1、 单片机课程设计论文 题 目： 基于单片机的超声波测距仪 学 院： 电气与电子工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 14 电气实验班 姓 名： 李浩文 学 号： 指导教师： 小组成员： 日 期： 2016 年 12 月 15 日 2 基于单片机的超声波测距仪 I 基于单片机的超声波测距仪 摘要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及 STC89C52 单片机的性能
2、和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统的思路和所需考虑的问题，给出了以 STC89C52 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理、工作稳定、性 能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 关键词 ： 超声波；测距；单片机； STC89C52 广东技术师范学院天河学院课程设计论文 II 基于单片机的超声波测距仪 III 目录 1 导论 . 1 1.1 目的和意义 . 1 1.2 研究的主要内容 . 1 2 总体方案设计与分析 . 2 2.1 1 超声波传感器 . 2
3、 2.1.2 超声波发生接收模块设计 . 2 2.1.3 收发分立 集成超声波探头 HC-SR04 . 3 2.1.4 HC-SR04 总体性能分析 . 5 2.2 STC89C52RC 单片机介绍 . 5 3 系统硬件电路设计 . 7 3.1 系统电路图 . 7 3.2 单片机最小系统 . 7 3.3 超声波模块电路 . 8 3.4 7 端数码管显示电路 . 9 3.5 蜂鸣器报警电路 . 9 3.6 按键键盘电路 . 9 4 系统程序的设计 . 11 4.1 程序设计流程 . 11 4.2 C 语言源程序 . 12 总结 . 17 参考文献 . 18 广东技术师范学院天河学院课程设计论文
4、IV 附 录（ A）（成品展示） .19 附 录（ B）（元件清单） .20 基于单片机的超声波测距仪 1 1 导论 1.1 目的和意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣环境有一定的适应能力。具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高料位测量、车辆自动导航、物体识别与定位、车辆安全行驶辅助系
5、统乃至地形地貌探测等许多领域中。可在不同环境中进行 距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛 的应用。 1.2 研究的主要内容
6、课题 基于 单片机的超声波测距仪 由 51 单片机最小系统、超声波测距模块、驱动显示电路、报警电路和按键电路等组成。利用超声波测距模块 HC-SR04 测量距离，并对数据进行分析处理，传给 51 单片机，再通过 LED 数码管显示出来，可以通过按键调整报警距离，同时电源部分采用 5V 稳压直流电源。 广东技术师范学院天河学院课程设计论文 2 2 总体方案设计与分析 2.1 1 超声波传感器 超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形
7、，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为 0f 的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当 0f 落在音频范围内时便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。 超声波传感器结构如下： 图 2-1 元件内部结构 图 2-2 超声波外部结构 2.1.2 超声波发生接收模块设计 根据 超声波测距原理，超声波收发设备应该完成超声波脉冲的发射以及回波首波的精确检测。从结构上可以将收发设备分为收发一体换能器和收发分立换能器，这两种形式各自有优
8、缺点。收发一体超声波换能器由于超声波发射和接收在一个口，因此其不存在近距离形成所谓的三角关系，因此其近距离的测量精度高。但是也由于收发共用端口的原因，导致了在发射完成脉冲序列之前不能够开始 接收，这就导致了盲区的存在，这基于单片机的超声波测距仪 3 在原理是是不能消除的。收发分立超声波换能器虽然在近距离上可以进行测量，近乎没有盲区的存在，但是在近距离上一定会形成一个三角关系，从而导致其近距离上的测量相对误差极大。而在电路上，由于收发一体的超声波换能器的发射驱动电路和接收极的接收检测电路彼此相连，导致了电路的相互干扰，增加了抗干扰设计工作。虽然收发分立形式也存在串扰的缺点，但其是可以通过软硬件设
9、计消除的。从总体上来说，收发分立在应用上更加简单、可靠，本次设计采用收发分立形式换能器。 2.1.3 收发分立集成超声波探头 HC-SR04 产品特点： 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。 HC-SR04 实物图和总体参数分别如图 3-3 和表 2-1 所示。 图 2-3 HC-SR04 实物图如图 表 2-1 HC-SR04 总体参数 HC-SR04 基本工作原理： (1) 采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信号。 (2) 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； 广东技术师范学院天河学院课程设计论文 4 (3) 有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，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 (340M/S)/2; 超声波时序图 如 图2-4 所示。 图 2-4 超声波时序图
