單片機超聲波測距模塊

1、實驗總成績：報告份數(shù)：1份西安郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院裝課程設(shè)計實驗報告訂線專業(yè)班級： 電科1003班學(xué)生姓名：易海博學(xué)號(班內(nèi)序號):03102085(13)2014 年3 月25 日成績鑒定表學(xué)生姓名易海博班級/學(xué)號電科1003班/03102085進(jìn)行時間2014年3月1日一2014年3月28日成績鑒定學(xué)習(xí)內(nèi)容（20 分）與教學(xué)任務(wù)計劃結(jié)合程度（10分）與專業(yè)培養(yǎng)結(jié)合程度（6分）其它（4分）學(xué)習(xí)態(tài)度 評價（20 分）實踐能力（10分）學(xué)習(xí)態(tài)度（6分）學(xué)習(xí)紀(jì)律（4分）報告鑒定（60 分）報告內(nèi)容與實踐過程緊密結(jié)合（15分）報告內(nèi)容與教學(xué)計劃內(nèi)容緊密結(jié)合（15分）報告質(zhì)量（主題、結(jié)構(gòu)、觀點、

2、邏輯、資料、字?jǐn)?shù) 30 分）評閱教師姓名陳瑞職稱講師成績評語評閱教師簽字年 月日超聲波測距模塊設(shè)計一設(shè)計目的本設(shè)計利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系， 采用STC51單片機進(jìn)行控制和 數(shù)據(jù)處理， 設(shè)計出能夠精確測量兩點間距離的超聲波測距儀。 同時了解單片機各 個管腳的功能，工作方式，計數(shù) / 定時， I/O 口相關(guān)的原理，并了解學(xué)習(xí)單片機 的相關(guān)內(nèi)容知識。二設(shè)計要求設(shè)計一個超聲波測距儀，能夠用 1 602屏實時顯示測量的數(shù)據(jù)，并要求設(shè)定 一定距離下提示報警。三設(shè)計器材元器件 數(shù)量電阻 2 個HC-SR04（ 超聲波測距模塊 ）1 片HJ1602A（ 液晶顯示模塊 ）1 片單片機最小系統(tǒng)板1個四超

3、聲波測距原理 在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲 的時間間隔， 被測物距離越大， 脈沖寬度越大， 輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。 超聲測距有以下方法： 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓（其幅值基本固定） 與距離成正比，測量電壓即可測得距離； 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波 與接收超聲波的時間間隔t，故被測距離為S=1/2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)， 如果溫度變化不大， 則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣 中的傳播速度為331.45m/s，由單片機負(fù)責(zé)計時，單片機使用12.

4、0M晶振。超聲波測距的算法設(shè)計：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15C時），x1是聲波返回的時刻，x2是聲波發(fā)聲的時刻，x2-x1得出的是一個時間差的絕對值，貝U超聲波發(fā)出遇到反射物返回的距離如下1超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下 2圖1五、設(shè)計方案及分析（包含設(shè)計電路圖）圖2系統(tǒng)框圖硬件電路設(shè)計1單片機最小系統(tǒng)控制模塊設(shè)計與比較采用 STC51單片機控制。S TC51單片機是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8KB的 系統(tǒng)可編程Flash存儲器。最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示n#i iM-I> i31 dQJ-j . -0H J鈕Jt -4KiM.Jhfs；r -M A XMAa

5、-Ii占HKVBIis*FT3I r-LfiTT-OrLr-K"*llH卅悒亍常!rH p Ai吒m.4 Alls Pll AILW-dl,圖3單片機最小系統(tǒng)2.顯示模塊設(shè)計HJ1602A顯示，連接電路簡單，顯示電路連接圖如 圖49日J(rèn)-3圖4顯示屏電路3.超聲波測距模塊vccj vcc£.cho and 1坦R .廈斕鹿償取口點口毗h g 謝4神h X 對輕圖5超聲波電路本系統(tǒng)采用超聲波模塊URF04進(jìn)行測距，該模塊使用直流5V供電, 理想條件下測距可達(dá)500cm,廣泛應(yīng)用于超聲波測距領(lǐng)域，模塊性能穩(wěn) 定，測度距離精確，盲區(qū)（2cm）超近。超聲波測距原理：單片機給超聲波傳

6、感器模塊一個觸發(fā)電平，超聲波傳感器的發(fā)射管自動發(fā)送 8個40KHZ的方波，當(dāng)超聲波檢測到障礙 物時就會信號返回，接收管接收到信號返回之后， 單片機處理從單片機 發(fā)送信號到接收到返回信號這段時間里超聲波傳感器模塊輸出高電平。這段高電平持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射到返回的傳播時間。測量距離=（高電平持續(xù)時間*波速）/2。4 .其他電路設(shè)計a. 復(fù)位電路單片機在RESET端加一個大于20ms正脈沖即可實現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù) 位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：圖6復(fù)位電路在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸 上升，RST電位下降，于是在 RST形成一個正脈沖。只要該脈沖足夠 寬就可以實現(xiàn)復(fù)位，

7、即(RC(20ms。一般取R(1K(, C(22uF。當(dāng)人按下按 鈕S1時，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電， 手動復(fù)位。R1 一般取200(。b. 時鐘電路當(dāng)使用單片機的內(nèi)部時鐘電路時， 單片機的XATL1和XATL2用來 接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇 3M24M，電容 選擇圖7時鐘電路30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容33pFc ir< III拿用IIMI工圖8按鍵電路c. 按鍵電路我們通過P1.0來啟動測量，程序中通過查詢 P1.0的電平來檢測是 否按鍵被按下，電路原理如下：當(dāng)按下按鍵時P1.0為低電平，單片機通過 查詢到低電平開始

8、測量距離，當(dāng)松開按鍵，P1.0即為高電平。在軟件中通過軟 件延時來消除按鍵的機械抖動。5.軟件程序設(shè)計軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的 讀取、距離計算、結(jié)果的輸出、數(shù)碼管顯示等工作。主程序首先是對超聲波模塊初始化，通過延時函數(shù)產(chǎn)生10us的高電平，再將計數(shù)器初始化，判斷超聲波接收端是否收到回波，進(jìn)而執(zhí)行 外部中斷程序。圖9主程序流程圖中斷程序首先關(guān)閉外部中斷，關(guān)閉計數(shù)器，然后讀出計數(shù)值，根據(jù) 公式計算距離，然后將結(jié)果送往數(shù)碼管顯示。圖10外部中斷服務(wù)子程序為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射

9、波觸發(fā)，需要延時約0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后,才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12 MHz的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)，就是 1口§當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按公式計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取30C時的聲速為340 mls則有：d=（c >t）/2=170T0/10000cm 其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。六、問題分析與解決方法1. 在拿到設(shè)計要求之后，我們根據(jù)超聲波模塊的工作原理：給超聲 波傳感器模塊一個觸發(fā)電平， 超聲波傳感器的發(fā)射管自動發(fā)送 8

10、個 40K HZ 的方波，當(dāng)超聲波檢測到障礙物時就會信號返回，接收管接收到信 號返回之后， 單片機處理從單片機發(fā)送信號到接收到返回信號這段時間 里超聲波傳感器模塊輸出高電平。 這段高電平持續(xù)時間即為超聲波從發(fā) 射到返回的傳播時間。測量距離 =（高電平持續(xù)時間 *波速） /2。我們的 設(shè)計方案是利用計數(shù)器 0 進(jìn)行計數(shù)， 通過捕獲上升沿和下降沿用計數(shù)器 來計算高電平的持序時間，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的測量。而且經(jīng)討論學(xué)習(xí)后知道，高電平持續(xù)時間二計數(shù)值X單片機的機器周期（1us）。2. 在設(shè)計數(shù)碼管顯示電路時， 在剛開始連接電路時， 發(fā)現(xiàn)連好之后， 數(shù)碼管不亮，最后我們分析電路，單片機 IO 口輸出電流太小，不

11、足以 驅(qū)動數(shù)碼管，于是我們加了一個與門的驅(qū)動器，使之前的 3A 電流變?yōu)?5A，由此數(shù)碼管就足以驅(qū)動。七、設(shè)計結(jié)果a.測試環(huán)境及工具測試距離：在實驗室的特定環(huán)境中測量了0.032.15m。測試儀器：數(shù)字萬用表，直尺。b.測試方法超聲波測距測距儀的硬件電路制作完成并調(diào)試好后， 便可將程序編 譯好下載到單片機試運行。用直尺確定障礙物的距離， 數(shù)碼管顯示測量 的距離。C.測試結(jié)果分析測距儀能測的范圍為0.032.15m，測距儀最大誤差不超過1cm。 系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。由于條件有限，我們忽略溫度的影 響，不進(jìn)行溫度補償，聲速選

12、取 340m/s.調(diào)試測量的部分測距數(shù)據(jù)如下表所示:測試序號顯示距離(m)實際距離(m)誤差(m)10.0350.0340.00121.001.00031.2571.2550.00241.3641.3650.00152.1482.1470.001調(diào)試測量的部分?jǐn)?shù)據(jù)八、設(shè)計體會與收獲本次試驗?zāi)康臑樵O(shè)計利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用STC51單片機進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出能夠精確測量兩點間距離的 超聲波測距儀。我們這次設(shè)計共有三個模塊，分別是超聲波模塊，顯示 屏模塊和報警模塊。一開始搭建完成后，在調(diào)試的時候出現(xiàn)了很多問題， 后來經(jīng)過重新檢查，最后才完成。這次課程設(shè)計雖然只有短短兩周的時間

13、，但卻是一次難得的理論與實踐相結(jié)合的機會，以前只是在書本上學(xué)習(xí)到單片機可以實現(xiàn)的很多功能，但卻沒有機會實踐，通過本次課程設(shè)計我不光復(fù)習(xí)了模電知識及單 片機知識，鍛煉了動手能力，同時也熟悉掌握了proteus仿真軟件和Pr otel電路設(shè)計軟件的使用。對于我們電科專業(yè)的學(xué)生來說，Proteus和Protel是必須掌握的電路 仿真軟件，這次課程設(shè)計給我提供了一個很好的機會，讓我可以很好地鍛煉自己的實踐能力。總的來說，此次實習(xí)還是收獲頗豐的，很感謝學(xué) ?？梢越o我們提供這樣的一次機會。附錄I：超聲波測距儀系統(tǒng)電路原理圖圖11超聲波測距儀系統(tǒng)電路原理圖附錄U：程序代碼'#in clude<

14、reg52.h>#in clude< intrin s.h>#defi ne uint un sig ned int#defi ne uchar un sig ned charsbit trig=P1A2;sbit echo=P3A2;sbit test=P1A3;sbit dula=P2A6;sbit wela=P2A7;sbit BEEP=P2A3;sbit rs=P1A0;sbit rw=P1A1;sbit lcden=P2A5;sbit k1=P3A4;uchar table1="Distance Test:"uchar table2="

15、000.0cm"uchar cache4=0,0,0,0;uint distance,timeh,timel,flag;void delay(uint x)uint a,b;for(a=x;a>0;a-) for(b=10;b>0;b-);void delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a>0;a-) for(b=100;b>0;b-);void delay20us() uchar a;for(a=0;a<100;a+);/*void beer()BEEP=0;delay2(10);*/void initime0()TMOD=0x

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17、write_com(0x38);delay(20); write_com(0x0f);delay(20); write_com(0x06);delay(20); write_com(0x01);delay(20);void display(distance)uchar a; cache1=distance/1000; cache2=distance%1000/100; cache3=distance%100;cache4=distance%10;table20=cache1+'0'table21=cache2+'0'table22=cache3+'0&#

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