超声波测距仪的设计

题目：超声波测距仪的设计

超声波测距仪的设计

一、设计目的：

以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。

通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。

二、设计要求：

设计一个超声波测距仪。要求：

1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离；

2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。

三、设计器材：

STC89C52RC单片机

HC-SR04超声波模块

SM410561D3B四位的共阳数码管

9014三极管（4）

按键（1）

电容（30PF2，10UF1）

排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子，

导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。

四、设计原理及设计方案：

（一）超声波测距原理

超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C

式中L——要测的距离

T——发射波和反射波之间的时间间隔

C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s

声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。

根据本次设计所要求的测量距离的范围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。

当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。

（二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍

HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述：

1. 主要技术参数：

①使用电压：DC5V

②静态电流：小于2mA

③电平输出：高5V

④电平输出：低0V

⑤感应角度：不大于15度

⑥探测距离：2cm-300cm HC-SR04超声波测距模块实物图

⑦高精度：可达2mm

2. 接线方式：VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND

使用方法：给Trig端发一个15uS以上的高电平，就可以在接收口Echo 端等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间,方可算出距离。

3.工作原理：

①采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号 (在我们的程序中我们为了确保有效触发，给了约持续15us时间宽度的高电平)；

②模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

③有信号返回，通过Echo输出一高电平，高电平持续的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(344M/S))/2；

（三）总体设计方案：

以51单片机作为主控制器，在超声波模块HC-SR04的‘Trig’端加一个大于10us的高电平，本次设计中我们为了确保有效触发，程序中设置了约为15us的高电平进行触发。触发发射端产生超声波，同时在接收端(‘Echo’端)等待高电平的输出，一旦检测到有高电平的输出就打开定时器0进行计时。根据所给超声波模块的技术资料可知：‘Echo’端高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。当超声波遇到障碍物，回波被接收端接收到后，‘Echo’端变为低电平。此时关闭定时器0(令TR=0)，读出定时器的值。这个值即为超声波的传播时间(单位为us)。根据声波在空气中的传播速度，方可算出距离。【测试距离≈(高电平时间*声速(344M/S))/2】将此距离进行处理，在数码管上利用动态扫描法实时显示。

系统的结构框图：

我们将整个系统划分为：超声波模块、显示模块，以及51单片机外围工作电路模块。

（四）动态显示模块：

数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM 端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。

在本次设计中，我们选用P0口作为‘段码’，连接SM410561D3B ‘a,b,c,d,e,f,g,dp’，每一段的亮灭。选用P2.4~P2.7分别对应‘位码’，即连