单片机的超声波测距仪设计
Key words: SCM; AT98C51; ultrasonic sensors 目 录
一、绪论 5
1.1选题背景及研究意义 5
1.2研究思路和方法 5
二、超声波测距原理 6
2.1 超声波简介 6
2.2超声波测距仪工作原理 6
三、超声波测距仪系统元器件介绍 8
3.1 单片机简介 8
四、硬件电路设计 10
4.1 超声波发射电路 11
4.2 超声波接收电路 12
4.3 显示电路 12
4.4 电源电路 13
4.5 复位电路 14
五、软件设计 14
5.1超声波发送及接收的中断子程序 14
5.2距离计算子程序 15
5.3 显示子程序 15
5.4 系统仿真 15
结束语 17
致谢 18
参考文献 19
附录 20
一、超声波测距仪流程图 20
二、超声波测距汇编程序 21
三、超声波测距仪电路图 24
一、绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着生活水平的提高，科技的急速发展，科技影响着生活，越来越多的科学技术不断的成熟，不断的在实际中去应用，给生活及工业发展带来了诸多便利，该超声波测距仪也根据这一宗旨而设计，目前测量距离的主要手段包括：红外测距、标尺、雷达测距、激光测距、声波测距等。本设计采用超声波进行距离测量，因为超声波具有良好的穿透性，在液体包括固体中能够传播较远的距离，所以超声波技术得以广泛应用于工业以及生活中。较为常见的比如医院的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
超声波检查、超声波清洗仪，现在也有利用超声波进行加湿的加湿仪等等。这些技术的应用不断的提高生活质量。利用超声波测量距离不仅快捷易用，其精度也能达实际生产和使用中的要求。但市面上的超声波测距仪不仅成本高昂而且系统较为复杂。
本设计则利用超声波传感器结合单片机技术实现对距离的测量，该系统易控制、性能可靠、可读性强，并且成本较低。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。
1.2研究思路和方法
（1）理解超声波测距仪工作原理原理，利用超声波传感器单片机等，完成距离测量的设计方案。
（2）设计基于STC89C51单片机的信号采集电路单元（超声波发射与接收模块）、电源电路单元、复位电路单元、显示单元等等。
（3）设计基于4位LED数码管的显示电路，编写数码管的运行程序，完成测量结果的显示。
（4）进行软件调试和运行，实现该系统的相关功能。
二、超声波测距原理
2.1 超声波简介
1793年夏季的一个夜晚斯帕拉捷放飞了实验用的蝙蝠。事先蝙蝠的眼镜已经被刺瞎，然而蝙蝠却依然能够在空中飞翔，这时他就产生了疑问，失去双眼的蝙蝠如何做到在夜间飞行自如的，因此他决心解开谜团。谜团解开以后，斯帕拉捷的发现引起了世人的震动。在此基础山，很多科学家进行了新的探索，最后他们搞明白了：蝙蝠是利用“超声波”在夜间导航的。这也就是超声波的由来。
在20世纪50年代，一位英国的医生首次借助了超声波来探测孕妇腹中胎儿的情况。如今，超声波技术在医学上也得以广泛的应用，譬如B超检查、内科检查等。
什么是超声波？声波是由物体产生机械震动而产生的，是一种能量的传播形式，譬如敲击物体产生声音这就是因物体震动而产生的。而超声波是指物体机械震动频率大于20GHz，而人耳可听见的频率范围在20Hz~20KHz,所以通常把这类震动频率高于20KHz的声波成为超声波，由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率比较大，所以产生的能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常通过声波进行勘测。
2.2超声波测距仪工作原理
超声波测距仪的工作原理为超声波发射模块在t时刻发射声波信号，这一声波信号在遇到前方的阻碍物时候会返回，称为反射波。而后测距仪的声波接受模块会接收反射波并对该信号进行滤波（本设计的信号采用40KHz的方波），此时单片机通过超声波模块从发射信号到反射信号所用的时间即可计算出测距仪到障碍物之间的距离d。
d=s/2=(c×t)/2
式中： c——超声波的传播速度（331.5m/s）；
——超声波单程传播时间；
s——声波往返路程。
图1 超声波测距仪设计框图
根据上述原理和设计框图如图1所示，若要计算出超声波测距仪到障碍物的距离且达到一定精度要求必须满足以下条件：(1)在发射超声波时定时器计0。(2)在接收到反射回的声波同时定时器停止计时。(3)要将声波往返时间转换为测量距离。因此，在发射超声波时打开总中断（定时器计0），用外部中断0关闭总中断，使接收反射波时定时器0停止工作则完成了一个周期即从发射声波到接收声波的时间。因超声波传输0.1m需要294μs，所以定时器0中断时间定为294μs，单片机判断整个过程经过了多长时间，这样即可把时间转换为距离。
三、超声波测距仪系统元器件介绍
3.1 单片机简介
单片机是一种集成电路又称单片机控制器，最早用于工业控制领域，其集成了CPU、RAM、ROM、I/O口等，相当于将一套计算机系统集成到一个芯片上等同于一台微型的计算机，其优点在于体积小、质量轻、价格低廉。单片机已经渗透到日常生活中的每一处，例如智能电饭煲、控制器、洗衣机、汽车电子、各种仪表和工具等。
单片机（Microcontrollers）诞生于1971年，经历了SCM（单片微型计算机）、MCU（微控制器）、SoC三大阶段，早期的SCM单片机都是8位或4位的。1971年Intel公司退出了4位单片机4004.而后在1976年推出8位单片机8008.在1976年INTEL退出了最具代表性的单片机MCS-48，这也成为了单片机发展的最初阶段。1982年-1992年8051系列单片机成为了众多半导体公司和生产厂生产单片机的核心，至此8位单片机开始蓬勃发展，并且也出现了16位高级单片机MCS-96。1993年至今，单片机技术发展越来越快，为了满足日益增长的广泛需求，不同的应用对象和领域，如智能电饭煲、全自动洗衣机等，这些产品的产生促使专用型单片机的发展，且单片机综合品质得以提升，各厂商之间的竞争力不断加强（如EMI电磁抗干扰性能）。所以今天我们身边处处可以看到单片机的身影。
3.1.2 AT89C51单片机介绍
AT89C51型号单片机是美国ATMEL公司生产，高性能CMOS8位单片机。
主要性能参数：
1.兼容MCS-51指令；
致谢
一、绪论 5
1.1选题背景及研究意义 5
1.2研究思路和方法 5
二、超声波测距原理 6
2.1 超声波简介 6
2.2超声波测距仪工作原理 6
三、超声波测距仪系统元器件介绍 8
3.1 单片机简介 8
四、硬件电路设计 10
4.1 超声波发射电路 11
4.2 超声波接收电路 12
4.3 显示电路 12
4.4 电源电路 13
4.5 复位电路 14
五、软件设计 14
5.1超声波发送及接收的中断子程序 14
5.2距离计算子程序 15
5.3 显示子程序 15
5.4 系统仿真 15
结束语 17
致谢 18
参考文献 19
附录 20
一、超声波测距仪流程图 20
二、超声波测距汇编程序 21
三、超声波测距仪电路图 24
一、绪论
1.1 选题背景及研究意义
随着生活水平的提高，科技的急速发展，科技影响着生活，越来越多的科学技术不断的成熟，不断的在实际中去应用，给生活及工业发展带来了诸多便利，该超声波测距仪也根据这一宗旨而设计，目前测量距离的主要手段包括：红外测距、标尺、雷达测距、激光测距、声波测距等。本设计采用超声波进行距离测量，因为超声波具有良好的穿透性，在液体包括固体中能够传播较远的距离，所以超声波技术得以广泛应用于工业以及生活中。较为常见的比如医院的 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
超声波检查、超声波清洗仪，现在也有利用超声波进行加湿的加湿仪等等。这些技术的应用不断的提高生活质量。利用超声波测量距离不仅快捷易用，其精度也能达实际生产和使用中的要求。但市面上的超声波测距仪不仅成本高昂而且系统较为复杂。
本设计则利用超声波传感器结合单片机技术实现对距离的测量，该系统易控制、性能可靠、可读性强，并且成本较低。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。
1.2研究思路和方法
（1）理解超声波测距仪工作原理原理，利用超声波传感器单片机等，完成距离测量的设计方案。
（2）设计基于STC89C51单片机的信号采集电路单元（超声波发射与接收模块）、电源电路单元、复位电路单元、显示单元等等。
（3）设计基于4位LED数码管的显示电路，编写数码管的运行程序，完成测量结果的显示。
（4）进行软件调试和运行，实现该系统的相关功能。
二、超声波测距原理
2.1 超声波简介
1793年夏季的一个夜晚斯帕拉捷放飞了实验用的蝙蝠。事先蝙蝠的眼镜已经被刺瞎，然而蝙蝠却依然能够在空中飞翔，这时他就产生了疑问，失去双眼的蝙蝠如何做到在夜间飞行自如的，因此他决心解开谜团。谜团解开以后，斯帕拉捷的发现引起了世人的震动。在此基础山，很多科学家进行了新的探索，最后他们搞明白了：蝙蝠是利用“超声波”在夜间导航的。这也就是超声波的由来。
在20世纪50年代，一位英国的医生首次借助了超声波来探测孕妇腹中胎儿的情况。如今，超声波技术在医学上也得以广泛的应用，譬如B超检查、内科检查等。
什么是超声波？声波是由物体产生机械震动而产生的，是一种能量的传播形式，譬如敲击物体产生声音这就是因物体震动而产生的。而超声波是指物体机械震动频率大于20GHz，而人耳可听见的频率范围在20Hz~20KHz,所以通常把这类震动频率高于20KHz的声波成为超声波，由于其频率高，因而具有许多特点：首先是功率比较大，所以产生的能量比一般声波大得多，因而可以用来切削、焊接、钻孔等。再者由于它频率高，波长短，衍射不严重，具有良好的定向性，工业与医学上常通过声波进行勘测。
2.2超声波测距仪工作原理
超声波测距仪的工作原理为超声波发射模块在t时刻发射声波信号，这一声波信号在遇到前方的阻碍物时候会返回，称为反射波。而后测距仪的声波接受模块会接收反射波并对该信号进行滤波（本设计的信号采用40KHz的方波），此时单片机通过超声波模块从发射信号到反射信号所用的时间即可计算出测距仪到障碍物之间的距离d。
d=s/2=(c×t)/2
式中： c——超声波的传播速度（331.5m/s）；
——超声波单程传播时间；
s——声波往返路程。
图1 超声波测距仪设计框图
根据上述原理和设计框图如图1所示，若要计算出超声波测距仪到障碍物的距离且达到一定精度要求必须满足以下条件：(1)在发射超声波时定时器计0。(2)在接收到反射回的声波同时定时器停止计时。(3)要将声波往返时间转换为测量距离。因此，在发射超声波时打开总中断（定时器计0），用外部中断0关闭总中断，使接收反射波时定时器0停止工作则完成了一个周期即从发射声波到接收声波的时间。因超声波传输0.1m需要294μs，所以定时器0中断时间定为294μs，单片机判断整个过程经过了多长时间，这样即可把时间转换为距离。
三、超声波测距仪系统元器件介绍
3.1 单片机简介
单片机是一种集成电路
单片机
3.1.2 AT89C51单片机介绍
AT89C51型号单片机是美国ATMEL公司生产，高性能CMOS8位单片机。
主要性能参数：
1.兼容MCS-51指令；
致谢
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