西安邮电大学
单片机课程设计报告书
题目：超声波测距仪的设计
院系名称自动化学院
朱敏（06）李蕊蕊（12）朱奇峰（18）学生姓名
周腾（19）但莉（22）
专业名称测控技术与仪器
班级测控0901班
时间2012年 5 月 21 日至 6 月3 日
超声波测距仪的设计
一、设计目的
本设计利用超声波传输中距离与时间的关系，采用STC51单片机进行控制和数据处理，设计出能够精确测量两点间距离的超声波测距仪。同时了解单片机各脚的功能，工作方式，计数/定时，I/O口的相关原理，并巩固学习单片机的相关内容知识。
二、设计要求
1.设计一个超声波测距仪，能够用四段数码管准确显示所测距离
2.精度小于1CM，测量距离大于200CM
三、设计器材
元器件数量
STC51单片机 1个
超声波测距模块URF-04 1个
电阻（1K 200 4.7K） 3 个
晶振（12MHz） 1 个
共阳极四位数码管 1 个
极性电容（33pF） 2 个
非极性电容（22uF） 1 个
四、超声波测距系统原理
在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法：①取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为S=1／2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系
统的测量精度理论上可以达到毫米级。
超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15℃时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m×0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下：
图1 测距原理
超声波测距器的系统框图如下图所示：
图2 系统框图
五、设计方案及分析（包含设计电路图）
4.1硬件电路设计
4.1.1 单片机最小系统控制模块设计与比较
方案一：采用MSP430系列的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便。因此我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。
方案二：采用STC51单片机控制。STC51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8KB的系统可编程Flash 存储器。AT89S52具有以
下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路，能够满足题目设计的所有要求，而且我们对STC51单片机也比较熟悉，因此我们选择方案二。最小系统电路图如图3所示
图3 单片机最小系统
4.1.2 显示模块设计
采用四位共阳极数码管显示，连接电路简单，显示电路连接图如图4所示
图4 数码管显示电路
4.1.3超声波测距模块
a.本系统采用超声波模块URF04进行测距，该模块使用直流5V供电，理想条件下测距可达500cm，广泛应用于超声波测距领域，模块性能稳定，测度距离精确，
盲区（2cm）超近。
URF-04工作原理简述
超声波测距原理：单片机给超声波传感器模块一个触发电平，超声波传感器的发射管自动发送8个40KHZ的方波，当超声波检测到障碍物时就会信号返回，接收管接收到信号返回之后，单片机处理从单片机发送信号到接收到返回信号这段时间里超声波传感器模块输出高电平。这段高电平持续时间即为超声波从发射到返回的传播时间。测量距离=（高电平持续时间*波速）/2。
4.1.4 其他电路设计
a.复位电路
单片机在RESET端加一
个大于20ms正脉冲即可实现复
位，上电复位和按钮组合的复位
电路如下：
在系统上电的瞬间，RST与
电源电压同电位，随着电容的电
压逐渐上升，RST电位下降，于
是在RST形成一个正脉冲。只要
该脉冲足够宽就可以实现复位，
τms。一般取
即20
=RC
≥
R≥1Ω
K，C≥22uF。当人按下按钮S1时，使电容C1通过R1迅速放电，待S1弹起后，C再次充电，实现手动复位。R1一般取200Ω。
图5 复位电路
b.时钟电路
当使用单片机的内部时钟电路时，单片机的XATL1和XATL2用来接石英晶体和微调电容，如图所示，晶体一般可以选择3M~24M，电容选择30pF
左右。我们选择晶振为12MHz,电容33pF。
图6 时钟电路
c. 按键电路
我们通过P1.0来启动测量，程序中通过查询P1.0的电平来检测是否按键被按下，电路原理如下：
当按下按键时P1.0为低电平，单片机通过查询到低电平
开始测量距离，当松开按键，P1.0即为高电平。在软件中通过软
件延时来消除按键的机械抖动。
图7按键电路
4.2软件程序设计
软件分为两部分，主程序和中断服务程序。分别如图4.4和图4.5所示。主程序完成初始化工作、超声波发射和接收顺序的控制。外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出、数码管显示等工作。
主程序首先是对超声波模块初始化，通过延时函数产生10us的高电平，再将计数器初始化，判断超声波接收端是否收到回波，进而执行外部中断程序。
中断程序首先关闭外部中断，关闭计数器，然后读出计数值，根据公式计算距离，然后将结果送往数码管显示。
