论文总字数：19110字

摘 要

超声波测距传感器具有价格便宜，各方面性能相对都比较好，且运用起来比较便捷。因此在很对多领域都有较好的运用，所以对其进行研究设计具有重要的意义。本文主要是对利用单片机控制超声波测距系统进行了设计研究，该设计的控制端使用的是STC89C52单片机，计算出超声波从发出端到接收端往返时间，根据此时间计算出两端距离并显示。该系统的核心为单片机，另外重要组成部分分别有超声波部分、电路部分，显示部分等。利用这些相关元器件设计了系统。该设计成品具有以下优势：成本较小、系统方便稳定、性能较好且使用简单。

关键词：超声波， 测距 ，单片机

Abstract：The ultrasonic ranging sensor has the advantages of low price, relatively good performance and convenient application.Therefore, it is of great significance to study design in many fields.In this paper, the application of single chip microcomputer is studied and designed.By the design of ultrasonic ranging system based on single chip microcomputer testing distance is STC89C52 single-chip microcomputer as the control side, based on statistical ultrasonic from out side to the time back and forth between the receiving end.And the calculated distance will be displayed on the LCD screen.The core of this system is single chip microcomputer, and the other important parts are ultrasonic part, circuit part, display part, etc.The system is designed with these related components.The finished product has the following advantages: the cost is small, the system is convenient and stable, the performance is good and the use is simple.The finished product can be measured flexibly in a place where the distance is calculated.

Key words: Ultrasonic , Wave Ranging , MCU

目 录

1 绪论 4

1.1 本课题研究目的及意义 4

1.2超声波简介 4

1.3本课题设计内容 6

2 系统硬件电路设计 6

2.1 整体方案设计 6

2.2 单片机最小系统-电路 7

2.3 HC-SR04模块 9

2.4 1602液晶模块 12

2.5 报警模块 15

2.6 按键输入模块 16

3 软件设计 17

3.1 程序语言及开发环境 17

3.2 程序流程图 17

4 硬件组装与调试 20

4.1 元器件的选择与测量 20

4.2元件的焊接与组装 21

4.3 电路的调试 21

4.4 实物调试 22

附 录 28

附录一 元件清单 28

附录二 原理图 29

附录三 PCB图 30

附录四 程序 31

1 绪论

1.1 本课题研究目的及意义

随着时代的不断前进，各方面技术都在不断的发展，电子测量技术也不例外。超声测距作为一种非接触检测技术，光线和被测物质色彩等一些因素对它的影响特别小，且可靠且寿命较长，维护频率低的这些特点比较突出，所以在各行各业中都有一定的应用。近几年，传感器与单片机技术也在不停的进步。常用的非接触式测距有以下几种：CCD和超声波、雷达和激光等等这些测距方法。其中，对于超声波测距研究的最多。

初期的测量距离的系统多是机械仪器，不过由于近几年现代技术在持续的发展，超声波的应用领域也越来越多。但想使超声波测距系统广泛的使用当前的研究成果还是远远不够的所以超声波测距的前景被很多学者关注并看好。

当前，超声波测距主要是在建筑行业和作业现场使用，比如井深的测量，管道的测量，机器人的位置追踪等等。而且对精度要求也变得更高了。由于超声波测距有很多其他测距方法所达不到的优势，因此对其进行深入的研究探索，使其技术更加的先进，使其在各行各业中能够更方便、广泛的使用是有不可替代的意义的。

1.2超声波简介

超声波技术在研究开发之后可以被用到很多领域当中去。该技术在使作业现场和工作环境具有更好的安全保障的同时还能够提高工业生产效率。所以在超声波测距的研究方面我国一直不遗余力。

超声波有三种形式。第一种是横波，它的质点振动方向与传播方向的波是相互垂直的；第二种是纵波，它的两个波方向一致；介于它们之间在表面传播的为表面波。

1.2.1 超声波传感器介绍 

总的来说，超声波有电气和机械两种方式产生的波，其中电气方面有很多种类型，最常见的有电动、磁致伸缩与压电三种。机械的比如气流旋笛、加尔统笛。这些方式得到的波的具有不一样的功率、频率以及声波性质。正因为这样，它们也有各自的使用领域。其中压电式的用的是最多的。 

压电式传感器一般由两个压电晶片以及一个共振板组成的。当压电晶片的振荡频率和这种超声波两极的脉冲信号的频率相同的时候，前者就会振动并产生超声波。反之，两极没有电压的时候，超声波到达的时候压电晶片会震动并且变成电信号，这时将其视作接收器。

如图1-1、图1-2所示为超声波传感器结构：

图1-1外部 图1-2内部

1.2.2超声波测距原理

超声波测距有相位、声波幅值、往返时间这三种检测方法。这次设计所使用的是往返时间检测。原理是传感器发射出超声波在空气中进行传播，当超声波遇到障碍物时便会返回时被接收，根据往返的时间得出距离。

超声波的发射和接收都要用到压电晶片，所以它是最重要的元器件。双压电陶瓷晶片具有用量少，价格实惠，且无论气体还是液体，因此通常情况下都采用这种作为压电晶片。如图1-3所示，当有交流电压存在于A和B之间时，如果A的电场方向和极化的方向一致，那么下面的方向就是相反的，由此上下震动产生超声波。

图1-3 双压电晶片

如图1-4， C0-静电电容，R-电阻, Cm-电容，Lm-电感，Rm-损耗串联电阻。L另外在压电陶瓷晶片上还存在固定谐振频率-ƒo（中心频率），只有当交变电压的频率等于固有谐振才能使超声传感器灵敏度较好，且使用同一种材料的不同尺寸可得到不同的固有谐振频率。

图1-4 双压电晶片的等效图

1.3本课题设计内容

超声波的测距原理和雷达测距原理差不多，就是将超声波从发射端发出，接收端接受，然后依据这一时间计算得出需要测的距离。具体是在超声波发射出的一瞬间开始计时，当超声波接触到屏障时就会折回，当返回到接受器时停止计时并计算得出距离然后在显示屏上显示。

本设计用的超声波板块是HC-SR04，传感器是T40-16T/R。首先依据超声波的原理设计出超声波模块的结构并且保障有超声波产生，且实现其测距的功能。具体的分为几大板块设计，单片机控制超声波部分、显示部分、蜂鸣器部分及LED部分。

总体设计要求：

(1)熟悉集成开发环境，使用C语言编写程序；
(2)熟悉所选用单片机；
(3)掌握超声波测距方法。

方案选择：

一：由于单片机不但具有很多优势：如较可靠、高性价比、耗费低，而且其具有强大的运算功能，自由度高，能够实现很多种逻辑功能，自带定时器等。所以本设计拟选用单片机作为控制器。

二：超声波模块选用HC-SR04

2 系统硬件电路设计

2.1 整体方案设计

2.1.1 系统概述

整个系统具有几大模块组成：

1）：测量距离的超声波板块HC-SR04；

2）：核心元件STC89C52单片机

3）：用作设置报警值的按键模块；

4）：负责显示数据值的显示模块，材料选用1602液晶；

5）：蜂鸣器、LED的报警电路、电源模块

2.1.2 系统框图

本设计为超声波测距系统，由硬件设计和软件设计组成。硬件部分由超声波传感器，按键模块，电源模块，液晶模块，蜂鸣器模块，LED模块以及单片机等组成。如图2-1所示。

液晶模块

单片机

最小系统

HC-SR04

超声波传感器

按键模块

蜂鸣器模块

LED模块

电源模块

图2-1 系统设计总框图

2.2 单片机最小系统-电路

2.2.1 单片机介绍

（1）STC89C52概述

该单片机与MCS-51指令兼容且具有8000比特Flah ROM和25 6RAM。它的外部双向I/O端口有三十二个，引脚有四十个。另外外中断口、读写口线、全双工串行通信都是两个， 十六位定时计数器拥有三个。为了在不一样的产品上都能很好的使用，这种单片机封装方式有PLCC、PDIP、PQFP/TQFP等来适配。

（2）单片机的引脚功能

MCS-51系列单片机使用的封装方法为双列直插式封装，引脚共四十个。外部引脚排列顺序如图2-1所示。

图2-1 STC89C52引脚图

2.2.2 单片机最小系统

如图2-2所示，是由晶振电路、复位电路以及电源电路构成的最小单片机系统。

其中晶振电路有大小都为30p的c2、c3两个电容，他们能使晶振更好的起振，且大小数值是在15-33pF之间。晶振电路中还有一个大小为12M的晶振--X1。单片机的运算速度和晶振的大小有关，即越大越好。值得注意的是在设计电路的时候，另外电路设计的时候要使单片机离晶振部分近一些。

单片机系统中的重启功能是用复位部分实现的。它由大小为10uF的电容和电阻组成。当系统通电时，那么RESET脚就是高电平，其中RC值决定它的保持时间。且52单片机RESET脚高电平的复位时间正常情况下大于两个机器周期。

该系统的电源很简单，用简单的充电器即可。另外还存在外部电路。一般在P0端口连接大小为10K的排阻R1来解决其漏极开路输出的问题，以至于它和正常的I/O口有同样的使用效果，本次设计当中P0口用作液晶数据口。

图2-2 单片机最小系统

2.3 HC-SR04模块

HC-SR04模块有超声波发射和接收控制电路两部分。如图2-3为实图。该模块能够测试的距离范围在2cm-400cm在，它具有简单的结构，利用单片机控制比较容易，并且性价比较高。

图2-3 HC-SR04模块实物图

2.3.1超声波模块引脚电路

超声波模块引脚共四个，其中两个分别接VCC和 GND，另外两个和IO口相接。本设计中单片机P23接超声波的ECHO，单片机P22接TRIG，如图2-4：

图2-4 超声波模块引脚电路

2.3.2 HC-SR04模块原理

超声波模块电路由MAX232芯片，低噪声放大器，超声波发生器等构成，HC-SR04模块原理电路如图2-5所示。

图2-5 超声波模块电路

2.3.3 HC-SR04模块使用器件

（1）MAX232

MAX232芯片只需要用 5v电压供电即可，它的作用是将T40-16的激励电压放大。它具有14个引脚并且定义为电荷泵电路、数据转换通道、供电三大块。电荷泵电路包括1、2、3、4、5、6脚及4个电容。能够提供±12V电压给RS-232串口；数据转换通道有7-14八个脚构成。其中第一数据通道有13、12、11、14脚；其他的是第二数据通道。供电部分由15脚、16脚组成。

图2-6 MAX232引脚图

（2）TL074

如图TL074是低噪声放大器。其中1、2、3脚分别对应的是通道1的输出端、反相输入端、同相输入端三个端口，另外5、6、7脚就对应通道2；8、9、10脚是通道3； 12、13、14脚是通道4。4、11脚分别为正电源和负电源。

图2-7 TL074引脚图

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