基于51单片机超声波测距仪基于51单片机的超声波测距仪设计摘要利用超声波进行测距有许多优点比如不受光强度、色彩和电磁场等外界因素的影响，而且超声波传感器的价位较低、结构也较为简单，超声波以声速传播，方便收发与计算。
在汽车倒车雷达、移动机器人的避障、特别是测量距离等许多方面都已有了非常普遍的应用。
本次毕业设计的超声波测距仪是在STC89C51单片机的基础上设计的，在分析和了解了超声波的一些优点和特性后，又查看了利用超声波测距的基本原理。
最后决定使用51单片机系统和超声波传感器共同组成。
设计的超声波测距仪的硬件部分主要包括电源及复位模块、单片机与超声波模块组成的超声波发射模块、超声波接收模块、LED数码显示模块和扩展报警模块。
软件部分主要包括单片机主程序、根据超声波发射与接收计算距离程序、LED距离显示程序、按键控制程序和蜂鸣器报警程序，这样安排使得系统具有模块化的特点。
系统容易进行控制，具有可靠地的性能，具有较高的测量精度，最重要的是能对距离进行实时测量。
关键词：单片机，测距仪，超声波，实时测量Design of Ultrasonic Distance Meter Based on 51 MCMABSTRACTUsing ultrasonic ranging has many advantages for example, from the effects of light intensity, color and electromagnetic field and other external factors and price lower ultrasonic sensors, the structure is simple, ultrasonic sounds velocity, convenient transceiver and calculation. In the car reverse radar, mobile robot obstacle avoidance, especially measuring distance and many other aspects have been very common application.The graduation design of ultrasonic range finder based on STC89C51 MCU design, analysis and understanding of the some advantages and characteristics of ultrasonic and looked at the use of the basic principle of ultrasonic distance measurement. Finally, the composition of the 51 single-chip microcomputer system and ultrasonic sensor is decided.. The design of ultrasonic rangefinder hardware part consists of the power and reset module, SCM and ultrasonic module consists of ultrasonic emission module, ultrasonic receiving module, LED digital display expansion module and alarm module. Software part mainly includes MCU program, according to the ultrasonic transmitting and receiving computing program distance, the distance of LED display program, key control procedures and buzzer alarm procedures, this arrangement enables the system to have the characteristics of modular. The system is easy to control and has the reliable performance, and has the higher accuracy, and the most important is the real-time measurement of the distance.KEY WORDS: Single chip microcomputer，Range finder，Ultrasonic，Real-time measurement目录摘要 (I)目录 (III)第1章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 研究的主要意义 (1)第2章系统电路设计 (3)2.1 系统结构设计 (3)2.2 电路总体设计方案 (3)2.2.1 发射与接收电路设计方案 (3)2.2.2 显示电路设计方案 (5)2.2.3 报警电路设计方案 (6)2.2.4 系统复位电路设计 (6)第3章系统硬件设计 (8)3.1 单片机概述 (8)3.1.1 STC89C51主要性能 (8)3.1.2 STC89C51外部结构及特性 (8)3.1.3 STC89C51内部组成 (11)3.2 超声波测距模块 (12)3.2.1 超声波传感器介绍 (12)3.2.2HC-SR04超声波测距芯片的性能特点 (12)3.2.3 超声波时序图 (15)3.3 驱动显示电路及报警电路 (15)3.3.1LED数码管显示电路 (16)3.3.2 蜂鸣器报警电路 (17)3.4HC-RS04超声波测距原理 (17)3.5 按键设置电路 (18)第4章系统软件设计 (21)4.1 系统主程序 (21)4.2 显示距离子程序 (22)4.3 报警子程序 (22)4.4 按键子程序 (23)第5章系统仿真 (25)5.1 系统仿真环境——Proteus (25)5.2 仿真 (25)5.3 误差及特性分析 (26)结论 (28)谢辞 (29)参考文献 (30)第1章绪论1.1 研究背景超声波测距法是通过超声波测量从已知位置到被测物体表面的距离的利用超声波的方法。
超声波也是一种机械波，是一种频率在20kHz以上的声波。
超声波测距是人们根据蝙蝠通过超声波反射进行捕食的方法发现的，也是仿生学中非常出名的例子，对生产领域产生了很大的影响。
跟着电子测量技术的不断飞速发展，已经可以利用超声波实现精准测量了。
测量技术在经济的不断发展下得到了越来越广的应用，因此超声波凭借着性能稳定、成本低廉、精度高等优点得到了重视。
机器人技术在出现后发展迅猛，机器人的用途也不在局限在工业生产而是进入了人们的日常生活。
普遍的应用对于增加群众对机器人技术的认识变得非常重要。
机器人能够通过特有的感知系统感知并确定前面障碍物的位置和周围的环境以完成躲避障碍物、自动寻路、测距等功能。
超声波测距具有其他的测距技术没有的特点，比如测量精度高，成本低廉，对环境的要求低，使用简便等。
将红外、灰度等传感器和超声波结合在一起将可以共同作用使机器人实现自动寻路和绕开障碍等功能。
超声波由于传播方向较稳定、并且在介质里传播时能量削减缓慢，能够发送很远的距离，所以在测量距离的时候经常用到。
超声波最普遍的应用是在汽车倒车雷达、物位测量仪、测距仪、研发移动机器人以及一些特殊工业现场等场合。
以后超声波传感器很可能将会智能化、自动化，实现更加方便高效的测距仪器。
1.2 研究的主要意义超声波测距技术是一种非常有前景的的技术，近距离的超声测距不会被光线影响，并且结构比较简单，成本经济实惠。
超声波测量最重要的优点是：环境介质很普遍，空气、液体和固体都能使用，因此适合使用的范围非常大。
更重要的是使用超声波检测能很大程度的降低劳动强度，可以避免工作人员在恶劣工作环境中可能受到的伤害，还能够提高距离结果的准确度；另外，超声波测距仪也可以作用到别的功能系统中，如在机器人的避障系统、车内置防撞系统、自动停车系统和倒车雷达，因此超声波测距仪对电子测量技术发展是非常重要的。
第2章系统电路设计2.1 系统结构设计图2-1所示的是超声波测距仪的系统设计结构图。
主要由单片机、超声波传感器、按键、复位电路、LED显示电路、蜂鸣器及电源电路组成。
系统主要功能包括：1.发射与接收超声波，通过计算收发时间差得到测量的距离；2.LED显示测量距离；3.接收用户按下按键的相应指令并做出处理；4.系统运行出错时，使用电平式开关和上电复位电路进行复位处理。
图2-1 超声波测距仪的系统结构图2.2 电路总体设计方案2.2.1 发射与接收电路设计方案对于此次超声波测距仪的系统，难点就是如何生成稳定40KHz信号。
由于此次使用的是中心工作频率为40KHz的超声波传感器，当偏移这个频率时，接收端的敏感程度将有所下降，从超声波传感器的特性曲线中可以看出具体下降的幅度。
当发射端的频率为40KHz时，接收端能收到的强度最强的信号，因此计算的距离也就最大，但如果偏移中心频率时，测量距离就会产生缩短，这一点是本次设计的可能忽略的关键点。
如何生成一个40KHz的驱动信号，有多种方法，可以选择用电感、电容振荡器件做出一个产生信号的发生器，不过这种方式产生的信号频率稳定性较差，调准比较难，所以很难制作成功。
而此次设计中，选择用单片机产生一个稳定信号，因为使用了频率稳定性较好的晶振元件作为系统的时钟，所以系统频率有极高的稳定性，也能产生频率非常平稳的驱动信号，当编入的程序的要求不同的时候，也能够轻松地取到需要的频率。
电路中决定前面是否被障碍物阻挡是根据接收到的信号强度值的，所以本设计制作成功非常关键性的一点就是起控点的选择。
由于反射回来的超声波信号的强弱受环境因素的影响，因此需要很细心的进行调试。
这时还要仔细观察随着距离的变化，电路中的直流控制电压的变化，从而选择出最合适的电压比较的起控点，这样才能实现当距离达到设置好的值时进行报警。
超声波测距仪开始测量距离时，单片机便开始执行相应程序。
此时P01口产生10us的TTL，51单片机也开始不断循环生成八个40kHz的脉冲信号，通过自身自动放大，而且将连续发射200us。
当P32口收到信号的时候会产生一个回响信号，此回响信号和测量的距离是有一个固定的比例关系。