基于51单片机的超声波测距系统设计

1、精品文档1 设计任务本文采用超声波传感器， IAP15单片机以及LCD显示模块设计了一种超声波测距显示器, 可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器,具有一定的实用价值。2 设计思路2.1超声波测距2.1.1超声波超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展,运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展,电子测量技术应用越来 越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波 在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介 质吸

2、收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。 一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量 等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方 便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因 此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距 障碍物的位置信息（距离和方向） 。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的 应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此

3、在汽车倒车雷达的研制方面也 得到了广泛的应用。2.1.2超声波测距原理最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发 射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射 回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2由于超声波也是一种声波， 其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大， 则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应1欢迎下载精品文档通过温度补偿的方法对

4、测量结果加以数值校正。 声速确定后，只要测得超声波往返的时间， 即可求得距离。距离计算公式：- （2-1）其中d为被测物与测距器的距离，S为声波的来回路程，C为声波，t为声波来回所用 的时间。其中声速c与温度有关。T（ 2-2）如果要提高测距精确度，则必须考虑温度的影响，也可取室温简化电路设计，将温度 传感器作为扩展电路，在力所能及的情况下完成。2.1.3超声波测距模块HC-SR04HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能， 测距精度可 达3mm模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。实物如图2-1所示：图 2-1 HC-SR04 模块实物图HC-SR04

5、T作原理及说明：1、给Trig触发控制信号10端口至少10us的高电平信号。2、模块自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回。3、 有信号返回时，Echo回响信号输出端口输出一个高电平，高电平持续的时间就是 超声波从发射到返回的时间。4、两次测距时间间隔最少在60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。如图2-2所示：2欢迎下载精品文档IQuS 6*0 TTL号 _ _睛环发出S令40KHZ脉沖n戸n n rw m m丨棧块内部 _11 IIInuu发出信号输岀回响_J回响电平輸出倍号2 检测距藹咸比例图 2-2 HC-SRO4 工作原理2.2 LCD1602显示屏LCD160

6、2显示屏实物如图2-3所示：图 2-3 LCD1602 显示屏3欢迎下载图 2-4 LCD1602 电路原理图2.3 IAP单片机IAP15F2K61S2单片机为增强型8051CPU具有1个单时钟/机器周期， 其工作电压为4.2V5.5V，速度比普通的8051快812倍；61K字节片内FLASH?序存储器，片内大容 量2048字节的SRAM大容量的片内EEPPOJM擦写次数在10万次以上；一共有8道10位 高速ADC速度高达30万次/s,3路PWM还可当3路DA使用；共有3通道比较单元，内 部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路；内部高精度RC时钟，内 部时钟从5MH35MH

7、z可选，相当于普通8051的60MH420MHz两组高速异步串行通信 端口，可以在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用；各种接口扩展齐全，一根USB线实现系统供电、程序下载及通信功能。单片机实物图及引脚图如图2-5、图2-6所示:精品文档LCD1602电路原理图如图2-4所示:U2亠丄o HrF中灯厂勺乂01尹匕寸L*LEcd孑|GNDvcci)40P4.5P2 7igP2,7KI)in)i)： )o)i)J8 P2.637P2?5址呻d4 氏.2拆 12 V厂“31 F4430P4.2294AP3 ?26 KUP2.6 7P2.5SFTi7PM 4呛1丄FvH1UKONDivccR

8、310K4欢迎下载图 2-5 IAP 单片机实物图40 P4.5/ALE的 PZ.7A15/GGP2_338 P2.t/AU/CCP1_337 P2.5/AU/CCP0336 P2T4/A12/ECL3/SS_235 P2.3/A11/M0SL234 F2.2/A1()/MISO_233 P2.1/A9 SCLK 232 P2.D/AB RSTOUT_LOW31 P4.mD30 P42WR29 P4J/M1S0_328 P3.7/INT3.TXD_2/CCP2/CCP2_227 P3.6/INT2RXD.2rCCPl_226 P3.5/T1 JQCLKQ CCPQ. 225 P3.4/Tarr

9、iCLKOECl_224 P33INT123 P3.2/INT022 P3.i/rxorr221 P3.0/RXD,INT4ZT2CLKO图 2-6 IAP 单片机引脚图5欢迎下载精品文档AO/PD.O1A1T0.12A2/PQ.23A3/F0.34A4 代/5A5/PQ.5A60.67A7/P07 1aAXD2CCP1 ADCOPt.O9TXD2/CCP0/ADC1 卩 1,110ECI/SS A0C2/P1.211MOSI AOC3 P1.312IMIS 0ADC4/P 1.413ADC5/P1.514XTAL2/RXD ADC6/P1.615XTALVTXD ADC7/P1.7165S3

10、/MCLK0R5bP5 417VCC10P5.519GMD 20F-1单片1_J2.4单片机最小系统对于一个单片机系统，能够工作的前提是具有最小系统模块，最小系统一般包括单片 机、晶振电路、复位电路。单片机的复位及晶振电路都是常见的接法，电源用一个按键控制接通与断开，使得程序下载变得方便。电路如图2-7所示:图 2-7 单片机最小系统2.4.2电源电路此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB 口供给，也可使用外部稳定的5V 电源供电模块供给。2.4.1时钟电路单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ12MH之间（本设计选用12MHZ，外

11、接两个谐振电容，该电容的典型值为30pF。如图2-8所示：6欢迎下载精品文档P0.12P02 3P03 4P0.45Pi5 6P0.67P0.7SPl.110PT 1Pl.12PI.13Pl.i4XTT2|XTAtlRSH7vgGNDTPO.O(AO)P45(ALE)PC) l(A1)P25(A1S1PO2(A2)P2J6(A14)卩 G3(A3)P2J(AB)P0.4(A4)P2.4(A12)PO.5(A5)?23(AU)PO6(A6)P2(Al0iP O,7(A7)P2J(A9)Pl.O(ADCO)P2.0(AR)PlJ(ADCl)P4.4(RD)P1.2(ADC2)P4.2(WK)PL3

12、(ADC3)P4J(MISOP1.4(AD4)P3.7(INT3Pl 5(AD?5)P3.6(NT2)Fl (XTAL2P3.5(T1)P1.7(XTAL1)P14(T0)P5.4(RST)P3.3(INTI ivccP3,2(INTD)P55P3J(TXDtCNDP3.O(RXDJ38P”i7P2536P工435P2.334pr r l-*r33P2J32卩工031P|1LXIAJ nJ30pF |rZh-CRYSTALC2IiiXIAJ1珈卜Cl图 2-9 复位电路sPN7欢迎下载图 2-10 系统框图3 原理图根据前面对设计的各个相关模块的分别讲述， 再结合单片机的引脚功能， 从而得到系

13、 统整体电路图，如图3-1所示：图 3-1 原理图在图3-1中，LCD1602的DO到D7连接10K上拉排阻并外接到单片机的P2.0至U P2.7端口，用于显示所测量距离，超声波HC-SR04的trig端、echo端分别接在单片机的P0.0、P3.2这两个端口，利用单片机的计时器将时间计算出来。最后通过程序设计将计算出的距 离显示到LCD1602液晶显示屏上。精品文档聖丁SH一ii1INTOH15-厂丁J44C-SR IM -r:l芒N14二曰K ;IEIE Un暑訂HnEITRlli J-4.町&rl1 I:PI-13丨-J Al ： .kl . K0T 刊剧鼻!H卉Pfl 1HDP

14、2.7CAIO网*J*P2/ A -4) *应y ”R4144A4rP5.4t.M2卜RKAII)*T77iAin)”PflFlhrPil(Afl |PliiHADCfePI HACl|4i itn 1P|JAHC2|IP4E |PllJbtDClPlIMJMg.l_!l F 4|N.71INT1 |F.NINriiPgKTMpA-iTn *PH -1XIALImT吋卜F3-4-11 *Fyiwnl -vccfl.ilNTDl-PS JFihlXPj -卫F 八t -阳KIJt il1.-i l4J V PFT73 INTIihlTH Txn71 1XDM14PM IL L8欢迎下载4 PCB

15、 图生成PCB如图4-1、4-2所示:精品文档图 4-1 PCB 原理图Plsi图 4-2 PCB 图9欢迎下载精品文档5 程序流程图5.1主程序设计这次软件设计使用的软件是Keil uVision4。Keil 4集成开发环境是一个窗口化的软 件开发平台，它集成了功能强大的编辑器、工程管理器以及各种编译工具Keil 4使用简单、功能强大，是设计者完成设计任务的重要保证，还能加速单片机应用程序的开发过程。主程序首先是对系统环境初始化，设定定时器TO工作模式为6位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波 脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到

16、接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHZ的晶振，计算器每计一个数就是1us,，当主程序检测到接 收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按计算公式计算， 即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取声速为340m/s。超声波测距程序见附录。5.2程序流程图主程序流程图如图5-1所示：开始系统初始化1发射超声波脉冲1等待反射超声波1计算距离1r显示结果 0.5s图 5-1 主程序流程图10欢迎下载精品文档测距程序流程图如图5-2所示:图 5-2 测距程序流程图11

17、欢迎下载精品文档6 设计感想在本次实训中，我们首先第一周进行了FPGA的学习，由老师带领我们学习FPGA的基 本操作以及简单电路的设计，其中我认为最为主要的就是让我们认识到了FPGA的发展现状以及发展前景。通过了解，我们知道了FPGA的方便，可以用语言来实现我们需要的功 能，进而自动实现其电路的设计，帮助我们简化了很多步骤，在这一周的学习当中，我们 首先学会了如何用语言来实现流水灯的设计，以及其基本的设计思路和方法还有quartus2软件的使用方法，继而学会了如何捕捉上升沿，这个很重要，对于以后我们工作能够起很 大的作用，最主要的是我们学到了很多电路设计方面的经验，这些是我们平常在书本上学 不

18、到的，能够帮助我们在以后的工作当中节省很多的时间，创造了很多捷径，能够提高我 们的效率。在第二周的时间里，我设计了超声波测距电路，首先当我拿到这个题目时，对于这个 课题只有一些初步的想法， 通过理论课的学习对此有一个初始的印象， 然后就是去找资料， 了解到了我们要设计的这个电路具体的实现原理、所需模块等方面，以及他的组成部分，基于这个单片机，我们首先就要设计它的最小系统，然后我们还需要超声波传感器。并且 还需要对于测完的距离进行显示，这时就需要显示装置，这里我们用的是LCD 1602A显示屏。拿到这些装置以后， 我并不会连接， 所以就需要认识每个器件的引脚功能， 工作原理， 引脚的定义以及接法

19、等等，然后我们就要进行绘制原理图，然后生成PCB板，在确认无误之后才能进行焊接，在焊接过程当中我们要注意的是焊点是否焊严，焊锡不能过多，走线 要符合布局，在开始这次的设计工程当中，没有安排好布局，把LCD1602勺数据口和单片机引脚接反，这是一个失误的地方，在老师指导下纠正过来。我在焊接完板子之后，要进 行测试，首先测试显示装置，由于没有电位器，我们就要计算电阻，使显示器能够正常工 作，有适当的对比度，亮度等等，在我们进行测试的时候，换了好几个电阻才调整到了适 当的亮度。在各模块都工作正常后，我们要进行程序的编写，要考虑很多方面，例如接口，语法，逻辑等有没有错误，这些是很必要的，然后进行调试，

20、更改程序等等。本次设计的 超声波测距电路经过测试，误差在1CM左右是0-2CM里可以接受的范围。经过本次实训，使我收获良多，首先我们认识到了FPGA的发展现状，然后我们了解了电路设计制作的基本流程，让我对这方面的工作有了一定的认识，帮助我们规划以后的 工作，这些是我们本次实训的最大收获。而且，在设计超声波测距电路过程中我查阅了很 多的资料，自主的学习了很多以前没有注意但是实际需要的东西，帮助我们完善了知识储12欢迎下载精品文档备，也在一定程度上增强了了我们实际的工作能力，这些是我们在课堂学习当中没办法实 践的方面，然而在以后我们走上工作岗位上这些却是很重要的东西，所以很感谢这次生产 实习让我学

21、到了这么多的东西，做出了实物也使我很有成就感，对这方面的内容有了更大 的兴趣以及了解，能够在我走上工作岗位之前给自己提个醒，未雨绸缪，提早做好工作之 前的准备。参考文献1张岩，张鑫 . 单片机原理及应用.机械工业出版社， 2015.6.2范立南 . 单片机原理及应用教程.北京大学出版社， 2013.3楼然苗，李光飞 .单片机课程设计指导 . 北京航空航天大学出版社， 2012.4俞国亮.MCS-51 单片机原理及应用.清华大学出版社，2008.5瞿金辉，周蓉生 . 超声波测距系统的设计 . 中国仪器仪表， 2007. 8.6谭浩强 .C 语言程序设计 （第四版 ）. 清华大学出版社， 2011

22、. 117周凯，赵望达，赵迪 . 高精度超声波测距系统 . 测试技术卷， 200713欢迎下载精品文档附录 A 器件清单：器件清单如表 A-1 所示：元件说明数量IAP15F2K61S2单片机1HC-SR04超声波模块1LCD1602液晶显示屏1CH340GUSB 转 TTL 下载器1按键开关四脚1自锁开关六脚1瓷片电容30pF2电解电容10uF1滑动变阻器 10310KQ1排阻 A102J10KQ 上拉电阻1电阻10KQ1电阻300 Q1晶振12MHz1导线若干表 A-1 器件清单14欢迎下载附录 B 程序代码：#include #include#define uint unsigned i

23、nt #define uchar unsignedchar uint s,time,a,b,c,d;sbit RS=P3A6;sbit RW=P3A5;sbit EN=P3A7;sbit Trig=P0A1;sbit Ecoh=P0A0;uchar code dis_code1=Distance Test: uchar dis_code2=0.00M uchar cache3=0,0,0;void delay_ms(uint timer)uchar i=0;while (timer-) for(i=600;i0;i-);void Delay15us(unsigned char i)_nop_(

24、);_nop_();i = 42;while (-i);void wait()15欢迎下载精品文档RS=0;RW=1;EN=0;_nop_();_nop_();_nop_();EN=1;P2=0XFF;while(P2&0X80) ;精品文档/12.000MHzEN=0;void write_lcd_com(uchar com)wait();RS=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_();16欢迎下载精品文档EN=1; delay_ms(5);P2=dat;EN=0;void lcd_init()EN=0;write_lcd_com(0 x38);delay_ms(1);write_lcd_com(0 x06);delay_ms(1);write_lcd_com(0 x0C);delay_ms(1);write_lcd_com(0 x01);delay_ms(1);void chaoshengbo(void)time=TH0*2