题目：超声波测距仪的设计
超声波测距仪的设计
一、设计目的：
以51单片机为主控制器，利用超声波模块HC-SR04，设计出一套可在数码管上实时显示障碍物距离的超声波测距仪。
通过该设计的制作，更为深入的了解51的工作原理，特别是51的中断系统及定时器/计数器的应用；掌握数码管动态扫描显示的方法和超声波传感器测距的原理及方法，学会搭建51的最小系统及一些简单外围电路(LED显示电路)。从中提高电路的实际设计、焊接、检错、排错能力，并学会仿真及软件调试的基本方法。
二、设计要求：
设计一个超声波测距仪。要求：
1.能在数码管上实时显示障碍物的实际距离； 2.所测距离大于2cm小于300cm，精度2mm。
三、设计器材：
STC89C52RC单片机 HC-SR04超声波模块
SM410561D3B四位的共阳数码管 9014三极管（4） 按键（1）
电容（30PF2，10UF1）
排阻（10K），万用板，电烙铁，万用表，5V直流稳压电源，镊子，钳子，
导线及焊锡若干，电阻（200欧5）。
四、设计原理及设计方案：
（一）超声波测距原理
超声测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。基本的测距公式为：L=(△t/2)*C
式中 L——要测的距离
T——发射波和反射波之间的时间间隔
C——超声波在空气中的声速，常温下取为344m/s 声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。
根据本次设计所要求的测量距离的范围及测量精度，我们选用的是HC-SR04超声波测距模块。(如下图所示)。此模块已将发射电路和接收电路集成好了，硬件上不必再自行设计繁复的发射及接收电路，软件上也无需再通过定时器产生40Khz的方波引起压电陶瓷共振从而产生超声波。在使用时，只要在控制端‘Trig’发一个大于15us宽度的高电平,就可以在接收端‘Echo’等待高电平输出。单片机一旦检测到有输出就打开定时器开始计时。当此口变为低电平时就停止计时并读出定时器的值，此值就为此次测距的时间，再根据传播速度方可算出障碍物的距离。
（二）超声波测距模块HC-SR04简要介绍
HC-SR04超声波测距模块的主要技术参数使用方法如下所述： 1. 主要技术参数： ①使用电压：DC5V ②静态电流：小于2mA ③电平输出：高5V
④电平输出：低0V ⑤感应角度：不大于15度
⑥探测距离：2cm-300cm HC-SR04超声波测距模块实物图 ⑦高精度：可达2mm
2. 接线方式：VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND
使用方法：给Trig端发一个15uS以上的高电平，就可以在接收口Echo端等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间,方可算出距离。 3.工作原理：
①采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号 (在我们的程序中我们为了确保有效触发，给了约持续15us时间宽度的高电平)；
②模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
③有信号返回，通过Echo输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(344M/S))/2；
（三）总体设计方案：
以51单片机作为主控制器，在超声波模块HC-SR04的‘Trig’端加一个大于10us的高电平，本次设计中我们为了确保有效触发，程序中设置了约为15us的高电平进行触发。触发发射端产生超声波，同时在接收端‘(Echo’端)等待高电平的输出，一旦检测到有高电平的输出就打开定时器0进行计时。根据所给超声波模块的技术资料可知：‘Echo’端高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。当超声波遇到障碍物，回波被接收端接收到后，‘Echo’端变为低电平。此时关闭定时器0(令TR=0)，读出定时器的值。这个值即为超声波的传播时间(单位为us)。根据声波在空气中的传播速度，方可算出距离。【测试距离≈(高电平时间*声速(344M/S))/2】 将此距离进行处理，在数码管上利用动态扫描法实时显示。 系统的结构框图：
电源电路 STC89C52 超声波测试模块 障碍物 单片机外围电路 显示电路
我们将整个系统划分为：超声波模块、显示模块，以及51单片机外围工作电路模块。
（四）动态显示模块：
数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划\的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。
在本次设计中，我们选用P0口作为‘段码’，连接SM410561D3B‘a,b,c,d,e,f,g,dp’，每一段的亮灭。选用P2.4~P2.7分别对应‘位码’，即连
接 SM410561的‘S1，S2，S3，S4’分别控制每一位的亮灭。‘S1，S2，S3，S4’相当于是每一段的COM端，由于是共阳极，只有某一位对应的COM端为‘1’时，所送的‘段码’对该端来说才是有效的。
仿真电路图
（五）硬件整体设计方案：
我们在硬件设计上主要包括以下几个模块的设计：