图2.1 超声波测距系统原理图

3 系统硬件电路设计

3.1 总体方案设计

本设计由硬件和软件两大部分组成。硬件部分采用模块化设计，由电源电路、超声波测距电路、报警电路、数码管显示电路等模块组成。该设计的主控制模块为STC89C52芯片，它是本系统的核心单元，实现着对各个子模块的控制，所以该系统也是基于单片机系统的一个拓展[6]。超声波信号通过超声波模块中的发射电路发射到空气中，遇到被测物体，超声波立即反射回来，接收电路接收超声波信号。进行相关处理后，输入单片机的INT0脚产生中断，算出超声波在传输过程中花费的时间，再调用距离计算公式就可以得到被测距离，然后在数码管上显示相应的距离。在此基础上，本系统还设计了报警模块，只需预先设定一个报警值，当测得距离小于设定报警值时，STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警。本设计软件部分主要有主程序、超声波发射与接受子程序、测距程序及数码管显示子程序，报警子程序。从实验结果分析看，该系统可以实现小范围的测距，其整体设计框图如图3.1所示：

 系统整体设计框图

3.2 主要元器件介绍  

该超声波测距系统的硬件电路采用3节5号干电池（共4.5V）供电，以STC89C52芯片为主控制芯片。采用12MHZ晶振，单片机的INT0口输出40KHz方波信号,将该信号送入超声波模块进行工作，控制超声波信号的接收和发射，再调用测距公式进行相关的处理以及计算，最后将实测距离送入显示电路，在数码管上清晰的清晰明了的显示出距离。并在该电路中添加了蜂鸣器外围电路以实现报警功能。电路中设计了电源工作指示灯，以确保电路带电工作。并在电路中设有复位开关，在电路中还设计了调节按键，一个设定键, 一个加键，一个减键，用它们来预设定报警值[7]。

3.3 电源电路设计

电源部分的设计采用3节5号干电池（共4.5V）外接，通过电源接头提供给电路板。图中P2为电池盒接口，SW1为电源开关，用来接通和断开电源。

3.4 超声波模块设计

超声波模块采用了HC-SR04超声波测距模块，该模块可以提供非接触式测距，测量范围为2cm-400cm，测距精度较高可达3mm。该超声波模块中包含了发射电路、接受电路以及控制电路[8]。

该超声波模块采用IO口TRIG启动测距功能。该模块自己产生信号，以供测距使用，其产生40KHz的方波送入超声波发射电路中，使它开始工作，当在测距过程中，碰到障碍物，则立即反射回来，超声波接受电路进行工作。源[自*751^`论/文'网·www.751com.cn/

在该模块开始工作时，它的一个控制口发送一个10us以上的高电平,在测量后，模块中的接收口等待高电平输出。一接受到模块的输出，定时器开始工作，开始计数,当此接收口变为低电平时，则可停止计时,读取计数器的值，此时则算出测距的时间,根据相关公式，就可以得到测距距离。其实物如图3.3所示[9]。

图3.3 超声波模块实物图

超声波模块有四个接口，分别为VCC，TRIG，ECHO，GND。其中VCC 接电源，GND 接地，TRIG为信号发射端，ECHO 为信号接收端。该模块中的测距功能由两个子函数实现。首先采用定时器0进行定时测量，8分频，TCNTT0预设值0XCE，当timer0溢出中断发生2500次时为125ms，计算公式为（单位：ms）：

T = （定时器0溢出次数 * （0XFF - 0XCE））/ 1000 

其中定时器0初值和分频结果有关，分频不同，定时器的初值则不同。