评语： 考勤10分 守纪10分 过程30分 设计报告30分答辩20分
总成绩（100分）
专 业： 轨道交通信号与控制 班 级： 交控1305
姓 名： 贺云鹏 学 号： 201310104 指导教师： 建国
交通大学自动化与电气工程学院
2015 年 12 月 30 日
超声波测距仪设计
1 设计说明
1.1 设计目的
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。 超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。
1.2 设计方法
本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过HC-SR04发射和接受超声波，使用AT89C51单片机对超声波进行计时并根据超
声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。
1.3 设计要求
采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。
2 设计方案及原理
2.1超声波测距模块设计
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。当提供一个10uS以上正脉冲触发信号，该模块部将发出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测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离
由以上信息，在设计时选用两个定时器，定时器1用来定时800ms，当产生中断时，启动HC-SR04超声波测距模块，即给其TRIG（发射）口送一个持续20ms的正脉冲，定时器0用来对超声波传递时间进行计时，即当ECHO（回波）口为高电平时启动计时，当ECHO口变为低电平时关闭计时。再根据超声波在空气中的传播速度为340米每秒，通过AT89C51计算出距离，当距离超过400cm时，显示8888，表示超出工作距离。
2.2 LED显示模块设计
将算得的距离通过一个4位LED数码管采用动态扫描进行显示。
2.3 其他功能的设计
考虑到实际的需求，本设计还应增加以下功能：
1、增加一个指示灯。当ECHO（回波）口为高电平时，即超声波信号在空气中传播时，指示灯点亮。当数码管不能正常点亮时，若指示灯正常指示，则说明LED显示模块发生故障；若指示灯不能正常点亮，则说明超声波测距模块发生故障。
2、 增加一个锁存按钮。由于设计时我们设计的为每800ms超声波测距模
块启动一次，由于定时器会产生误差，造成测得距离不断变化，增加一个锁存按钮，当确定显示结果稳定时，按下按钮时，关闭超声波测距模块，可以使结果清楚显示。
3、增加一个待机按钮。当按下锁存按钮后，再按下待机按钮，这时关闭LED显示，若再打开待机按钮，这时LED启动工作，显示的数值为上一次被测距离。
2.4 设计成本及定价
成本：1、HC-SR04超声波测距模块1个3.3元 2、AT89C51单片机1个2.5元 3、四位LED数码管1个1.5元 4、晶振1个0.17元 5、电路板1个0.57元
6、其他开关、电阻及电容总计0.5元 总计：8.54元 市场平均价格：12元 预计定价：10元 利润：1.46元
3 硬件设计
此系统的硬件设计主要包括HC-SR04超声波测距模块、AT89C51单片机、4位LED显示模块，并连入指示灯、待机开关和锁存开关。
仿真时，将HC-SR04超声波测距模块用一个555延时电路来代替即可，其中调节改变滑动变阻器的阻值可以模拟被测物体距离的变化。实验仿真电路图如图1所示。
图1 设计硬件电路图
4 软件设计
此系统的软件设计主要包括超声波测距模块设计、LED显示模块设计、和其他拓展模块。采用定时器1每800ms发射一个脉冲信号启动超声波测距模块，采用定时器0计算超声波传播时间，并通过一个计算函数算得距离，然后送LED显示屏进行动态扫描并显示结果。
4.1 程序流程图
主程序流程图如图2所示。
图2 程序流程图
4.2程序
基于AT89C51单片机的超声波测距源程序见附录一。
5 系统仿真及调试结果
基于AT89C51单片机的超声波测距仿真结果见附录二。 基于AT89C51单片机的超声波测距调试结果如图3所示。
图3 系统程序调试结果
6 总结
本设计通过对超声波测距的研究，与单片机结合，实现了超声波测距的目标，并增加了数据锁存、指示灯和待机的功能。仿真时由于软件中没有HC-SR04模块，因此用555延时电路来代替。
通过这次课程设计，我加深了对单片机的理解，也为以后更好的运用打下了基础。最后要感老师的指导，在老师的耐心解答下，我受益匪浅。
参考文献
[1] 积英.数字电子技术.中国电力,2011
[2] 市捷什科技.HC-SR04超声波测距模块说明书.
[3] 江.单片机原理及接口技术的开发[J].软件导刊,2011,12(8):66-70. [4] 王思明.金敏.苟军年.鑫.乔礼.单片机原理及应用系统设计.科学.2012
附录一：实验源程序
#include #define LED_port P0 //用于LED段选 #define LED_pos P1 sbit qq=P2^6; //用于LED位选 //待机按钮 //锁存结果 //回波 //送波 sbit suocun=P2^1; sbit RX=P1^4; sbit TX=P1^5; sbit D1=P3^7; //接收指示灯 uint time=0; uint timer=0; //定时器0时间 //定时器1时间 //用于显示最后计算得到的距离 unsigned long S=0; unsigned long W[2]={0,0}; //用于比较两次测算距离大小 bit flag =0; //定时器0中断溢出标志位 uchar value[4]; uchar code LED_seg[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; //数码管段选 uchar code pos[4]={0x01,0x02,0x04,0x08}; 数码管位选 // /********************************************************/ void Delay(uchar t) //延时函数 { uchar i,j,k; for(i=0;i void value_shift(uchar value[]) //将距离值的每一位放到数组中 { value[0]=S/1000; value[1]=S/100%10; value[2]=S/10%10; value[3]=S%10; } /********************************************************/ void Display(uchar value[]) //数码管显示 { uchar i; for(i=0;i<4;i++) { LED_pos=pos[i]; LED_port=LED_seg[value[i]]; Delay(1); } } /********************************************************/ void zd3() interrupt 3 //T1中断用来扫描数码管和计800MS启动模块 { //这是计时器1中断 TH1=0xf8; //赋初值，2ms TL1=0x30; timer++; if(timer>=400) { timer=0; TX=0; //800MS 启动一次模块 //Delay(30); //一次超声波信号时长30ms,仿真时只需加负脉冲，故屏蔽此句 } /********************************************************/ void zd0() interrupt 1 //T0中断用来计数器溢出 TX=1; } { flag=1; } /********************************************************/ void Count(void) //计算程序 { time=TH0*256+TL0; //这是最后算到的时间，往返时间，但应该再乘以12/11.0593M是一个机器周期，时间应该是time*12/11.059 TH0=0; //定时器0的初始值为0 TL0=0; 是 mm ， //中断溢出标志 S=(time*1.845)/10; //算出来time*12*170/(11.0592*1000)mm=time*（1845/10000） mm W[0]=S; if(((W[0]-W[1])^2)<=100) //进行校正，若两次结果相差小于10mm，则采用前一次结果 S=W[1]; else W[1]=S; if (S>=4000) //最大距离4m，即4000mm S=8888; if (flag==1) //判断是否溢出 { S=8888; flag=0; TH0=0; } } TL0=0; /********************************************************/ void main( void ) { TMOD=0x11; //设T0为方式1，T1为方式1 TH0=0; //中断0初始化 TL0=0; TH1=0XF8; TL1=0X30; ET0=1; ET1=1; TR1=1; qq=1; suocun=0; EA=1; //允许T0中断 //中断1初始化 while(1) { ; //当RX为零时等待，即echo为低电平 while(!RX) TX=1; TR0=1; D1=1; //开启计数 //当RX为1计数并等待 while(RX); TR0=0; D1=0; //关闭计数 //关指示灯 while(!qq) //待机按钮按下时，关总中断和位选 { EA=0; P1=0X00; } qq=1; Count(); //计算 value_shift(value); Display(value); //显示 while(suocun) //当按下锁存按钮时 ,关总中断并显示 { EA=0; Display(value); } EA=1; } } 附录二： 1．距离小于4m时的仿真图 图1 距离小于4m 2．距离大于4m时的仿真图 图2 距离大于4m 因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容