超声波测距系统设计总体

吉林建筑大学

电气与电子信息工程学院《传感器与检测技术》课程设计报告

设计题目：超声波测距系统设计

专业班级：电子信息科学与技术

学生姓名：朱玉

学号：10311103

指导教师：王超高晓红

设计时间：2014.6.16－2014.6.27

目录

第1章绪论 (1)

1.1 课题设计的背景和意义 (1)

1.2 主要设计内容和要求 (1)

第2章系统总体设计方案 (2)

2.1 设计系统框图 (2)

2.2 设计器件选择 (2)

第3章硬件电路设计 (4)

3.1 单片机最小系统 (4)

3.2 超声波发射电路 (6)

3.3 超声波检测接收电路 (7)

3.4 显示单元电路 (8)

3.5 语音播报电路 (8)

第4章系统软件设计 (10)

4.1 超声波测距仪的算法设计 (10)

4.2 主程序流程图 (10)

4.3 超声波发生子程序与超声波接受中断程序 (11)

总结 (14)

参考文献 (15)

附录1 总电路图 (16)

附录2 程序清单 (17)

第1章绪论

1.1课题设计的背景和意义

1.1.1设计的背景

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。但就目前的水平来说，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。

展望未来，超声波测距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满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势，研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需求。毋庸置疑，无线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。

1.1.2设计的意义

随着科学技术的发展，城市给排水系统也有较大发展。但是，由于许多不可预见因素城市给排水系统往往落后于城市建设。因此，箱涵的排污疏通对城市给排水系统的污水处理显得非常重要。而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。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意义。

1.2主要设计内容和要求

1.2.1主要设计内容

本设计主要是基于AT89S51芯片为核心的超声波测距仪，74LS04组成的超声波发射电路、并有超声波处理模块CX20106A、液晶显示等器件组成，包括单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路和语音播报电路。

1.2.2主要设计要求

设计一个超声波测距仪主要要求：

（1）具有超声波测距功能。

（2）实时显示测量的距离，显示格式为：XXXX。

（3）具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值,实时播报时间间隔≤10s，实时播报声音清晰明亮、无明显失真，在1m距离处人耳能准确分辨。语音播报要与显示同步。

第2章系统总体设计方案

2.1设计系统框图

根据设计任务、控制对象和现有条件系统电路采用由单片机最小系统、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路以及语音播报电路构成。本超声波测距仪的具体工作过程如下：单片机控制的振荡源产生40kHz的频率信号来驱动超声传感器。每次发射包含6个脉冲左右,当第一个超声波脉冲发射后,计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，得到从发射到接收的时间t后,单片机利用测距公式可计算出被测距离，同时单片机进行显示和语音播报。系统总体框图如图1所示。

图1系统框图

2.2设计器件选择

设计主要包括单片机最小系统及显示电路、语音播报电路、超声波发射电路和超声波检测接受电路五部分。主要用到的器件有：超声波传感器﹑LED液晶模块﹑单片机AT89S51和WT588D系列的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。

（1）超声波传感器：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，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。超声波发射器由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，接收主要由CX20106A 完成。

（2）显示液晶模块：显示单元部分采用LED液晶模块，根据设计的要求，用于显示测量距离﹑补偿温度以及危险﹑保持安全等警告信号。

（3）语音播报芯片WT588D：WT588D是一款功能强大的可重复擦除烧写

的语音单片机芯片，可对液晶显示的内容进行语音播报。

（4）单片机AT89S51：有4k字节Flash 闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口和片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

第3章硬件电路设计

3.1单片机最小系统

单片机最小系统主要采用的单片机是AT89S51。AT89S51是具有低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器(RAM)，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，其引脚图如图2所示。

3.1.1 AT89S51主要性能参数

与MCS—51产品指令系统完全兼容；

4K字节可以重复擦写Flash闪速存储器；

1000次擦写周期；

全静态操作：0Hz—24Hz；

三级加密程序存储器；

128*8字节内部RAM；

32个可编程I/O口线；

5个中断源；

可编程串行UART通道；

低功耗空闲和掉电模式。

3.1.2 AT89S51功能特性概述

4k字节Flash闪速存储器；

128字节内部RAM；

32个I/O口线；

两个16位定时器/计时器；

一个5向量两级中断结构；

一个全双工串行口通信；

片内振荡器及时钟电路。