超声波测距课程设计

1、 课程设 计 课 程： xxxx课程设计 题 目： 超声波测距仪 所属院(系) 电气工程学院 专业班级 自控1201 姓 名 袁玉坤 学 号：1217014031 指导老师 王春侠 完成地点 电气学院实验室 2015年 12 月 08日目录摘 要1一 课题的方案设计与论证21.1超声波测距系统设计的目的和要求21.2 超声波测距系统的工作原理21.3 方案论证41.3.1结构图41.3.2 系统整体方案的论证5二 硬件设计62.1单片机电路62.2超声波集成模块62.2.1超声波集成模块实物图62.2.2超声波集成模块参数72.2.3接口定义72.2.4超声波集成模块时序图72.2.5注意事项

2、82.3 显示模块（四位共阳极数码管）82.4电源模块9三 软件设计103.1 超声波模块103.2 显示模块103.3 主程序流程图10四 系统调试134.1硬件调试134.1.1 LED灯不亮的原因134.1.2 LED显示134.1.3软件调试13五 结论14六 参考文献15七 附录16附录A:仿真图16附录B:元器件清单17附录C：源程序18摘 要随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排

3、水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。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。本设计采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计，由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统

4、的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。经实验证明，这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控。关键词：AT89c51; 超声波；测距一 课题的方案设计与论证1.1超声波测距系统设计的目的和要求（1）超声波测距系统的设计目的这个设计的主题是超声波测距仪的设计，我们可以看到设计目标是利用HC-SR04超声波测距模块测量距离。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻同时开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即

5、停止计时。超声波在空气中的传播速度为c（本次设计默认值为340m/s），从超声波信号发送到接收器接收到返回信号所用的时间为t，由此可以计算出超声波发射点距障碍物的距离s。计算公式：s=(ct)/2 其中，s为被测物与测距仪的距离，c为声速，t为声波往返所用的时间。要设计出超声波测距仪，首先超声波传感器发射部分发射超声波信号的同时要让定时器0开始计时；再要让超声波传感器接受部分接受超声波信号的同时让定时器停止计时；最后要使计时的时间转换为测量的距离，并且要达到一定的精度。这个设计中，用定时器0计时，端口判断接收超声波信号。这样可以把测量的时间转化为测量的距离值，又可以使测量达到所需要的精度。在本

6、设计里需要用到的AT89C51单片机、HC-SR04超声波测距模块、四位共阳极数码管等将在后面介绍。（2）超声波测距仪系统设计的要求： 设计的控制电路、技术实现方式使用AT89C51单片机控制。 采用超声波测距（非接触式）方式实现。 采用四位共阳极数码管显示器显示结果。以上的设计目的、要求是超声波测距仪设计的依据。1.2 超声波测距系统的工作原理超声波测距方法的原理通常是使用时间差。首先测量从发射超声波到遇到障碍后返回的总时间，测量装置利用单片机与HC-SR04超声波测距模块处理，最后通过四位共阳极数码管显示器显示测量点与障碍物之间的距离。超声波测距仪主要由三个部分组成，包括AT89C51微控

7、制器，HC-SR04超声波测距模块，四位共阳极数码管显示器。其原理图如图1-1所示。障 碍 物超声波发射器超声波接收器单片机驱动电路LCD显示图1-1 超声波测距仪原理框图Figure 1-1 Block diagram of the ultrasonic range finder由上图可以看出，硬件电路设计主要包括单片机系统，超声波发射器和超声波接收器，显示电路四部分组成。控制器也可以用AT89C51单片机微控制器系列兼容系列代替单片机对超声波发射器进行控制，超声波接收器把检测到的信号输入到单片机中，然后通过内部程序对传输的信号进行分析、计算和处理，最后由四位共阳极数码管显示测量距离的最终值

8、。工作原理：(1)采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信呈。(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口ECHO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。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。1.3 方案论证1.3.1结构图外围电路52单 片机显示模块 电源模块 障碍物超声波集成模块 图1.2方案论证结构图 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。超

9、声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89C51单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。稳压芯片的选择LM2940比7805的转换效率高。7805直接输入不接输出的情况下，其内部还会有3mA的电流消耗（静态电流）。而LDO元件的静态电流就比它远远小得多了。具体请看LDO的解释。LM2

10、940就是一个LDO。1.3.2 系统整体方案的论证 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射方式。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。 图1.3 超声波集成模块

11、 首先考虑用集成电路来组成收发电路。在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，接收电路采用由红外接收检波芯片CX20106构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。二 硬件设计 2.1单片机电路 图2.1 单片机管脚图引脚说明：P0：向LED发送显示数据，P12超声波集成模块发射端， P13超声波集成模块接收端，P26段码显示，P27位码显示。2.2超声波集成模块2.2.1超声波集成模块实物图图2.2 集成模块实物图2.2.2超声波集成模块参数 a、典型工作用电压：5V。 b、超小静态工作电流：小于2mA。 c、感应角度：不大于15度。 d、探测距离：2cm-400c

12、m。 e、高精度：可达0.3cm。 f、盲区（2cm）超近。 g、完全谦容GH-311防盗模块。 h、带金属USB外壳，坚固耐用。2.2.3接口定义：Vcc、Trig（控制端）、Echo（接收端）、Gnd超声波集成模块使用方法：控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。2.2.4超声波集成模块时序图 图2.3 超声波集成模块工作时序图模块工作原理： （1）采 用I/O触发测距，给至少10us的高电平信号; (2)模块自动发送

13、 8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回； (3)有信号返回，通过I/O输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间 (4)测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2;2.2.5注意事项 1.此模块不宜带电连接，如果要带电连接，则先让模块的Gnd端先连接。否则会影响模块工作。 2.测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且要尽量平整。否则会影响测试结果。2.3 显示模块（四位共阳极数码管） 图2.4 共阳极数码管用四位共阳极的数码管显示此次实验的实验数据-测量距离，利用单片机的P0输送数据，通过两个74HC573分别去控制数码管的段码和位码输入，以此来控制数码管的显示

14、。2.4电源模块图2.5 电源模块7805电源芯片的电路简单，实用，并且能够完全满足智能避障小车和单片机控制系统和L298N（直流电机驱动）芯片的供电。7805芯片的实物(如图所示)有3个引脚，分别为输入IN端、输出OUT端和接地GND端，一般情况下可以提供1.5A的电流，如果在散热足够的情况下可以提供AT89C51主控模块等模块的电压。三 软件设计 超声波测距的软件设计主要由主程序.超声波发生子程序.超声波接受中断程序及显示子程序组成。3.1 超声波模块 超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算

15、出从发出超声波信号到接收到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。距离的计算公式为：d=s/2=(ct)/2（1）其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为超声波波速，t为声波来回所用的时间。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，产生一个中断请求信号，单片机响应中断请求，执行中断服务子程序，读取时间差，计算距离。同时利用定时器1每10ms进行一次扫描显示，每800ms启动一次超声波模块。3.2 显示模块 通过单片机的P0将相应段码位码给数码

16、管，由于共用P0端口，所以就出现分时传输，将段码位码传送数据分别送至74HC573锁存器，然后通过单片机P2.6P2.7去控制锁存器的使能端从而控制锁存器的开通来分时传送数据，将数码管交换显示的时间设置相对较小，利用发光管的余光和人眼的暂离作用，实现数码管的动态扫描。3.3 主程序流程图主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0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接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因，之后才打开外中断0接收返

17、回的超声波信号。开始单片机初始化T1中断，给一个高电平打开定时器T0图当echo为低电平时，关闭定时器T0，并处理数据S=10 noyes刷新一次显示模块num=800 no启动一次超声波模块 yes 返回 图3.2 中断子程序流程图中断子程序简述：当开始运行时，单片机初始化，同时打开定时器T1，开始计数，主程序运行的同时，定时器一直在计时，当定时器T1计时到10ms，响应中断，刷新一次显示，回到主程序中继续中断之前的操作，当计时到800ms时，向启动一次超声波集成模块，然后回到主程序中继续中断之前的操作。四 系统调试4.1硬件调试4.1.1 LED灯不亮的原因：（1）单片机不工作。（2）LE

18、D显示模块的硬件电路连线有问题故障排查：（1）单片机不工作。先检查单片机的电源线和地线是否接好，发现接线无误。再看晶振电路是否工作，仔细检查，也无错误。（2）LED显示模块的硬件电路连线有问题。通过万用表检查四段共阳极数码管有虚焊的情况，然后将此处进行修复后，LED可以显示了。 （3）在焊接最小系统是，不小心将103排阻正负方向插反，导致最小系统不工作，整个单片机的程序不能传输到锁存器，无法显示。发现后，及时更换103排阻，并注意方向。（4）复位电路模块在焊接过程中，将电容击穿，使单片机无法上电复位。重新焊接了一个复位电路。（5）在焊接过程中，将超声波集成模块烧坏，无法工作。检查后，更换新的模

19、块。4.1.2 LED显示通过对距离进行测量，然后与实际距离进行比较可得，当测量距离大于超声波测距模块的范围时，LED显示为0000。4.1.3软件调试当硬件制作完成后，软件制作也是不可轻视的部分，通过本次课程设计，总结经验如下： （1）先进行人工检查。写好程序后，先不要立刻烧入单片机，先对纸面上的程序进行人工检查。由于采用C语言编程，所以要特别小心地检查语法错误，如括号不配对，漏写分号等，通过仔细的检查，发现并排除这些错误。 （2）在进行数码管显示距离时，各数码管的位码与硬件匹配。五 结论本文主要介绍了以单片机AT89S51为处理器的超声波测距仪的设计过程,包括硬件电路和程序的设计以及电路的

20、搭建与调试。该设计可广泛用于生活、军事等各个领域，该设计需要设计者有较好的数电、模电知识，并且具有一定的编程能力，通过对上述知识的综合运用，实现超声波发射和接收信号，控制该设计中的微控制器对超声波信号进行分析、计算、处理,最后在四位共阳极数码管显示器上显示距离值。测量范围在2cm-400cm,测量精度3mm,不与被测物体直接接触，可显示清晰、稳定的测量结果。由于设计较短，知识有限，如设计传感器的灵敏度和测量范围，超声波测距仪的测量的精度3mm，测量范围2cm-400cm的一些缺点，还可以做到更精确，测量范围也可以更大。但需要生产高精度传感器技术，成本高，所以我选择了比较常见的测量范围和测量精度

21、。随着国内电子技术的发展，我相信会有更好，更便宜的传感器出现。另一个问题是，有没有温度补偿，超声波在不同温度的空气中传播时速度是不一样的，本设计温度设定为室温，超声波速度以340m/s时的为准，所以在其他温度时使用超声波测量仪器测量本会导致不准确的。六 参考文献【1】 张琛 耿标 超声波测距的原理及设计【J】 科技传播，2010年7月：217-222【2】 康雅萍 刘震宇 郭鑫等 高精度超声波测距系统【J】实验技术与管理 2010年3月，27（3）：61-64【3】 张珩 刘亚杰 基于单片机的超声波测距倒车防撞报警系统【J】广西轻工业 2009年9月（9）：61-62【4】 唐波 朱琼玲 基于

22、51单片机超声波测距器设计【J】 矿业安全与环保 2009年8月 36卷增刊：68-70附录附录A:仿真图附录B:元器件清单元器件名称型号数量单片机STC89C521晶振12MHz1LED共阳极数码管SM4105641超声波测距模块HC-SR041锁存器74HC5732稳压管LM29401按钮1电阻10K1电池DC7.2V1排线若干排针若干导线若干PCB板1电容22uF1电容3.3uF1电容30pF2电容10uF1附录C：源程序 /*程序说明：用51单片机制作超声波测距器 单片机： 超声波测距模块：HC-SR04（Trig-Tring，Echo-Echo） 显示模块：74HC573锁存器（锁存

23、段码dula和位码wela） 四位(共阳)数码管 P0：发送段码和位码 P1：P12-Trig P13-Echo P2：P26-dula P27-wela*/#include #define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit Tring=P12; /超声发送sbit Echo=P13; /超声接收sbit dula=P26; sbit wela=P27;sbit Led_Red=P15;uchar code table= 0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0x88,0x83,0xc6,0xa1,0x86,0x8e;uchar qian,bai,shi,ge;uint time,distance,num;/声明子函数void delayms(uint); /距离计算 void count() time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; distance