单片机的超声波测距仪的设计与制作
目 录
一、绪论 1
二、设计思想和总体方案 2
（一）设计思想 2
1．超声波 2
2．超声波测距的原理 2
（二）方案设计 3
三、硬件设计 3
（一）单片机电路的设计 3
1．STC89C52的特性和引脚功能说明 3
2．单片机的最小系统介绍 5
（二）超声波测距模块的设计 6
（三）声音报警电路的设计 7
（四）显示模块的设计 8
（五）温度传感器电路的设计 9
1．传感器的引脚描述和特性 9
2．传感器的工作原理和电路图 9
（六）按键电路的设计 10
四、软件设计 11
（一）主程序流程图 11
（二）中断处理子程序 12
（三）距离计算子程序 12
（四）显示距离子程序 13
五、制作与调试 14
（一）制作 14
1．元件清单 14
2．具体制作过程 14
（二）调试过程 16
（三）实物展示 17
1．电路板展示 17
2．实物功能展示 17
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录1 整机电路原理图 22
一、绪论
生活中利用超声波这项技术来测距的地方越来越多，但还不够完善，因此，这项技术还有着很大的发展空间。往长远考虑，超声波测距仪会作为一种新型的实用的工具，它会跟着日益增长的社会需求来不断地完善这项技术。因此研究超声波测距仪就有着十分重要的现实意义 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
。
超声波测距是一种不需要任何接触式的检测技术，它不受光的强度和颜色深度等因素的影响，比其他仪器更安全，可以适应高温环境和湿度环境。它本身还具有维护性、防污染、可靠性、寿命长等特点。利用此技术往往更加有效快速、操作简单、控制方便，并且精确测量，能达到各个领域的指标要求。
本课题设计一款具有测量精确，速度快，控制简单和成本低廉的超声波测距仪。此次设计的超声波测距仪由超声波模块，单片机，温度传感器，LED数码管和按键等电路组成。当接通电源后，按下开关，由超声波模块发射方波，遇到障碍物自动返回到接收器中，进行数据处理，并将处理后的距离值显示到数码管上，再与设定值相比，当得到的数值小于设定值时，蜂鸣器报警。设计过程中，由于温度的变化影响到传播速度，因此我在设计中安装了温度传感器，此传感器使测量值更加的准确。通过本课题的研究，使我不仅了解、熟悉了单片机，更能够很好地应用单片机进行设计。
二、设计思想和总体方案
（一）设计思想
1．超声波
电磁波的频率在20 kHz至50 MHz的可称为超声，具有很强的方向性，穿透能力强，传输距离远，也可以很容易地获得一些能量集中，在水中也同样拥有很远的传播距离，可以利用超声波来测量距离，测量速度，清洗，工业焊接，医疗碎石、消毒灭菌等，在工农业，医疗国防都有很广泛的应用。
超声波的特性如下：
（1）超声波的传播介质具有多种类型，比如固体、液体、气体、固体熔液。
（2）超声波可以带着能量一起传播。
（3）超声波具有指向性强，穿透能力强，传播距离远。
（4）超声波在遇到障碍物后会出现一定的反射、干涉、叠加或者共振等现象。
（5）超声波在液体介质中传播时，会对界面产生一定的冲击以及空化现象。
（6）超声波可以调整材料尺寸来达到波长的调整，经常用在厚度测量和小物体的大小，还有在高分辨率的探伤作业过程中运用到。
（7）超声波在工作时几乎是听不见的。这一点就很好的适用于一些高强度的工作。
2．超声波测距的原理
超声波测量距离有很多种方法。本设计中我采用了一种渡越时间检测法来测量距离。这种方法的基本原理是利用超声波模块中的发生器产生并发射超声波，然后在介质中（这里只空气）传播，当超声波碰到障碍物或者达到测量目标距离后会被反弹回来，再被超声波接收器接收，这样往返时间就是我们所需要的时间T，通过时间和传播速度就可以算出距离。这种方法是最常用的，其表达式为S=CT/2，（表达式中S代表的是测量点到被测物体两者之间的距离，C是超声波在介质（这里是空气）中的传播速度，T是超声波发射到接受的时间段）。
温度的转变会影响到声音的传播速度。当衡量标准很高的时候，温度会影响超声波在介质（这里指空气）中传播速度这一实际是我们务必要思考到的。凡是温度每提高1℃，声的速度也就会增长0.6m/s。下表1列出了几种不同的温度时声音的速度：
表1 不同温度下声速表
温度（摄氏度） －30 －20 －10 0 10 20 30
声速（米／秒） 314 320 325 333 338 345 349
在测量时，可以增加温度补偿电路来满足所需要的较高精度的测量结果。
如今，人们为了简单方便，市场上出现了越来越多的超声波测距模块。而我采用的是HC-SR04超声波模块。此模块性能比较稳定，测量距离精确，盲区小。此次设计主要由超声波模块系统（超声波发射和接收系统）、单片机系统、蜂鸣器报警系统、数码管显示和按键控制系统等几部分组成。
模块中的发射部分有五部分组成，主要是振荡器、调制器、发生器、还有功率放大器及超声波换能器。基于单片机的脉冲序列的编码信号编码调制，然后通过功率放大器，它由发送超声波的超声波发生器发射。
在模块接收部分由超声波传感器，放大器和解调器三部分组成。当超声波反射信号被单片机系统接收到之后，超声换能器开始进行转换接收的信号，再经过放大、解调后，最后由单片机系统做出数据处理，这时候再通过数码管显示器显示出距离，将得到的距离与已经事先设定好的值相比，小于设定值时，蜂鸣器报警。
（二）方案设计
本设计由超声波测距模块HC-SR04、单片机、按键控制、四位数码管、蜂鸣器报警、DS18B20温度补偿等电路构成。按键按下，单片机开始工作并做出指令，超声波模块接收到的指令发出的超声波，超声波碰到障碍后反弹，然后由接收模块接收超声波，计时器记录下的就是超声波往返的时间T并由已知的传播速度C算出距离S= CT/2，最后将测出来的值再与设定值相比，小于设定值，蜂鸣器报警。温度的变化会影响到传播速度，因此使得我的测量值更加的准确，我加入了温度传感器。系统总体设计框图如图1所示。
图1 系统框图
三、硬件设计
（一）单片机电路的设计
图3 单片机最小系统
（二）超声波测距模块的设计
本设计中我选用了集成的超声波模块HS-SR04，此模块距离感测性能强，测量距离值准确。此模块的三个组成部分分别是发射器、接收器和控制电路。
最近射程 0cm
测量角度 20 度
N
一、绪论 1
二、设计思想和总体方案 2
（一）设计思想 2
1．超声波 2
2．超声波测距的原理 2
（二）方案设计 3
三、硬件设计 3
（一）单片机电路的设计 3
1．STC89C52的特性和引脚功能说明 3
2．单片机的最小系统介绍 5
（二）超声波测距模块的设计 6
（三）声音报警电路的设计 7
（四）显示模块的设计 8
（五）温度传感器电路的设计 9
1．传感器的引脚描述和特性 9
2．传感器的工作原理和电路图 9
（六）按键电路的设计 10
四、软件设计 11
（一）主程序流程图 11
（二）中断处理子程序 12
（三）距离计算子程序 12
（四）显示距离子程序 13
五、制作与调试 14
（一）制作 14
1．元件清单 14
2．具体制作过程 14
（二）调试过程 16
（三）实物展示 17
1．电路板展示 17
2．实物功能展示 17
总结 19
致谢 20
参考文献 21
附录1 整机电路原理图 22
一、绪论
生活中利用超声波这项技术来测距的地方越来越多，但还不够完善，因此，这项技术还有着很大的发展空间。往长远考虑，超声波测距仪会作为一种新型的实用的工具，它会跟着日益增长的社会需求来不断地完善这项技术。因此研究超声波测距仪就有着十分重要的现实意义 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
。
超声波测距是一种不需要任何接触式的检测技术，它不受光的强度和颜色深度等因素的影响，比其他仪器更安全，可以适应高温环境和湿度环境。它本身还具有维护性、防污染、可靠性、寿命长等特点。利用此技术往往更加有效快速、操作简单、控制方便，并且精确测量，能达到各个领域的指标要求。
本课题设计一款具有测量精确，速度快，控制简单和成本低廉的超声波测距仪。此次设计的超声波测距仪由超声波模块，单片机，温度传感器，LED数码管和按键等电路组成。当接通电源后，按下开关，由超声波模块发射方波，遇到障碍物自动返回到接收器中，进行数据处理，并将处理后的距离值显示到数码管上，再与设定值相比，当得到的数值小于设定值时，蜂鸣器报警。设计过程中，由于温度的变化影响到传播速度，因此我在设计中安装了温度传感器，此传感器使测量值更加的准确。通过本课题的研究，使我不仅了解、熟悉了单片机，更能够很好地应用单片机进行设计。
二、设计思想和总体方案
（一）设计思想
1．超声波
电磁波的频率在20 kHz至50 MHz的可称为超声，具有很强的方向性，穿透能力强，传输距离远，也可以很容易地获得一些能量集中，在水中也同样拥有很远的传播距离，可以利用超声波来测量距离，测量速度，清洗，工业焊接，医疗碎石、消毒灭菌等，在工农业，医疗国防都有很广泛的应用。
超声波的特性如下：
（1）超声波的传播介质具有多种类型，比如固体、液体、气体、固体熔液。
（2）超声波可以带着能量一起传播。
（3）超声波具有指向性强，穿透能力强，传播距离远。
（4）超声波在遇到障碍物后会出现一定的反射、干涉、叠加或者共振等现象。
（5）超声波在液体介质中传播时，会对界面产生一定的冲击以及空化现象。
（6）超声波可以调整材料尺寸来达到波长的调整，经常用在厚度测量和小物体的大小，还有在高分辨率的探伤作业过程中运用到。
（7）超声波在工作时几乎是听不见的。这一点就很好的适用于一些高强度的工作。
2．超声波测距的原理
超声波测量距离有很多种方法。本设计中我采用了一种渡越时间检测法来测量距离。这种方法的基本原理是利用超声波模块中的发生器产生并发射超声波，然后在介质中（这里只空气）传播，当超声波碰到障碍物或者达到测量目标距离后会被反弹回来，再被超声波接收器接收，这样往返时间就是我们所需要的时间T，通过时间和传播速度就可以算出距离。这种方法是最常用的，其表达式为S=CT/2，（表达式中S代表的是测量点到被测物体两者之间的距离，C是超声波在介质（这里是空气）中的传播速度，T是超声波发射到接受的时间段）。
温度的转变会影响到声音的传播速度。当衡量标准很高的时候，温度会影响超声波在介质（这里指空气）中传播速度这一实际是我们务必要思考到的。凡是温度每提高1℃，声的速度也就会增长0.6m/s。下表1列出了几种不同的温度时声音的速度：
表1 不同温度下声速表
温度（摄氏度） －30 －20 －10 0 10 20 30
声速（米／秒） 314 320 325 333 338 345 349
在测量时，可以增加温度补偿电路来满足所需要的较高精度的测量结果。
如今，人们为了简单方便，市场上出现了越来越多的超声波测距模块。而我采用的是HC-SR04超声波模块。此模块性能比较稳定，测量距离精确，盲区小。此次设计主要由超声波模块系统（超声波发射和接收系统）、单片机系统、蜂鸣器报警系统、数码管显示和按键控制系统等几部分组成。
模块中的发射部分有五部分组成，主要是振荡器、调制器、发生器、还有功率放大器及超声波换能器。基于单片机的脉冲序列的编码信号编码调制，然后通过功率放大器，它由发送超声波的超声波发生器发射。
在模块接收部分由超声波传感器，放大器和解调器三部分组成。当超声波反射信号被单片机系统接收到之后，超声换能器开始进行转换接收的信号，再经过放大、解调后，最后由单片机系统做出数据处理，这时候再通过数码管显示器显示出距离，将得到的距离与已经事先设定好的值相比，小于设定值时，蜂鸣器报警。
（二）方案设计
本设计由超声波测距模块HC-SR04、单片机、按键控制、四位数码管、蜂鸣器报警、DS18B20温度补偿等电路构成。按键按下，单片机开始工作并做出指令，超声波模块接收到的指令发出的超声波，超声波碰到障碍后反弹，然后由接收模块接收超声波，计时器记录下的就是超声波往返的时间T并由已知的传播速度C算出距离S= CT/2，最后将测出来的值再与设定值相比，小于设定值，蜂鸣器报警。温度的变化会影响到传播速度，因此使得我的测量值更加的准确，我加入了温度传感器。系统总体设计框图如图1所示。
图1 系统框图
三、硬件设计
（一）单片机电路的设计
图3 单片机最小系统
（二）超声波测距模块的设计
本设计中我选用了集成的超声波模块HS-SR04，此模块距离感测性能强，测量距离值准确。此模块的三个组成部分分别是发射器、接收器和控制电路。
最近射程 0cm
测量角度 20 度
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