單片機超聲波測距模塊

1、實驗總成績： 裝 訂 線報告份數(shù)： 1份 西安郵電大學 通信與信息工程學院 課程設計實驗報告專業(yè)班級： 電科1003班 學生姓名： 易海博 學號(班內(nèi)序號): 03102085（13） 2014 年 3 月 25 日成績鑒定表學生姓名易海博班級/學號電科1003班/03102085進行時間2014年3月 1日 2014年3月28日成績鑒定學習內(nèi)容（20分）與教學任務計劃結(jié)合程度（10分）與專業(yè)培養(yǎng)結(jié)合程度（6分）其它（4分）學習態(tài)度評價（20分）實踐能力（10分）學習態(tài)度（6分）學習紀律（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)容與教學計劃內(nèi)容緊密結(jié)合（15分）報告

2、質(zhì)量(主題、結(jié)構(gòu)、觀點、邏輯、資料、字數(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 超聲波測距模塊設計一設計目的本設計利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用STC51單片機進行控制和數(shù)據(jù)處理，設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，并了解學習單片機的相關(guān)內(nèi)容知識。二設計要求設計一個超聲波測距儀，能夠用1602屏實時顯示測量的數(shù)據(jù)，并要求設定一定距離下提示報警。三設計器材 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

3、個4 超聲波測距原理 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，則可認為聲速基本不變。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波在標準空氣中的傳播速度?31.45m/s，由單片機負責計時，單片機使用12.0M晶振。超聲波測

4、距的算法設計：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15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，則超聲波發(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 圖2 系統(tǒng)框圖五、設計方案及分析（包含設計電路圖）硬件電路設計 1.單片機最小系統(tǒng)控制模塊設計與比較采用STC51單片機控制。STC51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所示圖3 單片機最小系統(tǒng)2. 顯示模塊設計HJ1602A顯示，連接電路簡單，顯示電路連接圖如圖4圖4 顯示屏電路3. 超聲波測距模

5、塊圖5 超聲波電路本系統(tǒng)采用超聲波模塊URF04進行測距，該模塊使用直流5V供電，理想條件下測距可達500cm，廣泛應用于超聲波測距領域，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 .其他電路設計a.復位電路單片機在RESET端加一個大于20ms正脈沖即

6、可實現(xiàn)復位，上電復位和按鈕組合的復位電路如下：圖6 復位電路在系統(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?qū)捑涂梢詫崿F(xiàn)復位，即(RC(20ms。一般取R(1K(，C(22uF。當人按下按鈕S1時，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，手動復位。R1一般取200(。b.時鐘電路當使用單片機的內(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30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容33pF。圖7 時鐘電路圖 8按鍵電路c. 按鍵電路我

7、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：當按下按鍵時P1.0為低電平，單片機通過 查詢到低電平開始測量距離，當松開按鍵，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.軟件程序設計軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序。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，進而執(zhí)行外部中斷程序。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

8、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9主程序流程圖圖10 外部中斷服務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1s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，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，設計時取30時的聲速為340 m/s則有： d=(ct)/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

9、設計要求之后，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個40KHZ的方波，當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。我們的設計方案是利用計數(shù)器0進行計數(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)討論學習后知道，高電平持續(xù)時間=計數(shù)值單片機的機器周期（1us）。2.在設計數(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

10、，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)?A，由此數(shù)碼管就足以驅(qū)動。七、設計結(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)試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。由于條件有限，我們忽略

11、溫度的影響，不進行溫度補償，聲速選取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)試測量的部分數(shù)據(jù)八、設計體會與收獲本次試驗目的為設計利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用STC51單片機進行控制和數(shù)據(jù)處理，設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

12、設計雖然只有短短兩周的時間，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習到單片機可以實現(xiàn)的很多功能，但卻沒有機會實踐，通過本次課程設計我不光復習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Protel電路設計軟件的使用。對于我們電科專業(yè)的學生來說，Proteus和Protel是必須掌握的電路仿真軟件，這次課程設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?？偟膩碚f，此次實習還是收獲頗豐的，很感謝學?？梢越o我們提供這樣的一次機會。附錄：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：程序代碼#include #i

13、nclude #define uint unsigned int #define uchar unsigned char sbit trig=P12; sbit echo=P32; sbit test=P13; sbit dula=P26; sbit wela=P27; sbit BEEP=P23;sbit rs=P10;sbit rw=P11;sbit lcden=P25;sbit k1=P34;uchar table1=Distance Test:;uchar table2=000.0cm;uchar cache4=0,0,0,0;uint distance,timeh,timel,fla

14、g;void delay(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=10;b0;b-); void delay1(uint x)uint a,b;for(a=x;a0;a-)for(b=100;b0;b-); void delay20us() uchar a; for(a=0;a100;a+); /*void beer() BEEP=0; delay2(10); */ void initime0() TMOD=0x01; TH0=0; TL0=0; EA=0; ET0=0; EX0=0; voidestern() interrupt 0 timeh=TH0; ti

15、mel=TL0; flag=1; EX0=0; TR0=0; void write_com(uchar com) P0=com;rs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void write_date(uchar date)P0=date;rs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void init() rw=0;dula=0;wela=0;write_com(0x38); delay(20);write_com(0x0f); delay(20);write_com(0x06); d

16、elay(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; table24=cache4+0; write_com(0x80+2); delay(20);for(a=0;a13;a+) write_date(table1a);delay(20); write_com(0xc0+9);delay(50);for(a=0;a13;a+) write_date(table2a);delay(40); void shixi() EA=0; echo=1; trig=1; delay20us(); trig=0; while(echo=0); flag=0; EA=1; EX0=1; TR0=1; TH0=0; TL0=0; delay1(50); TR0=0; EX0=0; if(flag=1) uint time;