超声波测距仪设计

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第1部分系统整体方案设计与比较

一、实验目的

1.用所学知识结合所查阅的资料提出设计方案

2.掌握系统整体方案设计的方法

3.培养分析系统设计方案的能力并从方案中选择一个最优的设计方案

二、实验容

针对本次课题，提出几种总体设计方案，并比较其优缺点，确定两套方案中的一套为本课题采纳的方案并对主要思想进行初步的阐序。用方框图画出个方案的原理框图。并分析方案的重点也难点。

三、实验原理与方法

题目的要设计一个超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可以用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。具体要求如下：

1 测量围在0.5-4.00m，测量精度1cm。

2 测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

本次设计的重点与难点：

1 要对单片机的部结构，特别是各个I/O口，中断和定时器部分。以及其外围电路的具体连接方法。

2 要对单片机的语言指令特别的熟练运用，能够根据参考资料结合自己的设计进行对程序的设计，排错。

3 选择一种适合的超声波测距方法。同时掌握其原理及工作方式。

四、实验步骤

多路遥控开关的实现方法有很多。但大部分都是纯硬件的电路。这样的电路结构复杂，不容易调试。但总的来说有无线和红外线等几种方式。就器件的简单程度和特定的民用要求，采用了红外线的遥控方式。且利用的是两片AT89S51单片机来实现的。根据老师的建议及性能的比较，选择了用软硬件结合的方式来实现。现在对如下两种方案做如下的简要介绍。

方案1：

利用分立模块的超声波测距仪

系统包括超声波测距模组、LED数码显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。

超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器控制（如图1.1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。

显示模块是一个8位段数码显示的LCD；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X 点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。

电源采用9V的DC电源输入，经稳压管后得出5V以及3.3V的电源供系统各部分电路使用。

图1.1 超声波测距的结构图

图1.2 红外接收电路

方案2：

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89S52单片机作为主控制器，用LED 数码管显示，超声波驱动信号用单片机发出和接收，基于AT89S52单片机的超声波测距仪系统框图如图1.3所示。超声波测距原理，即超声波发生器T 在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R 所接收。

图1.3基于AT89S52单片机的超声波测距仪系统框图

这样只要计算出发出信号到接收返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离计算公式：

d=s/2=(c ×t)/2 d 为被测物与测距仪的距离

超声波发射调理电路

超声波回波接收处理电路

模块接口

超声波 发射头

超声波 接收头

s为声波的来回路程

c为声速

t为声波来回所用时间

超声波是指频率高于20kHz的机械波。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超声波探头，超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波，而在收回波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般一般采用渡越时间法TOF（time off light）。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，测量距离的方法有很多种，短距离的可以泳尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量，因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45m/s。单片机使用12MHz晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，另一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。

六、实验记录与结论

以上两种方案都有各自的优缺点，其中前者是纯硬件的数模电路，电路所涉及的器件相对较多，结构比较复杂，产品的寿命也因器件的数量而减少。同时考虑到本次设计为专业综合实验和单片机的优越性，尽管方案2应用到软件的知识太多，增大了电路实现的难度。但根据设计的技术含量和调试的简便性，同时该方案的系统稳定性较好，故选择了第二套方案。

第2部分原理图的绘制及仿真软件训练

一、实验目的

1.掌握原理图的绘制方法和protel软件的使用，便于以后实验的设计与进行

2.掌握电路仿真的方法和proteus软件的使用，便于对以后的实验的仿真与修改

3.掌握运用SYSTEM VIEW的使用方法并用其对以后的软件系统做仿真

二、实验容

1.练习使用protel软件，并且用其绘制系统原理图

2.练习使用proteus软件，并且用来仿真单片机的部分实例

3.练习使用SYSTEM VIEW系统平台，并进行系统的设计与仿真

三、实验原理与方法

本次实验主要用到了protel软件和proteus软件。

1.PROTEL软件介绍

PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国开始使用，在国的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。

2. Proteus软件介绍

Proteus软件是英国Labcenter electronics公司出版的EDA工具软件。它不仅具有其它EDA 工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。它是目前最好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国推广刚起步，但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件)，从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台。

3. SYSTEM VIEW软件介绍

System View 是一个用于现代工程与科学系统设计及仿真的动态系统分析平台。从滤波器设计、信号处理、完整通信系统的设计与仿真，直到一般的系统数学模型建立等各个领域，System View 在友好而且功能齐全的窗口环境下，为用户提供了一个精密的嵌入式分析工具。

四、实验步骤

使用protel绘制原理图的步骤

1.设计图纸大小。首先要构思好零件图，设计好图纸大小。图纸大小是根据电路图的规模和复杂程度而定的，设置合适的图纸大小是设计好原理图的第一步。

2.设置protel 99 se/Schematic设计环境。包括设置格点大小和类型，光标类型等等，大多数参数也可以使用系统默认值。

3.旋转零件。用户根据电路图的需要，将零件从零件库里取出放置到图纸上，并对放置零件的序号、零件封装进行定义和设定等工作。

4.原理图连线。利用protel 99 se/Schematic提供的各种工具，将图纸上的元件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一个完整的原理图。

5.调整线路。将初步绘制好的电路图作进一步的调整和修改，使得原理图更加美观。

6.报表输出。通过protel 99 se/Schematic提供的各种报表工具生成各种报表，其中最重要的报表是网络表，通过网络表为后续的电路板设计作准备。

7.文件保存及打印输出。最后的步骤是文件保存及打印输出。

使用proteus仿真的步骤

1.添加元件；添加本次仿真所需要的元件到元件列表。

2. 放置元件；将添加进来的元件，放置到原理图编辑区中。

3. 电路图布线；将各个元件连接起来。

4. 系统仿真；导入程序文件，进行仿真，观察结果。

五、实验记录与结论

使用protel绘制出来的单片机最小系统的原理图截图，如图2.1。

图2.1 ADC转换原理图使用proteus设计的电动机显示实例截图，如图2.2。

图2.2 电动机原理图

通过本次实验让我对Proteus，protel和System view有了一定的了解，能用Proteus绘制一些简单的仿真图如图2.1和2.2。同时对protel的制作步骤也有了个较深的了解，相信对后面的系统设计有很大的帮助。最后也对System view做了一定的了解，但是还很薄弱，以后还得加强。

第3部分系统的硬件电路及软件设计

一、实验目的

1.掌握运用汇编语言编写程序和模块化的编程概念

2.对系统硬件电路进行详细设计，画出原理图

3.掌握各单元模块的使用方法及功能

二、实验容

1.设计超声波测距仪系统各个部分的硬件电路，并且在protel中画出原理图。

2.利用Keil软件，设计出系统软件的程序代码。

三、实验原理与方法。

At89s52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵