基于单片机的超声波测距装置
摘要
随着电子计算机技术和集成电路芯片的飞速发展，超声波测距技术日渐成熟，并且应用广泛，比如工业中的液位测量、倒车雷达、机器人避障等方面。超声波测距方法相比较传统的测距方法，它可以实现非直接接触式的测量，特别是在有毒、烟尘等的恶劣环境中；相比较激光、雷达等较先进的非直接接触的测距方法，超声波测距结构简单，其造价较低，适用于工业领域。因此，超声波测距方面的研究具有一定的实际意义。
本文详细介绍了一个基于单片机的超声波测距装置。硬件的核心器件是单片机AT89C51，还包括超声波模块，显示模块等主要器件，体积小巧，结构简单，成本较低。软件是基于C语言设计的，采用模块化的设计方法，由主程序、延时子程序、计数子程序、计算子程序、显示子程序等模块组成。该装置实现了液晶显示，测距范围是2cm-450cm，精度为1cm，可用于工业领域中的非接触式测量。
关键词：AT89C51；超声波；测距
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洛阳师范学院2013届本科生毕业设计
Abstract
With the rapid development of electronic computer technology and integrated circuit chips, ultrasonic ranging technology is maturing, and widely applied, such as liquid level measurement in the industry, reversing radar, robot obstacle avoidance. Compared to the method of ultrasonic ranging from the traditional method for measuring distance, it can realize the not direct contact measurement, particularly it has been used in toxic, smoke environment. Compared with laser, radar and other more advanced than non-contact method for measuring distance, ultrasonic ranging has simple structure, its cost is lower, it is suitable for industrial area. Therefore, the research in the ultrasonic ranging has certain practical significance.
The article detailedly introduces an ultrasonic ranging device based on single chip microcomputer. The core part in hardware is the single chip microcomputer AT89C51, and the main part includes ultrasonic module, display module. The device has small size, simple structure, and low cost. The software is designed based on C language, using modular design method, it consists of a main program, delay subroutine, counting subroutine, calculation subroutine and display subroutine etc. The device realizes the liquid crystal display, distance measuring range is 2cm-450cm, and the precision can reach 1cm, this device can be used for non-contact measurement in industrial area.
Keywords: AT89C51 ; Ultrasonic ; Ranging
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基于单片机的超声波测距装置
目录
第1章绪论 (1)
1.1课题研究背景 (1)
1.2课题研究目的和意义 (2)
1.3可行性分析 (2)
第2章课题设计方案 (4)
2.1课题结构设计 (4)
2.2课题设计思路 (4)
2.3单片机模块 (5)
2.3.1单片机技术的发展 (5)
2.3.2单片机的特点 (6)
2.3.3单片机AT89C51 (7)
2.4超声波模块 (9)
2.4.1超声波测距简介 (9)
2.4.2超声波测距原理 (9)
2.4.3超声波测距模块HY-SRF05 (10)
2.5显示模块 (13)
第3章硬件电路设计 (16)
3.1硬件电路原理图 (16)
3.2超声波模块HY-SRF05及其与单片机接口电路 (16)
3.3电源电路 (17)
3.4复位电路 (18)
3.5时钟电路 (19)
3.6显示模块LCD1602及其与单片机的接口电路 (19)
第4章软件设计 (21)
4.1主程序流程 (21)
4.2子程序流程 (23)
4.2.1 延时子程序 (23)
4.2.2 T0计数子程序 (23)
4.2.3 时间/距离转换计算子程序 (24)
4.2.4 显示子程序 (24)
第5章编译和调试 (26)
第6章工作总结和展望 (28)
参考文献 (29)
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致谢 (30)
附件 (31)
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基于单片机的超声波测距装置
第1章绪论
1.1 课题研究背景
随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，测距问题在工业中变得十分重要。传统的接触式测距方法由于其固有的局限性，已经不能满足日益发展的现代工业的需求，在各种需求的推动下，各种非接触式测距方法被开发出来，并且很成功的解决了传统接触式测距方法的很多问题。目前，非接触式测距技术包括激光测距、雷达测距和超声波测距。
激光测距是把激光器作为光源来进行测距的，有氦氖、氪镉、氢离子等气体激光器，有双异质砷化镓半导体激光器，有红宝石、铷玻璃等固体激光器等等。激光测距仪因为激光亮度高、方向性好等特点，再加上电子线路的集成化，与光电测距相比，可以很好的提高测距精度，明显的减少功耗和重量，并且因为激光测距技术的测程远、精度高等特点，对防空、海上作战、中近远程精确打击等都有非常关键的作用。
雷达测距时采用电磁波探测目标对象的测距方法，通过发射电磁波来照射目标并接收其回波，由此得到目标物体到电磁波发射点的距离、距离变化率、方位和高度等信息。因电磁波以光速传播，根据发射与接收回波的时间差，据此就可以换算成目标的精确距离。因它适用于测量远距离和快速移动的目标物，由此可以主要用于军事方面，用来安装在飞机、军舰、坦克及地面来保持对空搜索和警戒等。
超声波测距是衡量基准位置和物体表面之间距离的一种非接触式测量方法。发射不被人们听到的超声波，借助空气介质传播，根据发射与接收到回波的时间差，用公式S=vt（其中，声波速度为340m/s）来转化成被测距离。由于超声波的传播速度较光速要小的多，故其传播时间就比较容易测量，并且易于定向发射、强度好控制、方向性好，它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、液位检测、建筑测量、机器人定位方面等。
综合这三种非接触式测距技术，激光和雷达测距仪造价偏高，构造及原理复杂，主要应用于军事、测量精度非常高的场合，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波测距方法不受外界光及电磁场等因素的影响，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、雷达测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、雷达测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在某些对精度要求不太高，且需要控制成本
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的许多场合均得到普遍应用。
本课题所要研究的就是应用于工业现场的超声波测距装置，这些场合环境恶劣，但对测距的精度要求并不是很高，且要控制制造成本，在这些方面，超声波测距完全符合需要。
1.2 课题研究目的和意义
在实际应用中，一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷,比如在有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境中，传统的距离测量方法就行不通。相比之下超声波测距方法不受外界光及电磁场等因素的影响，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单、成本低，因此在工业自动化控制、建筑测量、液位测量方面有着广泛的应用，研究超声波测距在现实生活中有着重大的意义。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的传播方向上的结构信息很容易被检测出来，具有很高的分辨率，因而其准确度也较其他方法高，而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。再次，超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波，决定了它在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，同时可解决长距离的测量。超声波测距是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。
同时单片机技术也成为主流，单片机技术的发展日趋成熟，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作，也在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。现实中将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。
所以，要设计体积小巧、成本较低、结构简单的超声波测距装置，就要结合主流的单片机来设计，而且单片机的价格、体积完全符合要求，单片机的功能齐全，接口众多，控制简单，充分利用单片机的片内资源即可在较少的外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。所设计的系统必须成本较低，性能可靠，所用的元器件也容易购买，并且利用超声波测距的原理，结合单片机的数据处理，可以使整体的电路容易实现，工作稳定可靠，同时测量量程和精度也符合工业测距的需要。
1.3 可行性分析
超声波的指向性比较强、在空气中的传播距离较远、能量不易消耗、同时对光线、灰尘、电磁场不敏感，因此超声波测距对环境的适应能力较强，可以用于环境
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基于单片机的超声波测距装置
恶劣的工业测距中，同时工业测距对测量量程和精度要求并不高，且超声波测距装置的造价比激光、雷达测距仪低，操作方便，用超声波测距可以完全符合工业测距的需要。而本系统设计结合了主流的单片机，单片机的体积小、功能强、性价比高，在单片机的基础上结合超声波模块进行测距，可以方便对测距进行控制，与此同时，单片机与超声波的技术在实际生活与工业中的应用已经成熟，所以基于单片机的超声波测距在技术上是可行的。
超声波模块在网上卖的型号种类繁多，而且相对于激光、雷达测距的价格要便宜的多，同时测量量程和精度也符合要求；单片机的价格也在5-10元之间，所需要的各种零器件也价格低廉，比如电阻、电容、晶振等；所需的做系统工具也比较常见，比如电烙铁、万能板、烧写器等实验室也具有。因此可以利用单片机和超声波模块设计一个成本较低的测距装置，此装置在经济方面也是可行的。
综上所述，本设计具有技术和经济的可行性，可以着手设计。本设计是以单片机AT89C51为核心，体积较小、价格低廉、量程较远、可以实现LED液晶显示的超声波测距装置。
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第2章 课题设计方案
2.1 课题结构设计
本课题由超声波模块和显示模块以及核心部件单片机等构成。
整个系统由单片机控制，超声波部分采用综合了超声波发射、超声波接收、超声波控制的超声波模块，超声波发射信号发射到空气中，遇到被测物反射回波被超声波接收部分接收，输入单片机进行相关处理，此时计算超声波发射到接收到回波所用的往返时间，然后根据公式s=vt/2就可以计算出距离，再通过显示模块显示计算出的距离。系统总的原理框图如图2-1所示：
图2-1 系统总原理框图 2.2 课题设计思路
本设计选用现在最常用及最普遍的单片机，以单片机为核心来进行硬件结构设计。 通过往单片机里面写入程序，通过程序控制单片机发送超声波模块的触发信号，然后超声波模块内部就可以自动提供8个40KHz 周期的方波并同时检测是否有回波，一旦检测到有回波信号超声波模块会发出一个回响信号，回响信号的脉冲宽度与所要测的距离成正比的关系，由此通过记录发射信号到收到的回响信号时间间隔，利用公式s=vt/2就可以计算出所需距离。
单片机要正常工作，必须提供一个5v 的电压及一个外部时钟信号，40引脚Vcc 是接+5v 电源，20引脚Vss 是接地端。31引脚执行该引脚的第二功能，即VPP 功能，为编程电压输入端，因此也接+5v 的电源。时钟引脚为19引脚XTAL1和18引脚XTAL2，这两
单片机
电源电路
单片机外围电路 显示电路
被 测 物
超声波测距模块（包括超声波发射、超声波接收和超声波控制部分）
基于单片机的超声波测距装置
个引脚都连接外部石英晶体和微调电容，以提供单片机合适的时钟信号。9引脚RST为复位信号输入端，高电平有效，同时还可以进行手动复位。
单片机正常工作时，P0口、P1口、P2口、P3口是4个8位并行I/O口，其中P0口内部没有上拉电阻，使用时，必须在外部加上拉电阻，使用比较麻烦，所以本次设计排除了P0口的使用。而P3口可以提供第二功能，比较特殊，一般作为外部中断或者定时/计数功能使用。本设计需要的超声波测距模块以及显示模块只能选用P1口和P2口，超声波模块选择接在P1口，而显示模块选择接在P2口。
超声波部分，选择的是集超声波发射部分、超声波控制部分、超声波接收部分三者于一体的超声波模块。
显示部分，选择的是字符型液晶显示模块。因为此设计并不是仅仅显示数字，还要显示提示字母等，所以选择数码管不合适。字符型液晶显示模块，体积小、功耗低、显示内容丰富等，字符型液晶显示器件是单片机应用设计中最常用的显示器件，性价比高，可以满足设计的需要。
Protel DXP 2004是Altium公司于2004年推出的一款基于Windows 2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件，从Protel 98、Protel 99SE发展而来，该软件有多个模块组成，分别是SCH原理图设计、SCH原理图仿真、PCB印制电路板设计、Auto Router 自动布线器和FPGA设计等，且将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓扑自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供有力的支持，已经成为现在的主流设计软件。本系统的设计就是使用Protel DXP 2004来绘制的电路原理图，总体设计的电路原理图见图3-1。
编写好的软件程序，需要进行编译，没有错误，才可以烧写进硬件，进行调试。编译程序，选用的是keil的编译环境，keil C编译器是为单片机8051微控制器的软件开发提供的C语言环境编译，同时还保留了汇编代码高效、快速的特点，方便使用。
程序烧写进硬件时，选用的是superpro的编程器，此编程器支持1.2v到5v各种电压器件，烧写速度很快，可以自动检测芯片的错插和管脚的接触不良，避免损坏器件；有丰富的软件功能简化操作，可以提高用户的工作效率；支持Windows XP和Win 7等操作系统，适合各种用户的使用。
经过了结构和总体思路的设计，从图2-1可以看出系统的整个结构，下面将分别从单片机模块、超声波模块和显示模块分模块介绍。
2.3 单片机模块
2.3.1单片机技术的发展
单片机是指在一个集成芯片中，集成微处理器（CPU）、存储器、基本的I/O接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。单片机也被
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称为微控制器（Microcontroller）,由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同一硅片的器件。单片机有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变化器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量、和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机可用在更复杂的计算机网络。可以说，微机测控技术的应用已经渗透到社会生活的方方面面。1970年微型计算机研制成功之后，随着就出现了单片机（即单片微型计算机）。美国Intel公司于1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年MCS-48单片机问世以来，在短短的四十几年间，经历多次更新换代，其发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步，它已渗透到生产和生活的各个领域。在早期最典型性的当数Intel公司MCS-51系列单片机，一时间成为主流，我们有的高校到现在单片机课程还以讲解MCS-51为例。尽管目前单片机的品种很多，但是随着单片机的进一步发展，出现了众多MCS-51单片机的各种增强型和扩展型等的衍生品种的兼容机，美国ATMEL 公司推出的AT89C5x系列，尤其是此系列中的AT89C51单片机在我国目前的8位单片机应用中占有相当大的份额，成为目前单片机的主流，因此，本设计中的单片机选用ATMEL 公司的AT89C51。
2.3.2单片机的特点
随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。主要以单片机为核心的系统具有很多优点，第一功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。第二简单方便，易于普及。单片机技术是一门较为容易掌握的普及技术，这也是单片机得以快速普遍发展的原因之一。第三发展迅速，前景广阔。发展至今，单片机已经经历了4位机、8位机、16位机、32位机等的发展阶段。尤其是形式多样、集成度高、功能日臻完善的单片机不断出现使得单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足的发展和大量应用。第四潜入容易，用途广泛。单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控系统中具有十分重要的地位。在单片机的应用系统中，好多的控制功能都已经由单片机的软件程序实现，其他的电子线路则由片内的外围接口电路来代替。单片机的这些特点决定了单片机在工业控制、仪器仪表、消费类电子产品、通信领域、汽车电子设备等领域具有重大的应用。
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2.3.3单片机AT89C51
美国ATMEL 公司推出了AT89C5x 系列单片机，AT89C5x 系列单片机继承了MCS-51的原有功能，与其完全兼容，并同时增加了新的功能，比如看门狗定时器WDT 、ISP 、及SPI 串行接口技术等，其中，AT89C51单片机的时钟频率高达24MHZ ，Flash 存储器允许在线电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。另外，AT89C51单片机还支持软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其他要求低功耗的场合。AT89C51单片机片内的4KB Flash 存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此AT89C51单片机作为AT89C5x 系列单片机的代表性产品受到了应用设计者的欢迎，也是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本设计之所以选用AT89C51，一方面其性能，功能齐全，也可以与之前的单片机兼容；另一方面其价格便宜，同时也是主流单片机芯片，方便设计和学习。单片机AT89C51采用40引脚双列直插封装形式，一块芯片上包括：
8位中央处理器单元CPU ； 4KB 的程序存储器Flash ROM ； 256字节的RAM ；
2个16位的定时/计数器T0和T1；
4个8位的可编程并行I/O 端口（P0口、P1口、P2口、P3口）； 5个2级中断源；
1个全双工的串行口以及时钟电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，允许最高振荡频率为12MHZ ；
64KB 外部程序存储器寻址空间；具有位寻址功能，位寻址空间为00H-FFH,具有较强的位处理能力；特别是该系列单片机片内的Flash 可编程、可擦除只读存储器，使其在实际中有广泛应用，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更有用。AT89C51为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距装置。单片机的引脚图如图2-2所示：
图2-2 单片机引脚图
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引脚说明：
Vcc（40引脚）:接+5v电源；
Vss（20引脚）:接地；
P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口。当AT89C51单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。P0口也可作为通用的I/O口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。
P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位准双向I/O口，P1口引脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位准双向I/O口，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当由于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
P3口：P3口引脚是8位带内部上拉电阻的准双向I/O口。P3口可作为通用的I/O使用，此时当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。由此作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的原因。P3口还可提供第二功能，并且这些第二功能非常重要和有用，如表2-1所示：
表2-1 P3口引脚第二功能说明
引脚第二功能说明
P3.0 RXD 串行数据输入口
P3.1 TXD 串行数据输出口
P3.2 INT0 外部中断0输入
P3.3 INT1 外部中断1输入
P3.4 T0 定时器0外部计数输入
P3.5 T1 定时器1外部计数输入
P3.6 WR 外部数据存储器写选通输出
P3.7 RD 外部数据存储器读选通输出
RST（9引脚）：复位信号输入端，高电平有效。
ALE/PROG（30引脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许大的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入变成脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可以用作对外部输出的脉
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冲或用于定时目的，但严格来说，ALE还不宜作为精确的时钟源或定时信号。
PSEN（29引脚）：读外部程序存储器的选通信号。在有外部程序存储器取值间，每个机器周期两次PSEN才有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/VPP（31引脚）：当EA保持低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器。当EA引脚接高电平时，在PC值不超出片内4KB Flash存储器的地址范围的情况下，单片机读片内程序存储器（4KB），但超出了片内4KB Flash存储器的地址范围时，将自动转向访问外部程序存储器的程序。VPP为该引脚的第二功能，为编程电压输入端，一般加在VPP引脚的编程电压为5v。
XTAL1（19引脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。
XTAL2（18引脚）：来自反向振荡放大器的输出，连接外部石英晶体和微调电容。2.4 超声波模块
2.4.1超声波测距简介
声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。当声音的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波通常指1 秒内振动20000 次以上的高频声波。超声波的特点是它能在各种媒质中传播，波长短，因而分辨率很好，声束尖锐，声能集中，在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象，可获得较高声强。利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波的方法实现的。超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。其中，超声波测距方法有如下两种：
1. 直接式超声波测距方法
直接式超声波测距方法的原理是：测量超声波发送器发射超声波到超声波接收器接收到超声波的时间t，已知超声波在空气中的传播速度V,则超声波发送器到被测物的距离为：S=Vt
2. 反射式超声波测距方法
反射式超声波测距方法的原理是：超声波发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中遇到对象物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射到被测物间的来回传播时间t，从而发送器到被测物体的距离为：S=Vt/2
2.4.2超声波测距原理
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1. 超声波传感器
在超声波测距系统中利用超声波传感器发射和接收超声波，利用超声波在空气中的传播特性进行距离测量。利用超声波感知或检测物体，有非损害性、遥控性、实时性、等优点，在许多方面体现了超声波的独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波长范围已经达到Lm 级，超声波频率已经扩大到GHz 领域，分辨率达Pin量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:有机械方式和电气方式两张方式产生超声波。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括:压电型、磁致伸缩型和电动型等。机械方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体、钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体((PZT-4, PZT-5)等。
2. 超声波传感器的结构和发射原理
将两个压电元件（或一个压电元件和一个金属板）粘合在一起，称为双压电晶片（由一个压电元件构成的称为单压电晶片）。压电式超声波发射器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
超声波传感器可以视为一个电感、电容和电阻串联的（共振）电路其电抗特性是左侧右侧呈电容性，中间部分呈电感性。这种特性只有在高Q 值的晶体振子或者陶瓷振子中可以看到。利用这一特性构成了超声波传感器特有的电路。
超声波传感器由两个共振频率，低频的共振频率ft 叫做串联共振频率，在电阻(R)，电感(L)和电容(C1)的串联电路中振荡。这时的传感器阻抗最低；而在高频处的共振频率fa 为逆共振频率，在电阻(R)，电容(C1)和电容(C2)的串联电路中震荡。
发射超声波在串联共振频率处具有最高灵敏度，接收超声波在串联逆共振频率处具有最高灵敏度，而且由于超声波传感器具有共振特性，即使将方波输入到发射传感器，接收传感器的输出也是正弦波。
2.4.3超声波测距模块HY-SRF05
因为本身超声波模块还需要超声波发送器，超声波接收器和超声波控制部分，为了本设计的可行性，把这三个部分集中到一个超声波模块上，选用了深圳市电应普科技有限公
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基于单片机的超声波测距装置
司生产的HY-SRF05超声波测距模块，这个模块的做工比较成熟，市场占有份额较大，前期也有多种型号，而且价格便宜，容易购买。以下就是HY-SRF05超声波测距模块的介绍：
1. HY-SRF05超声波测距模块的特点
HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到1cm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。
2. HY-SRF05超声波测距模块基本工作原理
（1）采用I0口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，这里给出的是20us的高电平信号；
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过I0口ECHO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。那么这样以来测试距离=（高电平持续时间*声速（340M/S））/2
3. HY-SRF05超声波测距模块引脚介绍
HY-SRF05超声波测距模块的实物图如图2-3所示：
图2-3 HY-SRF05超声波测距模块的实物图
VCC 供5V电源
GND 为接地线
TRIG 触发控制，信号输入
ECHO 回响信号输出
OUT 开关量输出（可当报警模块使用）
4. HY-SRF05超声波测距模块电气参数：
HY-SRF05超声波测距模块的电气参数说明表如表2-2所示：
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表2-2 HY-SRF05超声波测距模块的电气参数说明表
电气参数 HY-SRF05超声波测距模块
工作电压 DC 5V 工作电流 15mA 工作频率
40Hz 最远射程 450cm 最近射程 2cm 测量角度 15度
输入触发信号 20us 的TTL 脉冲
输出回响信号 输出TTL 电平信号，与距离成比例
规格尺寸
45*20*15mm
5. 超声波时序图：
超声波测量时的时序图如图2-4所示：
图2-4 超声波测量时的序图
从时序图可以看出只需要提供一个20us 以上的脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40KHz 周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所要测的距离成正比，由此通过记录发射信号到收到的回响信号时间间隔就可以
触发信号 模块内部发出信号
输出回响信号 20us 的TTL
循环发出8个40KHz 脉冲 回响电平输出与检测距离成比例
基于单片机的超声波测距装置
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计算出所需要测量的距离。
用公式：距离=高电平时间×声速（340M/S ）/2可以计算出距离，同时根据公式：厘米=us/58转换成厘米，在显示器件上显示。
使用此模块需注意的是：
1. 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND 端先连接，否则会影响模块的正常工作。
2. 测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则会影响测量的结果。
3. 建议测量周期为60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。
2.5 显示模块
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的构成器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED 数码管、液晶显示器。发光管和LED 数码管比较常用，软硬件都比较简单，但因为本次设计不仅仅要显示数字，还要显示字符等，所以本次选用的是字符型液晶显示器件LCD1602。
1602液晶也称为1602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。LCD1602能够同时显示16×2即32个字符，可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。LCD1602需要5v 的工作电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80个字节显示数据存储器DDRAM ；内键有192个5×7点阵的字型字符发生器CGROM ；8个可由用户自定义的5×7的字符发生器CGRAM 。
LCD1602液晶模块的内部的字符发生存储器（CGROM ）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。LCD1602的引脚图如图2-5所示：
图2-5 LCD1602的引脚图
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LCD1602的主要引脚介绍如表2-3所示：
表2-3 LCD1602的引脚介绍
引脚号引脚名电平输入/输出作用
1 GND 接地
2 VCC 电源（+5v）
3 Vee 对比调整电压
4 RS 0/1 输入0=输入指令
1=输入数据
5 R/W 0/1 输入0=向LCD写入指令或数据
1=从LCD读取信息
6 EN 1，1→0 输入使能信号，1时读取信息，
1→0（下降沿）执行指令
7 D0 0/1 输入/输出数据总线line0（最低位）
8 D1 0/1 输入/输出数据总线line1
9 D2 0/1 输入/输出数据总线line2
10 D3 0/1 输入/输出数据总线line3
11 D4 0/1 输入/输出数据总线line4
12 D5 0/1 输入/输出数据总线line5
13 D6 0/1 输入/输出数据总线line6
14 D7 0/1 输入/输出数据总线line7（最高位）
15 BLA +VCC LCD背光电源正极
16 BLK 接地LCD背光电源负极
使用LCD1602时，要进行必要的设置，如显示模式设置和显示开/关及光标的设置，这些都有固定的代码，分别如表2-4和表2-5所示：
表2-4 显示模式设置表
指令码功能
0 0 1 1 1 0 0 0 设置16×2显示，5×7点阵，8位数据接口
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基于单片机的超声波测距装置
表2-5 显示开/关及光标设置表
指令码功能
0 0 0 0 1 D C B D=1 开显示；D=0 关显示
C=1 显示光标；C=0 不显示光标
B=1 光标闪烁；B=0 光标不显示
0 0 0 0 0 1 N S N=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一
N=0 当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一
S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）
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第3章硬件电路设计
3.1 硬件电路原理图
设计原理图的过程中，首先确定是单片机的最小系统，因为这个最小系统一部分是按照经验设计，一部分是按照本次装置适用的领域即工业自动化测距领域，所以选择的晶振是12MHZ，而没有选择特别大的晶振；其次就是超声波测距模块和LCD液晶显示模块，这里选择的是把超声波模块接在单片机的P1口，液晶显示模块接在P2口，液晶显示模块的一部分接在P3口，而没有选择用P0口，因为P0口还要接上拉电阻使用，为以后的焊接带来不便，这里的原因也在前面第四章进行了详细的叙述。整个测距装置硬件电路原理图如图3-1所示：
图3-1 测距硬件电路原理图
3.2 超声波模块HY-SRF05及其与单片机接口电路
绘制电路原理图的过程中，超声波模块选择的是HY-SRF05模块，而这个模块Protel DXP库中没有具体的零件电路和封装电路，所以这个模块是自己在Protel DXP中绘制的，然后加载到库中使用。绘制的超声波测距模块及其与单片机的接口电路如图3-2所示：
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