基于51单片机的超声波测距系统设计.docx

1 设计任务
本文采用超声波传感器,IAP15单片机以及LCD显示模块设计了一种超声波测距显示器，可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器，具有一定的实用价值。
2 设计思路
2.1 超声波测距
2.1.1 超声波
超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。
随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。
2.1.2 超声波测距原理
最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
距离计算公式：
d=S2=C×T2 （2-1）
其中d为被测物与测距器的距离，s为声波的来回路程，c为声波，t为声波来回所用的时间。其中声速c与温度有关。
C=331.5+0.607T （2-2）
如果要提高测距精确度，则必须考虑温度的影响，也可取室温简化电路设计，将温度传感器作为扩展电路，在力所能及的情况下完成。
2.1.3 超声波测距模块HC-SR04
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm至400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm；模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。实物如图2-1所示：

图2-1 HC-SR04模块实物图
HC-SR04工作原理及说明：
1、给Trig触发控制信号IO端口至少10us的高电平信号。
2、模块自动发送8个40khz的方波，并自动检测是否有信号返回。
3、有信号返回时，Echo回响信号输出端口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
4、两次测距时间间隔最少在60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。
如图2-2所示：

图2-2 HC-SR04工作原理
2.2 LCD1602显示屏
LCD1602显示屏实物如图2-3所示：

图2-3 LCD1602显示屏

LCD1602电路原理图如图2-4所示：

图2-4 LCD1602电路原理图
2.3 IAP单片机
IAP15F2K61S2单片机为增强型8051CPU，具有1个单时钟/机器周期，其工作电压为4.2V～5.5V，速度比普通的8051快8～12倍；61K字节片内FLASH程序存储器，片内大容量2048字节的SRAM，大容量的片内EEPPOM，擦写次数在10万次以上；一共有8道10位高速ADC，速度高达30万次/s，3路PWM还可当3路DA使用；共有3通道比较单元，内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路;内部高精度RC时钟，内部时钟从5MHz～35MHz可选，相当于普通8051的60MHz～420MHz;两组高速异步串行通信端口，可以在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用；各种接口扩展齐全，一根USB线实现系统供电、程序下载及通信功能。单片机实物图及引脚图如图2-5、图2-6所示：

图2-5 IAP单片机实物图

图2-6 IAP单片机引脚图
2.4 单片机最小系统
对于一个单片机系统，能够工作的前提是具有最小系统模块，最小系统一般包括单片机、晶振电路、复位电路。单片机的复位及晶振电路都是常见的接法，电源用一个按键控制接通与断开，使得程序下载变得方便。电路如图2-7所示：

图2-7单片机最小系统
2.4.2 电源电路
此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的USB口供给，也可使用外部稳定的5V电源供电模块供给。
2.4.1 时钟电路
单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。内部时钟电路的晶振频率一般选择在4MHZ~12MHZ之间（本设计选用12MHZ），外接两个谐振电容，该电容的典型值为30pF。如图2-8所示：

图2-8 时钟电路
2.4.3 复位电路
按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。如图2-9：

图2-9 复位电路
2.4 系统整体设计
系统主要由三部分组成：单片机，超声波测距模块和LCD1602显示屏构成。单片机在控制中作为控制器，用于对超声波模块的控制和计时，显示电路主要实时显示测量数值。系统框图如图2-10所示：
超声波接收

单片机
控制器

超声波发送

LCD显示

图2-10 系统框图
3 原理图
根据前面对设计的各个相关模块的分别讲述，再结合单片机的引脚功能，从而得到系统整体电路图，如图3-1所示：

图3-1 原理图
在图3-1中，LCD1602的D0到D7连接10K上拉排阻并外接到单片机的P2.0到P2.7端口，用于显示所测量距离，超声波HC-SR04的trig端、echo端分别接在单片机的P0.0、P3.2这两个端口，利用单片机的计时器将时间计算出来。最后通过程序设计将计算出的距离显示到LCD1602液晶显示屏上。

4 PCB图
生成PCB如图4-1、4-2所示：

图4-1 PCB原理图

图4-2 PCB图
5 程序流程图
5.1 主程序设计
这次软件设计使用的软件是Keil uVision4。Keil 4集成开发环境是一个窗口化的软件开发平台，它集成了功能强大的编辑器、工程管理器以及各种编译工具Keil 4使用简单、功能强大，是设计者完成设计任务的重要保证，还能加速单片机应用程序的开发过程。
主程序首先是对系统环境初始化，设定定时器T0工作模式为6位定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12MHz的晶振，计算器每计一个数就是1us,，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按计算公式计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取声速为340m/s。
超声波测距程序见附录。
5.2 程序流程图
主程序流程图如图5-1所示：
开始

系统初始化

显示结果0.5s

发射超声波脉冲

计算距离

等待反射超声波

图5-1 主程序流程图
测距程序流程图如图5-2所示：

图5-2 测距程序流程图

6 设计感想
在本次实训中，我们首先第一周进行了FPGA的学习，由老师带领我们学习FPGA的基本操作以及简单电路的设计，其中我认为最为主要的就是让我们认识到了FPGA的发展现状以及发展前景。通过了解，我们知道了FPGA的方便，可以用语言来实现我们需要的功能，进而自动实现其电路的设计，帮助我们简化了很多步骤，在这一周的学习当中，我们首先学会了如何用语言来实现流水灯的设计，以及其基本的设计思路和方法还有quartus2软件的使用方法，继而学会了如何捕捉上升沿，这个很重要，对于以后我们工作能够起很大的作用，最主要的是我们学到了很多电路设计方面的经验，这些是我们平常在书本上学不到的，能够帮助我们在以后的工作当中节省很多的时间，创造了很多捷径，能够提高我们的效率。
在第二周的时间里，我设计了超声波测距电路，首先当我拿到这个题目时，对于这个课题只有一些初步的想法，通过理论课的学习对此有一个初始的印象，然后就是去找资料，了解到了我们要设计的这个电路具体的实现原理、所需模块等方面，以及他的组成部分，基于这个单片机，我们首先就要设计它的最小系统，然后我们还需要超声波传感器。并且还需要对于测完的距离进行显示，这时就需要显示装置，这里我们用的是LCD 1602A显示屏。拿到这些装置以后，我并不会连接，所以就需要认识每个器件的引脚功能，工作原理，引脚的定义以及接法等等，然后我们就要进行绘制原理图，然后生成PCB板，在确认无误之后才能进行焊接，在焊接过程当中我们要注意的是焊点是否焊严，焊锡不能过多，走线要符合布局，在开始这次的设计工程当中，没有安排好布局，把LCD1602的数据口和单片机引脚接反，这是一个失误的地方，在老师指导下纠正过来。我在焊接完板子之后，要进行测试，首先测试显示装置，由于没有电位器，我们就要计算电阻，使显示器能够正常工作，有适当的对比度，亮度等等，在我们进行测试的时候，换了好几个电阻才调整到了适当的亮度。在各模块都工作正常后，我们要进行程序的编写，要考虑很多方面，例如接口，语法，逻辑等有没有错误，这些是很必要的，然后进行调试，更改程序等等。本次设计的超声波测距电路经过测试，误差在1CM左右是0-2CM里可以接受的范围。
经过本次实训，使我收获良多，首先我们认识到了FPGA的发展现状，然后我们了解了电路设计制作的基本流程，让我对这方面的工作有了一定的认识，帮助我们规划以后的工作，这些是我们本次实训的最大收获。而且，在设计超声波测距电路过程中我查阅了很多的资料，自主的学习了很多以前没有注意但是实际需要的东西，帮助我们完善了知识储备，也在一定程度上增强了了我们实际的工作能力，这些是我们在课堂学习当中没办法实践的方面，然而在以后我们走上工作岗位上这些却是很重要的东西，所以很感谢这次生产实习让我学到了这么多的东西，做出了实物也使我很有成就感，对这方面的内容有了更大的兴趣以及了解，能够在我走上工作岗位之前给自己提个醒，未雨绸缪，提早做好工作之前的准备。

参考文献
[1] 张岩，张鑫.单片机原理及应用.机械工业出版社，2015.6.
[2] 范立南.单片机原理及应用教程.北京大学出版社，2013.
[3] 楼然苗，李光飞.单片机课程设计指导.北京航空航天大学出版社，2012.
[4] 俞国亮.MCS-51单片机原理及应用.清华大学出版社，2008.
[5] 瞿金辉，周蓉生.超声波测距系统的设计.中国仪器仪表，2007. 8.
[6] 谭浩强.C语言程序设计(第四版).清华大学出版社，2011. 11
[7] 周凯，赵望达，赵迪. 高精度超声波测距系统. 测试技术卷，2007

附录A器件清单：
器件清单如表A-1所示：
元件
说明
数量
IAP15F2K61S2
单片机
1
HC-SR04
超声波模块
1
LCD1602
液晶显示屏
1
CH340G
USB转TTL下载器
1
按键开关
四脚
1
自锁开关
六脚
1
瓷片电容
30pF
2
电解电容
10uF
1
滑动变阻器103
10KΩ
1
排阻A102J
10KΩ上拉电阻
1
电阻
10KΩ
1
电阻
300Ω
1
晶振
12MHz
1
导线

若干
表A-1 器件清单

附录B程序代码：
#include <stc15f2k60s2.h>
#include<intrins.h>
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uint s,time,a,b,c,d;
sbit RS=P3^6;
sbit RW=P3^5;
sbit EN=P3^7;
sbit Trig=P0^1;
sbit Ecoh=P0^0;
uchar code dis_code1[]="Distance Test: ";
uchar dis_code2[]="0.00M ";
uchar cache[3]={0,0,0};
void delay_ms(uint timer)
{
uchar i=0;
while (timer--)
for(i=600;i>0;i--);
}
void Delay15us(unsigned char i) //@12.000MHz
{
_nop_();
_nop_();
i = 42;
while (--i);
}
void wait()
{
RS=0;
RW=1;
EN=0;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
EN=1;
P2=0XFF;
while(P2&0X80) ;
EN=0;
}
void write_lcd_com(uchar com)
{
wait();
RS=0;
RW=0;
EN=0;
_nop_();
EN=1;
P2=com;
delay_ms(5);
EN=0;
}
void write_lcd_data(uchar dat)
{
wait();
RS=1;
RW=0;
EN=0;
_nop_();
EN=1;
delay_ms(5);
P2=dat;
EN=0;
}
void lcd_init()
{
EN=0;
write_lcd_com(0x38);
delay_ms(1);
write_lcd_com(0x06);
delay_ms(1);
write_lcd_com(0x0C);
delay_ms(1);
write_lcd_com(0x01);
delay_ms(1);
}
void chaoshengbo(void)
{
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
s=time*0.17; //????CM
cache[0]=s/1000;
cache[1]=s/100%10;
cache[2]=s/10%10;
dis_code2[0]=cache[0]+'0';
dis_code2[2]=cache[1]+'0';
dis_code2[3]=cache[2]+'0';
write_lcd_com(0x80+0x40);
write_lcd_data(dis_code2[0]);
write_lcd_data(dis_code2[2]);
write_lcd_data(dis_code2[3]);
}
void main()
{
uchar i=0;
lcd_init();
AUXR &= 0x7F; // 定时器时钟12T模式
TMOD &= 0x00; //设置定时器模式
TMOD |= 0x11; //定时器工作方式1
ET0=1; //定时器0中断允许
EA=1; //开总中断
write_lcd_com(0x80);
for(i=0;i<15;i++)
{
write_lcd_data(dis_code1[i]) ;
delay_ms(1);
}
write_lcd_com(0x80+0x40);
for(i=0;i<16;i++)
{
write_lcd_data(dis_code2[i]);
delay_ms(1);
}
delay_ms(2000);
i=0;
while(1)
while(1)
{
Trig=1;
Delay15us();
Trig=0;
while(!Ecoh);
TR0=1;
while(Ecoh);
TR0=0;
chaoshengbo();
delay_ms(1000);
}
}
void timer0() interrupt 1 //外部中断1函数
{
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
}

19