基于单片机的超声波测距系统设计实验报告 - 重

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自动化学院

计算机控制技术课程设计报告设计题目：基于单片机的超声波测距系统设计

单位（二级学院）：

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设计时间：二〇一四年五月

自动化学院制

目录

一、设计题目 (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 (3)

2.1 超声波测距原理 (3)

2.2系统总体方案设计 (4)

2.3主要元件选型及其结构 (5)

2.4硬件实现及单元电路设计 (9)

2.5系统的软件设计 (13)

三、设计总结 (17)

四、参考文献 (17)

五、附录 (18)

附录一：总体电路图 (18)

附录二：系统源代码 (18)

一、设计题目

基于51单片机的超声波测距系统设计

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：2cm~4m，测量精度：1cm；

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

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，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、设计报告正文

2.1 超声波测距原理

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：s=340t/2。 如图2-1所示：

超声波发射障碍物

超声波接收图2-1 超声波的测距原理

θcos S H = （2-1）

)(H L arctg =θ （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:

vt S =2 （2-3）

式中: v —超声波在介质中的传播速度；

t —超声波从发射到接收所需要的时间；

将式2-1、2-2、2-3联立

得：

]cos[21H L arctg vt H = （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);当需要测量的距离H 远远大于L 时,上式变为:

vt H 21= （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：

图2-2 系统硬件框图

2.3主要元件选型及其结构

2.3.1 STC89C52芯片

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：5.5V～3.3V。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，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

HC-SR04超声波模块具有性能稳定、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超声波模块原理图

图2-5 HC-SR04超声波模块实物图