超聲波測(cè)距儀單片機(jī)課設(shè)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、微機(jī)原理與單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)評(píng)語：考勤10分守紀(jì)10分過程30分設(shè)計(jì)報(bào)告30分答辯20分總成績（100分）專 業(yè)： 軌道交通信號(hào)與控制 班 級(jí)： 交控1305 姓 名： 賀云鵬 學(xué) 號(hào)： 201310104 指導(dǎo)教師： 李建國 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院2015 年 12 月 30 日超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)說明1.1 設(shè)計(jì)目的超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量。超聲波在氣體、液體及固體中以不同速度傳播，定向性好、

2、能量集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強(qiáng)。超聲波能以一定速度定向傳播、遇障礙物后形成反射，利用這一特性，通過測(cè)定超聲波往返所用時(shí)間就可計(jì)算出實(shí)際距離，從而實(shí)現(xiàn)無接觸測(cè)量物體距離。超聲波測(cè)距迅速、方便，且不受光線等因素影響，廣泛應(yīng)用于水文液位測(cè)量、建筑施工工地的測(cè)量、現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控、振動(dòng)儀車輛倒車障礙物的檢測(cè)、移動(dòng)機(jī)器入探測(cè)定位等領(lǐng)域。1.2 設(shè)計(jì)方法本課題包括數(shù)據(jù)測(cè)距模塊、顯示模塊。測(cè)距模塊包括一個(gè)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊和一片AT89C51單片機(jī)，該設(shè)計(jì)選用HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，通過HC-SR04發(fā)射和接受超聲波，使用AT89C51單片機(jī)對(duì)超聲波進(jìn)行計(jì)時(shí)并根據(jù)超聲波在空氣中速度

3、為340米每秒的特性計(jì)算出距離。顯示模塊包括一個(gè)4位共陽極LED數(shù)碼管和AT89C51單片機(jī)，由AT89C51單片機(jī)控制數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示距離。1.3 設(shè)計(jì)要求采用單片機(jī)為核心部件，選用超聲波模組，實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量，測(cè)量距離能夠通過顯示輸出(LED，LCD)。2 設(shè)計(jì)方案及原理2.1超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。當(dāng)提供一個(gè)10uS以上正脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比

4、。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離由以上信息，在設(shè)計(jì)時(shí)選用兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器1用來定時(shí)800ms，當(dāng)產(chǎn)生中斷時(shí)，啟動(dòng)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊，即給其TRIG（發(fā)射）口送一個(gè)持續(xù)20ms的正脈沖，定時(shí)器0用來對(duì)超聲波傳遞時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)，即當(dāng)ECHO（回波）口為高電平時(shí)啟動(dòng)計(jì)時(shí)，當(dāng)ECHO口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)關(guān)閉計(jì)時(shí)。再根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度為340米每秒，通過AT89C51計(jì)算出距離，當(dāng)距離超過400cm時(shí)，顯示8888，表示超出工作距離。2.2 LED顯示模塊設(shè)計(jì)將算得的距離通過一個(gè)4位LED數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描進(jìn)行顯示。 2.3 其他功能的設(shè)計(jì)考慮到實(shí)際的需求，本設(shè)計(jì)

5、還應(yīng)增加以下功能：1、增加一個(gè)指示燈。當(dāng)ECHO（回波）口為高電平時(shí)，即超聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)，指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)數(shù)碼管不能正常點(diǎn)亮?xí)r，若指示燈正常指示，則說明LED顯示模塊發(fā)生故障；若指示燈不能正常點(diǎn)亮，則說明超聲波測(cè)距模塊發(fā)生故障。2、 增加一個(gè)鎖存按鈕。由于設(shè)計(jì)時(shí)我們?cè)O(shè)計(jì)的為每800ms超聲波測(cè)距模塊啟動(dòng)一次，由于定時(shí)器會(huì)產(chǎn)生誤差，造成測(cè)得距離不斷變化，增加一個(gè)鎖存按鈕，當(dāng)確定顯示結(jié)果穩(wěn)定時(shí)，按下按鈕時(shí)，關(guān)閉超聲波測(cè)距模塊，可以使結(jié)果清楚顯示。3、增加一個(gè)待機(jī)按鈕。當(dāng)按下鎖存按鈕后，再按下待機(jī)按鈕，這時(shí)關(guān)閉LED顯示，若再打開待機(jī)按鈕，這時(shí)LED啟動(dòng)工作，顯示的數(shù)值為上一次被測(cè)距離。2.4

6、 設(shè)計(jì)成本及定價(jià)成本：1、HC-SR04超聲波測(cè)距模塊1個(gè)3.3元 2、AT89C51單片機(jī)1個(gè)2.5元 3、四位LED數(shù)碼管1個(gè)1.5元 4、晶振1個(gè)0.17元 5、電路板1個(gè)0.57元 6、其他開關(guān)、電阻及電容總計(jì)0.5元總計(jì)：8.54元市場(chǎng)平均價(jià)格：12元預(yù)計(jì)定價(jià)：10元利潤：1.46元3 硬件設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括HC-SR04超聲波測(cè)距模塊、AT89C51單片機(jī)、4位LED顯示模塊，并連入指示燈、待機(jī)開關(guān)和鎖存開關(guān)。仿真時(shí)，將HC-SR04超聲波測(cè)距模塊用一個(gè)555延時(shí)電路來代替即可，其中調(diào)節(jié)改變滑動(dòng)變阻器的阻值可以模擬被測(cè)物體距離的變化。實(shí)驗(yàn)仿真電路圖如圖1所示。圖1 設(shè)計(jì)硬

7、件電路圖4 軟件設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)、LED顯示模塊設(shè)計(jì)、和其他拓展模塊。采用定時(shí)器1每800ms發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)啟動(dòng)超聲波測(cè)距模塊，采用定時(shí)器0計(jì)算超聲波傳播時(shí)間，并通過一個(gè)計(jì)算函數(shù)算得距離，然后送LED顯示屏進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描并顯示結(jié)果。4.1 程序流程圖主程序流程圖如圖2所示。 圖2 程序流程圖4.2程序基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距源程序見附錄一。5 系統(tǒng)仿真及調(diào)試結(jié)果基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距仿真結(jié)果見附錄二?；贏T89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距調(diào)試結(jié)果如圖3所示。圖3 系統(tǒng)程序調(diào)試結(jié)果6 總結(jié)本設(shè)計(jì)通過對(duì)超聲波測(cè)距的研究，與單片機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了超聲

8、波測(cè)距的目標(biāo)，并增加了數(shù)據(jù)鎖存、指示燈和待機(jī)的功能。仿真時(shí)由于軟件中沒有HC-SR04模塊，因此用555延時(shí)電路來代替。通過這次課程設(shè)計(jì)，我加深了對(duì)單片機(jī)的理解，也為以后更好的運(yùn)用打下了基礎(chǔ)。最后要感謝李老師的指導(dǎo)，在李老師的耐心解答下，我受益匪淺。參考文獻(xiàn)1 李積英.數(shù)字電子技術(shù).中國電力出版社,20112 深圳市捷什科技有限公司.HC-SR04超聲波測(cè)距模塊說明書.3 彭江.單片機(jī)原理及接口技術(shù)的開發(fā)J.軟件導(dǎo)刊,2011,12(8):66-70.4 王思明.張金敏.茍軍年.張?chǎng)?楊喬禮.單片機(jī)原理及應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).科學(xué)出版社.2012附錄一：實(shí)驗(yàn)源程序 #include<reg51.

9、h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int #define LED_port P0 /用于LED段選#define LED_pos P1 /用于LED位選sbit qq=P26; /待機(jī)按鈕sbit suocun=P21; /鎖存結(jié)果sbit RX=P14; /回波sbit TX=P15; /送波sbit D1=P37; /接收指示燈uint time=0; /定時(shí)器0時(shí)間uint timer=0; /定時(shí)器1時(shí)間unsigned long S=0; /用于顯示最后計(jì)算得到的距離unsigned long W2=0,0;

10、/用于比較兩次測(cè)算距離大小 bit flag =0; /定時(shí)器0中斷溢出標(biāo)志位uchar value4; uchar code LED_seg10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90; /數(shù)碼管段選 uchar code pos4=0x01,0x02,0x04,0x08; /數(shù)碼管位選/*/ void Delay(uchar t) /延時(shí)函數(shù) uchar i,j,k; for(i=0;i<t;i+) for(j=0;j<20;j+) for(k=0;k<20;k+);/*/void value_shift(uch

11、ar value) /將距離值的每一位放到數(shù)組中 value0=S/1000; value1=S/100%10; value2=S/10%10; value3=S%10;/*/void Display(uchar value) /數(shù)碼管顯示 uchar i; for(i=0;i<4;i+) LED_pos=posi; LED_port=LED_segvaluei; Delay(1); /*/void zd3() interrupt 3 /T1中斷用來掃描數(shù)碼管和計(jì)800MS啟動(dòng)模塊 /這是計(jì)時(shí)器1中斷 TH1=0xf8; /賦初值，2msTL1=0x30;timer+;if(timer&

12、gt;=400) timer=0; TX=0; /800MS 啟動(dòng)一次模塊 /Delay(30); /一次超聲波信號(hào)時(shí)長30ms,仿真時(shí)只需加負(fù)脈沖，故屏蔽此句 TX=1; /*/void zd0() interrupt 1 /T0中斷用來計(jì)數(shù)器溢出 flag=1; /中斷溢出標(biāo)志/*/void Count(void) /計(jì)算程序time=TH0*256+TL0; /這是最后算到的時(shí)間，往返時(shí)間，但應(yīng)該再乘以12/11.0593M是一個(gè)機(jī)器周期，時(shí)間應(yīng)該是time*12/11.059TH0=0; /定時(shí)器0的初始值為0TL0=0; S=(time*1.845)/10; /算出來是mm，time

13、*12*170/(11.0592*1000)mm=time*（1845/10000） mmW0=S; if(W0-W1)2)<=100) /進(jìn)行校正，若兩次結(jié)果相差小于10mm，則采用前一次結(jié)果 S=W1;else W1=S;if (S>=4000) /最大距離4m，即4000mmS=8888;if (flag=1) /判斷是否溢出 S=8888;flag=0;TH0=0;TL0=0; /*/ void main( void ) TMOD=0x11; /設(shè)T0為方式1，T1為方式1TH0=0; /中斷0初始化 TL0=0; /中斷1初始化TH1=0XF8;TL1=0X30; ET0=1; /允許T0中斷ET1=1;TR1=1;qq=1;suocun=0;EA=1; while(1) while(!RX); /當(dāng)RX為零時(shí)等待，即echo為低電平 TX=1; TR0=1; D1=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX); /當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR0=0; /關(guān)閉計(jì)數(shù) D1=0; /關(guān)指示燈 whi