單片機(jī)超聲波測(cè)距模塊

1、實(shí)驗(yàn)總成績(jī)： 裝 訂 線報(bào)告份數(shù)： 1份 西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院 課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告專(zhuān)業(yè)班級(jí)： 電科1003班 學(xué)生姓名： 易海博 學(xué)號(hào)(班內(nèi)序號(hào)): 03102085（13） 2014 年 3 月 25 日成績(jī)鑒定表學(xué)生姓名易海博班級(jí)/學(xué)號(hào)電科1003班/03102085進(jìn)行時(shí)間2014年3月 1日 2014年3月28日成績(jī)鑒定學(xué)習(xí)內(nèi)容（20分）與教學(xué)任務(wù)計(jì)劃結(jié)合程度（10分）與專(zhuān)業(yè)培養(yǎng)結(jié)合程度（6分）其它（4分）學(xué)習(xí)態(tài)度評(píng)價(jià)（20分）實(shí)踐能力（10分）學(xué)習(xí)態(tài)度（6分）學(xué)習(xí)紀(jì)律（4分）報(bào)告鑒定（60分） 報(bào)告內(nèi)容與實(shí)踐過(guò)程緊密結(jié)合（15分）報(bào)告內(nèi)容與教學(xué)計(jì)劃內(nèi)容緊密結(jié)合（15分）報(bào)告

2、質(zhì)量(主題、結(jié)構(gòu)、觀點(diǎn)、邏輯、資料、字?jǐn)?shù) 30分)評(píng)閱教師姓名陳瑞職稱(chēng)講師成績(jī)?cè)u(píng)語(yǔ) 評(píng)閱教師簽字 年 月 日 超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)一設(shè)計(jì)目的本設(shè)計(jì)利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，采用STC51單片機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出能夠精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波測(cè)距儀。同時(shí)了解單片機(jī)各個(gè)管腳的功能，工作方式，計(jì)數(shù)/定時(shí)，I/O口相關(guān)的原理，并了解學(xué)習(xí)單片機(jī)的相關(guān)內(nèi)容知識(shí)。二設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀，能夠用1602屏實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的數(shù)據(jù)，并要求設(shè)定一定距離下提示報(bào)警。三設(shè)計(jì)器材 元器件 數(shù)量 電阻 2個(gè) HC-SR04(超聲波測(cè)距模塊) 1片 HJ1602A(液晶顯示模塊) 1片 單片機(jī)最小系統(tǒng)板 1

3、個(gè)4 超聲波測(cè)距原理 在超聲探測(cè)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(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)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(cè)量電壓即可測(cè)得距離；測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，故被測(cè)距離為S=1/2vt。本測(cè)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(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波在?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45m/s，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振。超聲波測(cè)

4、距的算法設(shè)計(jì)：超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15時(shí)），x1是聲波返回的時(shí)刻，x2是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，x2-x1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)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(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下2 圖1 圖2 系統(tǒng)框圖五、設(shè)計(jì)方案及分析（包含設(shè)計(jì)電路圖）硬件電路設(shè)計(jì) 1.單片機(jī)最小系統(tǒng)控制模塊設(shè)計(jì)與比較采用STC51單片機(jī)控制。STC51單片機(jī)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(chǔ)器。最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)2. 顯示模塊設(shè)計(jì)HJ1602A顯示，連接電路簡(jiǎn)單，顯示電路連接圖如圖4圖4 顯示屏電路3. 超聲波測(cè)距模

5、塊圖5 超聲波電路本系統(tǒng)采用超聲波模塊URF04進(jìn)行測(cè)距，該模塊使用直流5V供電，理想條件下測(cè)距可達(dá)500cm，廣泛應(yīng)用于超聲波測(cè)距領(lǐng)域，模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，盲區(qū)（2cm）超近。超聲波測(cè)距原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)給超聲波傳感器模塊一個(gè)觸發(fā)電平，超聲波傳感器的發(fā)射管自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，當(dāng)超聲波檢測(cè)到障礙物時(shí)就會(huì)信號(hào)返回，接收管接收到信號(hào)返回之后，單片機(jī)處理從單片機(jī)發(fā)送信號(hào)到接收到返回信號(hào)這段時(shí)間里超聲波傳感器模塊輸出高電平。這段高電平持續(xù)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的傳播時(shí)間。測(cè)量距離=（高電平持續(xù)時(shí)間*波速）/2。4 .其他電路設(shè)計(jì)a.復(fù)位電路單片機(jī)在RESET端加一個(gè)大于20ms正脈沖即

6、可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：圖6 復(fù)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(gè)正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即(RC(20ms。一般取R(1K(，C(22uF。當(dāng)人按下按鈕S1時(shí)，使電容C1通過(guò)R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，手動(dòng)復(fù)位。R1一般取200(。b.時(shí)鐘電路當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來(lái)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(shí)鐘電路圖 8按鍵電路c. 按鍵電路我

7、們通過(guò)P1.0來(lái)啟動(dòng)測(cè)量，程序中通過(guò)查詢(xún)P1.0的電平來(lái)檢測(cè)是否按鍵被按下，電路原理如下：當(dāng)按下按鍵時(shí)P1.0為低電平，單片機(jī)通過(guò) 查詢(xún)到低電平開(kāi)始測(cè)量距離，當(dāng)松開(kāi)按鍵，P1.0即為高電平。在軟件中通過(guò)軟件延時(shí)來(lái)消除按鍵的機(jī)械抖動(dòng)。5.軟件程序設(shè)計(jì)軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)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(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出、數(shù)碼管顯示等工作。主程序首先是對(duì)超聲波模塊初始化，通過(guò)延時(shí)函數(shù)產(chǎn)生10us的高電平，再將計(jì)數(shù)器初始化，判斷超聲波接收端是否收到回波，進(jìn)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(jì)數(shù)器，然后讀出計(jì)

8、數(shù)值，根據(jù)公式計(jì)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(wù)子程序?yàn)榱吮苊獬暡◤陌l(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)，就是1s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按公式計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取30時(shí)的聲速為340 m/s則有： d=(ct)/2=170T0/10000cm 其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。六、問(wèn)題分析與解決方法1.在拿到

9、設(shè)計(jì)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(gè)觸發(fā)電平，超聲波傳感器的發(fā)射管自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，當(dāng)超聲波檢測(cè)到障礙物時(shí)就會(huì)信號(hào)返回，接收管接收到信號(hào)返回之后，單片機(jī)處理從單片機(jī)發(fā)送信號(hào)到接收到返回信號(hào)這段時(shí)間里超聲波傳感器模塊輸出高電平。這段高電平持續(xù)時(shí)間即為超聲波從發(fā)射到返回的傳播時(shí)間。測(cè)量距離=（高電平持續(xù)時(shí)間*波速）/2。我們的設(shè)計(jì)方案是利用計(jì)數(shù)器0進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)捕獲上升沿和下降沿用計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)算高電平的持序時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量。而且經(jīng)討論學(xué)習(xí)后知道，高電平持續(xù)時(shí)間=計(jì)數(shù)值單片機(jī)的機(jī)器周期（1us）。2.在設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示電路時(shí)，在剛開(kāi)始連接電路時(shí)，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(jī)IO口輸出電流太小，不足以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，于是我們加了一個(gè)與門(mén)的驅(qū)動(dòng)器，使之前的3A電流變?yōu)?A，由此數(shù)碼管就足以驅(qū)動(dòng)。七、設(shè)計(jì)結(jié)果a測(cè)試環(huán)境及工具測(cè)試距離：在實(shí)驗(yàn)室的特定環(huán)境中測(cè)量了0.032.15m。測(cè)試儀器：數(shù)字萬(wàn)用表，直尺。b測(cè)試方法超聲波測(cè)距測(cè)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(jī)試運(yùn)行。用直尺確定障礙物的距離，數(shù)碼管顯示測(cè)量的距離。c測(cè)試結(jié)果分析測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.032.15m，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。由于條件有限，我們忽略

11、溫度的影響，不進(jìn)行溫度補(bǔ)償，聲速選取340m/s.調(diào)試測(cè)量的部分測(cè)距數(shù)據(jù)如下表所示：測(cè)試序號(hào)顯示距離(m)實(shí)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(cè)量的部分?jǐn)?shù)據(jù)八、設(shè)計(jì)體會(huì)與收獲本次試驗(yàn)?zāi)康臑樵O(shè)計(jì)利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，采用STC51單片機(jī)進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出能夠精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波測(cè)距儀。我們這次設(shè)計(jì)共有三個(gè)模塊，分別是超聲波模塊，顯示屏模塊和報(bào)警模塊。一開(kāi)始搭建完成后，在調(diào)試的時(shí)候出現(xiàn)了很多問(wèn)題，后來(lái)經(jīng)過(guò)重新檢查，最后才完成。這次課程

12、設(shè)計(jì)雖然只有短短兩周的時(shí)間，但卻是一次難得的理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)，以前只是在書(shū)本上學(xué)習(xí)到單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)的很多功能，但卻沒(méi)有機(jī)會(huì)實(shí)踐，通過(guò)本次課程設(shè)計(jì)我不光復(fù)習(xí)了模電知識(shí)及單片機(jī)知識(shí)，鍛煉了動(dòng)手能力，同時(shí)也熟悉掌握了proteus仿真軟件和Protel電路設(shè)計(jì)軟件的使用。對(duì)于我們電科專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)，Proteus和Protel是必須掌握的電路仿真軟件，這次課程設(shè)計(jì)給我提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)，讓我可以很好地鍛煉自己的實(shí)踐能力。總的來(lái)說(shuō)，此次實(shí)習(xí)還是收獲頗豐的，很感謝學(xué)校可以給我們提供這樣的一次機(jī)會(huì)。附錄：超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)電路原理圖圖11超聲波測(cè)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;