基于单片机的超声波测距系统设计实验报告重(共31页)

1、指导教师评定(pngdng)成绩： 审定(shndng)成绩： 自 动 化 学 院计算机控制技术课程设计报告(bogo) 设计题目：基于单片机的超声波测距系统设计单位（二级学院）： 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 负 责 项 目： 设计时间：二一四 年 五 月自动化学院制目录(ml)TOC o 1-3 u 一、设计(shj)题目 PAGEREF _Toc26366 1 基于(jy)51单片机的超声波测距系统设计 PAGEREF _Toc23396 1 设计要求 PAGEREF _Toc9984 1摘要 PAGEREF _Toc1779 2二、设计报告正文 PA

2、GEREF _Toc10035 3 2.1 超声波测距原理 PAGEREF _Toc11479 3 2.2系统总体方案设计 PAGEREF _Toc13492 4 2.3主要元件选型及其结构 PAGEREF _Toc12017 5 2.4硬件实现及单元电路设计9 2.5系统的软件设计 PAGEREF _Toc13868 13三、设计总结17四、参考文献17五、附录18 附录一：总体电路图18 附录二：系统源代码18 一、设计(shj)题目基于(jy)51单片机的超声波测距系统(xtng)设计设计要求1、以51系列单片机为核心，控制超声波测距系统；2、测量范围为：2cm4m，测量精度：1cm；3

3、、通过键盘电路设置报警距离，测出的距离通过显示电路显示出来；4、当所测距离小于报警距离时，声光报警装置报警加以提示；5、设计出相应的电子电路和控制软件流程及源代码，并制作实物。摘要(zhiyo) 超声波具有传播距离远、能量耗散少、指向性强等特点，在实际应用中常利用这些特点进行距离测量。超声波测距具有非接触式、测量快速、计算简单、应用性强的特点，在汽车倒车雷达系统、液位测量等方面应用广泛。本次课设利用超声波传播中距离与时间的关系为基本原理，以STC89C52单片机为核心进行控制及数据处理(chl)，通过外围电源、显示、键盘、声光报警等电路实现系统供电、测距显示、报警值设置及报警提示的功能。软件部

4、分采用了模块化的设计，由系统主程序及各功能部分的子程序组成。超声波回波信号输入单片机，经单片机综合分析处理后实现其预定功能。关键词：STC89C52单片机； HC-SR04； 超声波测距二、设计(shj)报告正文2.1 超声波测距原理(yunl) 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(kngq)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。设超声波在空气中的传播速度为340m/s（不计介质温度变化对速度的影响），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

5、：s=340t/2。 如图2-1所示： t超声波发射 障碍物 S H 超声波接收图2-1 超声波的测距原理 （2-1） （2-2）式中: L两探头中心之间距离的一半；又知道超声波传播的距离为: （2-3） 式中: v超声波在介质(jizh)中的传播速度； t超声波从发射到接收所需要(xyo)的时间；将式2-1、2-2、2-3联立得： （2-4） 其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要(xyo)测量的距离H远远大于L时,上式变为: （2-5） 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.2.2系统总体方案设计 本超

6、声波测距系统由系统硬件电路及软件程序实现两部分构成。其中由STC89C52单片机最小系统、HC-SR04超声波模块、电源接口电路、4位共阳极数码管显示电路、三极管驱动电路、蜂鸣器声光报警电路及键盘电路构成硬件系统。以STC89C52单片机为核心，通过触发信号控制HC-SR04超声波测距模块发射超声波并接收回波，测算出前方障碍的距离，输入单片机进行运算，与预设报警距离比较后判断是否启动蜂鸣器声光报警装置。 根据系统功能要求及模块划分可绘制出系统硬件框图，如图2-2所示：电源接口电路STC89C52单片机最小系统超声波测距模块显示模块键盘模块声光报警电路图2-2 系统(xtng)硬件框图2.3主要

7、(zhyo)元件选型及其结构2.3.1 STC89C52芯片(xn pin)STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。工作电压：5.5V3.3V。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下标准功能： 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路

8、，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。其引脚图如图2-3所示： a 引脚图 b 实物图图2-3 STC89C52引脚图2.3.2 HC-SR04超声波模块(m kui) HC-SR04超声波模块具有性能稳定(wndng)、

9、测度距离精确、模块高精度、盲区小等特点，使用简单易操作，常用于距离测量。其原理图及实物图如图2-4、图2-5所示：图2-4 HC-SR04超声波模块(m kui)原理图图2-5 HC-SR04超声波模块(m kui)实物图（1）接线方式(fngsh)：VCC(接电源)、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND（接 地）（2）基本(jbn)工作原理： a.采用(ciyng)I/O口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号； b.模块自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否(sh fu)有信号返回； c.有信号返回，通过I/O口ECHO输出一个高电平，同时开始计时直到此口 变为低电平，

10、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。 （3）电气参数表1 HC-SR04电气参数表（4）超声波时序图图2-6 超声波时序图（5）操作： 初始化时将trig和echo端口都置低，首先(shuxin)向给trig发送至少10 us的高电平脉冲（模块自动向外发送8个40kHz的方波），然后等待，捕捉echo端输出上升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计时，再次等待捕捉echo的下降沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，按照测试距离=(高电平时间*声速(shn s)(340M/S)/2就可以算出超声波到障

11、碍物的距离。 2.3.3 4位共阳数码管（1）共阳数码管的实物图、原理图如图2-7、图2-8所示：图2-7 4位共阳数码管实物图图2-8 4位共阳数码管原理图工作(gngzu)原理：共阳数码管是指将所有发光二极管的阳极接到一起形成公共阳极(COM)的数码管。共阳数码管在应用时应将公共极COM接到+5V，当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。（3）动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增

12、加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。2.4 硬件实现(shxin)及单元电路设计（1）

13、单片机最小系统(xtng) 单片机系统由电源、晶振电路、复位(f wi)电路组成。如图2-9所示：图2-9 单片机最小系统（2）电源接口电路设计 电源部分的设计采用3节5号干电池4.5V供电，如图2-10所示：图2-10 电源接口电路(dinl)（3）超声波模块接口 HC-SR04超声波模块接口如图2-11所示：图2-11 HC-SR04超声波模块接口（4） 4位共阳极数码管显示电路(dinl)及三极管驱动电路 显示(xinsh)电路如图2-12所示：图2-12 4位共阳数码管显示(xinsh)电路当I/O口输出低电平时，相应段被选通，反之(fnzh)则不然。三极管驱动(q dn)电路如图2-

14、13所示：图2-13 三极管驱动电路当I/O口输出低电平时，相应位被选通，反之则不然。（5）声光报警电路的设计 声光报警电路如图2-14所示：图2-14 声光报警电路(dinl)声光报警电路由一个蜂鸣器、一个三极管、一个发光二极管、两个电阻构成。其中(qzhng)电阻起限流的作用，当I/O口输出低电平时，三极管饱和导通，蜂鸣器报警、LED亮，反之则不报警。（6）键盘电路(dinl)的设计键盘电路如图2-15所示：图2-15 键盘电路2.5系统的软件设计（1）各主要模块 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 超声波测距模块。给超声波Trig口至少10us的高电平，启动测量，定时 器T0

15、计时，通过计算测得距离。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 显示模块。包括数码管位选函数、段选函数及距离处理显示模块。将超声 波测距测量值、报警设定值显示在4位数码管上。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 键盘(jinpn)模块。由键盘检测(jin c)函数及键盘处理函数组成。有设定键、加键、减键、 复位(f wi)键、开关键。主要设置报警值。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 声光报警模块。将测量值与设定报警值比较，若小于设定值，报警。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 特殊存储器eepom模块。包括单片机eepom存储器读、写操作以及

16、初始化。 其内存储设定报警值，掉电数据不丢失。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 定时器模块。TO定时器用于超声波测距的计时。T1定时器用于主程序扫 描时间的控制。（2）主程序源代码 void main()send_wave(); /测距离函数smg_display(); /处理距离显示函数time_init(); /定时器初始化init_eepom(); /初始化eepom（读取set_d）while(1)if(flag_300ms = 1) /300ms执行一次flag_300ms = 0;clock_h_l(); /报警函数send_wave(); /测距离函数if(men

17、u_1 = 0) /没有键按下时才给缓冲数组赋新值smg_display(); /处理距离显示函数if(zd_break_en = 1) /自动退出设置界面程序zd_break_value +; /每300ms加一次if(zd_break_value 100) /30秒后自动退出设置界面menu_1 = 0; smg_i = 3;zd_break_en = 0;zd_break_value = 0; key(); /按键检测(jin c)函数if(key_can P32* 超声波接收=P33 按键用的接口是P2口*待改进的地方：温度补偿，提高精度*当前的缺陷： 不能测出4m的距离*测量单位：米

18、（m）*/#include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int/数码管段选定义 设 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9uchar code smg_duan=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;/数码管位选uchar dis_smg4 =0,1,2,3;sbit smg_we1 = P34; /数码管位选端口sbit smg_we2 = P35;sbit smg_we3 = P36;

19、sbit smg_we4 = P37;sbit c_send = P31; /超声波发射sbit c_recive = P30; /超声波接收uchar flag_hc_value; /超声波中间变量sbit beep = P23; /蜂鸣器IO口定义uchar smg_i = 3; /显示(xinsh)数码管的个数：3bit flag_300ms ; /主程序300ms处理(chl)一次的标识符 bit key_500ms ; /按键程序(chngx)500ms处理一次的标识符long distance; /定义测量距离uint set_d; /定义设定距离uchar flag_csb_ju

20、li; /超声波超出量程 long flag_time0; /按键的IO变量的定义uchar key_can; /按键值的变量uchar zd_break_en,zd_break_value; /自动退出设置界面uchar menu_ljsd = 10; /用来控制连加的速度bit flag_lj_en; /按键连加使能bit flag_lj_3_en; /按键连3次连加后使能 加的数就越大了 uchar key_time; /定时器用，作为连加的中间变量，按键时间uchar flag_value;/定时器用，作为连加的中间变量uchar menu_1; /菜单设计的变量uchar a_a;

21、/设定值写入单片机标志符/*数码管位选函数*/void smg_we_switch(uchar i)switch(i)case 3: smg_we1 = 0; smg_we2 = 1; smg_we3 = 1; smg_we4 = 1; break;case 2: smg_we1 = 1; smg_we2 = 0; smg_we3 = 1; smg_we4 = 1; break;case 1: smg_we1 = 1; smg_we2 = 1; smg_we3 = 0; smg_we4 = 1; break;case 0: smg_we1 = 1; smg_we2 = 1; smg_we3 =

22、 1; smg_we4 = 0; break;/*数码管显示函数*/void display()static uchar i; i+;if(i = smg_i) /smg_i=3，i = 0;smg_we_switch(i); /调用位选函数P1 = dis_smgi; /段选 /*把数据(shj)保存到单片机内部eepom中*/void write_eepom()SectorErase(0 x2000);byte_write(0 x2000, set_d % 256);/写入set_d值byte_write(0 x2001, set_d / 256);byte_write(0 x2058,

23、a_a);/a_a标识符/*把数据(shj)从单片机内部eepom中读出来*/void read_eepom()set_d = byte_read(0 x2001);/读出set_d值set_d = 5) /确认(qurn)无键按下key_value = 0;key_new = 1; /置位key_new，表初始(ch sh)无键按下flag_lj_en = 0; /关闭(gunb)连加的使能flag_lj_3_en = 0; /关闭3秒后连加的使能flag_value = 0; /连加变量清零key_time = 0; write_eepom(); /值（set_d）写入单片机else /初

24、始无键按下if(P2 & 0 x07) != 0 x07) /按键检测（5次）key_value +; else key_value = 0;if(key_value = 5) /确认按键key_value = 0;key_new = 0;flag_lj_en = 1; /连加使能zd_break_en = 1; /自动退出设置界使能zd_break_value = 0; /自动退出设置界变量清零，30秒后退出设置界面key_can = 20;if(key_500ms = 1) /连按500ms，启动连加key_500ms = 0;key_new = 0;key_old = 1;zd_brea

25、k_value = 0; /自动退出设置界变量清零，30秒后退出设置界面if(key_new = 0) & (key_old = 1) /确认有键按下switch(P2 & 0 x07)case 0 x06: key_can = 1; break; /得到k2键值（设定键）case 0 x05: key_can = 2; break; /得到k3键值（加）case 0 x03: key_can = 3; break; /得到k4键值（减） key_old = key_new; /初始化标识符/*按键(n jin)处理数函数*/void key_with()if(key_can = 1) /得到

26、(d do)k2键值（设定键）menu_1 +;if(menu_1 = 2)menu_1 = 0;if(menu_1 = 0) /退出设定(sh dn)界面menu_ljsd = 10; /连加速度控制变量（复位为500ms）dis_smg0 = smg_duandistance % 10; /测量值显示用dis_smg1 = smg_duandistance / 10 % 10 ; dis_smg2 = smg_duandistance / 100 % 10 & 0 x7f; smg_i = 3;if(menu_1 = 1) /设置界面menu_ljsd = 1; /连加速度变量（50ms）

27、dis_smg0 = smg_duanset_d % 10; /设定值显示用dis_smg1 = smg_duanset_d / 10 % 10; dis_smg2 = smg_duanset_d / 100 % 10 & 0 x7f ; dis_smg3 = 0 x88;smg_i = 4; /A，设定值修改标识符if(menu_1 = 1) /设置报警值if(flag_lj_3_en = 0) /三次连加之后速度加快menu_ljsd = 10 ; /500ms 加减一次else menu_ljsd = 1; /50ms 加减一次if(key_can = 2) /得到k3键值（加）set_

28、d + ; if(set_d 350)set_d = 350;dis_smg0 = smg_duanset_d % 10; /设定值显示(xinsh)dis_smg1 = smg_duanset_d / 10 % 10 ; dis_smg2 = smg_duanset_d / 100 % 10 & 0 x7f; dis_smg3 = 0 x88;if(key_can = 3) /得到(d do)k4键值（减）set_d - ; if(set_d =0;i-) _nop_(); /执行一条_nop_()指令就是1us /*超声波测距程序(chngx)*/void send_wave()long

29、temp = 888;c_send = 1; /10us的高电平触发(chf) delay();c_send = 0; TH0 = 0; /给定时器0清零(qn ln)TL0 = 0;TR0 = 0; /关定时器0定时flag_hc_value = 0;while(!c_recive); /当c_recive为零时等待TR0=1;while(c_recive) /当c_recive为1计数并等待flag_time0 = TH0 * 256 + TL0;if(flag_hc_value 1) | (flag_time0 21000) /当超声波超过测量范围时，显示3个888TR0 = 0;fla

30、g_csb_juli = 2;temp = 888;flag_hc_value = 0;break ;else flag_csb_juli = 1;if(flag_csb_juli = 1) /距离处理TR0=0; /关定时器0定时EA = 0;temp = TH0; /读出定时器0的时间temp = temp * 256 + TL0;temp /= 59; /HC-SR04超声波模块 距离（厘米）=T*uS/58.823EA = 1;if(temp 380) /如果大于3.8m就超出超声波的量程temp = 888; EA = 0;distance = temp; /距离(jl) EA =

31、1;/*冒泡排序（最大值沉底）*/int iBuff5;void choise(int *a,int n) /选择(xunz)法排序 int i,j,k,temp; for(i=0;in-1;i+) k=i; /给记号(j ho)赋值 for(j=i+1;jaj) k=j; /是k总是指向最小元素*/ if(i!=k) /当k!=i是才交换，否则ai即为最小 temp=ai; ai=ak; ak=temp; /*测量距离处理及显示函数*/void smg_display()int Buff5;char i;if(distance = 95)return; /95去掉iBuff4 = iBuff3;iBuff3 = iBuff2;iBuff2 = iBuff1;iBuff1 = iBuff0;iBuff0 = (int)distance;for(i = 0; i5; i+) Buffi = iBuffi;choise(Buff,5); /