超声波测距

河南大学物理与电子学院2015级单片机课程设计论文超声波测距论 文 作 者： 论文 合 作者： 所 在 学 院： 所 学 专 业： 指导教师姓名： 论文完成时间： 目 录0 前言11 系统组成与功能11.1 系统组成1 1.1.1 AT89C52单片机1 1.1.2 SN74HC573AN 模块2 1.1.3 HC-SR04模块21.1.4四位共阴数码管31.2 系统功能32 系统原理32.1系统原理图42.2 系统PCB图52.3 实物照片63 程序流程图74 子程序流程图85 结论96 扩展部分设计心得9参考文献913河南大学物理与电子学院单片机课程设计论文带蜂鸣器警报功能的超声波测距仪0 前言由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。超声波发射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停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。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。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。在本学期的单片机在课程设计中，我们两个人一组共同讨论并设计出了一种基于单片机控制的超声波测距仪。而且设计出了实际的成品，经过调试后能实现预期的功能，同时我们两个人在能实现其基本功能的基础上进行了一定程度的功能扩展。1系统组成与功能1.1 系统组成本系统主要有AT89C52单片机、SN74HC573AN模块、HC-SR04模块、四位一体七段数码管等元件组成。1.1.1AT89C52单片机图1-1 AT89C51引脚图AT89S52具有如下特点：40个引脚，16k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位2。1.1.2 SN74HC573AN芯片 74HC573包含八路3态输出的非反转透明锁存器，是一种高性能硅栅CMOS器件。M54HC563/74HC563/M54HC573/74HC573的八个锁存器都是透明的D 型锁存器，当使能（G）为高时，Q 输出将随数据（D）输入而变。当使能为低时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影响锁存器的内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。这种电路可以驱动大电容或低阻抗负载，可以直接与系统总线接口并驱动总线，而不需要外接口。特别适用于缓冲寄存器，I/O 通道，双向总线驱动器和工作寄存器。 1.1.3 HC-SR04模块 HC-SR04模块是由深圳市捷深科技有限公司开发生产的用于超声波测距的产品。采用IO口TRIG触发测距，给最少的10us的高电平信号，模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回，有信号返回，通过IO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。测量距离=（高电平时间*声速（340m/s）/2 1.1.4四位共阴数码管 本设计用到四位共阴数码管1个，其原理与单个的数码管显示原理是一样的。四位一体的数码管共12个引脚。A-dp八个引脚对应八根数据线，控制显示的字形。DIG1-DIG2四个引脚为公共端，控制当前显示字形的位别，为扫描法显示提供了方便，有效减少了数码管占用的单片机引脚数。下面便是一个共阴的四位数码管的内部结构图。引脚排列依然是从左下角的第一只管脚开始，以逆时针方向依次为1-12脚，数码管内部结构及引脚参见下图。1.2 系统功能本设计的主要功能是用单片机来控制HC-SR04模块来测量最近物体与仪器的距离，通过四位共阴数码管实时显示所测距离，并且当所测距离小于事先设置的数值时，系统中蜂鸣器发生报警，LED长亮。另外用户可通过轻触按键调节报警整门限距离。2 系统原理本系统设计的主要原理是用单片机来控制HC-SR04模块、数码管显示模块和蜂鸣器的工作。其中HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的封接触式距离感测功能，测量精度可达高到3mm;模块包括超声波发生器、接收器与控制电路。2.1 系统原理图2.2 系统PCB图2.3焊接过程与实物图 3程序流程图主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理HC-RS04的测量距离值，按键控制有效距离限制，当测量的值超过预设值时，蜂鸣器发声报警。YN初始化调用显示子程序障碍物存在读出距离值数值处理开始结束/主函数void main(void) TMOD=0x11; /设T0为方式1TH0=0;TL0=0; TH1=0xf8; /2MS定时TL1=0x30;ET0=1;/允许T0中断ET1=1; /允许T1中断TR1=1; /开启定时器EA=1;/开启总中断init_eeprom(); /开始初始化保存的数据while(1)while(!RX);/当上次接收完波后，RX引脚是低电平，取反就是1，此while成立，反复判断RX状态。当RX没有接收到返回波时是高电平，取反就是0，此while不成立，跳出TR0=1;/开启计数while(RX);/当RX没有接收到返回波，此while成立，程序停在这里一直判断RX状态。当RX接收到返回波，RX引脚变为低电平，此while不成立，跳出TR0=0;/停止计数Conut();/计算4子程序流程图显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在数码管上。结束赋型和位开始3.3报警子程序报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而达到报警的目的。Y开始超出预设值Y蜂鸣器报警结束3.4按键子程序按键子程序的主要功能是有效距离可调，功能键调整上限，再次功能键调整下限，再次按功能退出。4.元件清单5.结论通过本学期单片机课程设计的学习与动手制作，本设计基本上实现的预定功能，但在此基础上还可以根据不同的需求做相应的扩展,比如可以设计实现与计算机的通信，用计算机来控制距离打大小等。在此理论知识基础上，本文利用STC89C52单片机对系统发射与接收、显示报警及复位等硬件电路进行了设计，并对设计电路作了分析。通过掌握了系统的工作流程，设计了该系统的主程序、显示子程序和蜂鸣报警程序。由于个人的知识有限，设计本身可能有不足之处，比如发射距离不太远，还有待进一步改进。6.扩展部分设计心得本论文中虽然对安全距离模型进行了改进，但仍需进一步改进和细化，采用一定的控制理论和算法，使模型更具有科学性、可靠性和可操作性。本系统现阶段只是就危险情况实现了向驾驶员报警，事实上由于驾驶员的反应性有差异及注意力不集中、疲劳驾驶等因素的存在，有时未必能及时采取减速、刹车等措施，因此系统下一步的目标是实现自动刹车的功能，使驾驶员的安全更有保障。（1)本系统只是在理论上讨论了汽车防碰撞的问题，由于实验设备和时间问题还没有进行实验。 (2)本系统还应该进一步在复杂天气(雨、雪、大雾)，潮湿、冰雪路面上进一步测试，验证系统的设计功能。(3)在本系统基础上，