1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上1 設(shè)計任務(wù)本文采用超聲波傳感器,IAP15單片機以及LCD顯示模塊設(shè)計了一種超聲波測距顯示器，可以實現(xiàn)測量物體到儀器距離以及顯示等功能。是一種結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、使用方便、價格低廉的超聲波距離測量器，具有一定的實用價值。2 設(shè)計思路2.1 超聲波測距2.1.1 超聲波超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介

2、質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在

3、汽車倒車雷達的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。2.1.2 超聲波測距原理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▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲

4、速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。距離計算公式：d=S2=C×T2（2-1）其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲波，t為聲波來回所用的時間。其中聲速c與溫度有關(guān)。C=331.5+0.607T （2-2）如果要提高測距精確度，則必須考慮溫度的影響，也可取室溫簡化電路設(shè)計，將溫度傳感器作為擴展電路，在力所能及的情況下完成。2.1.3 超聲波測距模塊HC-SR04HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm至400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm；模塊自身包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。實物如圖2-1所示：圖2-1 HC-SR04模塊實物圖

5、HC-SR04工作原理及說明：1、給Trig觸發(fā)控制信號IO端口至少10us的高電平信號。2、模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，并自動檢測是否有信號返回。3、有信號返回時，Echo回響信號輸出端口輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。4、兩次測距時間間隔最少在60ms以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。如圖2-2所示：圖2-2 HC-SR04工作原理2.2 LCD1602顯示屏LCD1602顯示屏實物如圖2-3所示：圖2-3 LCD1602顯示屏LCD1602電路原理圖如圖2-4所示：圖2-4 LCD1602電路原理圖2.3 IAP單片機IAP15F2K61S2單片機

6、為增強型8051CPU，具有1個單時鐘/機器周期，其工作電壓為4.2V5.5V，速度比普通的8051快812倍；61K字節(jié)片內(nèi)FLASH程序存儲器，片內(nèi)大容量2048字節(jié)的SRAM，大容量的片內(nèi)EEPPOM，擦寫次數(shù)在10萬次以上；一共有8道10位高速ADC，速度高達30萬次/s，3路PWM還可當3路DA使用；共有3通道比較單元，內(nèi)部高可靠復(fù)位，8級可選復(fù)位門檻電壓，徹底省掉外部復(fù)位電路;內(nèi)部高精度RC時鐘，內(nèi)部時鐘從5MHz35MHz可選，相當于普通8051的60MHz420MHz;兩組高速異步串行通信端口，可以在5組管腳之間進行切換，分時復(fù)用可當5組串口使用；各種接口擴展齊全，一根USB線

7、實現(xiàn)系統(tǒng)供電、程序下載及通信功能。單片機實物圖及引腳圖如圖2-5、圖2-6所示：圖2-5 IAP單片機實物圖圖2-6 IAP單片機引腳圖2.4 單片機最小系統(tǒng)對于一個單片機系統(tǒng)，能夠工作的前提是具有最小系統(tǒng)模塊，最小系統(tǒng)一般包括單片機、晶振電路、復(fù)位電路。單片機的復(fù)位及晶振電路都是常見的接法，電源用一個按鍵控制接通與斷開，使得程序下載變得方便。電路如圖2-7所示：圖2-7單片機最小系統(tǒng)2.4.2 電源電路此最小系統(tǒng)中的電源供電模塊的電源可以通過計算機的USB口供給，也可使用外部穩(wěn)定的5V電源供電模塊供給。2.4.1 時鐘電路單片機是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。內(nèi)部時鐘電路的晶振頻率一般選擇在4M

8、HZ12MHZ之間（本設(shè)計選用12MHZ），外接兩個諧振電容，該電容的典型值為30pF。如圖2-8所示：圖2-8 時鐘電路2.4.3 復(fù)位電路按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。如圖2-9：圖2-9 復(fù)位電路2.4 系統(tǒng)整體設(shè)計系統(tǒng)主要由三部分組成：單片機，超聲波測距模塊和LCD1602顯示屏構(gòu)成。單片機在控制中作為控制器，用于對超聲波模塊的控制和計時，顯示電路主要實時顯示測量數(shù)值。系統(tǒng)框圖如圖2-10所示：超聲波接收單片機控制器超聲波發(fā)送LCD顯示圖2-10 系統(tǒng)框圖3 原理圖根據(jù)前面對

9、設(shè)計的各個相關(guān)模塊的分別講述，再結(jié)合單片機的引腳功能，從而得到系統(tǒng)整體電路圖，如圖3-1所示： 圖3-1 原理圖在圖3-1中，LCD1602的D0到D7連接10K上拉排阻并外接到單片機的P2.0到P2.7端口，用于顯示所測量距離，超聲波HC-SR04的trig端、echo端分別接在單片機的P0.0、P3.2這兩個端口，利用單片機的計時器將時間計算出來。最后通過程序設(shè)計將計算出的距離顯示到LCD1602液晶顯示屏上。4 PCB圖生成PCB如圖4-1、4-2所示：圖4-1 PCB原理圖圖4-2 PCB圖5 程序流程圖5.1 主程序設(shè)計這次軟件設(shè)計使用的軟件是Keil uVision4。Keil 4

10、集成開發(fā)環(huán)境是一個窗口化的軟件開發(fā)平臺，它集成了功能強大的編輯器、工程管理器以及各種編譯工具Keil 4使用簡單、功能強大，是設(shè)計者完成設(shè)計任務(wù)的重要保證，還能加速單片機應(yīng)用程序的開發(fā)過程。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時器T0工作模式為6位定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口P2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms（這也就是超聲波測距器會有一個最小測距離的原因）后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計算器每計一個數(shù)就是1us,，當主程序檢測到接收成功的標

11、志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按計算公式計算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計時取聲速為340m/s。超聲波測距程序見附錄。5.2 程序流程圖主程序流程圖如圖5-1所示：開始系統(tǒng)初始化顯示結(jié)果0.5s發(fā)射超聲波脈沖計算距離等待反射超聲波圖5-1 主程序流程圖測距程序流程圖如圖5-2所示：圖5-2 測距程序流程圖6 設(shè)計感想在本次實訓(xùn)中，我們首先第一周進行了FPGA的學(xué)習，由老師帶領(lǐng)我們學(xué)習FPGA的基本操作以及簡單電路的設(shè)計，其中我認為最為主要的就是讓我們認識到了FPGA的發(fā)展現(xiàn)狀以及發(fā)展前景。通過了解，我們知道了FPGA的方便，可以用語言來實現(xiàn)我們需要的功能，進而

12、自動實現(xiàn)其電路的設(shè)計，幫助我們簡化了很多步驟，在這一周的學(xué)習當中，我們首先學(xué)會了如何用語言來實現(xiàn)流水燈的設(shè)計，以及其基本的設(shè)計思路和方法還有quartus2軟件的使用方法，繼而學(xué)會了如何捕捉上升沿，這個很重要，對于以后我們工作能夠起很大的作用，最主要的是我們學(xué)到了很多電路設(shè)計方面的經(jīng)驗，這些是我們平常在書本上學(xué)不到的，能夠幫助我們在以后的工作當中節(jié)省很多的時間，創(chuàng)造了很多捷徑，能夠提高我們的效率。在第二周的時間里，我設(shè)計了超聲波測距電路，首先當我拿到這個題目時，對于這個課題只有一些初步的想法，通過理論課的學(xué)習對此有一個初始的印象，然后就是去找資料，了解到了我們要設(shè)計的這個電路具體的實現(xiàn)原理、所

13、需模塊等方面，以及他的組成部分，基于這個單片機，我們首先就要設(shè)計它的最小系統(tǒng)，然后我們還需要超聲波傳感器。并且還需要對于測完的距離進行顯示，這時就需要顯示裝置，這里我們用的是LCD 1602A顯示屏。拿到這些裝置以后，我并不會連接，所以就需要認識每個器件的引腳功能，工作原理，引腳的定義以及接法等等，然后我們就要進行繪制原理圖，然后生成PCB板，在確認無誤之后才能進行焊接，在焊接過程當中我們要注意的是焊點是否焊嚴，焊錫不能過多，走線要符合布局，在開始這次的設(shè)計工程當中，沒有安排好布局，把LCD1602的數(shù)據(jù)口和單片機引腳接反，這是一個失誤的地方，在老師指導(dǎo)下糾正過來。我在焊接完板子之后，要進行測

14、試，首先測試顯示裝置，由于沒有電位器，我們就要計算電阻，使顯示器能夠正常工作，有適當?shù)膶Ρ榷?，亮度等等，在我們進行測試的時候，換了好幾個電阻才調(diào)整到了適當?shù)牧炼取Ｔ诟髂K都工作正常后，我們要進行程序的編寫，要考慮很多方面，例如接口，語法，邏輯等有沒有錯誤，這些是很必要的，然后進行調(diào)試，更改程序等等。本次設(shè)計的超聲波測距電路經(jīng)過測試，誤差在1CM左右是0-2CM里可以接受的范圍。經(jīng)過本次實訓(xùn)，使我收獲良多，首先我們認識到了FPGA的發(fā)展現(xiàn)狀，然后我們了解了電路設(shè)計制作的基本流程，讓我對這方面的工作有了一定的認識，幫助我們規(guī)劃以后的工作，這些是我們本次實訓(xùn)的最大收獲。而且，在設(shè)計超聲波測距電路過程

15、中我查閱了很多的資料，自主的學(xué)習了很多以前沒有注意但是實際需要的東西，幫助我們完善了知識儲備，也在一定程度上增強了了我們實際的工作能力，這些是我們在課堂學(xué)習當中沒辦法實踐的方面，然而在以后我們走上工作崗位上這些卻是很重要的東西，所以很感謝這次生產(chǎn)實習讓我學(xué)到了這么多的東西，做出了實物也使我很有成就感，對這方面的內(nèi)容有了更大的興趣以及了解，能夠在我走上工作崗位之前給自己提個醒，未雨綢繆，提早做好工作之前的準備。參考文獻1 張巖，張鑫.單片機原理及應(yīng)用.機械工業(yè)出版社，2015.6.2 范立南.單片機原理及應(yīng)用教程.北京大學(xué)出版社，2013.3 樓然苗，李光飛.單片機課程設(shè)計指導(dǎo).北京航空航天大學(xué)

16、出版社，2012.4 俞國亮.MCS-51單片機原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，2008.5 瞿金輝，周蓉生.超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計.中國儀器儀表，2007. 8.6 譚浩強.C語言程序設(shè)計(第四版).清華大學(xué)出版社，2011. 117 周凱，趙望達，趙迪. 高精度超聲波測距系統(tǒng). 測試技術(shù)卷，2007附錄A器件清單：器件清單如表A-1所示：元件說明數(shù)量IAP15F2K61S2單片機1HC-SR04超聲波模塊1LCD1602液晶顯示屏1CH340GUSB轉(zhuǎn)TTL下載器1按鍵開關(guān)四腳1自鎖開關(guān)六腳1瓷片電容30pF2電解電容10uF1滑動變阻器10310K1排阻A102J10K上拉電阻1電阻10K1電

17、阻3001晶振12MHz1導(dǎo)線若干表A-1 器件清單附錄B程序代碼：#include <stc15f2k60s2.h>#include<intrins.h>#define uint unsigned int #define uchar unsigned char uint s,time,a,b,c,d;sbit RS=P36;sbit RW=P35;sbit EN=P37;sbit Trig=P01;sbit Ecoh=P00;uchar code dis_code1="Distance Test: "uchar dis_code2="0.

18、00M "uchar cache3=0,0,0;void delay_ms(uint timer)uchar i=0;while (timer-)for(i=600;i>0;i-);void Delay15us(unsigned char i)/12.000MHz_nop_();_nop_();i = 42;while (-i);void wait()RS=0;RW=1;EN=0;_nop_();_nop_();_nop_();EN=1;P2=0XFF;while(P2&0X80) ;EN=0;void write_lcd_com(uchar com)wait();RS

19、=0;RW=0;EN=0;_nop_();EN=1;P2=com;delay_ms(5);EN=0;void write_lcd_data(uchar dat) wait();RS=1;RW=0;EN=0;_nop_();EN=1;delay_ms(5);P2=dat;EN=0;void lcd_init()EN=0;write_lcd_com(0x38); delay_ms(1);write_lcd_com(0x06);delay_ms(1);write_lcd_com(0x0C);delay_ms(1);write_lcd_com(0x01);delay_ms(1);void chaoshengbo(void) time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; s=time*0.17; /?CM cache0=s/1000; cache1=s/100%10; cache2=s/10%10; dis_code20=cache0+'0' dis_code22=cache1+&