基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計實驗報告重(共31頁)

1、指導(dǎo)教師評定(pngdng)成績： 審定(shndng)成績： 自 動 化 學(xué) 院計算機控制技術(shù)課程設(shè)計報告(bogo) 設(shè)計題目：基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計單位（二級學(xué)院）： 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 班 級： 學(xué) 號： 指 導(dǎo) 教 師： 負 責 項 目： 設(shè)計時間：二一四 年 五 月自動化學(xué)院制目錄(ml)TOC o 1-3 u 一、設(shè)計(shj)題目 PAGEREF _Toc26366 1 基于(jy)51單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 PAGEREF _Toc23396 1 設(shè)計要求 PAGEREF _Toc9984 1摘要 PAGEREF _Toc1779 2二、設(shè)計報告正文 PA

2、GEREF _Toc10035 3 2.1 超聲波測距原理 PAGEREF _Toc11479 3 2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc13492 4 2.3主要元件選型及其結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc12017 5 2.4硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計9 2.5系統(tǒng)的軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc13868 13三、設(shè)計總結(jié)17四、參考文獻17五、附錄18 附錄一：總體電路圖18 附錄二：系統(tǒng)源代碼18 一、設(shè)計(shj)題目基于(jy)51單片機的超聲波測距系統(tǒng)(xtng)設(shè)計設(shè)計要求1、以51系列單片機為核心，控制超聲波測距系統(tǒng)；2、測量范圍為：2cm4m，測量精度：1cm；3

3、、通過鍵盤電路設(shè)置報警距離，測出的距離通過顯示電路顯示出來；4、當所測距離小于報警距離時，聲光報警裝置報警加以提示；5、設(shè)計出相應(yīng)的電子電路和控制軟件流程及源代碼，并制作實物。摘要(zhiyo) 超聲波具有傳播距離遠、能量耗散少、指向性強等特點，在實際應(yīng)用中常利用這些特點進行距離測量。超聲波測距具有非接觸式、測量快速、計算簡單、應(yīng)用性強的特點，在汽車倒車雷達系統(tǒng)、液位測量等方面應(yīng)用廣泛。本次課設(shè)利用超聲波傳播中距離與時間的關(guān)系為基本原理，以STC89C52單片機為核心進行控制及數(shù)據(jù)處理(chl)，通過外圍電源、顯示、鍵盤、聲光報警等電路實現(xiàn)系統(tǒng)供電、測距顯示、報警值設(shè)置及報警提示的功能。軟件部

4、分采用了模塊化的設(shè)計，由系統(tǒng)主程序及各功能部分的子程序組成。超聲波回波信號輸入單片機，經(jīng)單片機綜合分析處理后實現(xiàn)其預(yù)定功能。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機； HC-SR04； 超聲波測距二、設(shè)計(shj)報告正文2.1 超聲波測距原理(yunl) 常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣(kngq)中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s（不計介質(zhì)溫度變化對速度的影響），根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即

5、：s=340t/2。 如圖2-1所示： t超聲波發(fā)射 障礙物 S H 超聲波接收圖2-1 超聲波的測距原理 （2-1） （2-2）式中: L兩探頭中心之間距離的一半；又知道超聲波傳播的距離為: （2-3） 式中: v超聲波在介質(zhì)(jizh)中的傳播速度； t超聲波從發(fā)射到接收所需要(xyo)的時間；將式2-1、2-2、2-3聯(lián)立得： （2-4） 其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=349m/s);當需要(xyo)測量的距離H遠遠大于L時,上式變?yōu)? （2-5） 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.2.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本超

6、聲波測距系統(tǒng)由系統(tǒng)硬件電路及軟件程序?qū)崿F(xiàn)兩部分構(gòu)成。其中由STC89C52單片機最小系統(tǒng)、HC-SR04超聲波模塊、電源接口電路、4位共陽極數(shù)碼管顯示電路、三極管驅(qū)動電路、蜂鳴器聲光報警電路及鍵盤電路構(gòu)成硬件系統(tǒng)。以STC89C52單片機為核心，通過觸發(fā)信號控制HC-SR04超聲波測距模塊發(fā)射超聲波并接收回波，測算出前方障礙的距離，輸入單片機進行運算，與預(yù)設(shè)報警距離比較后判斷是否啟動蜂鳴器聲光報警裝置。 根據(jù)系統(tǒng)功能要求及模塊劃分可繪制出系統(tǒng)硬件框圖，如圖2-2所示：電源接口電路STC89C52單片機最小系統(tǒng)超聲波測距模塊顯示模塊鍵盤模塊聲光報警電路圖2-2 系統(tǒng)(xtng)硬件框圖2.3主要

7、(zhyo)元件選型及其結(jié)構(gòu)2.3.1 STC89C52芯片(xn pin)STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。工作電壓：5.5V3.3V。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路

8、，3個16 位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。最高運作頻率35MHz，6T/12T可選。其引腳圖如圖2-3所示： a 引腳圖 b 實物圖圖2-3 STC89C52引腳圖2.3.2 HC-SR04超聲波模塊(m kui) HC-SR04超聲波模塊具有性能穩(wěn)定(wndng)、

9、測度距離精確、模塊高精度、盲區(qū)小等特點，使用簡單易操作，常用于距離測量。其原理圖及實物圖如圖2-4、圖2-5所示：圖2-4 HC-SR04超聲波模塊(m kui)原理圖圖2-5 HC-SR04超聲波模塊(m kui)實物圖（1）接線方式(fngsh)：VCC(接電源)、Trig（控制端）、Echo（接收端）、GND（接 地）（2）基本(jbn)工作原理： a.采用(ciyng)I/O口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號； b.模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否(sh fu)有信號返回； c.有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，同時開始計時直到此口 變?yōu)榈碗娖剑?/p>

10、高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。 測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2。 （3）電氣參數(shù)表1 HC-SR04電氣參數(shù)表（4）超聲波時序圖圖2-6 超聲波時序圖（5）操作： 初始化時將trig和echo端口都置低，首先(shuxin)向給trig發(fā)送至少10 us的高電平脈沖（模塊自動向外發(fā)送8個40kHz的方波），然后等待，捕捉echo端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時，打開定時器開始計時，再次等待捕捉echo的下降沿，當捕捉到下降沿，讀出計時器的時間，這就是超聲波在空氣中運行的時間，按照測試距離=(高電平時間*聲速(shn s)(340M/S)/2就可以算出超聲波到障

11、礙物的距離。 2.3.3 4位共陽數(shù)碼管（1）共陽數(shù)碼管的實物圖、原理圖如圖2-7、圖2-8所示：圖2-7 4位共陽數(shù)碼管實物圖圖2-8 4位共陽數(shù)碼管原理圖工作(gngzu)原理：共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。（3）動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增

12、加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。2.4 硬件實現(xiàn)(shxin)及單元電路設(shè)計（1）

13、單片機最小系統(tǒng)(xtng) 單片機系統(tǒng)由電源、晶振電路、復(fù)位(f wi)電路組成。如圖2-9所示：圖2-9 單片機最小系統(tǒng)（2）電源接口電路設(shè)計 電源部分的設(shè)計采用3節(jié)5號干電池4.5V供電，如圖2-10所示：圖2-10 電源接口電路(dinl)（3）超聲波模塊接口 HC-SR04超聲波模塊接口如圖2-11所示：圖2-11 HC-SR04超聲波模塊接口（4） 4位共陽極數(shù)碼管顯示電路(dinl)及三極管驅(qū)動電路 顯示(xinsh)電路如圖2-12所示：圖2-12 4位共陽數(shù)碼管顯示(xinsh)電路當I/O口輸出低電平時，相應(yīng)段被選通，反之(fnzh)則不然。三極管驅(qū)動(q dn)電路如圖2-

14、13所示：圖2-13 三極管驅(qū)動電路當I/O口輸出低電平時，相應(yīng)位被選通，反之則不然。（5）聲光報警電路的設(shè)計 聲光報警電路如圖2-14所示：圖2-14 聲光報警電路(dinl)聲光報警電路由一個蜂鳴器、一個三極管、一個發(fā)光二極管、兩個電阻構(gòu)成。其中(qzhng)電阻起限流的作用，當I/O口輸出低電平時，三極管飽和導(dǎo)通，蜂鳴器報警、LED亮，反之則不報警。（6）鍵盤電路(dinl)的設(shè)計鍵盤電路如圖2-15所示：圖2-15 鍵盤電路2.5系統(tǒng)的軟件設(shè)計（1）各主要模塊 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 超聲波測距模塊。給超聲波Trig口至少10us的高電平，啟動測量，定時 器T0

15、計時，通過計算測得距離。 = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 顯示模塊。包括數(shù)碼管位選函數(shù)、段選函數(shù)及距離處理顯示模塊。將超聲 波測距測量值、報警設(shè)定值顯示在4位數(shù)碼管上。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 鍵盤(jinpn)模塊。由鍵盤檢測(jin c)函數(shù)及鍵盤處理函數(shù)組成。有設(shè)定鍵、加鍵、減鍵、 復(fù)位(f wi)鍵、開關(guān)鍵。主要設(shè)置報警值。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 聲光報警模塊。將測量值與設(shè)定報警值比較，若小于設(shè)定值，報警。 = 5 * GB3 * MERGEFORMAT 特殊存儲器eepom模塊。包括單片機eepom存儲器讀、寫操作以及

16、初始化。 其內(nèi)存儲設(shè)定報警值，掉電數(shù)據(jù)不丟失。 = 6 * GB3 * MERGEFORMAT 定時器模塊。TO定時器用于超聲波測距的計時。T1定時器用于主程序掃 描時間的控制。（2）主程序源代碼 void main()send_wave(); /測距離函數(shù)smg_display(); /處理距離顯示函數(shù)time_init(); /定時器初始化init_eepom(); /初始化eepom（讀取set_d）while(1)if(flag_300ms = 1) /300ms執(zhí)行一次flag_300ms = 0;clock_h_l(); /報警函數(shù)send_wave(); /測距離函數(shù)if(men

17、u_1 = 0) /沒有鍵按下時才給緩沖數(shù)組賦新值smg_display(); /處理距離顯示函數(shù)if(zd_break_en = 1) /自動退出設(shè)置界面程序zd_break_value +; /每300ms加一次if(zd_break_value 100) /30秒后自動退出設(shè)置界面menu_1 = 0; smg_i = 3;zd_break_en = 0;zd_break_value = 0; key(); /按鍵檢測(jin c)函數(shù)if(key_can P32* 超聲波接收=P33 按鍵用的接口是P2口*待改進的地方：溫度補償，提高精度*當前的缺陷： 不能測出4m的距離*測量單位：米

18、（m）*/#include #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int/數(shù)碼管段選定義 設(shè) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9uchar code smg_duan=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;/數(shù)碼管位選uchar dis_smg4 =0,1,2,3;sbit smg_we1 = P34; /數(shù)碼管位選端口sbit smg_we2 = P35;sbit smg_we3 = P36;

19、sbit smg_we4 = P37;sbit c_send = P31; /超聲波發(fā)射sbit c_recive = P30; /超聲波接收uchar flag_hc_value; /超聲波中間變量sbit beep = P23; /蜂鳴器IO口定義uchar smg_i = 3; /顯示(xinsh)數(shù)碼管的個數(shù)：3bit flag_300ms ; /主程序300ms處理(chl)一次的標識符 bit key_500ms ; /按鍵程序(chngx)500ms處理一次的標識符long distance; /定義測量距離uint set_d; /定義設(shè)定距離uchar flag_csb_ju

20、li; /超聲波超出量程 long flag_time0; /按鍵的IO變量的定義uchar key_can; /按鍵值的變量uchar zd_break_en,zd_break_value; /自動退出設(shè)置界面uchar menu_ljsd = 10; /用來控制連加的速度bit flag_lj_en; /按鍵連加使能bit flag_lj_3_en; /按鍵連3次連加后使能 加的數(shù)就越大了 uchar key_time; /定時器用，作為連加的中間變量，按鍵時間uchar flag_value;/定時器用，作為連加的中間變量uchar menu_1; /菜單設(shè)計的變量uchar a_a;

21、/設(shè)定值寫入單片機標志符/*數(shù)碼管位選函數(shù)*/void smg_we_switch(uchar i)switch(i)case 3: smg_we1 = 0; smg_we2 = 1; smg_we3 = 1; smg_we4 = 1; break;case 2: smg_we1 = 1; smg_we2 = 0; smg_we3 = 1; smg_we4 = 1; break;case 1: smg_we1 = 1; smg_we2 = 1; smg_we3 = 0; smg_we4 = 1; break;case 0: smg_we1 = 1; smg_we2 = 1; smg_we3 =

22、 1; smg_we4 = 0; break;/*數(shù)碼管顯示函數(shù)*/void display()static uchar i; i+;if(i = smg_i) /smg_i=3，i = 0;smg_we_switch(i); /調(diào)用位選函數(shù)P1 = dis_smgi; /段選 /*把數(shù)據(jù)(shj)保存到單片機內(nèi)部eepom中*/void write_eepom()SectorErase(0 x2000);byte_write(0 x2000, set_d % 256);/寫入set_d值byte_write(0 x2001, set_d / 256);byte_write(0 x2058,

23、a_a);/a_a標識符/*把數(shù)據(jù)(shj)從單片機內(nèi)部eepom中讀出來*/void read_eepom()set_d = byte_read(0 x2001);/讀出set_d值set_d = 5) /確認(qurn)無鍵按下key_value = 0;key_new = 1; /置位key_new，表初始(ch sh)無鍵按下flag_lj_en = 0; /關(guān)閉(gunb)連加的使能flag_lj_3_en = 0; /關(guān)閉3秒后連加的使能flag_value = 0; /連加變量清零key_time = 0; write_eepom(); /值（set_d）寫入單片機else /初

24、始無鍵按下if(P2 & 0 x07) != 0 x07) /按鍵檢測（5次）key_value +; else key_value = 0;if(key_value = 5) /確認按鍵key_value = 0;key_new = 0;flag_lj_en = 1; /連加使能zd_break_en = 1; /自動退出設(shè)置界使能zd_break_value = 0; /自動退出設(shè)置界變量清零，30秒后退出設(shè)置界面key_can = 20;if(key_500ms = 1) /連按500ms，啟動連加key_500ms = 0;key_new = 0;key_old = 1;zd_brea

25、k_value = 0; /自動退出設(shè)置界變量清零，30秒后退出設(shè)置界面if(key_new = 0) & (key_old = 1) /確認有鍵按下switch(P2 & 0 x07)case 0 x06: key_can = 1; break; /得到k2鍵值（設(shè)定鍵）case 0 x05: key_can = 2; break; /得到k3鍵值（加）case 0 x03: key_can = 3; break; /得到k4鍵值（減） key_old = key_new; /初始化標識符/*按鍵(n jin)處理數(shù)函數(shù)*/void key_with()if(key_can = 1) /得到

26、(d do)k2鍵值（設(shè)定鍵）menu_1 +;if(menu_1 = 2)menu_1 = 0;if(menu_1 = 0) /退出設(shè)定(sh dn)界面menu_ljsd = 10; /連加速度控制變量（復(fù)位為500ms）dis_smg0 = smg_duandistance % 10; /測量值顯示用dis_smg1 = smg_duandistance / 10 % 10 ; dis_smg2 = smg_duandistance / 100 % 10 & 0 x7f; smg_i = 3;if(menu_1 = 1) /設(shè)置界面menu_ljsd = 1; /連加速度變量（50ms）

27、dis_smg0 = smg_duanset_d % 10; /設(shè)定值顯示用dis_smg1 = smg_duanset_d / 10 % 10; dis_smg2 = smg_duanset_d / 100 % 10 & 0 x7f ; dis_smg3 = 0 x88;smg_i = 4; /A，設(shè)定值修改標識符if(menu_1 = 1) /設(shè)置報警值if(flag_lj_3_en = 0) /三次連加之后速度加快menu_ljsd = 10 ; /500ms 加減一次else menu_ljsd = 1; /50ms 加減一次if(key_can = 2) /得到k3鍵值（加）set_

28、d + ; if(set_d 350)set_d = 350;dis_smg0 = smg_duanset_d % 10; /設(shè)定值顯示(xinsh)dis_smg1 = smg_duanset_d / 10 % 10 ; dis_smg2 = smg_duanset_d / 100 % 10 & 0 x7f; dis_smg3 = 0 x88;if(key_can = 3) /得到(d do)k4鍵值（減）set_d - ; if(set_d =0;i-) _nop_(); /執(zhí)行一條_nop_()指令就是1us /*超聲波測距程序(chngx)*/void send_wave()long

29、temp = 888;c_send = 1; /10us的高電平觸發(fā)(chf) delay();c_send = 0; TH0 = 0; /給定時器0清零(qn ln)TL0 = 0;TR0 = 0; /關(guān)定時器0定時flag_hc_value = 0;while(!c_recive); /當c_recive為零時等待TR0=1;while(c_recive) /當c_recive為1計數(shù)并等待flag_time0 = TH0 * 256 + TL0;if(flag_hc_value 1) | (flag_time0 21000) /當超聲波超過測量范圍時，顯示3個888TR0 = 0;fla

30、g_csb_juli = 2;temp = 888;flag_hc_value = 0;break ;else flag_csb_juli = 1;if(flag_csb_juli = 1) /距離處理TR0=0; /關(guān)定時器0定時EA = 0;temp = TH0; /讀出定時器0的時間temp = temp * 256 + TL0;temp /= 59; /HC-SR04超聲波模塊 距離（厘米）=T*uS/58.823EA = 1;if(temp 380) /如果大于3.8m就超出超聲波的量程temp = 888; EA = 0;distance = temp; /距離(jl) EA =

31、1;/*冒泡排序（最大值沉底）*/int iBuff5;void choise(int *a,int n) /選擇(xunz)法排序 int i,j,k,temp; for(i=0;in-1;i+) k=i; /給記號(j ho)賦值 for(j=i+1;jaj) k=j; /是k總是指向最小元素*/ if(i!=k) /當k!=i是才交換，否則ai即為最小 temp=ai; ai=ak; ak=temp; /*測量距離處理及顯示函數(shù)*/void smg_display()int Buff5;char i;if(distance = 95)return; /95去掉iBuff4 = iBuff3;iBuff3 = iBuff2;iBuff2 = iBuff1;iBuff1 = iBuff0;iBuff0 = (int)distance;for(i = 0; i5; i+) Buffi = iBuffi;choise(Buff,5); /