微机原理与单片机系统课程设计
评语： 考勤10分 守纪10分 过程30分 设计报告30分答辩20分 总成绩（100分）
专业：轨道交通信号与控制 班级： 姓名： 学号： 指导教师：
兰州交通大学自动化与电气工程学院
2015 年 12 月 30 日
单片机原理及系统课程设计报告
超声波测距仪设计
1 设计说明
1.1 设计目的
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。 超声波在气体、液体及固体中以不同速度传播，定向性好、能量集中、传输过程中衰减较小、反射能力较强。超声波能以一定速度定向传播、遇障碍物后形成反射，利用这一特性，通过测定超声波往返所用时间就可计算出实际距离，从而实现无接触测量物体距离。超声波测距迅速、方便，且不受光线等因素影响，广泛应用于水文液位测量、建筑施工工地的测量、现场的位置监控、振动仪车辆倒车障碍物的检测、移动机器入探测定位等领域。
1.2 设计方法
本课题包括数据测距模块、显示模块。测距模块包括一个HC-SR04超声波测距模块和一片AT89C51单片机，该设计选用HC-SR04超声波测距模块，通过HC-SR04发射和接受超声波，使用AT89C51单片机对超声波进行计时并根据超声波在空气中速度为340米每秒的特性计算出距离。显示模块包括一个4位共阳极LED数码管和AT89C51单片机，由AT89C51单片机控制数码管动态显示距离。
1.3 设计要求
采用单片机为核心部件，选用超声波模组，实现对距离的测量，测量距离能够通过显示输出(LED，LCD)。
2 设计方案及原理
2.1超声波测距模块设计
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。当提供一个10uS以上正脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离
由以上信息，在设计时选用两个定时器，定时器1用来定时800ms，当产生
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单片机原理及系统课程设计报告
中断时，启动HC-SR04超声波测距模块，即给其TRIG（发射）口送一个持续20ms的正脉冲，定时器0用来对超声波传递时间进行计时，即当ECHO（回波）口为高电平时启动计时，当ECHO口变为低电平时关闭计时。再根据超声波在空气中的传播速度为340米每秒，通过AT89C51计算出距离，当距离超过400cm时，显示8888，表示超出工作距离。
2.2 LED显示模块设计
将算得的距离通过一个4位LED数码管采用动态扫描进行显示。
2.3 其他功能的设计
考虑到实际的需求，本设计还应增加以下功能：
1、增加一个指示灯。当ECHO（回波）口为高电平时，即超声波信号在空气中传播时，指示灯点亮。当数码管不能正常点亮时，若指示灯正常指示，则说明LED显示模块发生故障；若指示灯不能正常点亮，则说明超声波测距模块发生故障。
2、增加一个锁存按钮。由于设计时我们设计的为每800ms超声波测距模块启动一次，由于定时器会产生误差，造成测得距离不断变化，增加一个锁存按钮，当确定显示结果稳定时，按下按钮时，关闭超声波测距模块，可以使结果清楚显示。
3、增加一个待机按钮。当按下锁存按钮后，再按下待机按钮，这时关闭LED显示，若再打开待机按钮，这时LED启动工作，显示的数值为上一次被测距离。
2.4 设计成本及定价
成本：1、HC-SR04超声波测距模块1个3.3元 2、AT89C51单片机1个2.5元 3、四位LED数码管1个1.5元 4、晶振1个0.17元 5、电路板1个0.57元
6、其他开关、电阻及电容总计0.5元 总计：8.54元 市场平均价格：12元 预计定价：10元 利润：1.46元
3 硬件设计
此系统的硬件设计主要包括HC-SR04超声波测距模块、AT89C51单片机、4
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位LED显示模块，并连入指示灯、待机开关和锁存开关。
仿真时，将HC-SR04超声波测距模块用一个555延时电路来代替即可，其中调节改变滑动变阻器的阻值可以模拟被测物体距离的变化。实验仿真电路图如图1所示。
图1 设计硬件电路图
4 软件设计
此系统的软件设计主要包括超声波测距模块设计、LED显示模块设计、和其他拓展模块。采用定时器1每800ms发射一个脉冲信号启动超声波测距模块，采用定时器0计算超声波传播时间，并通过一个计算函数算得距离，然后送LED显示屏进行动态扫描并显示结果。
4.1 程序流程图
主程序流程图如图2所示。
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