1、題目：超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的：以51單片機(jī)為主控制器，利用超聲波模塊hc-sr04，設(shè)計(jì)出一套可在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示障礙物距離的超聲波測(cè)距儀。通過(guò)該設(shè)計(jì)的制作，更為深入的了解51的工作原理，特別是51的中斷系統(tǒng)及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的應(yīng)用；掌握數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法和超聲波傳感器測(cè)距的原理及方法，學(xué)會(huì)搭建51的最小系統(tǒng)及一些簡(jiǎn)單外圍電路(led顯示電路)。從中提高電路的實(shí)際設(shè)計(jì)、焊接、檢錯(cuò)、排錯(cuò)能力，并學(xué)會(huì)仿真及軟件調(diào)試的基本方法。二、設(shè)計(jì)要求：設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀。要求：1.能在數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示障礙物的實(shí)際距離；2.所測(cè)距離大于2cm小于300cm，精度2mm。三、設(shè)計(jì)器

2、材：stc89c52rc單片機(jī)hc-sr04超聲波模塊sm410561d3b四位的共陽(yáng)數(shù)碼管9014三極管（4）按鍵（1）電容（30pf2，10uf1）排阻（10k），萬(wàn)用板，電烙鐵，萬(wàn)用表，5v直流穩(wěn)壓電源，鑷子，鉗子，導(dǎo)線及焊錫若干，電阻（200歐5）。四、設(shè)計(jì)原理及設(shè)計(jì)方案：（一）超聲波測(cè)距原理超聲測(cè)距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。 通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差t，然后

3、求出距離l?；镜臏y(cè)距公式為：l=(t/2)*c 式中 l要測(cè)的距離 t發(fā)射波和反射波之間的時(shí)間間隔 c超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為344m/s 聲速確定后，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間，即可求得l。根據(jù)本次設(shè)計(jì)所要求的測(cè)量距離的范圍及測(cè)量精度，我們選用的是hc-sr04超聲波測(cè)距模塊。(如下圖所示)。此模塊已將發(fā)射電路和接收電路集成好了，硬件上不必再自行設(shè)計(jì)繁復(fù)的發(fā)射及接收電路，軟件上也無(wú)需再通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生40khz的方波引起壓電陶瓷共振從而產(chǎn)生超聲波。在使用時(shí)，只要在控制端trig發(fā)一個(gè)大于15us寬度的高電平,就可以在接收端echo等待高電平輸出。單片機(jī)一旦檢測(cè)到有輸出就打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)

4、時(shí)。當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就停止計(jì)時(shí)并讀出定時(shí)器的值，此值就為此次測(cè)距的時(shí)間，再根據(jù)傳播速度方可算出障礙物的距離。 （二）超聲波測(cè)距模塊hc-sr04簡(jiǎn)要介紹hc-sr04超聲波測(cè)距模塊的主要技術(shù)參數(shù)使用方法如下所述：1. 主要技術(shù)參數(shù)：使用電壓：dc5v靜態(tài)電流：小于2ma電平輸出：高5v電平輸出：低0v 感應(yīng)角度：不大于15度探測(cè)距離：2cm-300cm hc-sr04超聲波測(cè)距模塊實(shí)物圖高精度：可達(dá)2mm2. 接線方式：vcc、trig（控制端）、 echo（接收端）、 gnd使用方法：給trig端發(fā)一個(gè)15us以上的高電平，就可以在接收口echo端等待高電平輸出。一有輸出就可以開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)

5、,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值，此時(shí)就為此次測(cè)距的時(shí)間,方可算出距離。3.工作原理：采用io觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào) (在我們的程序中我們?yōu)榱舜_保有效觸發(fā)，給了約持續(xù)15us時(shí)間寬度的高電平)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過(guò)echo輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(344m/s)/2；（三）總體設(shè)計(jì)方案：以51單片機(jī)作為主控制器，在超聲波模塊hc-sr04的trig端加一個(gè)大于10us的高電平，本次設(shè)計(jì)中我們?yōu)榱舜_保有效觸發(fā)，程序中設(shè)置了約為15us的高電平進(jìn)行觸發(fā)。觸發(fā)發(fā)射端

6、產(chǎn)生超聲波，同時(shí)在接收端(echo端)等待高電平的輸出，一旦檢測(cè)到有高電平的輸出就打開(kāi)定時(shí)器0進(jìn)行計(jì)時(shí)。根據(jù)所給超聲波模塊的技術(shù)資料可知：echo端高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。當(dāng)超聲波遇到障礙物，回波被接收端接收到后，echo端變?yōu)榈碗娖?。此時(shí)關(guān)閉定時(shí)器0(令tr=0)，讀出定時(shí)器的值。這個(gè)值即為超聲波的傳播時(shí)間(單位為us)。根據(jù)聲波在空氣中的傳播速度，方可算出距離?！緶y(cè)試距離(高電平時(shí)間*聲速(344m/s)/2】將此距離進(jìn)行處理，在數(shù)碼管上利用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)時(shí)顯示。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖：stc89c52電源電路單片機(jī)外圍電路超聲波測(cè)試模塊障礙物顯示電路我們將整個(gè)系統(tǒng)劃分為：超

7、聲波模塊、顯示模塊，以及51單片機(jī)外圍工作電路模塊。（四）動(dòng)態(tài)顯示模塊：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)顯示筆劃a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極com增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的i/o線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通com端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的com端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。

8、在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的i/o端口，而且功耗更低。在本次設(shè)計(jì)中，我們選用p0口作為段碼，連接sm410561d3ba,b,c,d,e,f,g,dp，每一段的亮滅。選用p2.4p2.7分別對(duì)應(yīng)位碼，即連接 sm410561的s1，s2，s3，s4分別控制每一位的亮滅。s1，s2，s3，s4相當(dāng)于是每一段的com端，由于是共陽(yáng)極，只有某一位對(duì)應(yīng)的com端為1時(shí)，所送的段碼對(duì)該端

9、來(lái)說(shuō)才是有效的。仿真電路圖（五）硬件整體設(shè)計(jì)方案：我們?cè)谟布O(shè)計(jì)上主要包括以下幾個(gè)模塊的設(shè)計(jì)：（六）軟件設(shè)計(jì)方案：程序如下：#include#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charuchar qian,bai,shi,ge; /數(shù)碼管顯示千，百，十，個(gè)，單位為cmuint time=0; /探測(cè)時(shí)間unsigned long s=0; /探測(cè)距離，注意是長(zhǎng)整型/uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,/0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40; /共陽(yáng)數(shù)

10、碼管uchar code table=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,0xbf;sbit echo=p37; /接收端sbit trig=p36; /發(fā)射端sbit smg_q = p24; /定義數(shù)碼管陽(yáng)級(jí)控制腳（千位）sbit smg_b = p25; /定義數(shù)碼管陽(yáng)級(jí)控制腳（百位）sbit smg_s = p26; /定義數(shù)碼管陽(yáng)級(jí)控制腳（十位）sbit smg_g = p27; /定義數(shù)碼管陽(yáng)級(jí)控制腳（個(gè)位）uchar flag,a; /標(biāo)志位 /*函數(shù)名稱：init()*輸入?yún)?shù)：void*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功

11、能：初始化超聲波測(cè)距儀，定時(shí)器，中斷*/void init() echo=0; trig=0; flag=1; qian=10;bai=10;shi=10;ge=10; /數(shù)碼管顯示- - - - tmod=0x01; /設(shè)t0為方式1 th0=0; tl0=0; et0=1; /允許t0中斷 tr0=0; ea=1; /開(kāi)啟總中斷/*函數(shù)名稱：delay()*輸入?yún)?shù)：unsigned char cnt*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：延時(shí)函數(shù)*/void delay(unsigned char cnt) /大約延時(shí)2*cnt 微妙 while(-cnt);/*函數(shù)名稱：display()*輸

12、入?yún)?shù)：uchar qian, uchar bai, uchar shi, uchar ge*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：數(shù)碼管顯示模塊*/void display(uchar qian,uchar bai,uchar shi,uchar ge) smg_q=1;/選擇千位數(shù)碼管p0=tableqian;/查找1定義好的數(shù)碼管段值與p0口輸出，顯示相應(yīng)的1delay(100);/加入短暫延時(shí)p0=0xff;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽(yáng)型，所以不是0smg_q=0;/關(guān)閉千位數(shù)碼管smg_b=1;/選擇百位數(shù)碼管p0=tablebai;/查找2定義好的數(shù)碼管段值與p0口輸出，顯示相應(yīng)的2dela

13、y(100);/加入短暫延時(shí)p0=0xff;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽(yáng)型，所以不是0smg_b=0;/關(guān)閉百位數(shù)碼管smg_s=1;/選擇十位數(shù)碼管p0=tableshi&0x7f;/查找2定義好的數(shù)碼管段值與p0口輸出，顯示相應(yīng)的2delay(100);/加入短暫延時(shí)p0=0xff;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽(yáng)型，所以不是0smg_s=0;/關(guān)閉十位數(shù)碼管smg_g=1;/選擇個(gè)位數(shù)碼管p0=tablege;/查找2定義好的數(shù)碼管段值與p0口輸出，顯示相應(yīng)的2delay(100);/加入短暫延時(shí)p0=0xff;/清除數(shù)碼管顯示，因是共陽(yáng)型，所以不是0smg_g=0;/關(guān)閉個(gè)位數(shù)碼管/*函數(shù)名稱

14、：startmodule()*輸入?yún)?shù)：void*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：超聲波測(cè)距儀觸發(fā)模塊*/void startmodule() trig=1; /15us 啟動(dòng)一次模塊 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); trig=0; delay(10); /*函數(shù)名稱：main()*輸入?yún)?shù)：void*輸出參數(shù)：void*函數(shù)功能：控制模塊*/void main

15、() init(); /初始化子程序 while(1) startmodule(); while(!echo) /起始為0，當(dāng)為1時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí); tr0=1; /開(kāi)啟計(jì)數(shù) while(echo&flag); /當(dāng)echo為1計(jì)數(shù)并等待 /flag標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)超過(guò)65ms退出等待回波，繼續(xù)下一次檢測(cè) time=(th0*256+tl0)*(12/11.0592); tr0=0; /停止計(jì)時(shí) th0=0; tl0=0; /關(guān)閉計(jì)數(shù) s=(time*17.4)/100; /算出來(lái)是mm,注意程序按mm處理顯示的時(shí)候在十位加小數(shù)點(diǎn)，則以cm為單位顯示且精度小于1cm if(s4500)|(flag=

16、0) /大于1cm小于3m超出測(cè)量范圍顯示- flag=1; qian=10; bai=10; shi=10; ge=10; else qian=s/1000; bai=s/100%10; shi=s%100/10; ge=s%10; for(a=0;a100;a+) display(qian,bai,shi,ge); /掃描100次數(shù)碼管，進(jìn)行顯示 void timer0() interrupt 1 th0=0; tl0=0; flag=0; /標(biāo)志位，當(dāng)檢測(cè)超過(guò)65ms退出等待回波，繼續(xù)下一次檢測(cè)，非常必要五、設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決辦法：（1）在課程設(shè)計(jì)初期，我們組在一個(gè)現(xiàn)成的電路板（只有

17、編碼和位選與我們所要設(shè)計(jì)的作品的接法不同）上進(jìn)行編寫(xiě)和調(diào)試程序。于此同時(shí)，也開(kāi)始在prteus中搭建電路：我們選用p0口作為段碼，連接sm410561d3ba,b,c,d,e,f,g,dp，每一段的亮滅。選用p2.4p2.7分別對(duì)應(yīng)位碼，即連接 sm410561的s1，s2，s3，s4分別控制每一位的亮滅。在程序初步完成，用proteus和keil進(jìn)行仿真后，數(shù)碼管卻不能正常顯示，千位只能在0和1之中跳變，無(wú)法出現(xiàn)其他數(shù)字。經(jīng)檢查程序，發(fā)現(xiàn)計(jì)數(shù)初值的設(shè)置有問(wèn)題，于是，經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，終于能使數(shù)碼管在我們的設(shè)計(jì)范圍內(nèi)顯示數(shù)字。（2）在進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示的時(shí)候延時(shí)是非常重要的。延時(shí)太長(zhǎng)，四位數(shù)碼管的顯示會(huì)

18、有明顯的閃爍感；延時(shí)太短，則有可能相鄰幾位顯示同一個(gè)數(shù)碼，因?yàn)闀r(shí)間太短還來(lái)不及變化，顯示效果也很不理想。經(jīng)過(guò)我們仿真調(diào)試，不斷修改程序中的延時(shí)，在仿真環(huán)境下，動(dòng)態(tài)顯示已很穩(wěn)定。（3）在電路板焊接完成后，我們將編寫(xiě)好的程序下載到單片機(jī)中，開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。這時(shí)，問(wèn)題又出現(xiàn)了：數(shù)碼管的每位的c段都不亮，而且個(gè)，十，百，千位的數(shù)據(jù)顯示剛好相反。前者先考慮是電路板上出現(xiàn)的問(wèn)題，經(jīng)用萬(wàn)用表檢查電路，發(fā)現(xiàn)與c段相連的p0.2被短接。修改好電路板后,c段正常顯示，因宋英同學(xué)的認(rèn)真細(xì)致，實(shí)際電路板上也就只出現(xiàn)了這一個(gè)問(wèn)題。而后者經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)程序中的定義未能和電路板上的接口相對(duì)應(yīng)，于是我們又修改了個(gè)，十，百，千位的

19、定義。至此，我們的作品設(shè)計(jì)成功了，整個(gè)過(guò)程很順利。六、設(shè)計(jì)心得體會(huì)和收獲： 在這次試驗(yàn)中，我的主要工作是：搭建電路板。焊接電路。兼職工作是幫王明友分析電路。有些同學(xué)認(rèn)為焊接電路是沒(méi)有技巧的工作，沒(méi)有什么含金量，鍛煉不出自己的真實(shí)能力。而我卻不這么認(rèn)為，在這項(xiàng)工作中，我還是學(xué)到了很多東西，我堅(jiān)信這些知識(shí)是在課本當(dāng)中學(xué)不到的，比如說(shuō)；每個(gè)器件位置的合理安排，經(jīng)過(guò)板子的每一條線的布置，讓板子整體看起來(lái)比較美觀，呈獻(xiàn)給大家的是一個(gè)賞心悅目的板子。硬件的完美是我們的終極目標(biāo)，我們始終要堅(jiān)信的是：軟件和硬件是相輔相成的。軟件的簡(jiǎn)潔，硬件的完美是成功的必需品。這次課程設(shè)計(jì)我深深的體會(huì)了這點(diǎn)。在整個(gè)板子的焊接

20、過(guò)程中，每個(gè)結(jié)點(diǎn)的焊接必須做到謹(jǐn)慎小心，一不小心就會(huì)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，在焊接過(guò)程當(dāng)中，時(shí)刻準(zhǔn)備用萬(wàn)用表來(lái)檢測(cè)電路。在這次的焊接過(guò)程當(dāng)中，我每焊接一個(gè)結(jié)點(diǎn)，都會(huì)用萬(wàn)用表去檢測(cè)。做到精益求精。防止在板子焊好之后，再檢測(cè)，就會(huì)有些無(wú)從下手。給自己更少的機(jī)會(huì)去檢查。而是更多的機(jī)會(huì)去做到完美。在這次課程設(shè)計(jì)中，我學(xué)會(huì)了：謹(jǐn)慎，仔細(xì)，小心。我堅(jiān)信，這些知識(shí)會(huì)讓我受益匪淺。 在這次課程設(shè)計(jì)當(dāng)中，我也有很多做的不好的地方。那天板子還沒(méi)有喊好的時(shí)候，惠林看到我們的板子的時(shí)候說(shuō)：你的板子裸露在外面的線實(shí)在是太不安全了。特別容易短路，;我說(shuō)：“不會(huì)的，這些線是壓不下去的，”，他的一句話讓我恍然大悟，“客戶有時(shí)候是不會(huì)善

21、待你的勞動(dòng)成果的，我們的服務(wù)對(duì)象是客戶，而不是我們自己。我們得把目光放的長(zhǎng)遠(yuǎn)一點(diǎn)”，自己在這方面的考慮還是欠缺的。希望以后通過(guò)更多的機(jī)會(huì)，得到鍛煉、提高。在這次課程設(shè)計(jì)中，我主要負(fù)責(zé)硬件仿真和寫(xiě)報(bào)告的工作。剛開(kāi)始，我們整個(gè)組都不知如何下手。在查找完資料的第二天，在組長(zhǎng)王明友的帶領(lǐng)下，他自告奮勇的承擔(dān)了程序編寫(xiě)和軟件調(diào)試工作，也給各組員分配了工作。通過(guò)參考資料，我大致懂得了超聲波測(cè)距原理，但是對(duì)于數(shù)碼管如何實(shí)現(xiàn)顯示功能還是一頭霧水。于是，在數(shù)碼管顯示這一模塊進(jìn)行了大量的資料查找，結(jié)合單片機(jī)各管腳功能，終于了解到充分使用單片機(jī)的i/o接口與數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口相連接，通過(guò)程序即能實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示

22、。懂得了基本原理，電路搭建起來(lái)就很輕易了。然而，我對(duì)軟件部分還不是很了解，整個(gè)程序基本上是請(qǐng)教王明友慢慢讀懂的。由于硬件仿真這塊，如果不能仿真出來(lái)就需要修改程序，所以讀懂程序還是非常有必要的。但是，編寫(xiě)程序目前對(duì)于我來(lái)說(shuō)還有一定的困難，我也會(huì)在今后堅(jiān)持不斷的學(xué)習(xí)。硬件仿真完成后，為了很好的完成報(bào)告，一直都在不斷向王明友同學(xué)學(xué)習(xí)他是如何調(diào)試，以及如何解決問(wèn)題的。經(jīng)過(guò)本次的課程設(shè)計(jì)，我覺(jué)得我最大的收獲是深入了解到了51（或52）單片機(jī)的各管腳功能，真正將理論和實(shí)踐結(jié)合起來(lái)，以及更加明確計(jì)數(shù)方式，機(jī)器周期，晶振頻率（或周期）的有關(guān)知識(shí)。延時(shí)程序的編寫(xiě)和中斷的內(nèi)容也更加深入細(xì)致。還有就是，我明白了任何

23、事情都不難，只要我們積極思考，而不是被動(dòng)的接受知識(shí)；遇到問(wèn)題不用怕，主動(dòng)請(qǐng)教，過(guò)關(guān)斬將，那么什么問(wèn)題都不再是問(wèn)題，而變成自己的知識(shí)儲(chǔ)備。隊(duì)友的認(rèn)真、耐心和熱心使我們每個(gè)環(huán)節(jié)的完成都比較順利，良好的合作以及明確的分工使我們高效率的完成了本次課程設(shè)計(jì)。短短兩周的課程設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)眼間就結(jié)束了，在這個(gè)過(guò)程中我收獲了很多，不僅感受到了充實(shí)，而且體會(huì)到學(xué)以致用的欣喜。在我們的學(xué)習(xí)中，很多課程都只是在不斷重復(fù)著理論的疊加，然而隨著時(shí)間的推移，沉淀下來(lái)的也微乎其微。真正能夠讓我們學(xué)以致用的很少。而單片機(jī)這兩周的課程設(shè)計(jì)卻能讓人欣喜，特別是當(dāng)我們付出努力并獲得一定的成果時(shí)，那些許的成就感讓我們?nèi)计鹆讼Ｍ?。學(xué)以致用，這是我們作為學(xué)生內(nèi)心深處的呼喚。剛開(kāi)始課程設(shè)計(jì)的前兩天，我收集了很多有關(guān)我們課程設(shè)計(jì)的資料，仔細(xì)閱讀了并深入體會(huì)了此次設(shè)計(jì)的思想，之后便開(kāi)始了我們自己的設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)兩天