毕业论文基于51单片机的HC-SR04超声波测距系统制作

毕业论文基于51单片机的HC-SR04超声波测距系统制作基于51单片机带温度补偿的HC-SR04超声波测距系统

利用从网上购买的HC-SR04超声波模块制作了一个测距装置，HC-SR04自身不带温度补偿功能，所以加上一个使用DS18B20做的温度测量模块。整个系统包括:51单片机最小系统，超声波测距模块、温度测量模块、液晶显示模块。使用了如下主要元器件:

元件说明数量

STC90C516RC 51单片机 1

HC-SR04 超声波测距模块 1

DS18B20 温度测量模块 1

lcd1602 液晶显示模块 1

系统电路图

1

51单片机最小系统

单片机型号:STC90C516，晶振:12Mhz。自己动手焊接的最小系统板。LCD1602A液晶显示模块:

2

HC-SR04超声波测距模块

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm;模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。

实物正反两面图

HC-SR04电气参数:

HC-SR04工作原理及说明:

1、给Trig触发控制信号IO端口至少10us的高电平信号;

2、模块自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回;

3、有信号返回时，Echo回响信号输出端口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到

返回的时间;

4、两次测距时间间隔最少在60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响;

超声波时序图

3

单片机控制HC-SR04超声波测距说明:

原理图中，单片机的P1.7口接HC-SR04的Trig端口，P1.6口接HC-SR04的Echo端口，超声波在传播时碰到障碍物即返回，HC-SR04模块收到回波信号后Echo口输出一个高电平，单片机检测到高电平后即启动计数器开始计数，直到单

片机检测到Echo口变成低电平后结束计数，计数器的计数值乘以单片机计数周期就是超声波从发射到接收的往返时间，即距离S=v*t/2;

由于在室温下，声速受温度的影响，其变化关系为:V=334.1+T*0.61(T为当前

温度)，利用DS18B20温度传感器可以得到环境温度，补偿温度对声速的影响。当温度高于26度或低于14度时，上述公式不能完全满足对测量的修正了，所以高于26度时取26度，低于14度时取14度。

距离计算公式为:S=(334.1+T*0.61)*N*T/2 0

T:当前环境温度值

N:计数值

T:单片机计数周期=晶振频率/12(微秒) 0

HC-SR04测量存在不稳定性，所在对同一距离进行多次测量，并对测量结果排序，去除最大和最小值，将余下的求平均值。

程序流程图:

4

程序代码:

/*

* 程序:基于HC-SR04的超声波测距系统

* 单片机型号:STC90C516 12MHz

* 说明:按下K1键后，指示灯点亮，开始连续进行7次超声波测距，每次测距间隔80ms， * 完成后对7次结果排序并将最大的2个数值和最小的2个数值去除，对剩余的 * 3个数值取平均值。完成后指示灯灭，输出结果到LCD1602上。测量超出范围则发出报警声。

* 使用两个IO端口控制HC-SR04触发信号输入和回响信号输出，

* 以及一个T0定时器用于时间计数。

* 使用DS18B20测量环境温度，声速公式:V=334.1m/s+Temperature*0.61， * 单片机晶振为12Mhz(11.953M)，计数时为T=1us

* 计算公式:S=(334.1m/s+Temperature*0.61)*N*T/2，N为计数值

=TH0*256+TL0 */

/*包含头文件*/

#include

5

#include

#define Delay4us(){_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();}

/*宏定义*/

#define uchar unsigned char //无符号8位

#define uint unsigned int //无符号16位

#define ulong unsigned long //无符号32位

/*全局变量定义*/

sbit K1=P1^0; //按下K1后，开始测距

sbit LEDRed=P1^1; //测距指示灯，亮表示正在测距，灭表示测距完成 sbit BEEP=P1^5; //报警测量超出范围

sbit Trig=P1^7; //HC-SR04触发信号输入

sbit Echo=P1^6; //HC-SR04回响信号输出

float xdata DistanceValue=0.0; //测量的距离值

float xdata SPEEDSOUND; //声速

float xdata XTALTIME; //单片机计数周期 uchar xdata stringBuf[6]; //

数值转字符串缓冲

//LCD1602提示信息

uchar code Prompts[][16]=

{

{"Measure Distance"}, //测量距离

{"- Out of Range -"}, //超出测量范围

{"MAX range 400cm "}, //测距最大值400cm

{"MIN range 2cm "}, //测距最小值2cm

{" "}, //清屏

{" Press K1 Start "} //按键开始测量

};

uchar xdata DistanceText[]="Range: ";//测量结果字符串 uchar xdata TemperatureText[]="Temperature: ";//测量温度值

/*外部函数声明*/

extern void LCD_Initialize(); extern void LCD_Display_String(uchar *, uchar);

extern void ReadTemperatureFromDS18B20(); extern int xdata CurTempInteger;

//毫秒延时函数

void DelayMS(uint ms);

//20微秒延时函数

void Delay20us();

//HCSR04初始化

6

void HCSR04_Initialize(); //测量距离

float MeasuringDistance(); //测距的数值排序求平均

float DistanceStatistics(); //输出距离值到LCD1602上

void DisplayDistanceValue(float dat);

//将无符号的整数转成字符串，返回字符串长度，不包括'\0'结束符 uchar UnsigedIntToString(uint value);

//蜂鸣器

void Beep(uchar time);

//显示温度值

void DisplayTemperatureValue();

//测量距离

float MeasuringDistance() {

//最大定时时间约65ms

TH0=0;

TL0=0;

//生成20us的脉冲宽度的触发信号

Trig=1;

Delay20us();

Trig=0;

//等待回响信号变高电平

while(!Echo);

TR0=1; //启动定时器0

//等待回响信号变低电平

while(Echo);

TR0=0; //关闭定时器0

//返回距离值(mm)

return (SPEEDSOUND*XTALTIME*((float)TH0*256+(float)TL0))/2000; }

//HCSR04初始化

void HCSR04_Initialize()

{

//计算单片机计数周期晶振=11.953M 单位us

7

XTALTIME=12/11.953;

//温度25度时声速的值

SPEEDSOUND=334.1+25*0.61;

Trig=0;

Echo=0;

TMOD=0x01;

}

//输出距离值到LCD1602上

void DisplayDistanceValue(float dat) {

uchar i=0,j=0,len;

uint value;

value=(uint)dat;

//范围检查大于4000mm和小于20mm都为超出测量范围

if(value>4000)

{

LCD_Display_String(Prompts[1],0x00); LCD_Display_String(Prompts[2],0x40); Beep(2);

}

else if(value<20)

{

LCD_Display_String(Prompts[1],0x00); LCD_Display_String(Prompts[3],0x40); Beep(2);

}

else

{

//将数值转换成字符串

len=UnsigedIntToString(value);

//保留1位小数

while(stringBuf[i]!='\0')

{

if(len-j==1)

{

DistanceText[6+j]='.';

j++;

}else

{

DistanceText[6+j]=stringBuf[i];

i++;

j++;

}

}

DistanceText[6+j]='c';

8

j++;

DistanceText[6+j]='m';

i=7+j;

//剩余位置补空格

while(i<16)

{

DistanceText[i]=' ';

i++;

}

//LCD_Display_String(Prompts[0],0x00); LCD_Display_String(DistanceText,0x40);

}

}

//显示温度值

void DisplayTemperatureValue() { TemperatureText[13]=CurTempInteger/10+'0'; TemperatureText[14]=CurTempInteger%10+'0';

TemperatureText[15]='C';

LCD_Display_String(TemperatureText,0x00); }

//将无符号的整数转成字符串，返回字符串长度uchar UnsigedIntToString(uint value) { uchar i=0,t,length;

//从个位开始转换

do

{

stringBuf[i]='0'+value%10;

value=value/10;

i++;

}while(value!=0);

length=i;

//将字符串颠倒顺序

for(i=0;i<(length/2);i++)

{

t=stringBuf[i];

stringBuf[i]=stringBuf[length-i-1]; stringBuf[length-i-1]=t;

}

stringBuf[length]='\0';

return length;

}

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//蜂鸣器

void Beep(uchar time) {

uchar i;

for(i=0;i<100;i++)

{

BEEP=!BEEP;

DelayMS(time);

}

BEEP=0;

DelayMS(100); }

//延时函数毫秒 @12.000MHz void DelayMS(uint ms) { uchar i, j;

while(ms--)

{

_nop_();

i = 2;

j = 239;

do

{

while (--j);

}while (--i);

}

}

//延时函数 20微秒 @12.000MHz void Delay20us() {

uchar i;

_nop_();

i = 7;

while (--i);

}

//定时器0中断

void Timer0() interrupt 1

{

}

//DS18B20代码:

/*----------------------------------------------

10

* 程序功能: DS18B20温度检测程序

* 单片机型号:STC89C52 12MHz * 晶振: 12Mhz

------------------------------------------------*/

/*包含头文件*/

#include

#include

/*宏定义*/

#define uchar unsigned char //无符号8位 #define uint unsigned int //无符号16位

//定义DS18B20端口DS18B20_DQ

sbit DS18B20_DQ = P3^7;

//当前采集的温度值整数部分

int xdata CurTempInteger; //当前采集的温度值小数部分

int xdata CurTempDecimal;

/*---------------------------------------------------------------- * 功能:延时函数 STC89C52 @12MHz 12T模式 * 参数:无

* 返回:无

----------------------------------------------------------------*/ void Delayus(uint count) {

while (--count);

}

/*---------------------------------------------------------------- * 功能:DS18B20复位及状态检测

* 参数:无

* 返回:0或1，1表示未准备好，0表示准备好 ----------------------------------------------------------------*/

uchar Reset_DS18B20() {

uchar status;

DS18B20_DQ=1;

Delayus(1);

//开始复位过程

DS18B20_DQ=0; //数据线拉低

Delayus(100); //延时480us-960us

DS18B20_DQ=1; //数据线拉高

Delayus(10); //延时15us-60us

11

status=DS18B20_DQ; //读取数据线上的状态

Delayus(120);

return status;

}

/*---------------------------------------------------------------- * 功能:写一字节到DS18B20中

* 参数:dat=数据

* 返回:无

----------------------------------------------------------------*/ void WriteByteToDS18B20(uchar dat) {

uchar i;

for(i=0;i<8;i++)

{

DS18B20_DQ=0;

DS18B20_DQ=dat&0x01; //发送1位数据

Delayus(15); //延时60us以上

DS18B20_DQ=1; //释放总线，等待总线恢复

dat>>=1; //准备下一位数据

}

}

/*---------------------------------------------------------------- * 功能:从DS18B20中读一字节

* 参数:无

* 返回:读取的数据

----------------------------------------------------------------*/ uchar ReadByteFromDS18B20()

{

uchar i,dat=0;

for(i=0;i<8;i++)

{

DS18B20_DQ=0; //拉低总线，产生读信号

dat>>=1;

DS18B20_DQ=1; //释放总线，准备读1位数据 Delayus(2); //延时4us

if(DS18B20_DQ) dat|=0x80; //合并每位数据

Delayus(15); //延时60us

DS18B20_DQ=1; //拉高总线，准备读下1位数据

}

return dat;

}

/*---------------------------------------------------------------- 12

* 功能:读取温度值并转换成有符号的数值形式

* 参数:无

* 返回:无

----------------------------------------------------------------*/ void ReadTemperatureFromDS18B20() {

uchar flag=0;//正负符号标志

//存储当前采集的温度值

uchar TempValue[]={0,0};

if(Reset_DS18B20())

{

CurTempInteger=255;

CurTempDecimal=0;

}

else

{

WriteByteToDS18B20(0xCC);//跳过ROM命令

WriteByteToDS18B20(0x44);//温度转换命令

Reset_DS18B20();//复位

WriteByteToDS18B20(0xCC);//跳过ROM命令

WriteByteToDS18B20(0xBE);//读取温度暂存器命令

TempValue[0]=ReadByteFromDS18B20();//先读低字节温度值TempValue[1]=ReadByteFromDS18B20();//后读高字节温度值

Reset_DS18B20();//复位

//计算温度值

//先进行正温度与负温度判断，高5位全为1(0xF8)则为负数

if((TempValue[1]&0xF8)==0xF8)

{

//负温度计算:取反加1，低字节为0时，高字节取反加1，否则不需要。TempValue[1]=~TempValue[1];

TempValue[0]=~TempValue[0]+1;

if(TempValue[0]==0x00) TempValue[1]++;

flag=1;//负数标志

}

//将温度值分为整数和小数两部分存储(默认为12位精度) CurTempInteger=((TempValue[1]&0x07)<<4)|((TempValue[0]&0xF0)>>4); if(flag) CurTempInteger=-CurTempInteger;

CurTempDecimal=(TempValue[0]&0x0F)*625;

}

}

// LCD1602程序代码:

/*----------------------------------------------

* 程序功能:1602液晶显示程序

* 单片机型号:STC90C160 12MHz

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------------------------------------------------*/

/*1602液晶显示器控制端口分配，数据使用P0端口*/

sbit LCD_RS=P2^6;

sbit LCD_RW=P2^5;

sbit LCD_EN=P2^7;

/*--------------------------------------------

* 功能:毫秒级延时函数

* 参数:ms=毫秒数值

* 返回:无

--------------------------------------------*/