1、 课程设计报告题 目 超声波测距系统设计 课 程 名 称 单片机原理及应用 院 部 名 称 机电工程学院 专 业 电气工程及其自动化 班 级 12 电气工程及其自动化（单） 学 生 姓 名 学 号 课程设计地点 工科楼 C304 课程设计学时 20 指 导 教 师 金陵科技学院教务处制成绩1目 录一 、概述31.1 课程设计应达到的目的41.2 超声波测距系统设计4二、总体设计方案及说明42.1 系统总体设计思路42.2 系统总体设计框图5三、系统硬件电路设计53.1 单片机的最小系统63.1.1AT89C51 单片机的功能与特点63.2 系统原理分析63.2.1 超声波测距原理63.3 超声
2、波传感器检测电路63.3.1 超声波检测电路图73.3.2 超声波发生及感应过程73.4 超声波测距接收73.4.1 HC-SR04 模块73.4.2 T40、R40 超声波传感装置介绍7 3.5 SCM1602 显示模块9四 、系统软件部分设计114.1 软件流程图114.1.1 主程序流程图114.1.2 超声波发生子程序114.2 系统源程序12五、系统仿真过程与结果135.1 Proteus 仿真软件145.2 仿真编译过程145.3 仿真效果图152六 、实物展示166.1 实物元件与过程166.2 实物运行与调试156.3 实物总结15七、总结18八 、参考文献19附录，原理图20
3、3摘 要本设计采用了 AT89C51 作为中心处理器，HC-SR04 模块进行超声波方面的发生与感应。然后介绍了总体的系统设计框图、思路及元件选型。接下来，分硬件和软件两部分进行了设计的分析。硬件方面首先构建了一单片机最小系统，然后集成各芯片完成设计。软件方面通过外部中断，定时器中断等完成开发的子程序的调用。最后重点详细地讲述了关于超声波模块的电路及收发过程。最后进行了系统仿真，仿真结果表明，所设计的系统能够满足要求。本系统具有成本低，可靠性高和安全实用等特点，广泛应用于社会生活的各个领域。关键词：AT89C51 单片机；超声波模块；最小系统4一、概述1.1 课程设计应达到的目的通过本课程设计
4、，使学生掌握控制系统设计的一般步骤，掌握系统总体控制方案的设计方法。使学生进一步掌握微型计算机应用系统的硬、软件开发方法，输入/输出(I/O)接口技术，应用程序设计技术，并能结合专业设计简单实用的单片机应用系统。针对课堂重点讲授内容使学生加深对单片机硬件原理的理解及提高 C51 语言程序设计的能力，为以后的毕业设计搭建了单片机系统应用平台，提高学生的开发创新能力。1.2 超声波测距系统设计设计一个基于单片机的超声波测距系统，要求：（1）系统功能：测距范围：3cm-450cm，通过 LCD1602 显示距离。（2）给出系统设计方案，画出硬件连线图，并说明工作原理；（3）画出程序框图并编写程序。二
5、、系统总体方案设计2.1 系统总体设计思路本设计的构建是基于 89C51 单片机外围芯片的超声信号检测的。超声波发生模块送出片刻的 40KHz 的矩形波信号，遇物体反射后，被超声波接收模块接收并作为本设计的Input，单片机对此信号进行判断加工处理后，把计算出的距离结果传到 LCD 显示屏上，当检测距离小于预设值时报警模块工作。本设计的硬件部分主要由 AT89C51 单片机控制模块、超声波发出和接收模块、预警模块以及 LCD 显示模块等几部分组成。系统的总体结构设计框图如图 1.1 所示。本设计的软件部分由 C 语言编写，程序采用模块化设计思想，将各功能单独程序化成子程序块并进行 debug，
6、在完成主程序段的编写和子程序的调用。系统软件部分主要include 主程序段、delay子程序块、超声波发生与感应子程序块等。2.2 系统总体设计框图本设计采用 AT89C51 为控制核心，由电源电路、单片机外围电路、发射电路、接收电路、显示电路、报警电路等部分组成，系统设计框图如图 1.1 所示。其主要需完成任5务是对传感器到障碍物中间的距离的测量及对测出距离的显示以及小于预设值时的报警。单片机发射电路接收电路显示电路报警电路超声波发射换能器超声波接收换能器障碍物图 1.1 系统总体设计框图三、系统硬件部分设计3.1 单片机最小系统单片机最小系统：能让单片机 regular work 的最小
7、硬件单元系统，如图 3.4 所示。一般具有:复位 circuit;时钟震荡 circuit。此外，ISP 下载口也 belong 单片机最小系统。复位电路如图 2.2 所示。图 2.2 复位电路图复位电路可将系统重置至一个已知的状态。从单片机内部来看，复位电路工作后，CPU 将一些厂商早先设定的数载入至寄存器。该电路的 principle 是将 Capacitance 与 Resistance 接至复位引脚 RST，组成Power on reset 的功能。当 Reset level 持续两个 machine cycle 以上时，reset 有效。具体数值需由 RC 电路计算出 time co
8、nstant t=RC1(t10ms)。复位电路包括 Reset button 和 Power on reset。6（1）Reset button：并联一开关在复位电容上。按下开关，电容释放之前的电量，同时，复位引脚电压的拉高完成 Reset。(2)Power on reset：在 RST 上外接一个 RC 充放电导电回路，即加入一个电容（一般为 10uF）串联至电源+5v，再加入一个电阻器（一般为 10K）串联至保护地。此外，要保证 Reset 成功，需使上电时复位引脚有足够时间的 high level。振荡电路如图 2.3 所示。图 2.3 振荡电路图振荡电路也叫做晶振电路，任务是为 CP
9、U 设定时钟频率。单片机运行所有语句的时间都由时钟频率决定。clock frequency 越高，CPU 运行越快。单片机一般从外部接入时钟频率，典型的 clock frequency 有 11.0592MHz/12MHz。单片机通常共用一个晶体振荡器来满足各部分同步运行。具体振荡器经常与锁相环回路一起工作，以方便为系统提供 clock frequency。图 2.4单片机最小系统3.1.1 AT89C51 单片机的功能与特点AT89C51 是一种具有 low voltage、low power consumption 且 high-performance等优点的八位单片机。其内部的芯片包含了
10、一个 8 位微处理器、一个二百五十六字节数据存储器及一个四千字节程序存储器。CMOS 工艺与 UNRAM 技术在 AT89C51 的制作过程中7被使用，且它的指令集合和输出引脚都与早期美国 INTECo.于 1980 年研制的 MCS-51 单片机相兼容。AT89C51 因将闪存与 8 位 CPU 结合在一个芯片中而成为一款高性能单片机，89LV51 是它的一个低电压版本。AT89C51 单片机已成为一种灵活性高、功能强且价格实惠并在各种控制领域被普遍运用的方案。外型及管脚排列如图所示。功能概述AT89C51 含满足国标的功能：片内振荡器及时钟发生电路、4KB 程序存储器 Flash ROM（
11、保留表格、数据及程序）、256B 数据存储器 RAM/SFR（保留可以READ/WRITE 的数据）、两个 16 位定时/ 计数器、四个 8 位 I/O 口线、一个五中断源二优先级中断系统、一个双向信号传输 UART 串行通信 口。而且，AT89C51 可以执行静态逻辑操作，此时最低的工作频率可为 0Hz，并有两种省电运行模式可供软件运行。Idle Mode 可将 CPU 处于停止运行状态，但允许中断控制系统、串行通讯口、定时/计数器以及随机存取存储器持续运行。Power Mode 直到下一次硬件复位都会停止运行振荡器并且不允许其它所有部件运行但会保留片内随机存取存储器中的数据。 AT89CA
12、51 引脚功能说明VCC：供电电压。GND：接地。P0 端：P0 端为一组 8 位 Open Drain 型双向 input/output 端，也即地址/总线复位端。每端能驱动 8 位 TTL 逻辑门。当 P0 端被置为 1 时，其变便成为高阻抗输入端。P0 端可被外部程序 DATA 存储器使用，此时，其被当作 DATA/ADDRESS 的低八位使用。在闪存（Flash）进行 program 工作时，P0 端输入命令，当闪存（Flash）运行 check 任务时，P0 端输出命令，同时，确保 P0 端外部已连有 pull-up resistor。P1 端：P1 端是一组配有内部 pull-up
13、 resistor 的双向 input/output 端，为功能最单一的一组端口。P2 端：P2 端也是一组配有内部上拉电阻的双向 input/output 端。当 cpu 访问外部存储器时，P2 端输出高八位地址信号。P3 端：P3 端同样是一组配有内部上拉电阻的双向 input/output 端。同时 P3 端的每一个管脚都另有功能。主要属性如表 2-1 所示。 8表 2-1 主要属性控制信号引脚（RST、 ALE 、/PSEN 、/EA）RST / Vpd (9 脚)：复位输入， 1信号有效。当 CPU 刚接入电源时，其内部各寄存器处于随机状态，当此输入端可持续 24 个时钟周期的1信号
14、时，就能完成复位任务。单片机正常工作时， 此脚应0.5V 低电平。ALE/PROG（30 脚）：地址锁存允许信号端（Address Latch Enable） 。当 CPU 读取外部ROM 时，此管脚输出信号的下降沿控制低八位地址的锁存。平时运行是，此管脚以振荡频率的六分之一稳定发送正脉冲，能作对外输出时钟和定时信号。/PSEN：程序存储器允许信号输出端（Program Store Enable） 。CPU 读取外部程序存储器的读选通信号。在访问片外 ROM 时，每个机器周期/PSEN 输出 2 次脉冲。当读取外部数据存储器时，/PSEN 不出现。/EA/VPP：片外程序存储器访问允许输入端（
15、External Access External） 。当/EA 被置1 时，CPU 读取片内存储器(4K)PC 值超过 0FFFH，将自动运行片外程序存储器的程序。当/EA 被置 0，CPU 访问片外 EPROM/ROM，且运行片外 ROM 的程序。引脚图如图 2.1 所示。图 2.1 AT89C51引脚图93.2 系统原理分析3.2.1 超声波测距原理一般而言，人耳能听到的声波频率为 20 赫兹-20000 赫兹。Resonant frequency 高于2KHz 的声波称为 “超声波 ”。超声波由于其穿透能力强、在液体中传播距离远、易获得较集中的声能、方向性好等特性，使其在实际生活中的各行各业得到广泛应用。假定声波在固定介质中传播的速度一定，而且能测量得到声波从送出到感应到的时间，那么从声源到目标物体的距离就可以被准确地计算出来。这就是本设计的测距原理。超声波测距，简单来说，就是通过连续地接收经障目标物体反射后的回波，进而测出超声波从发射到接收的往返时间,最后求出超声波经过的距离。其关系式如公式（1）：（1）ct2S式中：S 为所需测量的距离；c 为超声波在空气介质中的传播速度；t 为往返时间。3.3 超声波传感器检测电路3.3.1 超声波检测电路图
