超声波测距课程设计.docx

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超声波测距课程设计

1．前言

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，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

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，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的,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。

测距的公式表示为：

L=C×T。

本文基于51单片机和HC-SR04超声波传感器设计出了一套测量和现实距离系统，运用超声波测距系统原理，将采集到的距离信息通过1602液晶显示，并设置有声光报警功能，当测量距离小于设定的门限值时，单片机会驱动无源蜂鸣器和LED进行报警，单片机会根据距离改变驱动方式，距离越近，蜂鸣器发声频率会越高，LED也会越亮。

2.总体方案设计

2.1电源模块选择

方案一：

采用两节五号的干电池作为主控芯片的供电电源。

此方案简单易行，但是此系统是处于长期工作状态对电量的消耗比较大。

方案二：

采用汽车自带的汽车电瓶12V电源降压后供电。

此方案较好的利用汽车自身能源，避免单独电源给防撞系统供电，可使系统长期安全不掉电工作。

方案三：

采用集成稳压芯片7805，输出稳定的5V对整个系统供电。

确定方案：

综合考虑成本和系统的稳定性，决定选择方案三的供电方法。

2.2显示模块选择

方案一:

LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。

1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。

方案二:

LCD12864液晶，能显示汉字，字符，数字等，但是体积较为庞大，所占空间较大。

方案三:

诺基亚5110液晶,该模块具有以下特点：

84x48 的点阵LCD，可以显示4 行汉字，采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9 条。

支持多种串行通信协议（如AVR 单片机的ＳＰI、MCU51的串口模式０等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。

方案四：

数码管，显示较为稳定，抗干扰较强，但是显示能力单一，显示内容会受到一定限制。

确定方案：

为了平衡作品体积和显示功能需求之间的矛盾，故选择LCD1602液晶作为显示模块。

2.3报警模块选择

方案一:

ISD4004，功能强大，能自如的录音和放音，且录放音时间持续很长，储存能力较好，还能进行短时间音乐的播放。

但是炒作较为复杂，同时价格也较为昂贵。

方案二：

ISD1760，功能较为强大，能建议的进行录音和放音，能持续一段时间的录放音，但时间不长。

操作复杂性不高，价格适中。

方案三：

采用无源蜂鸣器进行报警，利用单片机发出频率可变的方波，可以驱动蜂鸣器发出频率不同的声音，达到报警的目的，并且声音频率还可以和测量距离相结合，蜂鸣器价格较为便宜，安装也较为方便。

确定方案：

从实际需求的角度出发，摒弃一味追求难度的不良思维，鉴于本设计对放音时长的需求不大，故确定选择无源蜂鸣器进行报警，结合LED进行光信号报警，单片机发出占空比不同的PWM波，可以驱动LED发出不同的亮度，结合测量距离，反馈出不同的光信号报警效果。

2.4测距模块选择

方案一：

光栅传感器模块：

接触型测量，距离近，精度非常高，能进行较为微小的距离测量主要用于高精度切割等；

方案二：

超声波传感器模块：

非接触型测量，距离一般，最多几十米，精度厘米级，操作简单，价格较为低廉，但对被测物体面积有要求。

方案三：

红外测距传感器模块：

非接触型测量，非可见光，距离短，精度不高，同时易受干扰，红外感应器使用较多。

方案四：

激光测距传感器模块：

非接触型测量，可见光，距离全能，有远也有近，精度有MM级、也有厘米级等，但造价比较昂贵,应用多为高精度高性能领域。

确定方案：

从价格和实际的实用性方面和应用领域等各个方面综合考虑，决定选择超声波传感器模块。

2.5主控芯片选择

方案一：

STC89C52系列单片机，此系列单片机比较常用、价格便宜、操作简单、独立的I/O口数量较多，方便购买。

但计算能力一般。

方案二：

ARM系列单片机，ARM（Advanced RISC Machines）是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。

ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器，基本是32位单片机的行业标准，它提供一系列内核、体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配置生产。

方案三：

FPGA系列芯片，FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB （Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑

综合考虑，51单片机虽然计算能力较弱，但是已经完全能够满足温度测量显示的要求，ARM系列单片机价格较贵，FPGA系列芯片价格也比较昂贵，并且不能进行浮点预算，综合考虑决定选择方案一。

2.6系统总方框图

超声波测距系统设计系统框图如图1所示：

图1

3.各模块电路设计

3.1HC-SR04超声波模块设计

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-4cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm；模块包括超声波发射器，接收器与控制电路。

气接线简单，只需要和单片机连接发射和接收管脚就能进行使用，模块电路如图2.

图2

3.2单片机最小系统模块设计

本设计采用了51单片机作为主控芯片，该单片机最小系统包含几个单元：

复位单元，晶振单元，上拉电阻单元等，具体电路如图3。

图3

3.3电源模块设计

本系统使用的是7805线性稳压芯片作为电源模块，该模块输出电压稳定，结构简单可靠，具体电路如图4所示。

图4

3.4声光报警模块设计

本设计采用无源蜂鸣器和LED进行声光报警。

无源蜂鸣器是蜂鸣器的一种，区别于有源蜂鸣器，无源蜂鸣器是内部不带振荡源的蜂鸣器，是一体化结构的电子讯响器，在电路中的图形符号位H或者HA。

无源蜂鸣器是靠压电效应的原理来发声的，压电材料,一般常见的是各种压电陶瓷.这种材料的特别之处在于,当电压作用于压电材料时,就会随电压和频率的变化产生机械变形.另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生电荷.就是说这种材料能把机械变形和电荷相互转化，压电式蜂鸣器里面的起振片,就是一种压电陶瓷.如上所述,要让它振动,除了压电陶瓷本身,还需要适当大小和频率变化的电压作用于压电陶瓷.压电式（有源）蜂鸣器内部带有多谐振荡器,可以产生1.5—2.5kHZ的电压信号.由此压电式蜂鸣器才能发声。

因此，只要单片机产生不同频率的方波来驱动无源蜂鸣器，就能实现不同频率的发声效果，而如果单片机产生不同占空比的PWM波驱动LED，LED就会发出不同强度的光，结合超声波测量的距离，距离越近时蜂鸣器发生频率越高，LED也越亮，实现不同的声光报警效果。

蜂鸣器驱动电路如图5，LED驱动电路如图6。

图5

图6

3.5液晶显示模块设计

本设计采用的是LCD1602液晶显示，该模块接线方便，可以直接连接单片机进行驱动，模块电路如图7。

图7

4.系统软件设计

4.1keiluvision4介绍

KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。

Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。

运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。

Keil公司是一家业界领先的微控制器（MCU）软件开发工具的独立供应商。

Keil公司由两家私人公司联合运营，分别是德国慕尼黑的KeilElektronikGmbH和美国德克萨斯的KeilSoftwareInc。

Keil公司制造和销售种类广泛的开发工具，包括ANSIC编译器、宏汇编程序、调试器、连接器、库管理器、固件和实时操作系统核心（real-timekernel）。

有超过10万名微控制器开发人员在使用这种得到业界认可的解决方案。

其KeilC51编译器自1988年引入市场以来成为事实上的行业标准，并支持超过500种8051变种。

4.2程序流程图

5.设计总结

本设计基于51单片机和超声波测距模块，将测量的距离通过LCD1602进行显示，并设置了门限值5CM，当测量距离大于5厘米时，液晶正常显示，当距离小于5厘米时，液晶显示报警信号，与此同时，蜂鸣器和LED进行声光报警，距离越近，蜂鸣器报警频率就会越高，LED也会越亮，当测量距离大于5里米时才会退出报警模式。

本设计综合了测量显示和报警模块，形成了一个完整的测量系统，并巧妙运用了无源蜂鸣器和LED的特点，使用单片机发出不同频率和占空比的脉冲，充分利用了51单片机的内部资源，科学地形成了一个整体，具有较强的可行性和实用性。

6.参考文献

[1]杨天怡主编，微型计算机控制技术，重庆：

重庆大学出版社；

[2]涂时亮编，单片微机控制技术，上海：

复旦大学出版社；

[3]黄胜军编，微机控制应用实验与实例，北京：

清华大学出版社；

[4]陈理壁．步进电机及其应用[M]，上海:

上海科学技术出版社；

[5]刘国荣．单片微型计算机技术，北京:

机械工业出版社；

[6]王福瑞编，单片微机测控系统设计大全，北京:

北京航空航天大学出版社；

[7]潘新民编，单片微型计算机实用系统设计，北京:

人民邮电出版社；

[8]李伯成编，IBM-PC微机应用系统设计，西安：

西安电子科技大学；

[9]微机控制技术及其应用方面的教材、期刊、杂志。

附录一：

系统总图

附录二：