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题目：超声波测距仪的设计
超声波测距仪的设计
一、设计目的
：
以
51
单片机为主控制器，利用超声波模块
HC-SR04
，设计出一套可
<
/p>
在数码管
上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。
通过该设计的制作，更为深入的了解
51
的工作原理，特别是
51
的中
断系统及
定时器
/
计数器的应用；
掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波
传感器测距的原理及
方法，学会搭建
51
的最小系统及一些简单外围电路
（
LED
显示电路
）
。从中提高电
路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并
学会仿真及软件调试的基本方法。
二、设计要求
：
设计一个超声波测距仪。要求：
1.
能在数码管上实时显示障碍物的实际距离；
2.
所测距离大于
2cm
小于
300cm,
精度
2
mm
。
三、设计器材：
STC89C52RC
单片机
HC-SR04
超声波模块
SM410561D3B
四位的共阳数码管
9014
三极管（
4
）
按键（
1
）
电容（
30PF2
,
10UF1
）
排阻（
10K
）
,
< br>万用板，电烙铁，万用表，
5V
直流稳压电源，镊子，钳
子，
导线及焊锡若干，电阻（
200
欧
5
）。<
/p>
四、设计原理及设计方案：
（一）超声波测距原理
超声测距仪是
根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。
超声
波发射器向某一方向发射超声波
，在发射同时开始计时，超声波在空气中传
播，途中碰到
障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停
止计时。通过不断检测产生
波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而
测出
发射超声波和接收到回波的时间差
T
,
然后
求出距离
L
。基本的测距公式为：
L=
（
△
t/2
）
*C
式中
L
――要测的距离
T
――发射波和反射波之间的时间间隔
C
——
超声波在空气中的声速，常温下
取为
344m/s
声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得
L
0
根据
本次设计所要求的测量距离的范围及测量精度，我们选用的是
HC-SR04
超声
波测距模块。
（
如下图所示
）
。
此模块已将发射电路和接收电路
集成好了，硬件上不必
再自行设计繁复的发射及接收电路，
软件上也无需再
通过定时器产生
40Khz
的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用
时，只要在控
制端‘
Trig
'
发一个大于
15us<
/p>
宽度的高电平
,
就可以在接收端
‘
Echo'
等待高
电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。
当此口变
为低电平时就停止计时并读出定时器的值，
间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。
此值就为此次测距的时
（二）超声波测距模块
HC-
SR04
简要介绍
HC-
SR04
超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述
:
1.
主要技术参数：
①
使用电压：
DC5V
②
静态电流：小于
2mA
③
电平输出：高
5V
11
11
④
电平输出：低
0V
⑤
感应角度：不大于
15
度
⑥
探测距离：
2cm-300cm
⑦
高精度：可达
2mm
HC-SRO
4
超声波测距模块实物图
2.
接线方式：
VCC
、
trig
（控制端）、
echo
（接收端）、
GND
使用方法：给<
/p>
Trig
端发一个
15uS
以上的高电平，就可以在接收口
Echo
端等待高
电平输出。一有输出就可以开定时器计时
,
当此口变为低电平时就
可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间
,
方可算出距离。
3.
工作原理：
①
采用
10
触发测距，给至少
10us
的高电平信
号
（
在我们的程序中我们为了
确保有效触发，给了约持续
15us
时间宽度
的高电平
）
；
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
Echo
输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从
发射到返回
的时间?测试距离
=<
/p>
（
高电平时间
*
声速
（
344M/S
））
/2
;
三）总体设计方案：
以
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单片机作为主控制器，在超声波模块
HC-SR04
的‘
Trig
'
端加一
个
大于
10us
的高电平，本次设计中我们为了确保有效触发，程
序中设置了
约为
15us
的高电平
进行触发。触发发射端产生超声波，同时在接收端
（
'Echo'
端
）
等待高电平的输出，一旦
检测到有高电平的输出就打开定时器
0
进行计
时。根据所给超声波模块的技术资料可知：‘
Echo'
端高电平持续的时间就
是超声波从发
射到返回的时间。
当超声波遇到障碍物，
回波被接收端接收到
后，‘
Echo
'
端变为低电
平。此时关闭定时器
0
（
令
TR=0
）
，读出定时器的值。
这个值即为超声波的传播时间
（
单位为
us
）
。根据声波在空气中
的传播速度，
方可算出距离。【测试距离
~
（
高电平
时间
*
声速
（
344M/S
））
< br>/2
】将此距离进行
处理，在
数码管上利用动态扫描法实时显
示。
系统的结构框图：
我们将整个系统划分为：超声波模块、显示模块，以及
电路模块。
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单片机外围工作
（四）动态显示模块：
数码管动态显
示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，
动
态驱动是将所有数码管的
8
个显示笔划
的同名端
连在一起，
另外为每个
数码管的公共极
COM
增加位选通控制电路，位选通由各自独立
的
I/O
线控制，当单片机
输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，
但究竟是那个数码管会显示出字形，
取决于单片机对位选通
COM
端电路的
控制，所以我们只要
将需要显示的数码管的选通控
制打开，
该位就显示出字
形，没有选通的数码
管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的
COM
端，就使各个数码管轮流受控
显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，
每位数码管的<
/p>
点亮时间为
1
?
2ms
,
由于人的视觉暂留现象及发光二极管的
余辉效应，尽管实际上各位数
码管并非同时点亮，但
只要扫描的速度足够快，
给人的印象就是一组稳定的显示数据，
不
会有闪烁感，动态显示的效果和静
态显示是一样的，能够节省大量的
I/O
端口，而且功耗更低。
在本次设计中，
我们选用
P0
口作为‘段码’，
连接
SM410561D3
B
‘
a,b,c,d,e,f,g,dp
< br>，
每一段的亮灭。选用
P2.4~P2.7
分别对应‘位码’，即连
接
SM410561
的‘
S1
,
S2
,
S3, S4
'
分别控制每一位的亮灭。‘
S1
,
S2
,
S3,
COM
S4
'
相当于是每一段的
COM
端，由于是共阳极，只有某一位对应
的
端为‘
1
’
时，所送的‘段码’对该端来说才是有效的。
仿真电路图
（五）硬件整体设计方案：
我们在硬件设计上主要包括以下几个模块的设计
:
（六）软件设计方案
:
开始
变量及
定时器
0
初始化
给
Trig
端
20us
的
高电平进行触发
TR0=1
打开定时
器，开始计时
TR0=0
停止计时，计算
出传
播时间
time
TH0=0
，
TL0=0
计算出传输距离
S
显示
---
'
程序如下
:
#in cludev
intrin s.h > #in cludev reg52.h >
#defi
ne uint un sig ned int #defi ne uchar un sig ned
char uchar qia n,bai,shi,ge;
单位为
cm
〃数码管显示千，百，十，个
,