基于单片机的超声波测距系统设计实验报告----重

1、导师评定成绩：检定成绩：自动化学院计算机控制技术课程设计报告设计主题：基于单片机的超声波测距系统设计单位(二级学院):学生的名字：专家：班级：学位：导师：责任项目：设计时间： 2014年5月自动学院制目录一、设计主题1基于51单片机的超声波测距系统设计1设计要求1摘要2二、设计报告正文32.1超声波测距原理32.2整个系统的方案设计42.3主要设备选定及其结构52.4硬件实现和单元电路设计92.5系统的软件设计13三、设计总结17四、参考文献17五、附录18附录1 :整体电路图18附录2 :系统源代码18一、设计主题基于51单片机的超声波测距系统设计设计要求以1，51系列单片机为中心，控制超声

2、波测距系统2、测定范围：2cm4m，测定精度： 1cm；3 .用键盘电路设定警报距离，用显示电路显示测量的距离4 .在测得的距离小于警报距离的情况下，声光警报装置进行警报提示5、设计相应的电子电路和控制软件流程和源代码，制作实物。摘要超声波具有传播距离远、能量耗散少、方向性强等特征，在实际应用中经常利用这些特征进行距离测量。 超声波测距具有非接触式、测量快、计算简单、应用性强的特点，广泛应用于汽车倒车雷达系统、液位测量等。 本次课程以超声波传播中距离与时间的关系为基本原理，以STC89C52单片机为中心进行控制和数据处理，通过外围电源、显示、键盘、音响警报等电路实现系统供电、测距显示、报警值设

3、定和报警提示的功能。 软件部分采用模块化设计，由系统的主程序和各功能部分的子程序构成。 超声波回波信号被输入到单片机，经过单片机的综合分析处理，实现其预定的功能。关键词： STC89C52单片机HC-SR04； 超声波测距二、设计报告正文2.1超声波测距原理一般的超声波测距方法是回声探测法，超声波发射器在某个方向发射超声波，在发射时刻同时在计数器开始计时，超声波在空气中传播，中途撞到障碍物面后马上反射，超声波接收器接收到反射的超声波后马上停止计时。 超声波在空气中的传播速度为340m/s (介质温度的变化对速度的影响除外)，根据计时器记录的时间t，可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即s=34

4、0t/2。如图2-1所示叔叔超声波发射障碍物。sh超声波接收图2-1超声波测距原理(2-1)(2-2)式中： L两探针中心间距离的一半众所周知，超声波传播的距离是：(2-3)式中： v超声波在介质中的传播速度从发送t-超声波到接收所需要的时间使式2-1、2-2、2-3联立得：(2-4)这里，超声波的传播速度v在一定的温度下是一定的(例如在温度T=30度的情况下，V=349m/s )。 需要测定的距离h远远大于l时，上式为：(2-5)因此，仅通过测定超声波传播时间t，就能够得到测定的距离h .2.2整个系统的方案设计本超声波测距系统由系统硬件电路和用软件程序实现的两部分组成。 其中由STC89C

5、52单片机最小系统、HC-SR04超声波模块、电源接口电路、4位共阳极数字码管显示电路、晶体管驱动电路、蜂鸣器声音报警电路及键盘电路构成硬件系统。 以STC89C52单片机为中心，HC-SR04超声波测距模块用触发信号发送超声波并接收回波，测量前方故障的距离，并输入到单片机中进行运算，与预先设定的警报距离进行比较，判断是否启动蜂鸣器声光警报装置根据系统的功能要求和模块划分，可以创建如图2-2所示的系统硬件框图电源接口电路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系统硬件框图2.3主要设备选定及其结构2.3.1 STC89C52芯片STC89C52是STC公

6、司生产的低耗电高性能的CMOS8位微控制器，8K具有可在系统中编程的闪存。 工作电压： 5.5V3.3V。 STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是经过许多改进，使得它具有传统的51单片机没有的功能。 单芯片上有智能8位CPU和在系统中可编程的闪存，STC89C52为许多嵌入式控制应用系统提供了高灵活性和超高效解决方案。 8k字节闪存、512字节RAM、32位I/O端口线、看门狗计时器、内置4KB EEPROM、MAX810复位电路、3个16位计时器/计数器、4个外部中断、1个7矢量四级中断结构(传统STC89C52还可以减少到0Hz的静态逻辑操作，并可以选择省电模式与两种软件相兼容。

7、 在空闲模式下，CPU停止操作，并且允许RAM、计时器/计数器、串行和中断继续操作。 停电保护方式中，RAM的内容被保存，振荡器被冻结，单片机的所有动作都停止，直至下一次中断和硬件复位。 最大工作频率35MHz，6T/12T选项。 其管脚图如图2-3所示a销图b实物图图2-3 STC89C52引脚图2.3.2 HC-SR04超声波模块HC-SR04超声波模块具有性能稳定、测度距离准确、模块高精度、死角小等特点，易于使用，常用于距离测量。 其电路图和实物图如图2-4、图2-5所示图2-4 HC-SR04超声波模块的原理图图2-5 HC-SR04超声波模块的实物图(1)配线方式： VCC (电源接

8、通)、Trig (控制侧)、Echo (接收侧)、GND (接地)地)(2)基本工作原理：a .使用I/o端口TRIG触发测距，提供至少10us的高电平信号b .模块自动发送8个40kHz的方波，并自动检测信号是否返回c .信号返回，在从I/O端口ECHO输出高电平的同时，到该端口开始计时成为低电平，高电平持续的时间是从发射超声波到返回的时间。测量距离=(高电平时间*音速(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：初始化时都降低trig和echo端口，向trig发送至少10 us的高电平脉冲(模块自动向外发送40kHz的方

9、波)后，捕获echo侧的输出上升沿，捕获上升沿，并等待再次捕获echo的下降沿，捕获下降沿并读取计时器的时间是超声波在空气中移动的时间，可以通过测试距离=(高电平时间*音速(340M/S)/2计算出从超声波到障碍物的距离。2.3.3 4位共阳数字软线管(1)共阳数字软线管的实物图、电路图如图2-7、图2-8所示图2-7 4位共阳数字软线管实物图图2-8 4位共阳数字软线管电路图(2)工作原理：共阳数字管是连接所有发光二极管的阳极来形成公共阳极(COM )的数字管。 共阳数字编码管在应用时将共极COM与5V连接，某场的发光二极管的阴极变为低电平时，该场点亮。 某个场的阴极为高电平时，相应的场不点

10、亮。(3)动态显示驱动：数码管的动态显示接口是单片机中使用最广泛的显示方式之一，动态驱动是所有数码管的8个显示行程“a、b、c、d、e、f、g， 连接“dp”的同名端，并且在各数字码管的公共极COM上追加位门控制电路，用各自独立的I/O线控制位门，如果单片机输出字体码，则所有的数字码管都是相同的字体码因为那个数字管表示字形，依赖于单片机对位门COM侧电路的控制，所以如果打开显示的数字管的门控制，那个位表示字形，没有门的数字管就不点亮。 通过以分时方式依次控制各数字管的COM端，依次控制各数字管并进行显示，这是动态驱动。 轮流显示中，各个数字管的点亮时间为12ms，由于人的视觉残像现象和发光二极

11、管的残光效果，实际上各数字管并不同时点亮，只要扫描速度足够快，给人的印象就是稳定的显示数据集，没有闪烁感。2.4硬件实现和单元电路设计(1)单片机最小系统单片机系统由电源、水晶振动电路、复位电路构成。 如图2图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的设计如图2-10所示，以3节干电池5节4.5V供给电力图2-10电源接口电路(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位共阳极数字软线管的显示电路及晶体管驱动电路显示电路如图2-12所示图2-12 4位共阳数字软线管的显示电路如果I/O端口输出为l电平，则选择

12、相应的段，否则选择该段。晶体管驱动电路如图2-13所示图2-13晶体管驱动电路I/O端口输出为l电平时，该位为on，否则为on。(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声光报警电路声光报警电路由蜂鸣器、晶体管、发光二极管和电阻构成。 其中电阻起到了电流限制的作用，当I/O端口输出低电平时，晶体管饱和导通，蜂鸣器报警，LED点亮，相反不报警。(6)键盘电路的设计键盘电路如图2图15所示图2-15键盘电路2.5系统的软件设计(1)各主要模块超声波测距模块。 给超声波Trig口至少10us的高水平，开始测量，决定时机仪器T0的计时通过计算来测定距离。显示模块。 包括数字代码管理

13、位选择函数、段选择函数、距离处理显示模块。 打开超声波波测距测量值、警报设定值显示在4位数字码管上。键盘模块。 由键盘检测函数和键盘处理函数组成。 设定键、加号键、减号键、复位键，接通键。 主要设定警报值。声光报警模块。 比较测定值和设定警报值，小于设定值时发出警报。特殊存储器eepom模块。 包括单片机eepom的存储器读、写、初始化。其中存储设定警报值，不丢失停电数据。定时器模块。 TO计时器用于超声波测距的时机。 T1计时器用于主程序的扫描。描绘时间的控制。(2)主程序的源代码void main ()举止send_wave ()； /距离测量函数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)举止以if(flag_300ms=1) /300ms执行