微机原理与单片机系统课程设计
专业：轨道交通信号与控制
班级：交控1305
*名：***
学号： 201310104
指导教师：***
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2015 年 12 月 30 日
超声波测距仪设计
1 设计说明
1.1 设计目的
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，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。
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。
超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。
1.2 设计方法
本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过HC-SR04发射和接受超声波，使用AT89C51单片机对超声波进行计时并根据超声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。
1.3 设计要求
采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。
2 设计方案及原理
2.1超声波测距模块设计
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。当提供一个10uS以上正脉冲触发信号，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测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离由以上信息，在设计时选用两个定时器，定时器1用来定时800ms，当产生
中断时，启动HC-SR04超声波测距模块，即给其T RIG（发射）口送一个持续20ms 的正脉冲，定时器0用来对超声波传递时间进行计时，即当ECHO（回波）口为高电平时启动计时，当ECHO口变为低电平时关闭计时。再根据超声波在空气中的传播速度为340米每秒，通过AT89C51计算出距离，当距离超过400cm时，显示8888，表示超出工作距离。
2.2 LED显示模块设计
将算得的距离通过一个4位LED数码管采用动态扫描进行显示。
2.3 其他功能的设计
考虑到实际的需求，本设计还应增加以下功能：
1、增加一个指示灯。当ECHO（回波）口为高电平时，即超声波信号在空气中传播时，指示灯点亮。当数码管不能正常点亮时，若指示灯正常指示，则说明LED显示模块发生故障；若指示灯不能正常点亮，则说明超声波测距模块发生故障。
2、增加一个锁存按钮。由于设计时我们设计的为每800ms超声波测距模块启动一次，由于定时器会产生误差，造成测得距离不断变化，增加一个锁存按钮，当确定显示结果稳定时，按下按钮时，关闭超声波测距模块，可以使结果清楚显示。
3、增加一个待机按钮。当按下锁存按钮后，再按下待机按钮，这时关闭LED 显示，若再打开待机按钮，这时LED启动工作，显示的数值为上一次被测距离。
2.4 设计成本及定价
成本：1、HC-SR04超声波测距模块1个3.3元
2、AT89C51单片机1个2.5元
3、四位LED数码管1个1.5元
4、晶振1个0.17元
5、电路板1个0.57元
6、其他开关、电阻及电容总计0.5元
总计：8.54元
市场平均价格：12元
预计定价：10元
利润：1.46元
3 硬件设计
此系统的硬件设计主要包括HC-SR04超声波测距模块、AT89C51单片机、4
位LED显示模块，并连入指示灯、待机开关和锁存开关。
仿真时，将HC-SR04超声波测距模块用一个555延时电路来代替即可，其中调节改变滑动变阻器的阻值可以模拟被测物体距离的变化。实验仿真电路图如图1所示。
图1 设计硬件电路图
4 软件设计
此系统的软件设计主要包括超声波测距模块设计、LED显示模块设计、和其他拓展模块。采用定时器1每800ms发射一个脉冲信号启动超声波测距模块，采用定时器0计算超声波传播时间，并通过一个计算函数算得距离，然后送LED 显示屏进行动态扫描并显示结果。
4.1 程序流程图
主程序流程图如图2所示。
图2 程序流程图
4.2程序
基于AT89C51单片机的超声波测距源程序见附录一。
5 系统仿真及调试结果
基于AT89C51单片机的超声波测距仿真结果见附录二。
基于AT89C51单片机的超声波测距调试结果如图3所示。
图3 系统程序调试结果
6 总结
本设计通过对超声波测距的研究，与单片机结合，实现了超声波测距的目标，并增加了数据锁存、指示灯和待机的功能。仿真时由于软件中没有HC-SR04模块，因此用555延时电路来代替。
通过这次课程设计，我加深了对单片机的理解，也为以后更好的运用打下了基础。最后要感谢李老师的指导，在李老师的耐心解答下，我受益匪浅。
参考文献
[1] 李积英.数字电子技术.中国电力出版社,2011
[2] 深圳市捷什科技有限公司.HC-SR04超声波测距模块说明书.
[3] 彭江.单片机原理及接口技术的开发[J].软件导刊,2011,12(8):66-70.
[4] 王思明.张金敏.苟军年.张鑫.杨乔礼.单片机原理及应用系统设计.科学出版社.2012
