1、XXX 大学（学院） 本科生毕业设计基于单片机的超声波测距设计学生姓名所在专业所在班级申请学位指导教师 职称副 指 导 教 师 职称答辩时间 目 录设计总说明 .IINTRODUCTION.II第 1 章 绪论 .11.1 概述 .11.2 国内外发展现状 .1第 2 章 系统总体方案设计 .12.1 设计要求 .12.2 方案选择 .22.2.1 单片机的选择 .2第 3 章 系统硬件设计 .23.1 整体方案设计 .23.1.1 系统概述 .23.1.2 系统框图 .23.2 最小系统模块 .33.2.1 STC89C52 简介 .33.2.2 最小系统电路 .53.3 HC-SR04 模
2、块 .63.3.1 HC-SR04 简介 .63.3.2 超声波的特性 .73.3.3 超声波换能器 .8超声波传感器原理 .9测 距 分 析 .133.4 显示电路 .143.4.1 数码管简介 .14数码管概述 .153.4.2 数码管显示模块电路 .153.4.3 按键模块电路 .163.4.4 报警模块电路 .17第 4 章 软件设计 .184.1 程序语言及开发环境 .184.2 程序流程图设计 .194.2.1 超声波模块程序流程图设计 .19第 5 章 硬件组装与调试 .205.1 元器件的选择与测量 .205.2 元件的焊接与组装 .215.3 电路的调试 .215.3.1 调
3、试方法 .215.3.2 调试步骤 .22第 6 章 总结 .23鸣 谢 .24参考文献 .25设计总说明利用超声波进行测距有许多优点比如不受光强度、色彩和电磁场等外界因素的影响，而且超声波传感器的价位较低、结构也较为简单，超声波以声速传播，方便收发与计算。在汽车倒车雷达、移动机器人的避障、特别是测量距离等许多方面都已有了非常普遍的应用。本次毕业设计的超声波测距仪是在 STC89C51 单片机的基础上设计的，在分析和了解了超声波的一些优点和特性后，又查看了利用超声波测距的基本原理。最后决定使用 51 单片机系统和超声波传感器共同组成。设计的超声波测距仪的硬件部分主要包括电源及复位模块、单片机与
4、超声波模块组成的超声波发射模块、超声波接收模块、LED 数码显示模块和扩展报警模块。软件部分主要包括单片机主程序、根据超声波发射与接收计算距离程序、LED 距离显示程序、按键控制程序和蜂鸣器报警程序，这样安排使得系统具有模块化的特点。系统容易进行控制，具有可靠地的性能，具有较高的测量精度，最重要的是能对距离进行实时测量。关键词：单片机；超声波传感器 ；数码管；报警INTRODUCTIONThe distance has many advantages such as not affected by light intensity, color and electromagnetic field
5、 of external factors such as the use of ultrasound, and the ultrasonic sensor price is low, the structure is simple, ultrasonic wave at the speed of sound transmission, convenient receiving and calculation. In the car reversing radar, mobile robot obstacle avoidance, especially the measurement of di
6、stance and many other aspects have been very widely used.The graduation design of ultrasonic distance measuring instrument is based on the STC89C51 microcontroller design, in the analysis and understanding of some of the advantages and characteristics of ultrasound, and then view the basic principle
7、s of ultrasonic distance measurement. Finally decided to use the 51 single-chip microcomputer system and ultrasonic sensors to form a common. The hardware design of ultrasonic rangefinder consists of ultrasonic power and reset module, microcontroller module and ultrasonic transmitting module, ultras
8、onic receiving module, LED digital display module and alarm module extension. The software includes the main microcontroller, according to ultrasonic transmitting and receiving distance, LED distance calculation program display program, key control procedures and buzzer alarm procedures, the charact
9、eristics of this arrangement makes the system has a modular. The system is easy to control, with reliable performance, with high measurement accuracy, the most important is to be able to real-time measurement of distance.KEYWORDS: Single chip microcomputer; ultrasonic sensor; digital tube; alarm0第 1
10、 章 绪论1.1 概述超声波测距法是通过超声波测量从已知位置到被测物体表面的距离的利用超声波的方法。超声波也是一种机械波，是一种频率在 20kHz 以上的声波。超声波测距是人们根据蝙蝠通过超声波反射进行捕食的方法发现的，也是仿生学中非常出名的例子，对生产领域产生了很大的影响。跟着电子测量技术的不断飞速发展，已经可以利用超声波实现精准测量了。测量技术在经济的不断发展下得到了越来越广的应用，因此超声波凭借着性能稳定、成本低廉、精度高等优点得到了重视。机器人技术在出现后发展迅猛，机器人的用途也不在局限在工业生产而是进入了人们的日常生活。普遍的应用对于增加群众对机器人技术的认识变得非常重要。机器人能够
11、通过特有的感知系统感知并确定前面障碍物的位置和周围的环境以完成躲避障碍物、自动寻路、测距等功能。超声波测距具有其他的测距技术没有的特点，比如测量精度高，成本低廉，对环境的要求低，使用简便等。将红外、灰度等传感器和超声波结合在一起将可以共同作用使机器人实现自动寻路和绕开障碍等功能。超声波由于传播方向较稳定、并且在介质里传播时能量削减缓慢，能够发送很远的距离，所以在测量距离的时候经常用到。超声波最普遍的应用是在汽车倒车雷达、物位测量仪、测距仪、研发移动机器人以及一些特殊工业现场等场合。以后超声波传感器很可能将会智能化、自动化，实现更加方便高效的测距仪器。1.2 国内外发展现状超声波测距技术是一种非
12、常有前景的的技术，近距离的超声测距不会被光线影响，并且结构比较简单，成本经济实惠。超声波测量最重要的优点是：环境介质很普遍，空气、液体和固体都能使用，因此适合使用的范围非常大。更重要的是使用超声波检测能很大程度的降低劳动强度，可以避免工作人员在恶劣工作环境中可能受到的伤害，还能够提高距离结果的准确度；另外，超声波测距仪也可以作用到别的功能系统中，如在机器人的避障系统、车内置防撞系统、自动停车系统和倒车雷达，因此超声波测距仪对电子测量技术发展是非常重要的。第 2 章 系统总体方案设计2.1 设计要求1）可进行距离测量。2）采用数码管显示距离数据。3）可按键设置距离门限值4）具有报警功能12.2
13、方案选择2.2.1 单片机的选择方案一：采用 DSP 作为系统控制器。DSP （digital signal processor）是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。DSP 具有对元件值的容限不敏感，受温度、环境等外部因素影响小，容易实现集成，可分时复用，共享处理器，方便调整处理器的系数实现自适应，可用于频率非常低的信号等优点。但 DSP 硬件电路比较复杂，且价格昂贵，数字系统由耗电的有源器件构成，没有无源设备可靠。 方案二：采用单片机作为系统控制器。单片机具有可靠性强、性价比搞、电压低、功耗低等优点得到迅猛发展和大范围推广，单片机算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，可
14、用软件编程实现各种逻辑功能，本身带有定时器、计数器，可以用来定时和计数，并且其功耗低，体积小，计数成熟和成本低等优点。基于以上分析，拟定方案二，用 STC89C52 单片机作为控制器。第 3 章 系统硬件设计3.1 整体方案设计3.1.1 系统概述整个系统以 STC89C51 单片机为核心器件，配合电阻电容晶振等器件，构成单片机的最小系统。其它个模块围绕着单片机最小系统展开。其中包括，测距传感器采用 HC-SR04 模块，显示设备为共阴数码管；电源供电则采用 USB 5V 供电，报警部分采用蜂鸣器，同时还包括按键部分，用来设置距离门限值。3.1.2 系统框图3-1 系统框图3.2 最小系统模块
15、3.2.1 STC89C52 简介（1）概述STC89C52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复单片机最小系统HC-SR04 数码管显示电源部分报警部分按键部分2P10345678REST9/XDINWALGVC擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 STC89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 STC89C52 有 40 个
16、引脚，32 个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含 2 个外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，2 个读写口线。STC89C52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需求。 （2）主要功能特性 兼容 MCS51 指令系统； 8k 可反复擦写(1000 次）Flash ROM； 32 个双向 I/O 口； 256x8bit 内部 RAM ； 3 个 16 位可编程定时/计数器中断； 时钟频率 0-24MHz； 2 个串行中断； 可编程 UART 串行通道； 2 个外部中断源； 共 8 个中断源； 2 个读写中断口线；
17、 3 级加密位； 低功耗空闲和掉电模式； 软件设置睡眠和唤醒功能；（3）8051 单片机的引脚功能MCS-51 系列单片机一般采用 40 个引脚，双列直插式封装，用 HMOS 工艺制造，其外部引脚排列如图 3-2 所示。其中，各引脚的功能为: 图 3-2 STC89C52 引脚图 主电源引脚VCC（40 脚），接5V 电源正端；3GND（20 脚），接5V 电源地端； 外接晶体或外部振荡器引脚XTAL1（19 脚），接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器 的输入端。当采用外部振荡器时，此引脚应接 地。XTAL2（18 脚），接外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和
18、 内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时，此脚接外部振荡器的输出端。 控制信号线RESET（9 脚），复位信号输入端，复位/掉电时内部 RAM 的备用电源输入端。ALE（30 脚），地址锁存允许/编程脉冲输入，用 ALE 锁存从 P0 口输出的低 8位地址。在对片内 EPROM 编程时，编程脉冲由此输入。PSEN（29 脚），外部程序存储器读选通信号，低电平有效。EA（31 脚）,访问外部存储器允许/编程电压输入。EA 为高电平时，访问内部存 储器；低电平时，访问外部存储器。 多功能 I/O 口引脚8051 单片机设有 4 个双向 I/O 口（P0、P1、P2、P3），每一组 I/O 口线都
19、可以独立地用作输入或输出口，其中：P0 口（3239 脚）双向口（三态），可作为输入/输出口，可驱动 8个 LSTTL 门电路。实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低 8 位地址与数据总线分时使用 P0 口：先送低 8 位地址信号到 P0 口，由地址锁存信号 ALE 的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。P1 口（18 脚）准双向口（三态），可驱动 4 个 LSTTL 门电路。用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出 线。P2 口（2128）准双向口（三态），可驱动 4 个 LSTT
20、L 门电路。可作为输入/输出口，实际应用中一般作为地址总线的高 8 位，与 P0 口一起组成 16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。P3 口（1017 脚）准双向口（三态），可驱动 4 个 LSTTL 门电路。双功能口，作为第一功能使用时，与 P1 口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如表 3.1 所示：表 3.1 P3 口第二用途43.2.2 最小系统电路STC89C52 的最小系统如图 3-3 所示，整个最小系统由三个部分组成，晶振电路部分、复位电路部分、电源电路等三个部分组成。晶振电路包括 2 个 30pF 的电容 C2 和 C3，以及 12M 的晶振
21、 X1。电容的作用在这里是起振作用，帮助晶振更容易的起振，取值范围是 15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，单片机的执行速度越快。在进行电路设计的时候，晶振部分越靠近单片机越好。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。复位电路由 10uF 的极性电容 C1 和 10K 的电阻 R4 构成。利用电容电压不能突变的性质,可以知道,当系统一上电，RESET 脚将会出现高电平，并且这个高电平持续的时间由电路的 RC
22、值来决定。典型的 51 单片机当 RESET 脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位。在电路图中，电容的的大小是 10uF，电阻的大小是 10k。所以根据公式，可以算出电容充电到电源电压的 0.7 倍（单片机的电源是 5V，所以充电到 0.7 倍即为 3.5V），需要的时间是 10K10UF=0.1S。也就是说在电脑启动的 0.1S 内，电容两端的电压时在0-3.5V 增加，这个时候 RESET 引脚所接收到的电压是 5V-1.5V。在 5V 正常工作的 51单片机中小于 1.5V 的电压信号为低电平信号，而大于 1.5V 的电压信号为高电平信号
23、。所以在开机 0.1S 内，单片机系统自动复位（RESET 引脚接收到的高电平信号时间为0.1S 左右）。最后一个是电源部分，采用 5V 的 USB 直接供电，可采用手机充电器、电脑 USB 口、移动电源等设备进行供电。此外，除了单片机最小系统的 3 个部分之外，这里还多了一些外部电路。由于 STC89C52 的 P0 口是漏极开路输出，因此在 P0 口接了一个 10K 的排阻 R1，使得 P0 口可以作为普通的 I/O 口使用，本设计用 P0 口来做液晶的数据口。端口引脚 第二功能 注 释P3.0 RXD 串行口数据接收端P3.1 TXD 串行口数据发送端P3.2 /INT0 外中断请求 0P3.3 /INT1 外中断请求 1P3.4 T0 定时/计数器 0 外部计数信号输入P3.5 T1 定时/计数器 1 外部计数信号输入P3.6 /WR 外部 RAM 写选通信号输出P3.7 /RD 外部 RAM 读选通信号输出
