超声波测距仪控制系统设计
摘 要本课题对当前大量电子距离测量仪器相关产品的普遍性能做了一个总体调查后发现，在使用性能以及产品成本方面还有一段很大的空间可以上升，尤其是在功率消耗方面，因此本文选用了AT89C51单片机来作为控制器芯片，结合了HC-SR04型超声波传感器等核心器件，设计了一款可以实现测量精度高达1cm，距离测量范围在0~1米之间，并且具有较高清晰度的液晶显示等功能的电子距离测量仪器控制系统，在软件上使用了C语言进行程序代码编写，经过了大量的仿真测试得出系统中软硬件实现了良好的兼容，并且系统实现了课题预期确立的所有功能指标。将这款电子距离测量仪器控制系统投入批量生产，可以改善市场上现有产品的总体性能，并能够快速赢得消费用户的青睐。
目录
一、 引言 1
（一） 距离测量仪器的发展背景 1
（二） 距离测量仪控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51控制芯片简介 4
（三） HCSR04超声波传感器 4
（四） LCD1602点阵显示器简介 5
（五） 蜂鸣器概述 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 距离测量仪的方案设计 7
（二） 距离测量仪器的硬件结构设计 7
（三） AT89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（四） 超声波传感器电路设计 9
（五） 点阵显示器电路设计 10
（六） 报警电路设计 10
四、 软件系统设计 12
（一） 距离测量仪器系统的软件工作流程设计 12
（二） HCSR04超声波传感器流程设计 13
（三） 点阵显示工作流程设计 13
五、 调试与仿真 15
总 结 17
参考文献 18
致 谢 19
附录一 原理图 20
附录二 PCB图 21
附录三 元件列表 22
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
附录四 程序 23
引言
距离测量仪器的发展背景
本课题将要设计的这款距离测量仪控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的距离测量仪控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的距离测量仪控制系统。最早的用于实现距离测量功能的仪器或者称为器械早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的距离测量仪全部采用机械结构来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用机械结构来实现距离测量功能是主流方式，这种机械式距离测量仪所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用机械部件来组成整个结构，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统距离测量仪的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统距离测量仪所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分距离测量仪的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的距离测量仪的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的距离测量仪控制系统突破了传统机械式的单一功能性，不但实现了传统机械式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误距离测量仪产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现距离测量仪控制系统的二次甚至多次升级，这还传统机械式距离测量仪所无法实现的，另外由于这种电子式距离测量仪系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的距离测量仪控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款距离测量仪控制系统。
距离测量仪控制系统的国内外发展现状
电子式距离测量仪系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产距离测量仪系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的距离测量仪控制系统将能够实现更高精度的距离测量，目前国内外所能实现的最先进距离测量仪系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款能够实现8位精度的距离测量系统，同时也标志着为了实现更高性能的距离测量仪系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
在对距离测量仪器控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对距离测量仪器控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图。
1）以AT89C51单片机作为主控芯片，通过复位电路和晶振电路的配合，实现51单片机最小系统电路的设计，实现对HCSR04型超声波传感器、液晶屏以及蜂鸣器等模块的驱动；
2）配置HCSR04超声波传感器电路，实现超声波的快速发射和有效接受；
3）配置LCD1602液晶屏电路，实现对距离参数的显示；
4）配置蜂鸣器电路，实现距离超过设置阀值时的报警功能；
5）距离精度可达到1 厘米，能够实现0~1 米之间的距离测量；
方案选择及元器件介绍
常用单片机的比较与选择
本文结合了自身当前的知识掌握情况以及对于单片机的学习经历，最终制订了两个单片机的待选方案。
第一个方案是选用ATMEL公司的AT89C51单片机，C51单片机的数据处理宽度为八位，如果采用该单片机作为本次毕业设计的主控单片机，那么将能够带来极高的性价比，目前AT89C51单片机的平均价格为2RMB左右，作为系统的主控核心，成本能够控制在如此之低的水平，那么能够大大地提高控制系统的性价比。另外大学三年中对于AT89C51单片机的学习过程中，对其内部21个寄存器的配置以及使用已经有了很充分的经验和操作经历，因此如果使用AT89C51单片机，那么将能够给本次的毕业设计的成功带来足够的保障性。在电路构建方面以及PCB布局方面，由于AT89C51单片机体积较大，40个管脚全部采用直插形式，没有任何贴片引脚，因此对于PCB的布局以及焊接工作，能够大大降低设计难度，并且也能够在一定程度上增强系统的稳定性。
目录
一、 引言 1
（一） 距离测量仪器的发展背景 1
（二） 距离测量仪控制系统的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 常用单片机的比较与选择 3
（二） AT89C51控制芯片简介 4
（三） HCSR04超声波传感器 4
（四） LCD1602点阵显示器简介 5
（五） 蜂鸣器概述 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 距离测量仪的方案设计 7
（二） 距离测量仪器的硬件结构设计 7
（三） AT89C51单片机最小系统设计 8
1. 晶振电路设计 8
2. 复位电路设计 8
（四） 超声波传感器电路设计 9
（五） 点阵显示器电路设计 10
（六） 报警电路设计 10
四、 软件系统设计 12
（一） 距离测量仪器系统的软件工作流程设计 12
（二） HCSR04超声波传感器流程设计 13
（三） 点阵显示工作流程设计 13
五、 调试与仿真 15
总 结 17
参考文献 18
致 谢 19
附录一 原理图 20
附录二 PCB图 21
附录三 元件列表 22
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
附录四 程序 23
引言
距离测量仪器的发展背景
本课题将要设计的这款距离测量仪控制系统是一种使用微处理器来控制的电子系统，所谓的基于51单片机的距离测量仪控制系统实际上指的是在硬件结构上以51单片机作为核心部分，通过单片机对芯片外部的传感器、按键模块以及显示屏等部分的驱动，实现整个系统的良好工作，这就是我们经常说的基于51单片机的距离测量仪控制系统。最早的用于实现距离测量功能的仪器或者称为器械早在很多年前就已经出现，这类传统意义上的距离测量仪全部采用机械结构来完成，当单片机技术还没有实现普遍化和生活化之前，使用机械结构来实现距离测量功能是主流方式，这种机械式距离测量仪所表现出的特点也是非常显著的，由于全部采用机械部件来组成整个结构，因此在外观上是非常庞大的，在使用过程中由于机械部件存在不可避免的摩擦和老损，因此需要定期地进行维护活着部件更换，另外由于全部采用机械结构，因此一旦投入使用就很难有办法进行功能升级或者系统优化，只能一直使用到报废，这就是传统距离测量仪的典型特点。随着科学技术的飞速发展以及电子技术的空前的全民化，人们已经越来越不能满足于这种传统距离测量仪所能实现的功能，这时候单片机系统的出现打破了这一僵局，大部分距离测量仪的设计师们意识到唯有采用电子技术进行自动控制才能带来这种产品的全面发展，于是诸多开发人员以及相关传统企业开始了对基于单片机的距离测量仪的开发与设计，由于单片机具有多管脚以及可编程等重要特性，其多管脚特点使得它可以同时对多种模块（按键、报警器以及液晶屏等）进行驱动，因此这种电子式的距离测量仪控制系统突破了传统机械式的单一功能性，不但实现了传统机械式的基本功能，更引入了显示、系统配置以及报警等新型功能，更加重要的是由于单片机能够实现程序编程，因此即使将产品推向市场，也不耽误距离测量仪产品的再升级，只需要通过程序代码的改写以及重新烧写就可以实现距离测量仪控制系统的二次甚至多次升级，这还传统机械式距离测量仪所无法实现的，另外由于这种电子式距离测量仪系统全部采用芯片来完成各项功能，因此在批量生产后可以大幅度地降低生产成本，使得最终推向市场后的距离测量仪控制系统表现出非常高的性价比，本课题就将采用单片机芯片来实现一款距离测量仪控制系统。
距离测量仪控制系统的国内外发展现状
电子式距离测量仪系统在国内外目前都已实现了全面化，由于各大企业对于生产距离测量仪系统产品的技术已经趋于成熟，而要实现更高的性能，还有很大的一段上升空间，因为随着微处理器技术的不断发展，64位处理器即将横空出世，一旦64位微处理器技术成熟并投向市场，将这种更高性能的微处理器替换掉目前的16位或者32位芯片，将能够快速地淘汰掉现有产品，到那时基于单片机的距离测量仪控制系统将能够实现更高精度的距离测量，目前国内外所能实现的最先进距离测量仪系统是32位的，大多采用ARM架构来实现，前不久美国芝加哥大学的一个兴趣小组采用了CM3架构微处理器作为主控，实现了一款能够实现8位精度的距离测量系统，同时也标志着为了实现更高性能的距离测量仪系统我们有很长一段路要走。
本文主要研究内容
在对距离测量仪器控制系统的发展背景以及国内外的研究现状进行了简要的介绍后，下面对本文的结构安排进行阐述，以便于更加清晰的对本系统的设计过程进行展现。论文的第一章是引言章节，该章节主要对距离测量仪器控制系统的发展背景等进行了介绍，并通过对设计现状的对比确立了本系统的设计目标；在接下来的第二章，将对系统的总体设计方案进行设计，包括对几种常用控制器的对比，并对所要使用的元器件进行了简要介绍；在对主控器件以及外围元器件进行确立后，文章第三章将对硬件系统进行设计，通过Altium designer绘制了相关模块的电路原理图从而进行设计思路的讲解；硬件系统设计完毕后，第四章开始对系统的软件部分进行设计，并通过Visio软件绘制了相应的软件流程图。
1）以AT89C51单片机作为主控芯片，通过复位电路和晶振电路的配合，实现51单片机最小系统电路的设计，实现对HCSR04型超声波传感器、液晶屏以及蜂鸣器等模块的驱动；
2）配置HCSR04超声波传感器电路，实现超声波的快速发射和有效接受；
3）配置LCD1602液晶屏电路，实现对距离参数的显示；
4）配置蜂鸣器电路，实现距离超过设置阀值时的报警功能；
5）距离精度可达到1 厘米，能够实现0~1 米之间的距离测量；
方案选择及元器件介绍
常用单片机的比较与选择
本文结合了自身当前的知识掌握情况以及对于单片机的学习经历，最终制订了两个单片机的待选方案。
第一个方案是选用ATMEL公司的AT89C51单片机，C51单片机的数据处理宽度为八位，如果采用该单片机作为本次毕业设计的主控单片机，那么将能够带来极高的性价比，目前AT89C51单片机的平均价格为2RMB左右，作为系统的主控核心，成本能够控制在如此之低的水平，那么能够大大地提高控制系统的性价比。另外大学三年中对于AT89C51单片机的学习过程中，对其内部21个寄存器的配置以及使用已经有了很充分的经验和操作经历，因此如果使用AT89C51单片机，那么将能够给本次的毕业设计的成功带来足够的保障性。在电路构建方面以及PCB布局方面，由于AT89C51单片机体积较大，40个管脚全部采用直插形式，没有任何贴片引脚，因此对于PCB的布局以及焊接工作，能够大大降低设计难度，并且也能够在一定程度上增强系统的稳定性。
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