单片机的超声波测距仪的设计毕业论文
目 录
一、引言 1
（一）课题背景 1
（二）课题的设计内容以及目的 1
二、课题设计方案选择以及关键技术 1
（一）系统实现方案分析 2
（二）系统实现方案比较与确定 2
（三）系统实现的关键技术 2
（四）系统方案设计及各模块工作原理 2
三、系统硬件设计 3
（一）系统硬件功能分析 3
（二）器件选用与介绍 3
1. 系统控制器STC89C51 3
2. 系统显示器LED数码管简介 4
3. 报警器蜂鸣器简介 5
4. 超声波测距模块 HC-SR04简介 6
（三）系统硬件电路设计 9
1. 器件选用清单 9
2. 单片机最小系统 9
3. 显示电路数码管设计 10
4. 声音报警电路的设计 11
5. 系统总原理图 11
（四）系统印制电路板（PCB）的设计 11
1. Altium Designer软件介绍 12
2. 系统印制电路板的设计 12
四、系统软件设计 13
（一）系统功能分析 14
（二）软件功能模块设计 14
1. 超声波测距程序 14
2. 主程序 15
3. 定时器1的中断服务程序 16
4. 报警子函数 17
五、实物制作与功能调试 18
（一）倒车雷达成品的焊接 18
（二）超声波测距成品的调试 19
六、总结 22
七、致谢 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3
八、参考文献.24
九、附录25
引言
（一）课题背景
随着社会经济的不断发展汽车价格的降低，汽车广泛的走进人们生活中。由于在倒车过程中存在着一定的视觉盲区，因此在实际过程中会出现一些倒车碰撞事故，导致大家经济财产的损失，目前汽车主要有距离接近时语音播报装置、后视镜、后视导航仪等设备来帮助人们观察倒车，语音报警装置对于非智能障碍没有作用，实际应用效果较差；汽车后视系统能够将车后的障碍物进行清晰完整的显示，但是后视系统代价过高，在实际应用中普及率并不高；然而本次设计的超声波测距仪将能有效的解决以上设备所解决不了的问题。
（二）课题的设计内容以及目的
目前倒车雷达的研究设计理论以及应用技术都较为成熟，但是这些都是需要汽车进行有效改装之后进行安装的。产品价格也相对较高，根据装置利用工作模式差异可以区分为激光，红外，超声波和毫米波测量方法，虽然每一种类型的测量装置的工作原理是不相同的，但其核心思想都是通过测距来判段车与障碍物之间的距离，并通过程序的控制实现不同方式的告警。
激光由于其良好的定向性以及较为单纯的频谱特性，在测试领域具有广泛的应用，但是由于其对于传输介质过分依赖，因此应用激光进行倒车雷达的设计，产品的性能受到外界因素的影响较大，因此目前基于激光的雷达设计的研究状况较为一般，没有取得长足的发展；红外线测距造价较为低廉，但是与激光一样，红外雷达易受到各种外界因素的干扰，因此产品的测试效果受到较大的影响；超声波的方向较强，其发射出能量能够经过很长时间的传输并且不发生明显的衰减，在非接触式短距离测量中尤为适用，而且产品的控制算法简单，性价比较高，因此目前基于超声波的倒车雷达的研究处于快速发展阶段，也取得了重要的理论成果与实际应用。
二、课题设计方案选择以及关键技术
（一）系统实现方案分析
课题研究要求能实现超声波检测距离，并将检测的结果与单片机连接并进行距离显示以及报警。设计过程中的基本方案有以下三种。
方案一：将超声波传感器模块与显示报警模块与单片机相连接，单片机通过对超声波传感器模块传回的信号进行分析处理获取距离数据，然后将数据传给数码管进行显示，并通过蜂鸣器进行报警。
方案二：超声波传感器模块和红外发送端和单片机相连接，单片机通过对超声波传感器模块传回的距离信号进行分析处理获的数据，通过红外线发送端将数据传给红外接收端然后再在数码管上显示，并通过蜂鸣器进行报警。
方案三：超声波传感器模块和无线传输模块nRF24L01与单片机相连接，单片机通过对超声波传感器模块传回的信号进行分析处理获的数据，通过nRF24L01无线传输模块将处理过的数据发送给nRF24L01无线模块的接收端最后在通过数码管显示，并通过蜂鸣器进行报警。
（二）系统实现方案比较与确定
方案一中用数据线进行数据传输，其稳定性得到保证，成本低，制作简单。方案二中通过红外线传输数据，在传输过程中较不稳定，遇障碍物无法传输，且成本较高。方案三通过无线传输模块nRF24L01由于是使用无线电传输，很好的解决了方案一与方案二中的问题。但是成本很高，是适用于本次方案。考虑到成本和数据传输效率等方面。所以本设计采用方案三。
（三）系统实现的关键技术
系统方案研究可以分为两个部分组成：硬件和程序。硬件电路包括：主控制器采用的是单片机AT89C51，超声波测试模块采用的是HC-SR04，显示电路采用四位数码管直读显示，按键和蜂鸣器。程序部分用C语言编写包括系统的开总中断、定时器中断，超声波距离信息采集模块51C程序，系统显示模块51C程序，系统控制模块软件设计，编写程序并调试，使本次设计能按照预想要求工作。
（四）系统方案设计及各模块工作原理
本方案采用c51单片机与超声波测量距离模块“hc-sr04”连接，从而实现超声波
测量距离， 51单片机在这方面的设计为我们提供了极大的方便，应用它所带来的好处在于：外围电路非常简单，并且c51单片机编程提供了一个方便的环境给我们来开发。对外围电路的设计包括四个部分，分别是数码管显示的设计，键盘控制电路，蜂鸣器报警和超声波测距。设计一个复位按键，来实现对“HC-SR04”模块的初始化。设计一个设置按键来设定初始距离值，来实现对“HC-SR04”模块的控制。设计距离设置加&减键，来实现对HC-SR04模块初始值的加减，当HC-SR04模块离障碍物距离在设定值范围内启动蜂鸣器。该设计的特点是综合运用用数字电路方案，因而工作稳定可靠。
三、系统硬件设计
（一）系统硬件功能分析
如图3-1所示本设计由一个片STC89C51单片机、HC-SR04超声波测距模块、四位数码管、蜂鸣器、LED灯组成。当汽车倒车时由HC-SR04超声波测距模块获得距离信息，在将距离信息送入STC89C51单片机中计算获得数据，再通过数码管显示距离并且通过报警电路报警。
图3-1 超声波测距仪系统框图
（二）器件选用与介绍
1.系统控制器STC89C51
STC89C51是台湾宏晶科技有限公司开发的一款与传统51单片机完成兼容的改良单片机。此款芯片最高时钟频率可达80MHz，可选择‘6个时钟每1us’和‘12个时钟每1us’。芯片集成了8K字节的“flash存储器”，0.512kb的RAM，2KB的“eeprom存储器”，“看门狗定时器”Watchdog Timer，以及非常方便实用的ISP（在系统编程）功能，使芯片的烧写工作不再需要传统的专用编程器，大大降低了开发成本。
一、引言 1
（一）课题背景 1
（二）课题的设计内容以及目的 1
二、课题设计方案选择以及关键技术 1
（一）系统实现方案分析 2
（二）系统实现方案比较与确定 2
（三）系统实现的关键技术 2
（四）系统方案设计及各模块工作原理 2
三、系统硬件设计 3
（一）系统硬件功能分析 3
（二）器件选用与介绍 3
1. 系统控制器STC89C51 3
2. 系统显示器LED数码管简介 4
3. 报警器蜂鸣器简介 5
4. 超声波测距模块 HC-SR04简介 6
（三）系统硬件电路设计 9
1. 器件选用清单 9
2. 单片机最小系统 9
3. 显示电路数码管设计 10
4. 声音报警电路的设计 11
5. 系统总原理图 11
（四）系统印制电路板（PCB）的设计 11
1. Altium Designer软件介绍 12
2. 系统印制电路板的设计 12
四、系统软件设计 13
（一）系统功能分析 14
（二）软件功能模块设计 14
1. 超声波测距程序 14
2. 主程序 15
3. 定时器1的中断服务程序 16
4. 报警子函数 17
五、实物制作与功能调试 18
（一）倒车雷达成品的焊接 18
（二）超声波测距成品的调试 19
六、总结 22
七、致谢 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
3
八、参考文献.24
九、附录25
引言
（一）课题背景
随着社会经济的不断发展汽车价格的降低，汽车广泛的走进人们生活中。由于在倒车过程中存在着一定的视觉盲区，因此在实际过程中会出现一些倒车碰撞事故，导致大家经济财产的损失，目前汽车主要有距离接近时语音播报装置、后视镜、后视导航仪等设备来帮助人们观察倒车，语音报警装置对于非智能障碍没有作用，实际应用效果较差；汽车后视系统能够将车后的障碍物进行清晰完整的显示，但是后视系统代价过高，在实际应用中普及率并不高；然而本次设计的超声波测距仪将能有效的解决以上设备所解决不了的问题。
（二）课题的设计内容以及目的
目前倒车雷达的研究设计理论以及应用技术都较为成熟，但是这些都是需要汽车进行有效改装之后进行安装的。产品价格也相对较高，根据装置利用工作模式差异可以区分为激光，红外，超声波和毫米波测量方法，虽然每一种类型的测量装置的工作原理是不相同的，但其核心思想都是通过测距来判段车与障碍物之间的距离，并通过程序的控制实现不同方式的告警。
激光由于其良好的定向性以及较为单纯的频谱特性，在测试领域具有广泛的应用，但是由于其对于传输介质过分依赖，因此应用激光进行倒车雷达的设计，产品的性能受到外界因素的影响较大，因此目前基于激光的雷达设计的研究状况较为一般，没有取得长足的发展；红外线测距造价较为低廉，但是与激光一样，红外雷达易受到各种外界因素的干扰，因此产品的测试效果受到较大的影响；超声波的方向较强，其发射出能量能够经过很长时间的传输并且不发生明显的衰减，在非接触式短距离测量中尤为适用，而且产品的控制算法简单，性价比较高，因此目前基于超声波的倒车雷达的研究处于快速发展阶段，也取得了重要的理论成果与实际应用。
二、课题设计方案选择以及关键技术
（一）系统实现方案分析
课题研究要求能实现超声波检测距离，并将检测的结果与单片机连接并进行距离显示以及报警。设计过程中的基本方案有以下三种。
方案一：将超声波传感器模块与显示报警模块与单片机相连接，单片机通过对超声波传感器模块传回的信号进行分析处理获取距离数据，然后将数据传给数码管进行显示，并通过蜂鸣器进行报警。
方案二：超声波传感器模块和红外发送端和单片机相连接，单片机通过对超声波传感器模块传回的距离信号进行分析处理获的数据，通过红外线发送端将数据传给红外接收端然后再在数码管上显示，并通过蜂鸣器进行报警。
方案三：超声波传感器模块和无线传输模块nRF24L01与单片机相连接，单片机通过对超声波传感器模块传回的信号进行分析处理获的数据，通过nRF24L01无线传输模块将处理过的数据发送给nRF24L01无线模块的接收端最后在通过数码管显示，并通过蜂鸣器进行报警。
（二）系统实现方案比较与确定
方案一中用数据线进行数据传输，其稳定性得到保证，成本低，制作简单。方案二中通过红外线传输数据，在传输过程中较不稳定，遇障碍物无法传输，且成本较高。方案三通过无线传输模块nRF24L01由于是使用无线电传输，很好的解决了方案一与方案二中的问题。但是成本很高，是适用于本次方案。考虑到成本和数据传输效率等方面。所以本设计采用方案三。
（三）系统实现的关键技术
系统方案研究可以分为两个部分组成：硬件和程序。硬件电路包括：主控制器采用的是单片机AT89C51，超声波测试模块采用的是HC-SR04，显示电路采用四位数码管直读显示，按键和蜂鸣器。程序部分用C语言编写包括系统的开总中断、定时器中断，超声波距离信息采集模块51C程序，系统显示模块51C程序，系统控制模块软件设计，编写程序并调试，使本次设计能按照预想要求工作。
（四）系统方案设计及各模块工作原理
本方案采用c51单片机与超声波测量距离模块“hc-sr04”连接，从而实现超声波
测量距离， 51单片机在这方面的设计为我们提供了极大的方便，应用它所带来的好处在于：外围电路非常简单，并且c51单片机编程提供了一个方便的环境给我们来开发。对外围电路的设计包括四个部分，分别是数码管显示的设计，键盘控制电路，蜂鸣器报警和超声波测距。设计一个复位按键，来实现对“HC-SR04”模块的初始化。设计一个设置按键来设定初始距离值，来实现对“HC-SR04”模块的控制。设计距离设置加&减键，来实现对HC-SR04模块初始值的加减，当HC-SR04模块离障碍物距离在设定值范围内启动蜂鸣器。该设计的特点是综合运用用数字电路方案，因而工作稳定可靠。
三、系统硬件设计
（一）系统硬件功能分析
如图3-1所示本设计由一个片STC89C51单片机、HC-SR04超声波测距模块、四位数码管、蜂鸣器、LED灯组成。当汽车倒车时由HC-SR04超声波测距模块获得距离信息，在将距离信息送入STC89C51单片机中计算获得数据，再通过数码管显示距离并且通过报警电路报警。
图3-1 超声波测距仪系统框图
（二）器件选用与介绍
1.系统控制器STC89C51
STC89C51是台湾宏晶科技有限公司开发的一款与传统51单片机完成兼容的改良单片机。此款芯片最高时钟频率可达80MHz，可选择‘6个时钟每1us’和‘12个时钟每1us’。芯片集成了8K字节的“flash存储器”，0.512kb的RAM，2KB的“eeprom存储器”，“看门狗定时器”Watchdog Timer，以及非常方便实用的ISP（在系统编程）功能，使芯片的烧写工作不再需要传统的专用编程器，大大降低了开发成本。
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