超声波测距仪单片机课设实验报告

微机原理与单片机系统课程设计

专业：轨道交通信号与控制

班级：交控1305

姓名：贺云鹏

学号： 4

指导教师：李建国

兰州交通大学自动化与电气工程学院

2015 年 12 月 30 日

超声波测距仪设计

1 设计说明

设计目的

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。

超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。

设计方法

本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过

HC-SR04发射和接受超声波，使用AT89C51单片机对超声波进行计时并根据超声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。设计要求

采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。

2 设计方案及原理

超声波测距模块设计

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精

度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。当提供一个10uS 以上正脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。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

由以上信息，在设计时选用两个定时器，定时器1用来定时800ms，当产生中断时，启动HC-SR04超声波测距模块，即给其TRIG（发射）口送一个持续20ms的正脉冲，定时器0用来对超声波传递时间进行计时，即当ECHO（回波）口为高电平时启动计时，当ECHO口变为低电平时关闭计时。再根据超声波在空气中的传播速度为340米每秒，通过AT89C51计算出距离，当距离超过400cm时，显示8888，表示超出工作距离。

LED显示模块设计

将算得的距离通过一个4位LED数码管采用动态扫描进行显示。

其他功能的设计

考虑到实际的需求，本设计还应增加以下功能：

1、增加一个指示灯。当ECHO（回波）口为高电平时，即超声波信号在空气中传播时，指示灯点亮。当数码管不能正常点亮时，若指示灯正常指示，则说明LED显示模块发生故障；若指示灯不能正常点亮，则说明超声波测距模块发生故障。

2、增加一个锁存按钮。由于设计时我们设计的为每800ms超声波测距模块启动一次，由于定时器会产生误差，造成测得距离不断变化，增加一个锁存按钮，当确定显示结果稳定时，按下按钮时，关闭超声波测距模块，可以使结果清楚显示。

3、增加一个待机按钮。当按下锁存按钮后，再按下待机按钮，这时关闭LED 显示，若再打开待机按钮，这时LED启动工作，显示的数值为上一次被测距离。设计成本及定价

成本：1、HC-SR04超声波测距模块1个元

2、AT89C51单片机1个元

3、四位LED数码管1个元

4、晶振1个元

5、电路板1个元

6、其他开关、电阻及电容总计元

总计：元

市场平均价格：12元

预计定价：10元

利润：元

3 硬件设计

此系统的硬件设计主要包括HC-SR04超声波测距模块、AT89C51单片机、4位LED显示模块，并连入指示灯、待机开关和锁存开关。

仿真时，将HC-SR04超声波测距模块用一个555延时电路来代替即可，其中调节改变滑动变阻器的阻值可以模拟被测物体距离的变化。实验仿真电路图如图1所示。

图1 设计硬件电路图

4 软件设计

此系统的软件设计主要包括超声波测距模块设计、LED显示模块设计、和其他拓展模块。采用定时器1每800ms发射一个脉冲信号启动超声波测距模块，采用定时器0计算超声波传播时间，并通过一个计算函数算得距离，然后送LED 显示屏进行动态扫描并显示结果。

程序流程图

主程序流程图如图2所示。

图2 程序流程图程序

基于AT89C51单片机的超声波测距源程序见附录一。

5 系统仿真及调试结果

基于AT89C51单片机的超声波测距仿真结果见附录二。

基于AT89C51单片机的超声波测距调试结果如图3所示。

图3 系统程序调试结果

6 总结

本设计通过对超声波测距的研究，与单片机结合，实现了超声波测距的目标，并增加了数据锁存、指示灯和待机的功能。仿真时由于软件中没有HC-SR04模块，因此用555延时电路来代替。

通过这次课程设计，我加深了对单片机的理解，也为以后更好的运用打下了基础。最后要感谢李老师的指导，在李老师的耐心解答下，我受益匪浅。

参考文献

[1] 李积英.数字电子技术.中国电力出版社,2011

[2] 深圳市捷什科技有限公司.HC-SR04超声波测距模块说明书.

[3] 彭江.单片机原理及接口技术的开发[J].软件导刊,2011,12(8):66-70.

[4] 王思明.张金敏.苟军年.张鑫.杨乔礼.单片机原理及应用系统设计.科学出版社.2012