【基于单片机的超声波测距仪设计5800字（论文）】

14基于单片机的超声波测距仪设计摘要超声波测量法是集成超声波技术，光电技术为一体的非接触式测量方法。该设计是使用单片机作为主要的控制器件。通过计算发射出的时间和接收到的时间之差，用于计算从而得出声波与物体之间的距离大小。如果越过预设的距离时，蜂鸣器会发出警报。最后测量的数值将由数码显示管展现出来。本测量仪测量范围一般是由0.2cm到500cm之间，测量精度达到毫米级别。关键词：超声波；测距系统；单片机；LED目录绪论 .系统需求分析1.1功能分析在日常生活中，随着机电一体化的发展，以及计算机工业集成方面的快速进步，人们比以往更需要智能化的集成设备，为了满足人们日益多元化的需求，所以产生了很多传统与现代化相结合的设备，用传统的设备和高端的电子技术相结合造福人类，使人们生活更简单，更便捷。其中超声波测距在生活中具有很强的实用性，在人们无法实地到达的地方，或者在普通日常生活中的倒车安全警告。超声波测距在日常生活中都起着非常重要的作用，所以本设计通过STC89C52芯片与超声波收发装置的联立打造的超声波测距系统。1.2电路总体方案如图1-1所示，是电路总体的框图[5]， 系统硬件电路设计系统硬件电路设计按鍵设置数码管显示屏蜂鸣器播报器超声波收发装置电源供电STC89C52按鍵设置数码管显示屏蜂鸣器播报器超声波收发装置电源供电STC89C52图1-1系统设计总体框图

其中的供电系统给芯片的最小系统通电，再之后由超声波测距模块发射机械超声波，当机械超声波遇到阻碍时，该声波便反弹并且使其反馈给超声波测距模块，STC89C52芯片接受来自超声波测距模块的信息并经过处理后，将障碍与超声波测距模块的距离显示在数码管上。通过按键设置来设定安全距离，如果超声波测距与障碍物的距离小于按键设置的值，就会触发蜂鸣器警报。STC89C52芯片作为本实验的核心部分，它实现了对全局的掌控，打开电源后超声波测距模块开始工作[6]。在超声波测距模块工作的同时，单片机内部启动了定时器T0，当超声波接收装置接受到反射回来的超声波时，接收电路会产生一个负跳变。导致单片机收到一个外部中断请求，单片机记录下发射与接收的时间差，并且换算成距离，此时单片机自动执行数码管显示的主程序，在数码管上显示距离。按键设置是通过对单片机的预设来控制安全距离，如果测量距离小于预设值，系统就会触蜂鸣器警报。超声波测距模块采用的是HY-SRF05超声波传感器，电源供电系统是采用5V的直流稳压电源供电。

2硬件系统电路设计2.1单片机的最小系统单片机主要由52型微芯片、复位电路、晶振电路构成。如图2-1所示。图2-1最小系统该设计用的是52型微芯片，本身存在数字节的可擦除可编程只读-闪存存储器，是弱压、耐用的微处理，其管脚多，运转速率快，经济，程序烧制快，存在串口即可烧制，可在线编辑，利用特殊的制造工艺，与51型的管脚与指令集是相似且优于。如图2-2所示。图2-2STC89C52芯片2.2数码管显示电路及蜂鸣电路本设计不仅具有超声波测距的功能还有警报功能，如果测得距离小于预设的安全距离，则会触发蜂鸣警报器，而且还有按键模块用于设置安全距离。2.2.数码管显示电路数码管显示电路的显示模块是由4位一体的8段LED数码管构成，电压值通过这该数码管显示出来。选用的是共阳极的数码管，每个数码管分别由a到g端构成 ，用于显示接收到ST89S52芯片的P1口所产生的段码。S1，S2，S3，S4引脚端相连到相应的选位端，用于接收单片机的P2口产生的位选码。本系统以动态扫描为主要扫描方式。这个方式是根据是否用其接口电路，把各个数码管相同端连接到一起，每一个公共端都与其的I/O输出端相互对应。字段端作为字型码的输出口作为输出端，数码管与相应的字形码一一对应，COM端决定着哪个数码管亮。COM端与单片机的I/O接口是相连接，由单片机的输出连接到I/O端口上，控制什么时候点亮哪个数码管。在点亮轮流数码管时，由于人的视觉停留效应，所以即使很短的显示在人眼观测起来也是一组连续稳定的显示。所以会选择动态扫描，因为动态扫描即省电又在不管什么情况下只有一个数码管在工作状态，具体原理图如图2-3所示。图2-3显示电路2.2.2蜂鸣器警报装置蜂鸣器是一种常见的电子结构一体化的警报装置，供电以直流电为主，主要运用在生活中以及军事用途，如手机，音响等都有蜂鸣器。蜂鸣器主要有压电式和电磁式两种基础的形式。压电式蜂鸣器：主要由多调振荡器、阻抗适配器、和谐振荡器构成，多调振荡器由晶体管或集成电路构成。，在接通电源后，多谐振荡器会起振，阻抗匹配器便推动压电蜂鸣片发声。振荡器通电后便开始起振，蜂鸣器从而开始发出警报。电磁式蜂鸣器：主要由电磁项圈，振荡器，震动片等构成。在给电磁式蜂鸣器通电后，其内部有音频信号通过，在其周围形成磁场，从而稳定且持续的发出警报。根据比较得出，电磁式的蜂鸣器警报更加稳定和持久，且不易受到环境干扰，所以本设计采用的是电磁蜂鸣器来作为警报器。但是由于电磁式蜂鸣器所需的驱动电流过大，而本设计的芯片所输出的电流不足以支撑其发声，所以要给蜂鸣器上再加上一个PNP型的三极管，用来扩大电流用来驱动蜂鸣器工作。原理图如图2.4所示。图2-4蜂鸣器驱动电路2.3HC-RS04超声波测距原理由于超声波在真空中的传播速度是恒定的，所以我们可以用超声波收发的时间差来确定发射装置与障碍物的距离，假设超声波从发射到接收反弹回来的信号时间为t，同时超声波的在室温空气中的传播速度为c，从发射端到障碍物之间的距离为L，可用以下式子求出：L=CT/2[8]。其系统框图如图2-5所示。控制定时器障碍物体40K振荡40K振荡增益放大40K振荡调制计时传输计算控制定时器障碍物体40K振荡40K振荡增益放大40K振荡调制计时传输计算图2-5超声波测距模块系统框图基超声波测距的基本过程：在启动计时器t0的同时，超声波发射装置开始发射超声波，经过调制将超声波调制为40k的振荡波，振荡波遇到障碍物便会反弹回来，反弹回来的过程中可能因为其他因素如温度，传播损耗的影响，需要在接收信号之前经过增益放大的调节接收。在接收装置接收到回波后，t0计时器立马停止计时，并且将时间通过计算换算成距离传输给数码显示管显示。02.4按键设置电路该装置的作用是用来设置安全距离，如果测量距离小于安全距离则警报器就会发出警报。单片机上的键盘主要有两种方式，独立式和矩阵式[9]：独立式的所以I/O口都会有一个与之独立对应的按键，按键的一端接VCC或GND（一般GND），所以这种方法简单且稳定，但是不适合用于太复杂的单片机按键需求，且完成一个按键电路往往需要占用的按键太多，使得使用过于复杂；而矩阵式接法程序相较复杂，但其I/O口与按键的配合更加灵活。可以大大的简化操作按键的设置。本设计因为电路简单所以采用更容易操作的独立式按键。独立式按键是通过判定I/O口的高低电平来判定按键是否按下。常将按键的一端接GND，另一端接在输出口上，为了保护电路在平时不使用时，I/O口常处于高电平的状态，所以在开始状态时候I/O口是高电平状态。当按压下按键状态的时候，与按键对应的I/O口立马跳变为低电平，其他的I/O口则保持原状。按键被释放后，电阻会使I/O口重新保持高电平。通过判断I/O口的状态我们可以判定按键的状态。我们采用SW-PB这种常见的按键作为本设计的按键元件。 硬件电路如图2-6所示：图2-6按键电路图2.5语音芯片电路语音芯片是对具体市场而推出的有PWM输出的OTP语音芯片。其共有3个IO口，外围端口只需一个104电容就能稳定的工作，产品成本低。该语音芯片中内置有电阻，无外围元件，外围电路只需一个104电容即可。通过单片机IO口来控制多段声音，可任意调用和组合语音芯片。常用的控制方式是用3个IO。如图2-7所示：语音语音芯片VREGPWM-2

PWM-1VCCBUSYGNDRSTDATA图2-7语音芯片电路2.6系统原理图主控电路系统是设备单片机STC89S52，它实现了对全局的掌控，打开开关后，将超声波测距模块插入相应的槽位，系统将开始工作。超声波测距模块将收到的信息转化为电信号发送到单片机中。按键装置将设置的安全值发送到单片机中。单片机将收到的电信号发送到显示屏上显示数值，如果测量值小于按键的预设值，则蜂鸣器开始工作[10]。如图2-8所示图2-8系统原理图

3系统软件设计与测试 超声波测距系统主要由超声波测距程序，显示程序，蜂鸣器警报程序等构成3.1主程序 主程序的主要功能是超声波测距，它是整个测距仪的核心，它将测距模块与与显示模块，警报模块联立起来，达成一个整体。 主程序流程图如图3.1所示。开始初始化开始初始化延时中断子程序定时中断入口有、无回波？定时初始化发射超声波是否发射完毕？停止发射关外部中断读取时间计算距离显示距离是否超过设置值？报警是是是否否图3-1主流程图

3.2显示数据子程序 显示数据子程序的主要功能是把测到的值，经单片机处理后显示在数码管上。 显示数据子程序流程图如图3-2所示。赋码型和位赋码型和位开始结束3-2显示数据子程序3.3按键子程序如图3-3所示。按键子程序的主要功能是可以改变检量的上下距离值，再次按功能键退出。开始按下按键设置按键开始按下按键设置按键按下按键结束NYYN3-3按键子程序系统程序的设计系统程序的设计3.4设计实验的方案本系统使用了KeilC51用于编译C源代码。KeilC51是由Kille软件公司开发生产的。它结合了源程序编辑、编译、仿真和调试，以支持汇编、C和其他语言。接下来，使用STCISP写入系统软件写入程序。烧录时，可以减少波特率，致力于数据烧录的稳定性和可靠性。程序在单芯片微计算机前烧录[9]，使用模拟分析软件proteus进行程序的设计和模拟。由于加速度传感器模块不在软件中，所以脉冲信号发生器用于模拟由该设计的传感器传送的数据，以检查整个硬件电路在理论上是否正常工作。当上述处理正确时，可以将代码写入单片机中，将连接线与计算机断开，交换电源适配器，进行测试实验。3.5实验结果分析为了确保实验算法的正确性，先在实物上进行了实验。将实验仪器置于光滑平面上固定，并且在可测范围内设置了障碍物。通过实验仪器的显示与障碍物距离与实际测量的结果进行了比对，实验了多次，得到了多组数据。如表3-1。表3-1次数实际距离实验数据设置安全距离是否警报误差128cm27cm30cm是-1cm229cm29cm30cm是0cm330cm30cm30cm否0cm431cm31cm30cm否0cm532cm31cm30cm否-1cm633cm33cm30cm否0cm734cm34cm30cm否0cm通过实验我们发现，实际距离与测量距离之间存在着较小的误差，实验一共进行了七组。其中第1和第5两组中存在着小误差。可以推断出此次实验还是较为成功的，但是还存在着一些误差，可能是因为超声波在传播过程中会受到温度等方面因素干扰。可以采取温度补偿等方式进行改进。结论24宿州学院绪论结论本设计是基于单片机ST89S52芯片设计的超声波测距仪，通过测距模块，数码管显示模块，蜂鸣报警模块的联立组成了的主题程序，实现了超声波测距功能以及安全距离警报功能。本设计的应用范围广泛，且原理简单成本较低。所以适用与各种日常生活与军事需求，实现了智能化非接触式的测距警报仪，是对传感器与电子集成技术的一次完美的结合，这其中需要设计者掌握一定的数电知识和单片机与超声波的联立知识。本设计采用的是T0计时器，超声波发射装置开始发射超声波时，T0计时器开始工作。当超声波遇到障碍物返回时，超声波接收器接收到返回波的同时，会给T0计时器一个外部中断，从而得到发射与接收超声波的时间差。使用公式L=T/2(对超声波的传播速度V，本设计设置为340米/秒)，从而得到的L值，再将数据通过数据管线传输给数码管，从而达到数码管显示的目的。还有按键来设置安全距离，如果测量值小于按键值，则蜂鸣器发出警报，从而达到预警的效果。但是实验也是存在着不完美的，有很多因素影响着测距结果，碍于能力有限，并未想到很好的解决方法，例如，不同的温度下的超声波在空气的传播速度不一定，还有环境噪音等都是影响超声波测距的因素，所以本设计还是存在一定的误差的。参考文献附录（B）