基于单片机的超声波测距装置毕业论文

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1、基于单片机的超声波测距装置摘要随着电子计算机技术和集成电路芯片的飞速发展，超声波测距技术日渐成熟，并且应用广泛，比如工业中的液位测量、倒车雷达、机器人避障等方面。超声波测距方法相比较传统的测距方法，它可以实现非直接接触式的测量，特别是在有毒、烟尘等的恶劣环境中；相比较激光、雷达等较先进的非直接接触的测距方法，超声波测距结构简单，其造价较低，适用于工业领域。因此，超声波测距方面的研究具有一定的实际意义。本文详细介绍了一个基于单片机的超声波测距装置。硬件的核心器件是单片机AT89C51，还包括超声波模块，显示模块等主要器件，体积小巧，结构简单，成本较低。软件是基于C语言设计的，采用模块化的设计方法

2、，由主程序、延时子程序、计数子程序、计算子程序、显示子程序等模块组成。该装置实现了液晶显示，测距范围是2cm-450cm，精度为1cm，可用于工业领域中的非接触式测量。关键词：AT89C51；超声波；测距AbstractWith the rapid development of electronic computer technology and integrated circuit chips, ultrasonic ranging technology is maturing, and widely applied, such as liquid level measurement in

3、the industry, reversing radar, robot obstacle avoidance. Compared to the method of ultrasonic ranging from the traditional method for measuring distance, it can realize the not direct contact measurement, particularly it has been used in toxic, smoke environment. Compared with laser, radar and other

4、 more advanced than non-contact method for measuring distance, ultrasonic ranging has simple structure, its cost is lower, it is suitable for industrial area. Therefore, the research in the ultrasonic ranging has certain practical significance.The article detailedly introduces an ultrasonic ranging

5、device based on single chip microcomputer. The core part in hardware is the single chip microcomputer AT89C51, and the main part includes ultrasonic module, display module. The device has small size, simple structure, and low cost. The software is designed based on C language, using modular design m

6、ethod, it consists of a main program, delay subroutine, counting subroutine, calculation subroutine and display subroutine etc. The device realizes the liquid crystal display, distance measuring range is 2cm-450cm, and the precision can reach 1cm, this device can be used for non-contact measurement

7、in industrial area.Keywords: AT89C51 ; Ultrasonic ; Ranging毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业

8、设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月

9、日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录第1章 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究目的和意义21.3 可行性分析2第2章 课题设计方案42.1 课题结构设计42.2 课题设计思路42.3 单片机模块52.3.1单片机技术的发展52.3.2单片机的特点62

10、.3.3单片机AT89C5172.4 超声波模块92.4.1超声波测距简介92.4.2超声波测距原理92.4.3超声波测距模块HY-SRF05102.5 显示模块13第3章 硬件电路设计163.1 硬件电路原理图163.2 超声波模块HY-SRF05及其与单片机接口电路163.3 电源电路173.4 复位电路183.5 时钟电路193.6 显示模块LCD1602及其与单片机的接口电路19第4章 软件设计214.1 主程序流程214.2 子程序流程234.2.1 延时子程序234.2.2 T0计数子程序234.2.3 时间/距离转换计算子程序244.2.4 显示子程序24第5章 编译和调试26第

11、6章 工作总结和展望28参考文献29致 谢30附件3137第1章 绪论1.1 课题研究背景 随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展，测距问题在工业中变得十分重要。传统的接触式测距方法由于其固有的局限性，已经不能满足日益发展的现代工业的需求，在各种需求的推动下，各种非接触式测距方法被开发出来，并且很成功的解决了传统接触式测距方法的很多问题。目前，非接触式测距技术包括激光测距、雷达测距和超声波测距。激光测距是把激光器作为光源来进行测距的，有氦氖、氪镉、氢离子等气体激光器，有双异质砷化镓半导体激光器，有红宝石、铷玻璃等固体激光器等等。激光测距仪因为激光亮度高、方向性好等特点，再加上电子线路

12、的集成化，与光电测距相比，可以很好的提高测距精度，明显的减少功耗和重量，并且因为激光测距技术的测程远、精度高等特点，对防空、海上作战、中近远程精确打击等都有非常关键的作用。雷达测距时采用电磁波探测目标对象的测距方法，通过发射电磁波来照射目标并接收其回波，由此得到目标物体到电磁波发射点的距离、距离变化率、方位和高度等信息。因电磁波以光速传播，根据发射与接收回波的时间差，据此就可以换算成目标的精确距离。因它适用于测量远距离和快速移动的目标物，由此可以主要用于军事方面，用来安装在飞机、军舰、坦克及地面来保持对空搜索和警戒等。超声波测距是衡量基准位置和物体表面之间距离的一种非接触式测量方法。发射不被人

13、们听到的超声波，借助空气介质传播，根据发射与接收到回波的时间差，用公式S=vt（其中，声波速度为340m/s）来转化成被测距离。由于超声波的传播速度较光速要小的多，故其传播时间就比较容易测量，并且易于定向发射、强度好控制、方向性好，它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、液位检测、建筑测量、机器人定位方面等。综合这三种非接触式测距技术，激光和雷达测距仪造价偏高，构造及原理复杂，主要应用于军事、测量精度非常高的场合，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波测距方法不受外界光及电磁场等因素的影响，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单，成本低，因此

14、在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、雷达测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、雷达测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单和造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在某些对精度要求不太高，且需要控制成本的许多场合均得到普遍应用。本课题所要研究的就是应用于工业现场的超声波测距装置，这些场合环境恶劣，但对测距的精度要求并不是很高，且要控制制造成本，在这些方面，超声波测距完全符合需要。1.2 课题研究目的和意义在实际应用中，一些传统

15、的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷,比如在有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境中，传统的距离测量方法就行不通。相比之下超声波测距方法不受外界光及电磁场等因素的影响，在比较恶劣的环境中也具有一定的适应能力，且结构简单、成本低，因此在工业自动化控制、建筑测量、液位测量方面有着广泛的应用，研究超声波测距在现实生活中有着重大的意义。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的传播方向上的结构信息很容易被检测出来，具有很高的分辨率，因而其准确度也较其他方法高，而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。再次，超声波是一种指向性强，能量消耗慢的波，决定了它在介

16、质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，同时可解决长距离的测量。超声波测距是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。同时单片机技术也成为主流，单片机技术的发展日趋成熟，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。它和一般的集成电路相比有较好的抗干扰能力，对环境的温度和湿度都有较好的适应性，可以在工业条件下稳定工作，也在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。现实中将测量技术、自动控制技术和单片机技术相结合，充分发挥其数据处

17、理功能和实时控制功能，使系统工作处于最佳状态，提高系统的生产效率和产品质量。所以，要设计体积小巧、成本较低、结构简单的超声波测距装置，就要结合主流的单片机来设计，而且单片机的价格、体积完全符合要求，单片机的功能齐全，接口众多，控制简单，充分利用单片机的片内资源即可在较少的外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。所设计的系统必须成本较低，性能可靠，所用的元器件也容易购买，并且利用超声波测距的原理，结合单片机的数据处理，可以使整体的电路容易实现，工作稳定可靠，同时测量量程和精度也符合工业测距的需要。1.3 可行性分析超声波的指向性比较强、在空气中的传播距离较远、能量不易消耗、同时对光线、灰尘

18、、电磁场不敏感，因此超声波测距对环境的适应能力较强，可以用于环境恶劣的工业测距中，同时工业测距对测量量程和精度要求并不高，且超声波测距装置的造价比激光、雷达测距仪低，操作方便，用超声波测距可以完全符合工业测距的需要。而本系统设计结合了主流的单片机，单片机的体积小、功能强、性价比高，在单片机的基础上结合超声波模块进行测距，可以方便对测距进行控制，与此同时，单片机与超声波的技术在实际生活与工业中的应用已经成熟，所以基于单片机的超声波测距在技术上是可行的。超声波模块在网上卖的型号种类繁多，而且相对于激光、雷达测距的价格要便宜的多，同时测量量程和精度也符合要求；单片机的价格也在5-10元之间，所需要的

19、各种零器件也价格低廉，比如电阻、电容、晶振等；所需的做系统工具也比较常见，比如电烙铁、万能板、烧写器等实验室也具有。因此可以利用单片机和超声波模块设计一个成本较低的测距装置，此装置在经济方面也是可行的。综上所述，本设计具有技术和经济的可行性，可以着手设计。本设计是以单片机AT89C51为核心，体积较小、价格低廉、量程较远、可以实现LED液晶显示的超声波测距装置。基于单片机的超声波测距装置第2章 课题设计方案2.1 课题结构设计本课题由超声波模块和显示模块以及核心部件单片机等构成。整个系统由单片机控制，超声波部分采用综合了超声波发射、超声波接收、超声波控制的超声波模块，超声波发射信号发射到空气中

20、，遇到被测物反射回波被超声波接收部分接收，输入单片机进行相关处理，此时计算超声波发射到接收到回波所用的往返时间，然后根据公式s=vt/2就可以计算出距离，再通过显示模块显示计算出的距离。系统总的原理框图如图2-1所示：单片机电源电路单片机外围电路显示电路被测物超声波测距模块（包括超声波发射、超声波接收和超声波控制部分）图2-1 系统总原理框图2.2 课题设计思路本设计选用现在最常用及最普遍的单片机，以单片机为核心来进行硬件结构设计。通过往单片机里面写入程序，通过程序控制单片机发送超声波模块的触发信号，然后超声波模块内部就可以自动提供8个40KHz周期的方波并同时检测是否有回波，一旦检测到有回波

21、信号超声波模块会发出一个回响信号，回响信号的脉冲宽度与所要测的距离成正比的关系，由此通过记录发射信号到收到的回响信号时间间隔，利用公式s=vt/2就可以计算出所需距离。单片机要正常工作，必须提供一个5v的电压及一个外部时钟信号，40引脚Vcc是接+5v电源，20引脚Vss是接地端。31引脚执行该引脚的第二功能，即VPP功能，为编程电压输入端，因此也接+5v的电源。时钟引脚为19引脚XTAL1和18引脚XTAL2，这两个引脚都连接外部石英晶体和微调电容，以提供单片机合适的时钟信号。9引脚RST为复位信号输入端，高电平有效，同时还可以进行手动复位。单片机正常工作时，P0口、P1口、P2口、P3口是

22、4个8位并行I/O口，其中P0口内部没有上拉电阻，使用时，必须在外部加上拉电阻，使用比较麻烦，所以本次设计排除了P0口的使用。而P3口可以提供第二功能，比较特殊，一般作为外部中断或者定时/计数功能使用。本设计需要的超声波测距模块以及显示模块只能选用P1口和P2口，超声波模块选择接在P1口，而显示模块选择接在P2口。超声波部分，选择的是集超声波发射部分、超声波控制部分、超声波接收部分三者于一体的超声波模块。显示部分，选择的是字符型液晶显示模块。因为此设计并不是仅仅显示数字，还要显示提示字母等，所以选择数码管不合适。字符型液晶显示模块，体积小、功耗低、显示内容丰富等，字符型液晶显示器件是单片机应用

23、设计中最常用的显示器件，性价比高，可以满足设计的需要。Protel DXP 2004是Altium公司于2004年推出的一款基于Windows 2000和Windows XP操作系统的EDA设计软件，从Protel 98、Protel 99SE发展而来，该软件有多个模块组成，分别是SCH原理图设计、SCH原理图仿真、PCB印制电路板设计、Auto Router自动布线器和FPGA设计等，且将项目管理方式、原理图和PCB图的双向同步技术、多通道设计、拓扑自动布线以及电路仿真等技术结合在一起，为电路设计提供有力的支持，已经成为现在的主流设计软件。本系统的设计就是使用Protel DXP 2004来

24、绘制的电路原理图，总体设计的电路原理图见图3-1。编写好的软件程序，需要进行编译，没有错误，才可以烧写进硬件，进行调试。编译程序，选用的是keil的编译环境，keil C编译器是为单片机8051微控制器的软件开发提供的C语言环境编译，同时还保留了汇编代码高效、快速的特点，方便使用。程序烧写进硬件时，选用的是superpro的编程器，此编程器支持1.2v到5v各种电压器件，烧写速度很快，可以自动检测芯片的错插和管脚的接触不良，避免损坏器件；有丰富的软件功能简化操作，可以提高用户的工作效率；支持Windows XP和Win 7等操作系统，适合各种用户的使用。经过了结构和总体思路的设计，从图2-1可

25、以看出系统的整个结构，下面将分别从单片机模块、超声波模块和显示模块分模块介绍。2.3 单片机模块2.3.1单片机技术的发展单片机是指在一个集成芯片中，集成微处理器（CPU）、存储器、基本的I/O接口以及定时/计数、通信部件，即在一个芯片上实现一台微型计算机的基本功能。单片机也被称为微控制器（Microcontroller）,由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统集成于同

26、一硅片的器件。单片机有利于实现系统控制的最小化和单片化，简化一些专用接口电路，如编程计数器、锁相环（PLL）、模拟开关、A/D和D/A变化器、电压比较器等组成的专用控制处理功能的单板式微系统。单片机是所有微处理机中性价比最高的一种，随着种类的不断全面，功能不断完善，其应用领域也迅速扩大。单片机在智能仪表、实时控制、机电一体化、办公机械、家用电器等方面都有相当的应用领域。当前，8位单片机主要用于工业控制，如温度、压力、流量、计量、和机械加工的测量和控制场合；高效能的16位单片机可用在更复杂的计算机网络。可以说，微机测控技术的应用已经渗透到社会生活的方方面面。1970年微型计算机研制成功之后，随着

27、就出现了单片机（即单片微型计算机）。美国Intel公司于1971年生产的4位单片机4004和1972年生产的雏形8位单片机8008，特别是1976年MCS-48单片机问世以来，在短短的四十几年间，经历多次更新换代，其发展速度之快、应用范围之广，已达到了惊人的地步，它已渗透到生产和生活的各个领域。在早期最典型性的当数Intel公司MCS-51系列单片机，一时间成为主流，我们有的高校到现在单片机课程还以讲解MCS-51为例。尽管目前单片机的品种很多，但是随着单片机的进一步发展，出现了众多MCS-51单片机的各种增强型和扩展型等的衍生品种的兼容机，美国ATMEL公司推出的AT89C5x系列，尤其是此

28、系列中的AT89C51单片机在我国目前的8位单片机应用中占有相当大的份额，成为目前单片机的主流，因此，本设计中的单片机选用ATMEL公司的AT89C51。2.3.2单片机的特点随着计算机技术的发展和在控制系统中的广泛应用，以及设备向小型化、智能化发展，作为高新技术之一的单片机以其体积小、功能强、价格低廉、使用灵活等优势，显示出很强的生命力。主要以单片机为核心的系统具有很多优点，第一功能齐全，应用可靠，抗干扰能力强。第二简单方便，易于普及。单片机技术是一门较为容易掌握的普及技术，这也是单片机得以快速普遍发展的原因之一。第三发展迅速，前景广阔。发展至今，单片机已经经历了4位机、8位机、16位机、3

29、2位机等的发展阶段。尤其是形式多样、集成度高、功能日臻完善的单片机不断出现使得单片机在工业控制及工业自动化领域获得长足的发展和大量应用。第四潜入容易，用途广泛。单片机的体积小、性能价格比高、应用灵活性强等特点在嵌入式微控系统中具有十分重要的地位。在单片机的应用系统中，好多的控制功能都已经由单片机的软件程序实现，其他的电子线路则由片内的外围接口电路来代替。单片机的这些特点决定了单片机在工业控制、仪器仪表、消费类电子产品、通信领域、汽车电子设备等领域具有重大的应用。2.3.3单片机AT89C51美国ATMEL公司推出了AT89C5x系列单片机，AT89C5x系列单片机继承了MCS-51的原有功能，

30、与其完全兼容，并同时增加了新的功能，比如看门狗定时器WDT、ISP、及SPI串行接口技术等，其中，AT89C51单片机的时钟频率高达24MHZ，Flash存储器允许在线电擦除、电写入或使用编程器对其重复编程。另外，AT89C51单片机还支持软件选择的两种掉电工作方式，非常适用于电池供电或其他要求低功耗的场合。AT89C51单片机片内的4KB Flash存储器可在线编程或使用编程器重复编程，且价格较低，因此AT89C51单片机作为AT89C5x系列单片机的代表性产品受到了应用设计者的欢迎，也是目前取代MCS-51系列单片机的主流芯片之一。本设计之所以选用AT89C51，一方面其性能，功能齐全，也

31、可以与之前的单片机兼容；另一方面其价格便宜，同时也是主流单片机芯片，方便设计和学习。单片机AT89C51采用40引脚双列直插封装形式，一块芯片上包括：8位中央处理器单元CPU；4KB的程序存储器Flash ROM；256字节的RAM；2个16位的定时/计数器T0和T1；4个8位的可编程并行I/O端口（P0口、P1口、P2口、P3口）；5个2级中断源；1个全双工的串行口以及时钟电路，但石英晶体振荡器和电容需要外接，允许最高振荡频率为12MHZ；64KB外部程序存储器寻址空间；具有位寻址功能，位寻址空间为00H-FFH,具有较强的位处理能力；特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储

32、器，使其在实际中有广泛应用，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更有用。AT89C51为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距装置。单片机的引脚图如图2-2所示：图2-2 单片机引脚图引脚说明：Vcc（40引脚）:接+5v电源； Vss（20引脚）:接地；P0口：P0口为一个8位漏极开路双向I/O口。当AT89C51单片机扩展外部存储器及I/O接口芯片时，P0口作为地址总线（低8位）及数据总线的分时复用端口。P0口也可作为通用的I/O口使用，但需加上拉电阻，这时为准双向口。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的

33、8位准双向I/O口， P1口引脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位准双向I/O口，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当由于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。P3口：P3口引脚是8位带内部上拉电阻的准双向I/O口。P3口可作为通用的I/O使用，此时当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。由此作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将

34、输出电流，这是由于上拉的原因。P3口还可提供第二功能，并且这些第二功能非常重要和有用，如表2-1所示：表2-1 P3口引脚第二功能说明引脚第二功能说 明P3.0RXD串行数据输入口P3.1TXD串行数据输出口P3.2INT0外部中断0输入P3.3INT1外部中断1输入P3.4T0定时器0外部计数输入P3.5T1定时器1外部计数输入P3.6WR外部数据存储器写选通输出P3.7RD外部数据存储器读选通输出RST（9引脚）：复位信号输入端，高电平有效。ALE/PROG（30引脚）：当访问外部存储器时，地址锁存允许大的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入变成脉冲。在平时

35、，ALE端以不变的频率周期正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可以用作对外部输出的脉冲或用于定时目的，但严格来说，ALE还不宜作为精确的时钟源或定时信号。PSEN（29引脚）：读外部程序存储器的选通信号。在有外部程序存储器取值间，每个机器周期两次PSEN才有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。EA/VPP（31引脚）：当EA保持低电平时，对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器。当EA引脚接高电平时，在PC值不超出片内4KB Flash存储器的地址范围的情况下，单片机读片内程序存储器（4KB），但超出了片内4KB Flash存储器的地址范围时，将自动转向

36、访问外部程序存储器的程序。VPP为该引脚的第二功能，为编程电压输入端，一般加在VPP引脚的编程电压为5v。XTAL1（19引脚）：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入，该引脚连接外部石英晶体和微调电容。XTAL2（18引脚）：来自反向振荡放大器的输出，连接外部石英晶体和微调电容。2.4 超声波模块2.4.1超声波测距简介声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象。当声音的频率高到超过人耳听觉的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。超声波通常指1 秒内振动20000 次以上的高频声波。超声波的特点是它能在各种媒质中传播，波长短，因而分辨率很好，声束尖锐，声能集中

37、，在不同物质界面上会有反射、折射、散射等现象，可获得较高声强。利用声在媒质中的声速、衰减、共振、反射等现象可测量物质的成分、比重、厚度等。超声波测距就是利用超声波脉冲反射回波的方法实现的。超声波在空气中的传播速度为340米/秒，因此，如果能测出超声波在空气中传播时间，就能算出其传播的距离。超声波测距就是通过测定超声波传播的时间间隔来测出声波传送的距离，这就是所谓的时间差测距法。其中，超声波测距方法有如下两种：1. 直接式超声波测距方法直接式超声波测距方法的原理是：测量超声波发送器发射超声波到超声波接收器接收到超声波的时间t，已知超声波在空气中的传播速度V,则超声波发送器到被测物的距离为：S=V

38、t2. 反射式超声波测距方法反射式超声波测距方法的原理是：超声波发送器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播途中遇到对象物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时，这时计时器就计下了超声波从发射到被测物间的来回传播时间t，从而发送器到被测物体的距离为：S=Vt/22.4.2超声波测距原理1. 超声波传感器在超声波测距系统中利用超声波传感器发射和接收超声波，利用超声波在空气中的传播特性进行距离测量。利用超声波感知或检测物体，有非损害性、遥控性、实时性、等优点，在许多方面体现了超声波的独到之处。很早以前，人们便掌握了超声波探伤与声纳的技术。近年来，超声波的波

39、长范围已经达到Lm 级，超声波频率已经扩大到GHz 领域，分辨率达Pin量级的超声波显微镜已实用化。在这种频率范围，超声波敏感元件成为薄膜状，与传统的形状大相径庭，它的进步将对电子学的发展起重要作用。人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器:有机械方式和电气方式两张方式产生超声波。实质上，超声波发生器即是超声波换能器，它将其它形式的能量转换成超声波的能量(发射换能器来完成)和使超声波的能量转换成其它易于检测的能量(接收换能器来完成)。一般是用电能和超声能量相互转换。电气方式类型包括:压电型、磁致伸缩型和电动型等。机械方式有：气流旋笛、液哨、加尔统笛等。各种类型的超声波发

40、生器产生的超声波的功率、频率和声波特性都不相同。目前使用较多的是电气类中的压电型超声波发生器。而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体、钦酸钡压电陶瓷、错钦酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT-4, PZT-5)等。2. 超声波传感器的结构和发射原理将两个压电元件（或一个压电元件和一个金属板）粘合在一起，称为双压电晶片（由一个压电元件构成的称为单压电晶片）。压电式超声波发射器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收

41、到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器可以视为一个电感、电容和电阻串联的（共振）电路其电抗特性是左侧右侧呈电容性，中间部分呈电感性。这种特性只有在高Q 值的晶体振子或者陶瓷振子中可以看到。利用这一特性构成了超声波传感器特有的电路。超声波传感器由两个共振频率，低频的共振频率ft 叫做串联共振频率，在电阻(R)，电感(L)和电容(C1)的串联电路中振荡。这时的传感器阻抗最低；而在高频处的共振频率fa 为逆共振频率，在电阻(R)，电容(C1)和电容(C2)的串联电路中震荡。发射超声波在串联共振频率处具有最高灵敏度，接收超声波在串联逆共振频率处

42、具有最高灵敏度，而且由于超声波传感器具有共振特性，即使将方波输入到发射传感器，接收传感器的输出也是正弦波。2.4.3超声波测距模块HY-SRF05因为本身超声波模块还需要超声波发送器，超声波接收器和超声波控制部分，为了本设计的可行性，把这三个部分集中到一个超声波模块上，选用了深圳市电应普科技有限公司生产的HY-SRF05超声波测距模块，这个模块的做工比较成熟，市场占有份额较大，前期也有多种型号，而且价格便宜，容易购买。以下就是HY-SRF05超声波测距模块的介绍：1. HY-SRF05超声波测距模块的特点HY-SRF05超声波测距模块可提供2cm-450cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达

43、高到1cm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。2. HY-SRF05超声波测距模块基本工作原理（1）采用I0口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号，这里给出的是20us的高电平信号；（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I0口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。那么这样以来测试距离=（高电平持续时间*声速（340M/S）/23. HY-SRF05超声波测距模块引脚介绍HY-SRF05超声波测距模块的实物图如图2-3所示：图2-3 HY-SRF05超声波测距模块的实物图VCC 供5V电源GND 为接地

44、线TRIG 触发控制，信号输入ECHO 回响信号输出OUT 开关量输出（可当报警模块使用）4. HY-SRF05超声波测距模块电气参数：HY-SRF05超声波测距模块的电气参数说明表如表2-2所示：表2-2 HY-SRF05超声波测距模块的电气参数说明表电气参数 HY-SRF05超声波测距模块 工作电压DC 5V工作电流15mA工作频率40Hz最远射程450cm 最近射程2cm 测量角度15度 输入触发信号20us的TTL脉冲 输出回响信号输出TTL电平信号，与距离成比例 规格尺寸45*20*15mm5. 超声波时序图：超声波测量时的时序图如图2-4所示：触发信号模块内部发出信号输出回响信号2

45、0us的TTL循环发出8个40KHz脉冲回响电平输出与检测距离成比例图2-4 超声波测量时的序图从时序图可以看出只需要提供一个20us以上的脉冲触发信号，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要测的距离成正比，由此通过记录发射信号到收到的回响信号时间间隔就可以计算出所需要测量的距离。用公式：距离=高电平时间声速（340M/S）/2可以计算出距离，同时根据公式：厘米=us/58转换成厘米，在显示器件上显示。使用此模块需注意的是：1. 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。2.

46、测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则会影响测量的结果。3. 建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。2.5 显示模块在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的构成器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，但因为本次设计不仅仅要显示数字，还要显示字符等，所以本次选用的是字符型液晶显示器件LCD1602。1602液晶也称为1602字符

47、型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。LCD1602能够同时显示162即32个字符，可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。LCD1602需要5v的工作电压，对比度可调，内含复位电路，提供各种控制命令，如：清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能；有80个字节显示数据存储器DDRAM；内键有192个57点阵的字型字符发生器CGROM；8个可由用户自定义的57的字符发生器CGRAM。LCD1602液晶模块的内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个

48、字符都有一个固定的代码。LCD1602的引脚图如图2-5所示：图2-5 LCD1602的引脚图LCD1602的主要引脚介绍如表2-3所示：表2-3 LCD1602的引脚介绍引脚号引脚名电平输入/输出作用1GND接地2VCC电源（+5v）3Vee对比调整电压4RS0/1输入0=输入指令1=输入数据5R/W0/1输入0=向LCD写入指令或数据1=从LCD读取信息6EN1，10输入使能信号，1时读取信息，10（下降沿）执行指令7D00/1输入/输出数据总线line0（最低位）8D10/1输入/输出数据总线line19D20/1输入/输出数据总线line210D30/1输入/输出数据总线line311

49、D40/1输入/输出数据总线line412D50/1输入/输出数据总线line513D60/1输入/输出数据总线line614D70/1输入/输出数据总线line7（最高位）15BLA+VCCLCD背光电源正极16BLK接地LCD背光电源负极使用LCD1602时，要进行必要的设置，如显示模式设置和显示开/关及光标的设置，这些都有固定的代码，分别如表2-4和表2-5所示：表2-4 显示模式设置表指令码功能00111000设置162显示，57点阵，8位数据接口表2-5 显示开/关及光标设置表指令码功能00001DCBD=1 开显示；D=0 关显示 C=1 显示光标；C=0 不显示光标B=1 光标闪

50、烁；B=0 光标不显示000001NSN=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一N=0 当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一S=1 当写一个字符，整屏显示左移（N=1）第3章 硬件电路设计3.1 硬件电路原理图设计原理图的过程中，首先确定是单片机的最小系统，因为这个最小系统一部分是按照经验设计，一部分是按照本次装置适用的领域即工业自动化测距领域，所以选择的晶振是12MHZ，而没有选择特别大的晶振；其次就是超声波测距模块和LCD液晶显示模块，这里选择的是把超声波模块接在单片机的P1口，液晶显示模块接在P2口，液晶显示模块的一部分接在P3口，而没有选择用P0口，因为P0口还要接上拉电

51、阻使用，为以后的焊接带来不便，这里的原因也在前面第四章进行了详细的叙述。整个测距装置硬件电路原理图如图3-1所示：图3-1 测距硬件电路原理图3.2 超声波模块HY-SRF05及其与单片机接口电路绘制电路原理图的过程中，超声波模块选择的是HY-SRF05模块，而这个模块Protel DXP库中没有具体的零件电路和封装电路，所以这个模块是自己在Protel DXP中绘制的，然后加载到库中使用。绘制的超声波测距模块及其与单片机的接口电路如图3-2所示： 图3-2 超声波测距模块的接口电路图 超声波测距模块HY-SRF05的实物图如图3-3所示：图3-3 超声波测距模块HY-SRF05 其中，1引脚

52、VCC接5v电源，5引脚GND接地，2引脚Tring为控制端，连接的是单片机并行I/O口的P1.0口，通过程序往单片机里写入20us的触发信号，通过P1.0触发超声波模块，超声波模块只要触发到有触发信号，就自动输出8个40KHZ方波，同时并检测是否有回波。3引脚Echo为接收端，用来接收反射信号，连接单片机的P1.2口，当检测到有反射信号时，Echo引脚就通过P1.2给单片机一个高电平，说明已经接收到回波。3.3 电源电路由于本设计各种器件的工作电压是5v，因此设计的电源电路是把12v的电池组电压转为5v的工作电压。转化的电路原理图如图3-4所示：图3-4 12v转5v的电路原理图在输入端加一

53、个0.33uf的无极性电容，主要用于滤波，输出端接一个0.1uf的电解电容，改善电源的输出瞬态特性，这里电流不大，所以不用考虑7805芯片会有大的发热量。3.4 复位电路单片机在刚开始接通电源时或者运行过程中出现了错误、故障时，要恢复原来的状态，这时就要在单片机上外接复位电路。复位电路的作用是将单片机内部各器件的状态恢复到一个确定的初始值，以便重新从这个状态开始工作。要使单片机复位必须使其单片机的RST引脚持续出现两个或两个以上机器周期的高电平。单片机的上电/按键复位电路原理图如图3-5所示：图3-5 上电/按键复位电路原理图 也就是单片机既可以上电复位也可以进行按键复位。上电复位电路中，是利

54、用电容充电来实现复位。在电池接通瞬间，RST引脚连接电源，所以引脚上的电位是高电平，电源接通后对电容进行快速充电，随着充电的进行，RST引脚上的电位也会逐渐由高电平下降为低电平。只要保证此引脚上高电平出现的时间大于两个机器周期，便可实现正常复位。按键复位电路中，如果按键没有按下，处于未接通状态，则复位原理同上电复位一样。但是如果在单片机工作过程中，按下按键，已经充好电的电容会快速通过电阻的闭合回路进行放电，这样RST引脚上的电位将变为高电平，这个高电平会持续到按键的释放，这样就可以满足单片机复位的条件从而实现按键复位。如果某些时候出现程序跑飞的现象，但是单片机又处于工作状态不能断电，就可以使用

55、按键复位，使单片机回到初始状态。复位电路的极性电容C1的大小直接影响单片机的复位时间，一般选用10-30uf，单片机最小系统的容值越大那么单片机需要的复位时间就会越长，而电容越小，接电容的引脚的电压就会不稳定，所以根据经验一般选择22uf的无极性电容。3.5 时钟电路图3-6 内部时钟电路原理图时钟电路是单片机最小系统的一部分，单片机工作需要一个基本时钟，这个基本时钟就是由时钟电路提供的。单片机工作时，从取指令到译码再进行微操作等各项工作，必须在时钟信号的控制下才能有序的进行。单片机的时钟信号通常可以有两种产生方式：内部时钟方式和外部时钟方式。但我们一般使用的是内部时钟方式，外部时钟方式使用现

56、成的外部振荡器产生脉冲信号，常用于多片AT89C51单片机同时工作，以便于多片AT89C51单片机之间的同步，本次设计只有一个单片机工作，所以使用的是内部时钟方式。内部时钟方式的电路原理图如图3-6所示。是在单片机的19引脚XTAL1和18引脚XTAL2上跨接一个晶振和两个微调电容，它们可以与单片机内的电路构成一个稳定的自激振荡器。晶振的取值范围一般为0-24MHZ，常用的晶振频率为6MHZ、12MHZ、11.0592MHZ、24MHZ等，在正常情况下单片机最小系统的晶振频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快，但并不是速度越快越好，速度越快就越容易受干扰，可靠性也会越差，所以速度够

57、用就好。本次设计选用的是12MHZ的晶振，则振荡周期=1/(12MHZ)=1/12us，时钟周期=1/6us，机器周期=1us，执行一条单周期指令只需要1us。所以选择12MHZ的晶振，一是计算方便，一条指令周期就是1us，二是12MHZ的晶振速度也够快，完全可以应付本设计的需要，同时抗干扰性也较好。微调电容的作用是对振荡器进行频率微调，使振荡信号频率与晶振频率一致，同时还可以起到稳定频率的作用，一般选用20-30pF的瓷片电容，并且与晶振越近越好，本次设计选用的是30pF的电容进行微调，选用的电容过小或者过大，单片机就工作不稳定或者无法起振，所以我们一般选用典型的30pF。3.6 显示模块L

58、CD1602及其与单片机的接口电路LCD1602与单片机的接口电路如图3-7所示：图3-7 LCD1602的接口电路图本设计选用的是1602字符型液晶显示器件，它专用于显示字母、数字、符号等。1引脚GND接地，16引脚为背光电源负极，因此也要接地。2引脚VCC接5v电源，15引脚为背光电源正极，也是要接电源的。3引脚为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，因此要接通过一个10K的电位器调整对比度，即调整1602的屏幕显示亮度。7-14引脚为8位双向数据端，刚好接单片机P2口的8位准双向I/O口，供传递显示数据使用。4引脚RS为寄存器选择端，高电平时是数据寄存器，低

59、电平时是指令寄存器，连接单片机的P3.5，通过P3.5来控制RS的寄存器的选择。5引脚R/W为读写信号端，高电平时进行读操作，低电平时进行写数据或写指令操作，连接的单片机的P3.6WR端，通过P3.6来选择读操作或写操作。6引脚EN端为使能端，当EN端由高电平变为低电平时，液晶模块才执行命令，接单片机的P3.4端，通过P3.4端控制1602的使用。第4章 软件设计本系统软件设计采用模块化设计，主要包括主程序设计、T0计数子程序设计、时间/距离转换及距离计算子程序设计、显示子程序设计、延时子程序设计等。4.1 主程序流程系统软件编程时应考虑相关硬件的连接，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时/计

60、数器的分配和使用。本设计中的P1.0引脚直接连接到超声波发射传感器，因为本设计直接采用的就是超声波测距的模块，所以P1.0直接连接到超声波测距模块的发射信号端（即Tring端），通过程序往单片机里写入一个20us的触发信号，通过P1.0端口触发超声波模块之后，超声波模块开始发射40KHZ的方波，当探测到障碍物时，返回一个回波信号，通过Echo引脚反馈给单片机P1.2，表现形式是把P1.2变成高电平。定时/计数器T0工作在工作方式1，为16位计数器， T0计数器是用来计算高电平的持续时间，它们的初值均设为0。系统初始化后，按下key1，即初始化定时/计数器T0，并且LCD1602清屏，通过程序给

61、tring一个高电平的20us触发信号，此时超声波模块开始产生40KHZ的方波，然后程序进行等待，等待echo接收回波信号，若此时P1.2引脚出现高电平则代表收到回波信号，这时就要开计数器T0，开始计数，并等待P1.2引脚变为低电平，说明回波接收结束，即高电平持续时间结束，关闭计数器T0，T0记录的就是高电平的持续时间，这个高电平的持续时间是和被测距离成正比关系的；然后单片机将调用时间/距离转化子程序，并经过计算子程序进行计算，计算出超声波模块到被测物体之间的距离；此后，主程序调用显示子程序进行显示。当一次发射、接收、显示的过程完成后，按下key2之后，进入下一次测距。如果由于被测物体过远，超出量程，则显示“ERROR”，按下key2之后重新回到主程序进入新一轮测距。主程序流程图如图4-1所示：开始系统初始化，配置显示模块、定时器等扫描是否有按键按下Y超声波发送8个40KHZ方波，并等待回波接收到回波，P1.2置1Y开计数器T0，T0开始计数标志位P1.2变0，停止计数，关计数器T0调用时间/距离转换计算子程序调用显示子程序，显示距离N调用显示子程序，显示“ERROR”YN距离小于450cmNStartflag置1，单片机开始发送触发信号是否为key1按下