超声波传感器单片机课程设计

1、成绩全限科我学院课程设计报告题 目 超声波测距系统设计课程名称 单片机原理及应用院部名称 机电工程学院专 业 电气工程及其自动化班 级 12电气工程及其自动化（单）学生姓名潘成城学 号 19课程设计地点 工科楼C304课程设计学时20指导教师李国利金陵科技学院教务处制 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 一、概述 3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 课程设计应达到的目的 4超声波测距系统设计4二、总体设计方案及说明4 HYPERLINK l bookmark12 o Cu

2、rrent Document 系统总体设计思路4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 系统总体设计框图5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 三、系统硬件电路设计 5 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 单片机的最小系统 6单片机的功能与特点6 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 系统原理分析 6 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 超声波测距原理 6 HY

3、PERLINK l bookmark30 o Current Document 超声波传感器检测电路 6 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 超声波检测电路图 7 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 超声波发生及感应过程 7 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 超声波测距接收 7 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document HC-SR04 模块 7 HYPERLINK l bookmark40 o Current

4、 Document T40、R40超声波传感装置介绍 7 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document SCM1602显示模块 9 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 四、系统软件部分设计 11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 软件流程图 11 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 主程序流程图 11超声波发生子程序 11 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 系统源

5、程序 12五、系统仿真过程与结果13Proteus仿真软件 14仿真编译过程 14仿真效果图 TOC o 1-5 h z 六、实物展示 16 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 实物元件与过程 16 HYPERLINK l bookmark64 o Current Document 实物运行与调试 15 HYPERLINK l bookmark66 o Current Document 实物总结 15七、总结 18 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 八、参考文献 19附录，原理图20摘要本设计采用

6、了 AT89C51 乍为中心处理器，HC-SR04奠块进行超声波方面的发生与感应。 然后介绍了总体的系统设计框图、 思路及元件选型。接下来，分硬件和软件两部分进行了 设计的分析。硬件方面首先构建了一单片机最小系统，然后集成各芯片完成设计。软件方 面通过外部中断，定时器中断等完成开发的子程序的调用。 最后重点详细地讲述了关于超 声波模块的电路及收发过程。最后进行了系统仿真，仿真结果表明，所设计的系统能够满足要求。本系统具有成本 低，可靠性高和安全实用等特点，广泛应用于社会生活的各个领域。关键词：AT89C511片机；超声波模块；最小系统一、概述课程设计应达到的目的通过本课程设计，使学生掌握控制系

7、统设计的一般步骤，掌握系统总体控制方案的设 计方法。使学生进一步掌握微型计算机应用系统的硬、软件开发方法，输入/输出(I/O)接口技术，应用程序设计技术，并能结合专业设计简单实用的单片机应用系统。针对课堂重点讲授内容使学生加深对单片机硬件原理的理解及提高C51语言程序设计的能力，为以后的毕业设计搭建了单片机系统应用平台，提高学生的开发创新能力。超声波测距系统设计设计一个基于单片机的超声波测距系统，要求：(1)系统功能：测距范围：3cm-450cm通过LCD1602a示距离。(2)给出系统设计方案，画出硬件连线图，并说明工作原理；(3)画出程序框图并编写程序。二、系统总体方案设计系统总体设计思路

8、本设计的构建是基于89C51单片机外围芯片的超声信号检测的。超声波发生模块送出 片刻的40KHz的矩形波信号，遇物体反射后，被超声波接收模块接收并作为本设计的 Input ,单片机对此信号进行判断加工处理后，把计算出的距离结果传到LCD显示屏上，当检测距离小于预设值时报警模块工作。本设计的硬件部分主要由AT89C511片机控制模块、超声波发出和接收模块、预警模 块以及LCD显示模块等几部分组成。系统的总体结构设计框图如图所示。本设计的软件部分由C语言编写，程序采用模块化设计思想，将各功能单独程序化成 子程序块并进行debug,在完成主程序段的编写和子程序的调用。系统软件部分主要 include

9、主程序段、delay 子程序块、超声波发生与感应子程序块等。系统总体设计框图本设计采用AT89C51为控制核心，由电源电路、单片机外围电路、 发射电路、接收电 路、显示电路、报警电路等部分组成，系统设计框图如图所示。其主要需完成任务是对传 感器到障碍物中间的距离的测量及对测出距离的显示以及小于预设值时的报警。图系统总体设计框图三、系统硬件部分设计单片机最小系统单片机最小系统：能让单片机regular work的最小硬件单元系统，如图所示。一般具有：复位circuit; 时钟震荡circuit 。此外，ISP下载口也belong单片机最小 系统。复位电路如图所示图复位电路图复位电路可将系统重置至

10、一个已知的状态。从单片机内部来看，复位电路工作后，CPU将一些厂商早先设定的数载入至寄存器。该电路的principle 是将Capacitance与Resistance接至复位引脚 RST组成Power on reset的功能。当Reset level持续两个 machine cycle以上时，reset有效。具体数值需由 RC电路计算出 time constant t=RC1(t 10ms)o复位电路包括 Reset button 和 Power on reset 。(1) Reset button :并联一开关在复位电容上。按下开关，电容释放之前的电量， 同时，复位引脚电压的拉高完成 Re

11、seto(2)Power on reset :在RSTh外接一个 RCt放电导电回路，即加入一个电容(一般 为10uF)串联至电源+5v,再加入一个电阻器(一般为10K)串联至保护地。止匕外，要保 证Reset成功，需使上电时复位引脚有足够时间的 high level 。振荡电路如图所示。Fop J“I田。4早:；。53匚处TC5 )图振荡电路图振荡电路也叫做晶振电路，任务是为CPUS定时钟频率。单片机运行所有语句的时间 都由时钟频率决定。clock frequency 越高，CPU1行越快。单片机一般从外部接入时钟 频率，典型的 clock frequency 有 12MHz单片机通常共用一

12、个晶体振荡器来满足各部分同步运行。具体振荡器经常与锁相环回 路一起工作，以方便为系统提供 clock frequency 。G IL a T LSH图单片机最小系统G IL a T LSH图单片机最小系统4脸至至金AT89C51单片机的功能与特点AT89C51 是种具有 low voltage 、 low power consumption 且 high-performance 年 优点的八位单片机。其内部的芯片包含了一个8位微处理器、一个二百五十六字节数据存储器及一个四千字节程序存储器。CMOS：艺与UNRA岐术在AT89C51的制作过程中被使 用，且它的指令集合和输出引脚都与早期美国INT

13、EC。.于1980年研制的MCS-51单片机相 兼容。AT89C51因将闪存与8位CPU吉合在一个芯片中而成为一款高性能单片机，89LV51 是它的一个低电压版本。AT89C5俾片机已成为一种灵活性高、功能强且价格实惠并在各 种控制领域被普遍运用的方案。外型及管脚排列如图所示。功能概述AT89C51含满足国标的功能：片内振荡器及时钟发生电路、4KB程序存储器Flash ROM （保留表格、数据及程序）、256B数据存储器RAM/SFR保留可以READ/WRIT的数据）、 两个16位定时/计数器、四个8位I/O 口线、一个五中断源二优先级中断系统、一个双 向信号传输UART串行通信口。而且，AT

14、89C51可以执行静态逻辑操作，此时最低的工作 频率可为0Hz,并有两种省电运行模式可供软件运行。Idle Mode可将CPlftt于停止运行 状态，但允许中断控制系统、串行通讯口、定时 /计数器以及随机存取存储器持续运行。 Power Mode直到下一次硬件复位都会停止运行振荡器并且不允许其它所有部件运行但会 保留片内随机存取存储器中的数据。AT89CA51弓I脚功能说明VCC供电电压。GND接地。P0端：P0端为一组8位OpenDrain型双向input/output 端，也即地址/总线复位端。 每端能驱动8位TTL逻辑门。当P0端被置为1时，其变便成为高阻抗输入端。P0端可被 外部程序D

15、ATAff储器使用，此时，其被当作DATA/ADDRESS低八位使用。在闪存（Flash ） 进行program工作时，P0端输入命令，当闪存（Flash ）运行check任务时，P0端输出 命令，同时，确保 P0端外部已连有pull-up resistor 。P1端：P1端是一组配有内部 pull-up resistor 的双向input/output 端，为功能最 单一的一组端口。P2端：P2端也是一组配有内部上拉电阻的双向input/output 端。当cpu访问外部存 储器时，P2端输出高八位地址信号。P3端：P3端同样是一组配有内部上拉电阻的双向input/output 端。同时P3

16、端的每一个管脚都另有功能。主要属性如表2-1所示。与MCS-Sl兼标24ET铝序布棉器Flash或即3被匡行相器RAIMER芍使庵周期r号川座舸5全静态工信：1而7皿七6(四个8位升升L力口药个检定正器/1计歌器gE个中懒. E个中新优先糠的中断控制系统1U可捉程串行通迫1L低功耗如空闲方式和掉电方式1己片内振荡器和时1中直生电路表2-1主要属性控制信号弓 I脚（RST ALE 、 /PSEN、 ZEA）RST / Vpd （9脚）：复位输入，1信号有效。当CPL接入电源时，其内部各寄存 器处于随机状态，当此输入端可持续 24个时钟周期的1信号时，就能完成复位任务。 单片机正常工作时，此脚应低

17、电平。ALE/PROG30脚）：地址锁存允许信号端（Address Latch Enable ）。当CPU取外 部ROMf,此管脚输出信号的下降沿控制低八位地址的锁存。平时运行是，此管脚以振荡 频率的六分之一稳定发送正脉冲，能作对外输出时钟和定时信号。/PSEN程序存储器允许信号输出端（Program Store Enable ）。CPUS取外部程序存 储器的读选通信号。在访问片外 ROM寸，每个机器周期/PSEN输出2次脉冲。当读取外部 数据存储器时，/PSEN不出现。/EA/VPP：片外程序存储器访问允许输入端（External Access External ）。当/EA被 置1时，CP

18、U取片内存储器（4K）PC值超过0FFFH将自动运行片外程序存储器的程序。 当/EA被置0, CPU方问片外EPROM/RO加运行片外ROM勺程序。引脚图如图所示。图AT89C51弓I脚图1PL.0VCCPl.1POGPI 2P0.1.P： 3P0 2PL.4PO.iPl.5P0.1PI 6P0 5Fl.7P0 6RSTP0，PkO RxD3你P3 I TxD ALEPROG Pk2 DCTOPSEXPJ3 TNT1Pl7PH. TOP26PJ5T1PL5FK6RRP2.4P17KDP23XTAL2P空XTAL1P21GNDP2.fr的39333qJ73663534EHg里10_-3111JU

19、1229稣1427152。LG2517MIE231927明2L8系统原理分析超声波测距原理一般而言，人耳能听到的声波频率为 20赫兹-20000赫兹。Resonant frequency 高于2KHz的声波称为“超声波”。超声波由于其穿透能力强、在液体中传播距离远、易获 得较集中的声能、方向性好等特性，使其在实际生活中的各行各业得到广泛应用。假定声波在固定介质中传播的速度一定，而且能测量得到声波从送出到感应到的时 问，那么从声源到目标物体的距离就可以被准确地计算出来。这就是本设计的测距原理。超声波测距，简单来说，就是通过连续地接收经障目标物体反射后的回波， 进而测出超声 波从发射到接收的往返时

20、间，最后求出超声波经过的距离。其关系式如公式（1）:(DS Ct2(D式中：S为所需测量的距离；c为超声波在空气介质中的传播速度；t为往返时间超声波传感器检测电路超声波检测电路图I11 LU发射Jib眄 I唐嘛ItOKJUL*.I0UTI11 LU发射Jib眄 I唐嘛ItOKJUL*.I0UTUNWC31*3K现匕RUTMUHUHC-SR04奠块由发生电路和感应电路主成，发生超声波circuit 主体具有Em78p153SCM MAX232chip及超声波send 装置 T40。感应超声波 circuit 主体具有 TL074operational amplifier 及超声波 receive

21、r R40 组成。超声波发生及感应过程CPU动system初始化。置EA为1打开总中断，置“ Trig ”端10us的1信 号，启动HC-SR04f块的EM78P15/生8段持续的40KHz矩形波，由MAX23班平转换， 增强发出功率。发生装置把电信号变成超声波信号发出。当CPLK出一端10us的启动信号后，Trig端从低电压变成高电压，模块发出超 声波的同时，计时器开始计时，等待感应装置receive到信号，一旦感应到立即停止计时。 将时间T传递给单片机，过程中ECH渊持续为1信号的Time为路程时间T。超声波测距接收HC-SR04 模块图HC-SR04模块实物图HC-SR04a声波测距,g

22、块能完成2厘米到400厘米间距的非接触式距离测量任务，其 电路简易且售价实在。止匕外，其相对应的单片机外围电路也不复杂。该 module具有发生 circuit 、感应circuit 及控制circuit 。实物如图所示。基本运行流程置TRIG端口至少10us的1电平启动超声波发生；发生电路连续发出8个40khz的矩形波，等待感应是否有回波；有回波，ECH邮输出1信号，1信号连续时间即超声波完成路程所花的时间。10模块参数如下表4-1电气参数HCSRg超声波模块运行电压(V)DC5运行电流(mA)15运行频率40最远距离(m)4最近距离a 测距角度( )15输入触发信号1。毫秒的 Tr ans

23、i ster-Trans isrer-Logic 脉冲输i人回响信号V信号,与距离成正比尺寸翅格(m)45*20*15表4-1模块参数超声波 sequence chart 如图所示。10uS 的 TTL发信号 循环发出8个40KHz脉冲模块内部1删即UL发出信号箱包回响 回响电平输出 信号与检词晚离成比例图 超声波 sequence chart如 图 4-2sequence chart 显示，一旦单片机发出一端 10us 以上 Transister-Transister-Logic脉冲信号，该模块会连续送出8个40khz矩形波信号且开始等待感应回波sign o只要感应到回波sign , ECH

24、邮就送出high level脉冲。输出信 号的Pulse width 与Induction distance 成正比。所以，将发出到感应之间的 T值代入 公式能测算出汽车与物体的间距：距离二高电平时间*声速( 340m/s) /2。Module主体包括Em78P153片机、TL074 Ultrasonic sensingdevice :MAX232Chip Input operational amplifierT40-16、R40-16。11Em78P15疑片机情况简述Em78P15配采用高速CMOS：艺制造的8位single chip 。采取EM魏程器往单片机 内WAte程序instruct

25、ion 。编程人员可在13位选项位挑取符合其需求的选项位，之中 的保护位能prevent程序被上载。电气参数运行Voltage参数（V）：;适应 Temperature 区间（C） ： 0-70 ；正常 Frequency 区间：DC-8MHz4个内建IRC振荡器；2个双向I/O端口；32X8bit片内寄存器（SDRAMEM78P153的封装为 14 脚；Small Out-Line Package 小外形封装、Shrink Small-Outline Package）窄间距小外型塑封和dual inline-pin package双列直插式封装 为3种封装形式。pin分配如图所示F5QP鸵W

26、 唯用SCIF5QP鸵W 唯用SCI的所亡 匚 匚 E 匚 匚 r213312411510697B F61f62/TCCW6P153图Em78P153pin 脚图MAX232MAX232chip是MAXIM：。.特为RS-232串口 design的选择单电源+5v供能的电平转换 chip。本设计只通过该chip完成level switch任务，将40kHz的矩形波从5V提升至20V, 增强 transmitting power 。pin图如图所示12Cl十匚w C 匚Cl十匚w C 匚C2全匚H GNDJ T10UT RIIN3 K1OLTT3 TUNT2INR20UT图MAX232引脚图引脚

27、介绍第一单元为电荷泵 circuit 。由1、2、3、4、5、6号pin及4个电容组成。作用 为发生+12v和-12v两个电源，满足RS-232串口电平的require 。第二单元为 Data conversion 通道。由 7、8、9、10、11、12、13、14号 pin 组 成两个 Data conversion 。以上 13号 pin ( R1IN)、12号 pin ( R1OUT、11 号 pin ( T1IN)、 14号 pin (T1OUT 为第一 Data conversion ； 8号 pin (R2IN)、9号 pin (R2OUT、 10号 pin (T2IN)、7号 p

28、in (T2OUT 为第二 Data conversion 。第三单元为供电 circuit 。 15号pin GND、16号引pin VCC。TL074 (低噪声 JFET 输入 operational amplifier )引脚图如图所示。oum赋 1Inveilng I nput itJan-inveirg input 1oum赋 1Inveilng I nput itJan-inveirg input 1I Jan-me rting input 2Inserting inctu 2Oulcirt 2图 TL074pin 图3 J 口0 15 IriMiwgln而 412 MOfidnc

29、rins Inpd 411 yrJan-；nenn5 InptJt 39 In1rtinglnput 38 Output 3具体引脚功能如表4-2所示：表4-2引脚表1311OUT输出端（通道1）21IN+反相输入端（通道1）31IN-同相输入端（通道1）4VCC正电源52IN+同相输入端（通道2）62IN-反相输入端（通道2）72OUT输出端（通道2）83OUT输出端（通道3）93IN-反相输入端（通道3）103IN+同相输入端（通道3）11GND接地端124IN-反相输入端（通道4）134IN+同相输入端（通道4）144OUT输出端（通道4）TL074内部组件数量如表4-3所示表4-3 T

30、L074组件|电阻44晶体管56JFET6二极管4|电容4-FET4金属网图外观形态T40、R40超声波传感装置介绍金属网图外观形态引脚舞形喇叭 届电晶片 底座引脚图内部构造14T40-16 与 R40-16目前来看，超声波发生装置按如何发出超声波能分为两大种类：发出超声波,包含 Piezoelectric type, magnetostrictive type 及 electric type 等；发出超声波，包含 Garr the flute, whistle 及 siren liquid flow 等。两种类型send的超声波的frequency、 power和Acoustic chara

31、cteristics 大相径庭，所以适用场合也不一样。压电式超声波发生装置是现 在比较常用的。压电式超声波发生装置根本上来讲为采用Piezoelectric crystal的谐振来运作的。其内部include 两个Piezoelectric crystal和一个共振板。在它的两极处输入电压，同时保证该频率等于Piezoelectric crystal的固有振荡频率时，Piezoelectric crystal就会产生共振，且使共振板一起振动，于是便能send超声波了。反之，若两极处没外加脉冲信号，当共振板receive回波时，会使Piezoelectric crystal产生振动，机械能将 t

32、ransform电信号，此刻其便是超声波感应装置。电路中采用T40-16T/R超声波换能器便是Piezoelectric type装置。装置说明Name Piezoelectric ceramics超声波传感器；Type： T40-16T/R;Category :通用型； 主 frequency (KHZ： 40； Outer diameter : 16mm 工作说明：T表示发生装置，R表示receiver , TR表示两者兼用； 电气参数 如下表4-4所小： 表4-4电气参数Clock frequency(KHe):40发生 VoltaSeatlOV (QdBR.英接收灵敏度静电容量 atl

33、KHz, 1V(PF)200030H感应距离M0.C2-1O传感器实物如图所示。15图传感器实物图HC-SR04具有超声波的发生和感应电路，因此，hardware方面不用再个人定制复杂 的发生及感应回路，software方面也不必再使用定时器来发生40Khz的矩形波驱动 piezoelectric ceramics共振近而发出超声波。调用该 module时，只需将Trig 端置一端大于10us的high level信号，就能等待Echo端的high level信号输出。CPU 一旦扫描到trigger signal就打开定时器进行计时。当该端的 high level信号消失时就 完成计时并re

34、ad定时器的Data,该Data为本次测距的time ,然后带入传播速度公式就 能complete对距离的计算。SCM1602显示模块该模块是由SCM1602夜晶显示器彳组成，第3脚：VL为显示器对比度调整端， 接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据 寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5脚：RW的读写信号线，高电平时进行读操作， 低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS为 低电平RW的高电平时可以读忙信号，当 RS为高电平RW的低电平

35、时可以写入数据。第 6 脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。第 714脚： D0D7& 8为双向数据线。由上可知1602基本操作时序如下表。其第1516脚：背光电 源脚。SCM160当单片机的应用连接电路图如图所示。16SCM1602“I0or-14.cA二-ZL.寸 SCM1602“I0or-14.cA二-ZL.寸 69 卜口 W|vcc图显示电路图四、系统软件部分设计软件流程图主程序流程图本设计的软件部分主要有主程序、发射超声波程序、1ms定时器中断程序、LCD1晶屏显示程序组成。我们知道C语言程序对实现较复杂的算法能很高效的实现， 而汇编语言 编写程序的代码

36、对于普通人十分难理解， 不易于软件的维护，而本设计的程序需要有相对 复杂的运算且有助于结构化程序，所以程序语言选择C语言。首先初始化系统设置：置总中断允许位 EA为1、设置定时器T0、T1工作模式为模式 1 （16位定时计数器模式）并将单片机各端口拉高。之后开始运行功能模块。17图主程序流程本设计使用频率为12MHz勺晶振电路，计数器的每一次计数就是 1ps。当main程序 中扫描到表示接收回波成功的标志位Echo发送的time （高电平持续时间），将超声波往返所花费的time （计数器T0中的time）带入到公式（3）运算，就能计算出车尾与障碍 物之间的距离，编程中设温度为室温 20c时的声

37、速为340m/s,则有：d=（c t）/2=172T0/10000cm（3）公式中，T0为计数器T0的time。计算出距离后结果将会被发送给共阳数码显示模块，同时，结果也将发至语音预警模块。之后重复发送超声波进行测距任务。超声波测距子程序超声波测距子程序的任务是将 Trig引脚发送启动脉冲信号（脉冲宽度大概 是为10ps）,同时扫描标志位EchOo 一旦Echo为高电平，开始计时。最终完 成对距离的计算。18N图超声波测距子程序N图超声波测距子程序系统源程序#include文件，接着设置目标属性使其生成 HE双件，随后进行编译连接，即能获得程序为.HEX的文件。最后将生成的.HEX文件导入电路

38、后就可以 进行仿真。利用Proteus实现了对LCD1602a示屏的仿真，说明程序和电路图都没有问题。 仿真结束后，将程序放入电路中，即可显示仿真结果。仿真效果图初始状态19distance:minmb41 H f = IdLBUSIES 可二X1103.ITRIBDUNPe=lP17； F实物展示I- .Hl匕磔 ./ 印.国3仙 白.1市r Ekd亡 初津 豪3L5_ 虹XWiR肛PQQMOPO PO力固bPC 3MEMTFU 4M7 叩G附七 P 口蝌书Ci 了值3P PiMjJJLMP1位F2 WDP； MMALEPZ ww kJHFIDR2不尔目 由F腐喳FS hK .二:F1.1曰

39、L工FM3日宏NTTtr- +F-5F三斫“IBPJ.EMkF? tJatKK1H 二 U jj_LblBU;11 2- .一上第 n r.n 型吊 ui*BB U E T5 7 11A12H 14M BU&11RIH/J j-7 RI*旭白gBUS2 qHUBV r二36 W*1把DU酬。1-4 HU 沾1D川党,oj mrnouta: ma 印 it BUBO 2纪 Rii=rR! I =.?工f BUi，三 川| .段 Allq BU =2-1口廿二27 HU 气7fi mi r.wetArbUUNDkMCTP超型程状态ALL就二 op n-.JK.pi i储 ri =：户2”足 pgg

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