返回

       TAB: DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,088H

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          圖 7 數(shù)碼管顯示電路

設(shè)計思路：如圖P3.6口接的是蜂鳴器電路，實現(xiàn)蜂鳴器不同頻率報警，首先要距離分段，此程序判斷的是最高位，所以是78H里的值，控制蜂鳴器報警頻率不同是通過改變P3.6口0和1翻轉(zhuǎn)的狀態(tài)時間不同來實現(xiàn)的。

電路部分

         圖8 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器報警分5種頻率

分段為<1m，1-2m，2-3m，3-4m，>4m

距離不同設(shè)定的蜂鳴器報警的頻率不同

由于沒有超聲波發(fā)射和接收模塊，用按鍵來給P3.7口信號。電路的仿真結(jié)果是單片機(jī)工作后，用按鍵給信號，四位數(shù)碼管可以顯示計算值出來，蜂鳴器可以正常工作。

本次設(shè)計的實物能實現(xiàn)的功能功能有：

（1）超聲波的發(fā)射和接受控制

（2）對回波信號的檢測

（3）測距時間到距離的換算

（4）距離不斷測量和不斷顯示

（5）對距離進(jìn)行判斷，并且蜂鳴器報警

心得：這兩個星期是一個不斷發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的過程，從調(diào)研選題背景意義，了解了超聲波測距儀的工作原理及其發(fā)展，感覺上通過單片機(jī)控制是一個相對簡單的過程沒有什么彎路要走。確定方案，購買元件的時候就發(fā)現(xiàn)有很多的實際問題，由于第一次實際做一些東西出來，總覺得不知道從什么地方下手，這個時候小組合作就顯得格外重要，大家一起討論，給出不同的意見，完善各自的方案，了解更多實際電路要考慮到的問題，電阻的限流作用，單片機(jī)工作的電壓電流，電阻選多大，電容選多大，這些對電路都是有影響的，選的不對很可能就把單片機(jī)燒壞。每天都會有新的問題，解決完一個就會發(fā)現(xiàn)那不是結(jié)束僅僅是一個開始。焊接電路是一項需要有耐心的過程，一不小心就會犯錯，那是萬萬不允許的，所以必須檢查每一個焊接點，剛開始做必然做的不太嫻熟，焊接的也不太美觀，但最也算是完成了。調(diào)試電路是最頭疼的，一開始不知道是電路的問題還是程序的問題。這次我們用的是匯編語言，而大部分組用的是C語言，這讓我們在交流程序的時候顯得有些無奈，開始我們只有一個部分一個部分的慢慢調(diào)試，先從四位數(shù)碼顯示部分開始，這部分知道電路連接正確應(yīng)該就不會有問題。然后我們測蜂鳴器是否工作正常。最后遇到問題是發(fā)現(xiàn)超聲波接收和發(fā)射模塊不能正常工作，找了很多原因，都不行。后來恍然大悟，是我們在一開始是就把超聲波發(fā)射和接收模塊的時間開始和接受弄錯了，所以計算的時間總是錯的。完成能測距的這一基本任務(wù)讓我們有了信心去做接下來的報警功能。對于我們這個超聲波測距模塊，要弄清楚每一個環(huán)節(jié)的工作原理，才能進(jìn)行電路設(shè)計及程序編寫。

總結(jié)：我們使用stc12c5a60s2單片機(jī)控制，hc-sr04超聲波發(fā)射和接受模塊輔助測量，在四位數(shù)碼顯示管顯示結(jié)果，蜂鳴器報警，這是整個超聲波測距系統(tǒng)的主要四個部分。測量范圍在2cm到300cm之間。由于經(jīng)驗不足，最后的成品能雖然實現(xiàn)測量和報警的功能，但是任然有很多不足的地方，電路排版焊接不美觀，電路測量的有效性不夠強(qiáng)，程序的穩(wěn)定性容錯性都存在問題。程序在努力改進(jìn)后還需加強(qiáng)。本次課程設(shè)計學(xué)習(xí)到很多，對課本原理性的內(nèi)容更是加深理解。對實踐動手能力有了很大的鍛煉和提高。

課程設(shè)計仿真圖

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                         圖9 仿真電路

課程設(shè)計實物圖

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               圖10 實物圖

程序設(shè)計代碼

AJMP CJZCX

ENDOUT: SETB P3.5        ;置P3.5口

RET              ;返回