超声波测距仪

单片机课程设计报告

设计题目：超声波测距仪

专业班级：2009级电信1班 组 员：董 勇 2009221105200056

石家兴 2009221105200180 石 迈 2009221104110031 指导教师：田 茂

2011-12-18

一、 功能要求

超声波就是频率超过声波频率的机械波，一般频率在20KHz—40KHz的范围内。由于超声波的速度较光速小，其传播时间容易检测，且其传播方向性及强度均好，易于控制等，使得超声波检测技术在物体位置测量、物体识别、空间导航等方面应用越来越广泛。

（1）能应用于汽车倒车，建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控； （2）显示模块采用LED数码管，能清晰稳定地显示测量结果；

（3）测量范围在0.10—4.00 m，测量精度1 cm，测量时与被测物体无直接接触。

二、 方案论证

我们知道，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，计算处理也比较简单，并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。 超声波发射器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电性、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的方式是压电式超声波换能器。 根据设计要求并综合各方面因素，本里决定采用STC89C51单片机作为主控制器，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完成。超声波测距系统设计框图如下所示：

三、 系统硬件电路的设计

硬件电路主要分为单片机系统、LED显示电路及超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。

1、单片机最小系统模块

单片机控制电路核心是单片机芯片，单片机要正常工作，必须有其基本电路，包括晶振电路、复位电路。

单片机选用STC89C51。系统采用12MHZ高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，并减小测量误差。C1和C2的作用是稳定振荡频率和快速起振。复位电路采用上电与按键复位。开机瞬间RST获得高电平，随着电容C3的充电，RST引脚的高电平将逐渐下降。若该高电平能保持足够2个机器周期，就可以实现复位操作。根据经典电路选择参数，选取C3=20µF，R1=10KΩ。

晶振电路 上电与按键复位电路

2、显示电路模块

显示电路采用LED数码管显示。LED数码管显示有静态显示方式和动态显示方式，本系统采用并行输出的动态显示方式。

（1）动态显示原理

七段LED显示器由8个发光二极管组成，通常构成字形“日”，其中一个发光二极管用来显示小数点。各段LED显示器由驱动电路驱动，控制相应的二极管导通，相应的一个笔画或一个点就发光，由此就能显示出对应字符。通常将各段发光二极管的阴极或阳极连在一起作为公共端；将各段发光二极管阳极连在一起的叫共阳极显示器，用低电平驱动；将阴极连在一起的叫共阴极显示器，用高电平驱动。

动态显示，就是一位一位地轮流点亮显示器的各个位。LED显示器工作于动态显示方式时，所有位的段码线相应段并联在一起，由1个8位I/O口驱动控制，形成段码线多路复用。各位的共阴极选择线分别由相应的1条I/O线控制，形成各位的分时选通。对显示器的每一位而言，每隔一段时间点亮一次。虽然在同一时刻只有一位显示器点亮，但由于人眼的视觉暂留效应和发光二极管熄

灭时的余辉，我们看到的却是多个字符“同时”显示。

显示器亮度既与点亮时的导通电流有关，也与点亮时间长短和点亮的间隔时间有关。对于确定的LED，调整点亮时的导通电流和点亮的间隔时间参数，即可实现亮度较高较稳定的显示。动态显示的优点是大大简化了硬件电路，但控制程序更复杂，控制时占用大量CPU时间；实质就是牺牲CPU时间换取器件减少。

（2）显示电路结构

根据本超声波测距器显示测距数据的需要，采用4位共阴LED动态显示电路。显示信息输入部分由单片机P0输出端，经限流电阻连接相应字段码端；字位控制部分分别连接单片机的P2口。显示电路如图所示。

（3）显示电路工作过程

工作中某时段，P0口输出相关位显示的段码，由P2口相应端输出位控信号，控制相应的显示位显示数据，同理，另一时间段，相应的另外的显示位显示数据，从而实现动态扫描显示。

3、超声波发射与接收模块

该部分采用市面上卖的一款很成熟的超声波发射与接收块HY-SRF05。实物图如下：

（1） 工作原理

a. 采用IO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，自动检测是否有信号返回；

c. 有信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续时间就是

超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速）/2。 （2） 引脚定义

VCC供5V电源，

TRIG触发控制，信号输入， ECHO回响信号输出，

OUT开关量输出（当报警模块使用）， GND为地线。 （3） 工作时序图

以上时序图表明，只要提供一个10us以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHZ周期电平并检测回波。一旦检测到回波，信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测量的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

4、工作原理

超声波测距器工作原理：打开电源，整个电路通电，单片机执行程序，对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式，启动T0， 调用超声波发生子程序，等待反射超声波，计算距离，显示距离；重复。工作过程中，相关的子程序和中断程序被执行，相应硬件配合行动，显示测量结果。

四、 系统程序的设计

超声波测距器的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。由于C语言有利于实现较复杂的算法，所以采用C语言编写程序。

1、超声波测距器算法的设计

如图示意了超声波测距的原理，即超声波发生器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，就会被超声波接收器R接收到。这样，只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用时间，就可以算出超声波发生器与反射物之间的距离。该距离的计算公式如下：

d=s/2=(v*t)/2

其中，d为被测物体与测距器的距离；s为声波的来回路程；v声速；t为声波来回所用时间。 超声波也是一种声波，其声速v与温度有关。下表列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以矫正。本设计要求不高，故不采用温度补偿法，可根据当前温度选用对应的声速值。声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。

不同温度下超声波声速表

温度/℃ 声速/(m/s)

2、主程序

-30 313 -20 319 -10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386 主程序流图如右图所示。主程序首先要对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16为定时/计数模式，设置门控位GATE=1，定时/计数器的运行将同时受TRX位和INT0引脚电平的控制。在TRX=1时，若INT0=1，则启动计数，若INT0=0时，则停止计数。这一特点可极为方便地用于测试外部输入脉冲的宽度。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0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小可测距离的原因）后才打开外部中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12ＭＨＺ的晶振，计数器每计一个数就是1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，计数器T0中的数即是超声波来回所用的时间。

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算出距离后，结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再重复测量过程。

3、超声波发程序和超声波接收中断程序

由超声波发射接收模块时序图可知，通过单片机的P1^1口给它一个10us以上脉冲触发信号，同时把计数器T0打开进行计时。

超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），T0立即停止计数，并且进入超声波接收中断程序。进入该中断后，将测距成功标志字赋值1。

如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2，以表示本次测距不成功。

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五、 控制源程序清单

#include

#define uint unsigned int #define uchar unsigned char #define ulong unsigned long sbit p10=P1^0; sbit p32=P3^2; sbit a=P3^7;

uchar code table1[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x77}; //uchar code table1[]={0xbF,0x86,0xdB,0xcF,0xe6,0xeD,0xfD,0x87,0xfF,0xdF,0xf7}; uchar test; //定义测距成功标志。 ulong time; uint x1,x2,x3,x4; void display(); void delay(uint); void init(); void count(); void main() { uint m; while(1) { init(); p10=0; delay(1); p10=1;; delay(1); p10=0; while(p32==0); EA=1; EX0=1; ET0=1; TR0=1; while(p32==1); if(test==1) { time=TH0*256+TL0; time*=169; time/=1000; } else if(test==2) { time=0;

} count(); for(m=0;m<150;m++) display(); } }

void intr0() interrupt 0 { TR0=0; EX0=0; ET0=0; test=1; }

void overtime() interrupt 1 {

TR0=0; EX0=0; ET0=0; p32=0; test=2; }

void init() { EA=0; ET0=0; TR0=0; IT0=0; IE0=0; TF0=0; TMOD=0x09; TH0=0; TL0=0; }

void count() { x4=time/1000; x3=time%1000/100; x2=time%1000%100/10; x1=time%1000%100%10; }

void display() { P2=0xf7; P0=table1[x4]; //千位 delay(6); P2=0xfb; P0=table1[x3]; //百位 delay(6); P2=0xfd; P0=table1[x2]; //十位 delay(6); P2=0xfe; P0=table1[x1]; //个位 delay(6); }

void delay(uint i) //延时子程序（即延时ims） { uint j; while(i--) for(j=0;j<40;j++); }

六、 硬件制作

超声波测距器主要由单片机工作电路、超声波发射与接收模块、LED数码管显示三部分组成。由于元件多，电路复杂，连线多，因此我们画了PCB图，制作电路板。为了便于调试和检测纠正错误，这三部分分开制作。

1、单片机及其工作电路

2、LED数码管显示

3、超声波发射与接收模块 HY-SRF05

七、 调试及性能分析

1、调试

PCB板刻出来后，按照电路图焊接元器件，然后把三部分用杜邦线连接。硬件电路制作完成并调整好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。 首先发现LED显示亮度很低，这可能是点亮电流不够，去掉限流电阻后，效果不是很明显。由于共阴数码管是用高电平驱动，而单片机的P0口驱动能力有限，故采用74HC573锁存器驱动。这样改进后，数码管的亮度达到了正常。经过不断的修改与调整程序，最终到达了理想的状态。

2、性能指标

经过实际运行，测距器可测量范围为0.01m～5.2m。重复一致性好。

八、结论与心的

本次设计制作是我们本科以来制作的第一个硬件与软件结合的作品。经过团队的努力，最终完成了本次设计。 在设计超声波发射与接收模块时，准备采用课本上的电路图，用TCT40—l0Fl作超声波发射器、用TCT40—l0Sl和CX20106A构成超声波检测接收电路。我们制作了这个模块，结果却不尽人意，效果不是很好，稳定性不够。后来采用成品模块HY-SRF05，修改程序后，测距效果很好。 在画PCB时，原本是三部分整体画的，有人提出把这三部分分开来制作。这确实是个很好的想法，分开来制作，可以分别检测，问题出在哪一部分很明了，避免了“一颗老鼠屎坏了满锅粥”的现象。模块化设计还可以是某些部分再利用，比如单片机最小系统，是每个单片机工作电路不可或缺的，还有LED显示模块，很多电路也用LED来显示结果。 在这个过程中，每个人都付出了很大的努力，收获了知识与宝贵的经验。