超聲波測距儀

1、超聲波測距儀組員：指導(dǎo)老師：1.設(shè)計(jì)的要求 1) 具有超聲波測距功能，測量距離0.20m5.00m測距精度1。 2) 實(shí)時(shí)顯示測量的距離，顯示格式為：X.XXm。 3) LED提醒顯示：距離在0.40m1.00m，表示“危險(xiǎn)距離”并用紅色LED燈指示；距離在1.00m2.00m，表示“保持距離”，并用黃書LED燈指示；距離在2.00m以上，表示“安全距離”并用綠色LED燈指示。 2.方案論述超聲波測距儀利用超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)測量兩點(diǎn)之間的距離的儀器。這個(gè)設(shè)計(jì)就是利用超聲波傳輸中的距離與時(shí)間的關(guān)系，采用了STC90C51單片機(jī)對(duì)超聲波儀進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)

2、計(jì)出了能夠精確測量兩點(diǎn)間距離的超聲波測距儀。該測距儀主要是由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊所構(gòu)成。其中采用STC90C51單片機(jī)作為主控模塊，用來控制超聲波的發(fā)出和接受，并且計(jì)算距離。用超聲波模塊HC-SR04發(fā)出和接受超聲波，用3位數(shù)碼管作為顯示模塊。本次設(shè)計(jì)的超聲波測距儀，具有迅速、操作方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測量精度較高的特點(diǎn)。測量范圍可達(dá)到25cm350cm，其誤差1cm左右。在理論分析上達(dá)到了本次課設(shè)的要求。2.1 總體方案設(shè)計(jì) 超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)的特點(diǎn)，常用于測量兩點(diǎn)之間的距離。本系統(tǒng)要求以單片機(jī)為核心，選擇超聲

3、波發(fā)射電路和超聲波接收電路，組成一個(gè)超聲波測距儀，并顯示兩點(diǎn)之間的距離。 超聲波測距儀設(shè)計(jì)中我們采用單片機(jī)作為核心，其中包括時(shí)鐘電路，復(fù)位電路；以超聲波模塊作為超聲波發(fā)射和接受裝置；以三位數(shù)碼管作為顯示模塊，總體設(shè)計(jì)方案如圖：2.2 超聲波測距原理 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。那么超聲波測距的原理是什么呢？下面簡單介紹一下超聲波測距的原理。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲

4、波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測距法。超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(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。3. 硬件選擇 3.1.單片機(jī)的選擇 在這個(gè)設(shè)計(jì)中單片機(jī)選用的是STC90C51(如圖3-1),它內(nèi)部集成了功能強(qiáng)大的中央處理器。具有以下標(biāo)準(zhǔn)的功能：32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），4k字節(jié)的Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)的內(nèi)部RAM，一個(gè)向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)指針

5、，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，一個(gè)全雙工串行通信口。CPU的工作在空閑方式下停止，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 STC90C51集成了幾乎完善的8位中央處理單元，處理功能強(qiáng)，中央處理單元中集成了方便靈活的專用寄存器，硬件的加，減，乘，除法器和布爾處理機(jī)以及各種邏輯運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令，這給應(yīng)用提供了極大的便利。3.2超聲波模塊的選擇 在超聲波測距儀設(shè)計(jì)中，采用HC-SR04超聲波模塊（如圖），它性能穩(wěn)定，測度距離精確，模塊高精度，盲區(qū)小?？梢杂脕碓O(shè)計(jì)機(jī)器人避障 、 物體測距 、 液位檢測等領(lǐng)

6、域。 HC-SR04超聲波測距模塊設(shè)計(jì)的嵌入式系統(tǒng)這樣的項(xiàng)目。它的分辨率為0.3和測距距離為2cm至500厘米。它采用一個(gè)5V直流電源供電，待機(jī)電流小于2mA。該模塊發(fā)送的超聲波信號(hào)，拿起其回波，測量所經(jīng)過的時(shí)間之間的兩個(gè)事件和輸出波形，其高的時(shí)間是由測得的時(shí)間的距離成正比的調(diào)制。 HC-SR04超聲波模塊引腳介紹 HC-SR04具有四個(gè)引腳即Vcc時(shí)，觸發(fā)器，回聲，GND和它們?cè)谙旅嬖敿?xì)解釋。 a.VCC：5V DC電源連接到該管腳。 b.觸發(fā)：觸發(fā)信號(hào)開始發(fā)送到該管腳。觸發(fā)信號(hào)必須是脈沖10US的時(shí)候。當(dāng)模塊接收到有效的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，它會(huì)發(fā)出8個(gè)脈沖從發(fā)射40KHz的超聲波聲。這種聲音的回聲

7、回升的接收器。 c.回聲：在此引腳，模塊輸出的波形以很高的時(shí)間與距離成正比。 d.GND地連接到該引腳。 HC-SR04模塊的使用 初始化時(shí)將trig和echo端口都置低，首先向給 trig 發(fā)送至少10 us的高電平脈沖（模塊自動(dòng)向外發(fā)送8個(gè)40K的方波），然后等待，捕捉 echo 端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時(shí)，打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，再次等待捕捉echo的下降沿，當(dāng)捕捉到下降沿，讀出計(jì)時(shí)器的時(shí)間，這就是超聲波在空氣中運(yùn)行的時(shí)間，按照如下計(jì)算公式 測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2就可以算出超聲波到障礙物的距離。3.3 顯示單元選擇 顯示單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一

8、，它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲(chǔ)器地址以及存儲(chǔ)器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。可以做顯示器的有：LED,LCD,CRT等。CRT就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點(diǎn)是顏色視覺效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點(diǎn)是體積大耗電多，有微量的X射線輻射。LED就是發(fā)光二極管。LED一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點(diǎn)那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對(duì)比度等都不如CRT顯示器。 但是考慮到本設(shè)計(jì)需要顯示測量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持 ，安全等警告信號(hào)。所以選擇采用128*64液晶模塊。4.軟件設(shè)計(jì) 4.1主程序設(shè)計(jì)根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分為初

9、始化模塊、超聲波發(fā)射控制子程序、等待回波子程序和顯示子程序模塊，這四個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序主程序程序流程圖如圖4-1所示。4.2超聲波發(fā)射控制子程序 超聲波發(fā)射控制子程 序要的作用是給HC- SR04超聲波模塊提 供10us的高電平，使 HC-SR04超聲波模塊 發(fā)射40KHz的超聲波。 程序流程圖如圖4-2所示。4.3 等待發(fā)射回波子程序 根據(jù)HC-SR04超聲波 模塊的時(shí)序圖，超聲波 模塊發(fā)出一個(gè)40KHz的 脈沖波形式后，接收到 該觸發(fā)信號(hào)，程序等待， 直到接收到一個(gè)有效的 回波在P3.1。程序流程 圖如圖4-3所示。4.3 顯示子程序 其實(shí)在等待反射回波子程序 中累加器A的值就是物體之 間的距離，同時(shí)在本設(shè)計(jì)中 我們用三位數(shù)碼管顯示，所 以在顯示子程序中我們要將 測得的距離的百位、十位、 個(gè)位分離。并且我們用查表 的方法顯示。程序流程圖如 圖4-4所示。5、課程設(shè)計(jì)總結(jié) 這個(gè)設(shè)計(jì)就是利用超聲波傳輸中的距離與時(shí)間的關(guān)系，采用了STC90C51單片機(jī)對(duì)超聲波儀進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能夠精確測量兩點(diǎn)間距離的超聲波測距儀。該測距儀主要是由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊所構(gòu)成。其中采用STC90C51單片機(jī)