超声波测距课程设计

目录

1．前言 (1)

2. 总体方案设计 (2)

2.1 电源模块选择 (2)

2.2 显示模块选择 (2)

2.3 报警模块选择 (3)

2.4 测距模块选择 (3)

2.5 主控芯片选择 (3)

2.6系统总方框图 (4)

3.各模块电路设计 (5)

3.1 HC-SR04超声波模块设计 (5)

3.2单片机最小系统模块设计 (6)

3.3电源模块设计 (7)

3.4声光报警模块设计 (7)

3.5液晶显示模块设计 (8)

4.系统软件设计 (9)

4.1 keil uvision4介绍 (9)

4.2 程序流程图 (10)

5.设计总结 (11)

6.参考文献 (12)

附录一：系统总图 (13)

附录二：相关程序 (14)

1．前言

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的,测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：L=C×T。

本文基于51单片机和HC-SR04超声波传感器设计出了一套测量和现实距离系统，运用超声波测距系统原理，将采集到的距离信息通过1602液晶显示，并设置有声光报警功能，当测量距离小于设定的门限值时，单片机会驱动无源蜂鸣器和LED进行报警，单片机会根据距离改变驱动方式，距离越近，蜂鸣器发声频率会越高，LED也会越亮。

2. 总体方案设计

2.1 电源模块选择

方案一：采用两节五号的干电池作为主控芯片的供电电源。此方案简单易行，但是此系统是处于长期工作状态对电量的消耗比较大。

方案二：采用汽车自带的汽车电瓶12V电源降压后供电。此方案较好的利用汽车自身能源，避免单独电源给防撞系统供电，可使系统长期安全不掉电工作。

方案三：采用集成稳压芯片7805，输出稳定的5V对整个系统供电。

确定方案：综合考虑成本和系统的稳定性，决定选择方案三的供电方法。

2.2 显示模块选择

方案一: LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

方案二:LCD12864液晶，能显示汉字，字符，数字等，但是体积较为庞大，所占空间较大。

方案三:诺基亚5110液晶,该模块具有以下特点：

84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的ＳＰI、MCU51的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。

方案四：数码管，显示较为稳定，抗干扰较强，但是显示能力单一，显示内容会受到一定限制。

确定方案：为了平衡作品体积和显示功能需求之间的矛盾，故选择LCD1602液晶作为显示模块。

2.3 报警模块选择

方案一:ISD4004，功能强大，能自如的录音和放音，且录放音时间持续很长，储存能力较好，还能进行短时间音乐的播放。但是炒作较为复杂，同时价格也较为昂贵。

方案二：ISD1760，功能较为强大，能建议的进行录音和放音，能持续一段时间的录放音，但时间不长。操作复杂性不高，价格适中。

方案三：采用无源蜂鸣器进行报警，利用单片机发出频率可变的方波，可以驱动蜂鸣器发出频率不同的声音，达到报警的目的，并且声音频率还可以和测量距离相结合，蜂鸣器价格较为便宜，安装也较为方便。

确定方案：从实际需求的角度出发，摒弃一味追求难度的不良思维，鉴于本设计对放音时长的需求不大，故确定选择无源蜂鸣器进行报警，结合LED进行光信号报警，单片机发出占空比不同的PWM波，可以驱动LED发出不同的亮度，结合测量距离，反馈出不同的光信号报警效果。

2.4 测距模块选择

方案一：光栅传感器模块：接触型测量，距离近，精度非常高，能进行较为微小的距离测量主要用于高精度切割等；

方案二：超声波传感器模块：非接触型测量，距离一般，最多几十米，精度厘米级，操作简单，价格较为低廉，但对被测物体面积有要求。

方案三：红外测距传感器模块：非接触型测量，非可见光，距离短，精度不高，同时易受干扰，红外感应器使用较多。

方案四：激光测距传感器模块：非接触型测量，可见光，距离全能，有远也有近，精度有MM级、也有厘米级等，但造价比较昂贵,应用多为高精度高性能领域。

确定方案：从价格和实际的实用性方面和应用领域等各个方面综合考虑，决定选择超声波传感器模块。

2.5 主控芯片选择

方案一：STC89C52系列单片机，此系列单片机比较常用、价格便宜、操作简单、独立的I/O口数量较多，方便购买。但计算能力一般。

方案二：ARM系列单片机，ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。

方案三：FPGA系列芯片，FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB

（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB （Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O 模块重新配置，以实现用户的逻辑

综合考虑，51单片机虽然计算能力较弱，但是已经完全能够满足温度测量显示的要求，ARM系列单片机价格较贵，FPGA系列芯片价格也比较昂贵，并且不能进行浮点预算，综合考虑决定选择方案一。

2.6系统总方框图

超声波测距系统设计系统框图如图1所示：

51单片机最小系统

超声波测距模块蜂鸣器报警模块

LED 光信号模块

LCD1602液晶显示模块

电源模块

图1

3.各模块电路设计

3.1 HC-SR04超声波模块设计

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-4cm 的非接触式距离感测功能，测距精

度可高达3mm ；模块包括超声波发射器，接收器与控制电路。气接线简单，只需要和单片机连接发射和接收管脚就能进行使用，模块电路如图2.

图2

3.2单片机最小系统模块设计

本设计采用了51单片机作为主控芯片，该单片机最小系统包含几个单元：复位单元，晶振单元，上拉电阻单元等，具体电路如图3。

图3

3.3电源模块设计

本系统使用的是7805线性稳压芯片作为电源模块，该模块输出电压稳定，结构简单可靠，具体电路如图4所示。

图4

3.4声光报警模块设计

本设计采用无源蜂鸣器和LED进行声光报警。无源蜂鸣器是蜂鸣器的一种，区别于有源蜂鸣器，无源蜂鸣器是内部不带振荡源的蜂鸣器，是一体化结构的电子讯响器，在电路中的图形符号位H或者HA。无源蜂鸣器是靠压电效应的原理来发声的，压电材料,一般常见的是各种压电陶瓷. 这种材料的特别之处在于,当电压作用于压电材料时,就会随电压和频率的变化产生机械变形.另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生电荷.就是说这种材料能把机械变形和电荷相互转化，压电式蜂鸣器里面的起振片,就是一种压电陶瓷.如上所述,要让它振动,除了压电陶瓷本身,还需要适当大小和频率变化的电压作用于压电陶瓷.压电式(有源)蜂鸣器内部带有多谐振荡器,可以产生 1.5—2.5kHZ 的电压信号. 由此压电式蜂鸣器才能发声。

因此，只要单片机产生不同频率的方波来驱动无源蜂鸣器，就能实现不同频率的发声效果，而如果单片机产生不同占空比的PWM波驱动LED，LED就会发出不同强度的光，结合超声波测量的距离，距离越近时蜂鸣器发生频率越高，LED

也越亮，实现不同的声光报警效果。蜂鸣器驱动电路如图5，LED驱动电路如图6。

图5

图6

3.5液晶显示模块设计

本设计采用的是LCD1602液晶显示，该模块接线方便，可以直接连接单片机进行驱动，模块电路如图7。

图7

4.系统软件设计

4.1 keil uvision4介绍

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立供应商。Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的Keil Elektronik GmbH 和美国德克萨斯的Keil Software Inc。Keil公司制造和销售种类广泛的开发工具，包括ANSI C编译器、宏汇编程序、调试器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心（real-time kernel）。有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。其Keil C51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支持超过500种8051变种。

4.2 程序流程图

开始

单片机初始化

LCD初始化

开外部中断

开定时器中断

读取超声波反

馈的距离

距离是否超限

是否

将距离换算成

频率和占空比

驱动LED驱动蜂鸣器

LCD显示距离

5.设计总结

本设计基于51单片机和超声波测距模块，将测量的距离通过LCD1602进行显示，并设置了门限值5CM，当测量距离大于5厘米时，液晶正常显示，当距离小于5厘米时，液晶显示报警信号，与此同时，蜂鸣器和LED进行声光报警，距离越近，蜂鸣器报警频率就会越高，LED也会越亮，当测量距离大于5里米时才会退出报警模式。本设计综合了测量显示和报警模块，形成了一个完整的测量系统，并巧妙运用了无源蜂鸣器和LED的特点，使用单片机发出不同频率和占空比的脉冲，充分利用了51单片机的内部资源，科学地形成了一个整体，具有较强的可行性和实用性。

6.参考文献

[1] 杨天怡主编，微型计算机控制技术，重庆：重庆大学出版社；

[2] 涂时亮编，单片微机控制技术，上海：复旦大学出版社；

[3] 黄胜军编，微机控制应用实验与实例，北京：清华大学出版社；

[4] 陈理壁．步进电机及其应用[M]，上海: 上海科学技术出版社；

[5] 刘国荣．单片微型计算机技术，北京:机械工业出版社；

[6] 王福瑞编，单片微机测控系统设计大全，北京:北京航空航天大学出版社；

[7] 潘新民编，单片微型计算机实用系统设计，北京: 人民邮电出版社；

[8] 李伯成编，IBM - PC 微机应用系统设计，西安：西安电子科技大学；

[9] 微机控制技术及其应用方面的教材、期刊、杂志。

附录一：系统总图

附录二：相关程序

/*============================================

//HC-SRO4 超声波测距模块DEMO 程序

============================================*/

#include //器件配置文件

#include

#define RX P2_7

#define TX P2_6

#define LCM_RW P3_4 //定义LCD引脚

#define LCM_RS P3_3

#define LCM_E P3_5

#define LCM_Data P1

#define Key_Data P2_0 //定义Keyboard引脚

#define Key_CLK P3_2

#define Busy 0x80 //用于检测LCM状态字中的Busy标识

void LCMInit(void);

void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData);

void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData); void Delay5Ms(void);

void Delay400Ms(void);

void Decode(unsigned char ScanCode);

void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM);

void WriteCommandLCM(unsigned char WCLCM,BuysC);

unsigned char ReadDataLCM(void);

unsigned char ReadStatusLCM(void);

unsigned char code mcustudio[] ={"https://www.360docs.net/doc/6b9764085.html,"};

unsigned char code email[] = {"fhwxaoo@https://www.360docs.net/doc/6b9764085.html, "};

unsigned char code Cls[] = {" "};

unsigned char code ASCII[15] = {'0','1','2','3','4','5','6','7','8','9','.','-','M'};

static unsigned char DisNum = 0; //显示用指针

unsigned int time=0;

unsigned long S=0;

bit flag =0;

unsigned char disbuff[4] ={ 0,0,0,0,};

//写数据

void WriteDataLCM(unsigned char WDLCM)

{

ReadStatusLCM(); //检测忙

LCM_Data = WDLCM;

LCM_RS = 1;

LCM_RW = 0;

LCM_E = 0; //若晶振速度太高可以在这后加小的延时

LCM_E = 0; //延时

LCM_E = 1;

}

//写指令

void WriteCommandLCM(unsigned char WCLCM,BuysC) //BuysC为0时忽略忙检测{

if (BuysC) ReadStatusLCM(); //根据需要检测忙

LCM_Data = WCLCM;

LCM_RS = 0;

LCM_RW = 0;

LCM_E = 0;

LCM_E = 0;

LCM_E = 1;

}

//读数据

unsigned char ReadDataLCM(void)

{

LCM_RS = 1;

LCM_RW = 1;

LCM_E = 0;

LCM_E = 0;

LCM_E = 1;

return(LCM_Data);

}

//读状态

unsigned char ReadStatusLCM(void)

{

LCM_Data = 0xFF;

LCM_RS = 0;

LCM_RW = 1;

LCM_E = 0;

LCM_E = 0;

LCM_E = 1;

while (LCM_Data & Busy); //检测忙信号

return(LCM_Data);

}

void LCMInit(void) //LCM初始化

{

LCM_Data = 0;

WriteCommandLCM(0x38,0); //三次显示模式设置，不检测忙信号Delay5Ms();

WriteCommandLCM(0x38,0);

Delay5Ms();

WriteCommandLCM(0x38,0);

Delay5Ms();

WriteCommandLCM(0x38,1); //显示模式设置,开始要求每次检测忙信号

WriteCommandLCM(0x08,1); //关闭显示

WriteCommandLCM(0x01,1); //显示清屏

WriteCommandLCM(0x06,1); // 显示光标移动设置

WriteCommandLCM(0x0F,1); // 显示开及光标设置

}

//按指定位置显示一个字符

void DisplayOneChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char DData)

{

Y &= 0x1;

X &= 0xF; //限制X不能大于15，Y不能大于1

if (Y) X |= 0x40; //当要显示第二行时地址码+0x40;

X |= 0x80; //算出指令码

WriteCommandLCM(X, 1); //发命令字

WriteDataLCM(DData); //发数据

}

//按指定位置显示一串字符

void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData) {

unsigned char ListLength;

ListLength = 0;

Y &= 0x1;

X &= 0xF; //限制X不能大于15，Y不能大于1

while (DData[ListLength]>0x19) //若到达字串尾则退出

{

if (X <= 0xF) //X坐标应小于0xF

{

DisplayOneChar(X, Y, DData[ListLength]); //显示单个字符

ListLength++;

X++;

}

}

}

//5ms延时

void Delay5Ms(void)

{

unsigned int TempCyc = 5552;

while(TempCyc--);

}

//400ms延时

void Delay400Ms(void)

{

unsigned char TempCycA = 5;

unsigned int TempCycB;

while(TempCycA--)

{

TempCycB=7269;

while(TempCycB--);

};

}

/********************************************************/ void Conut(void)

{

time=TH0*256+TL0;

TH0=0;

TL0=0;

S=(time*1.7)/100; //算出来是CM

if((S>=700)||flag==1) //超出测量范围显示“-”

{

flag=0;

DisplayOneChar(0, 1, ASCII[11]);

DisplayOneChar(1, 1, ASCII[10]); //显示点

DisplayOneChar(2, 1, ASCII[11]);

DisplayOneChar(3, 1, ASCII[11]);

DisplayOneChar(4, 1, ASCII[12]); //显示M

}

else

{

disbuff[0]=S%1000/100;

disbuff[1]=S%1000%100/10;

disbuff[2]=S%1000%10 %10;

DisplayOneChar(0, 1, ASCII[disbuff[0]]);

DisplayOneChar(1, 1, ASCII[10]); //显示点

DisplayOneChar(2, 1, ASCII[disbuff[1]]);

DisplayOneChar(3, 1, ASCII[disbuff[2]]);

DisplayOneChar(4, 1, ASCII[12]); //显示M

}

}

/********************************************************/ void zd0() interrupt 1 //T0中断用来计数器溢出,超过测距范围{