超声波传感器单片机课程设计

课程设计报告题目超声波测距系统设计课程名称单片机原理及应用院部名称机电工程学院专业电气工程及其自动化班级12电气工程及其自动化（单）学生姓名潘成城学号1205202019课程设计地点工科楼C304课程设计学时20指导教师李国利金陵科技学院教务处制成绩1目录一、概述…………………………………………………………………………………31.1课程设计应达到的目的……………………………………………………………41.2超声波测距系统设计…………………………………………………………………4二、总体设计方案及说明…………………………………………………………………42.1系统总体设计思路………………………………………………………………42.2系统总体设计框图………………………………………………………………5三、系统硬件电路设计……………………………………………………………………53.1单片机的最小系统………………………………………………………………63.1.1AT89C51单片机的功能与特点…………………………………………………63.2系统原理分析………………………………………………………………………63.2.1超声波测距原理………………………………………………………………63.3超声波传感器检测电路…………………………………………………………63.3.1超声波检测电路图……………………………………………………………73.3.2超声波发生及感应过程………………………………………………………73.4超声波测距接收………………………………………………………………………73.4.1HC-SR04模块……………………………………………………………………73.4.2T40、R40超声波传感装置介绍………………………………………………73.5SCM1602显示模块……………………………………………………………………9四、系统软件部分设计…………………………………………………………………114.1软件流程图………………………………………………………………………114.1.1主程序流程图………………………………………………………………114.1.2超声波发生子程序…………………………………………………………114.2系统源程序………………………………………………………………………12五、系统仿真过程与结果…………………………………………………………………135.1Proteus仿真软件……………………………………………………………145.2仿真编译过程…………………………………………………………………145.3仿真效果图………………………………………………………………15六、实物展示……………………………………………………………………………1626.1实物元件与过程……………………………………………………………………166.2实物运行与调试……………………………………………………………………156.3实物总结………………………………………………………………………15七、总结…………………………………………………………………………………18八、参考文献……………………………………………………………………………19附录，原理图………………………………………………………………………………203摘要本设计采用了AT89C51作为中心处理器，HC-SR04模块进行超声波方面的发生与感应。然后介绍了总体的系统设计框图、思路及元件选型。接下来，分硬件和软件两部分进行了设计的分析。硬件方面首先构建了一单片机最小系统，然后集成各芯片完成设计。软件方面通过外部中断，定时器中断等完成开发的子程序的调用。最后重点详细地讲述了关于超声波模块的电路及收发过程。最后进行了系统仿真，仿真结果表明，所设计的系统能够满足要求。本系统具有成本低，可靠性高和安全实用等特点，广泛应用于社会生活的各个领域。关键词：AT89C51单片机；超声波模块；最小系统4一、概述1.1课程设计应达到的目的通过本课程设计，使学生掌握控制系统设计的一般步骤，掌握系统总体控制方案的设计方法。使学生进一步掌握微型计算机应用系统的硬、软件开发方法，输入/输出(I/O)接口技术，应用程序设计技术，并能结合专业设计简单实用的单片机应用系统。针对课堂重点讲授内容使学生加深对单片机硬件原理的理解及提高C51语言程序设计的能力，为以后的毕业设计搭建了单片机系统应用平台，提高学生的开发创新能力。1.2超声波测距系统设计设计一个基于单片机的超声波测距系统，要求：（1）系统功能：测距范围：3cm-450cm，通过LCD1602显示距离。（2）给出系统设计方案，画出硬件连线图，并说明工作原理；（3）画出程序框图并编写程序。二、系统总体方案设计2.1系统总体设计思路本设计的构建是基于89C51单片机外围芯片的超声信号检测的。超声波发生模块送出片刻的40KHz的矩形波信号，遇物体反射后，被超声波接收模块接收并作为本设计的Input，单片机对此信号进行判断加工处理后，把计算出的距离结果传到LCD显示屏上，当检测距离小于预设值时报警模块工作。本设计的硬件部分主要由AT89C51单片机控制模块、超声波发出和接收模块、预警模块以及LCD显示模块等几部分组成。系统的总体结构设计框图如图1.1所示。本设计的软件部分由C语言编写，程序采用模块化设计思想，将各功能单独程序化成子程序块并进行debug，在完成主程序段的编写和子程序的调用。系统软件部分主要include主程序段、‘delay’子程序块、、超声波发生与感应子程序块等。2.2系统总体设计框图本设计采用AT89C51为控制核心，由电源电路、单片机外围电路、发射电路、接收电路、显示电路、报警电路等部分组成，系统设计框图如图1.1所示。其主要需完成任务是对传感器到障碍物中间的距离的测量及对测出距离的显示以及小于预设值时的报警。5单片机发射电路接收电路显示电路报警电路超声波发射换能器超声波接收换能器障碍物图1.1系统总体设计框图三、系统硬件部分设计3.1单片机最小系统单片机最小系统：能让单片机regularwork的最小硬件单元系统，如图3.4所示。一般具有:复位circuit;时钟震荡circuit。此外，ISP下载口也belong单片机最小系统。复位电路如图2.2所示。图2.2复位电路图复位电路可将系统重置至一个已知的状态。从单片机内部来看，复位电路工作后，CPU将一些厂商早先设定的数载入至寄存器。该电路的principle是将Capacitance与Resistance接至复位引脚RST，组成Poweronreset的功能。当Resetlevel持续两个machinecycle以上时，reset有效。具体数值需由RC电路计算出timeconstantt=RC1(t≥10ms)。复位电路包括Resetbutton和Poweronreset。（1）Resetbutton：并联一开关在复位电容上。按下开关，电容释放之前的电量，同时，复位引脚电压的拉高完成Reset。(2)Poweronreset：在RST上外接一个RC充放电导电回路，即加入一个电容（一般6为10uF）串联至电源+5v，再加入一个电阻器（一般为10K）串联至保护地。此外，要保证Reset成功，需使上电时复位引脚有足够时间的highlevel。振荡电路如图2.3所示。图2.3振荡电路图振荡电路也叫做晶振电路，任务是为CPU设定时钟频率。单片机运行所有语句的时间都由时钟频率决定。clockfrequency越高，CPU运行越快。单片机一般从外部接入时钟频率，典型的clockfrequency有11.0592MHz/12MHz。单片机通常共用一个晶体振荡器来满足各部分同步运行。具体振荡器经常与锁相环回路一起工作，以方便为系统提供clockfrequency。图2.4单片机最小系统3.1.1AT89C51单片机的功能与特点AT89C51是一种具有lowvoltage、lowpowerconsumption且high-performance等优点的八位单片机。其内部的芯片包含了一个8位微处理器、一个二百五十六字节数据存储器及一个四千字节程序存储器。CMOS工艺与UNRAM技术在AT89C51的制作过程中被使用，且它的指令集合和输出引脚都与早期美国INTECo.于1980年研制的MCS-51单片机相兼容。AT89C51因将闪存与8位CPU结合在一个芯片中而成为一款高性能单片机，89LV517是它的一个低电压版本。AT89C51单片机已成为一种灵活性高、功能强且价格实惠并在各种控制领域被普遍运用的方案。外型及管脚排列如图所示。功能概述AT89C51含满足国标的功能：片内振荡器及时钟发生电路、4KB程序存储器FlashROM（保留表格、数据及程序）、256B数据存储器RAM/SFR（保留可以READ/WRITE的数据）、两个16位定时/计数器、四个8位I/O口线、一个五中断源二优先级中断系统、一个双向信号传输UART串行通信口。而且，AT89C51可以执行静态逻辑操作，此时最低的工作频率可为0Hz，并有两种省电运行模式可供软件运行。IdleMode可将CPU处于停止运行状态，但允许中断控制系统、串行通讯口、定时/计数器以及随机存取存储器持续运行。PowerMode直到下一次硬件复位都会停止运行振荡器并且不允许其它所有部件运行但会保留片内随机存取存储器中的数据。AT89CA51引脚功能说明VCC：供电电压。GND：接地。P0端：P0端为一组8位OpenDrain型双向input/output端，也即地址/总线复位端。每端能驱动8位TTL逻辑门。当P0端被置为1时，其变便成为高阻抗输入端。P0端可被外部程序DATA存储器使用，此时，其被当作DATA/ADDRESS的低八位使用。在闪存（Flash）进行program工作时，P0端输入命令，当闪存（Flash）运行check任务时，P0端输出命令，同时，确保P0端外部已连有pull-upresistor。P1端：P1端是一组配有内部pull-upresistor的双向input/output端，为功能最单一的一组端口。P2端：P2端也是一组配有内部上拉电阻的双向input/output端。当cpu访问外部存储器时，P2端输出高八位地址信号。P3端：P3端同样是一组配有内部上拉电阻的双向input/output端。同时P3端的每一个管脚都另有功能。主要属性如表2-1所示。8表2-1主要属性控制信号引脚（RST、ALE、/PSEN、/EA）RST/Vpd(9脚)：复位输入，‘1’信号有效。当CPU刚接入电源时，其内部各寄存器处于随机状态，当此输入端可持续24个时钟周期的‘1’信号时，就能完成复位任务。单片机正常工作时，此脚应≤0.5V低电平。ALE/PROG（30脚）：地址锁存允许信号端（AddressLatchEnable）。当CPU读取外部ROM时，此管脚输出信号的下降沿控制低八位地址的锁存。平时运行是，此管脚以振荡频率的六分之一稳定发送正脉冲，能作对外输出时钟和定时信号。/PSEN：程序存储器允许信号输出端（ProgramStoreEnable）。CPU读取外部程序存储器的读选通信号。在访问片外ROM时，每个机器周期/PSEN输出2次脉冲。当读取外部数据存储器时，/PSEN不出现。/EA/VPP：片外程序存储器访问允许输入端（ExternalAccessExternal）。当/EA被置1时，CPU读取片内存储器(4K)PC值超过0FFFH，将自动运行片外程序存储器的程序。当/EA被置0，CPU访问片外EPROM/ROM，且运行片外ROM的程序。引脚图如图2.1所示。图2.1AT89C51引脚图93.2系统原理分析3.2.1超声波测距原理一般而言，人耳能听到的声波频率为20赫兹--20000赫兹。Resonantfrequency高于2KHz的声波称为“超声波”。超声波由于其穿透能力强、在液体中传播距离远