实验题目：基于 51 单片机的超声波测距系统设计

1. 课程简要信息

电子技术是我校机电、车辆、测控等专业学生在大三开设的一门非常重要的专业基础课，课程总学时为 56 学时，其中基础实验占 12 学时，是一门理论与实践紧密相结合的课程。本实验是课程以外拓展学生知识面，培养学生综合能力，由学生自愿参加，自主完成的实验项目。

2. 实验内容与任务（限 500 字）

实验内容：

1）以 AT89C51 单片机为控制核心，配合超声波发射和检测电路、按键控制、数据采集、数码管显示、报警等模块，再配以系统相关的零部件和软件程序，实现基于51 单片机的超声波测距和越线报警的功能；

2）使用单片机控制超声波的发射与接收模块，实现传感器与障碍物之间距离的测量；

3）采用12MHz高精度的晶振，实现准确计时；

4）采用简单实用的 LED数码管作为显示电路，显示测量结果；

5）设置报警功能，当传感器与障碍物之间距离小于设定值，蜂鸣器发出报警信号。

实验任务：

（1） 设计并实现高精度的超声波测距功能；
（2） 设计并实现准确的数码显示功能；
（3） 设计并实现越线报警功能；
（4） 设计并实现报警距离设置功能。

3. 实验过程及要求（限 300字）

1）通过查阅资料学习和了解不同软/硬件方式下，实现系统方案的方法，并确定实验元器件；
2） 掌握单片机最小系统模块、超声波发射/接收芯片的使用，并选择电容、晶振、LED 显示电路、
驱动电路、报警电路等；
3） 制作硬件电路，并测试调试，优化电路参数，记录测试结果；
4） 设计系统程序流程图，在程序中实现各模块功能；
5） 设计电路并优化、仿真，记录仿真结果，系统调试无误绘制 PCB图；
6） 焊接并调试电路，测试电路的运行结果；
7） 撰写设计报告，阐明电路设计方案、过程、数据及结果分析等；
8）展示作品，并通过分组演讲，学习交流不同解决方案的特点。

4. 相关知识及背景（限 150 字）

超声波测距是利用超声波的可定向发射、指向性好等特性、运用传感器及检测技术、信号放大、数据显示、参数设定等相关知识与技术方法，来实现的非接触式检测方式。超声波测距系统在使用中不受光线、电磁波、粉尘等因素影响, 并具有信息处理简单、成本低、精度高等优势，所以在避障、定位、倒车雷达等领域应用十分广泛。

5. 教学目标与目的（限 100 字）

综合考察学生对单片机技术、电子技术等相关知识的掌握，引导学生夯实基础的同时拓展知识视野；引导学生根据需要设计电路、选择元器件，构建测试环境，通过测试与分析对实验做出技术评价并尝试用多种方案实现电路。

6. 教学设计与引导

对系统的设计任务进行具体分析，仔细研究题目，明确设计和实验要求，充分理解题目的要求、每项指标的含义。

针对系统提出的任务、要求和条件，查阅资料，广开思路，提出尽量多的不同方案，仔细分析每个方案的可行性和优缺点，加以比较，从中选取合适的方案。

将系统分解成若干个模块，明确每个模块的功能、各模块之间的连接关系及实现方法等。构建总体方案与框图，清晰地表示系统的工作原理，各单元电路的功能及各单元电路间的关系。

1）我们为什么要做这个实验？不仅仅是考查所学知识。例如应用超声波测量距离，可以应用在哪些领域？如何应用？
2） 掌握电路的基本模型和设计方法，自行设计电路及其参数。
3）加深对超声波发射/接收、LED 数码显示、定时器、报警电路、时钟脉冲等概念的理解，设计表格，测量并记录相关数据。
4） 在电路设计、搭试、调试完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，观测数据等，记录数据的同时用照片记录相关结果。
5） 尝试设计故障场景，让学生找出问题所在，分析和总结错误的结果，使学生加深对相关电路和概念的理解。
6）在实验完成后，组织学生以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，交流在实验过程中出现的问题及解决方法等，拓宽知识面。
7）讲解一些超出目前知识范围的解决方案，鼓励学生学习并尝试实现。

在设计中，要注意学生设计的规范性；如系统结构与模块构成，模块间的接口方式与参数要求；在调试中，要注意工作电源、参考电源品质对系统指标的影响，电路工作的稳定性与可靠性；在测试分析中，要分析系统的误差来源并加以验证。

7. 实验原理及方案

1） 系统结构

$\textcircled{2}$ 原理图

原理图

$\textcircled{3}$ 超声波发射电路原理图

超声波发射电路图

$\textcircled{4}$ 超声波接收电路图

$\textcircled{5}$ 主程序框图

主程序流程图

$\textcircled{6}$ 定时中断与外部中断子程序流程图

定时中断子程序流程图
外部中断子程序流程图

2） 实现方案

首先，确定系统总体设计。超声波测距系统设计任务所需的控制系统并不复杂，硬件设计使用一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的 AT89C51 单片机，可反复擦除只读存储器 1000 次。该器件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51 指令集和输出管脚相兼容，能方便与MCS-51系统单片机连接。测距设计采用超声波发射/接收模块。超声波发射模块利用压电晶体谐振工作，有两个压电晶片和一个共振板。当两极外加脉冲信号频率等于压电晶片的固有频率时，压电晶片会产生共振，并带动共振板振动产生超声波。接收模块采用 CX20106A 集成电路，是一款红外线检波接收的专用芯片。

电源采用12V 电池供电；考虑到电路可能产生的电压降，可以通过USB线连接手机充电宝或手机充电器来提供电源。

其次，设计系统的硬件部分。它由单片机最小系统模块、超声波发射/接收模块、显示电路、报警电路、继电器驱动模块等电路组成。

1、单片机最小系统是能够让单片机工作的最小硬件电路，除了单片机外，还包括复位电路和时钟电路。复位电路是用于将单片机内部各电路的状态复位到初始值。时钟电路为单片机提供基本时钟，因为单片机内部由大量的时序电路构成，没有时钟脉冲即“脉搏”的跳动，各个部件将无法工作。51 单片机要复位只需要在第 9 引脚接个高电平持续 $2 \mu \mathrm { s }$ 就可以实现，在系统中，系统上电启动的时候复位一次，当按键按下的时候系统再次复位，如果释放后再按下，系统还会复位。所以可以通过按键的断开和闭合在运行的系统中控制其复位。时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，在单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端引脚XTAL1，其输出端引脚为XTAL2。只要在XTAL1 和XTAL2 之间跨接晶体振荡器和微调电容，就可以构成一个稳定的自激振荡器。结构中的 X1、C1、C2 可以根据情况选择 6MHz、12MHz 或 $2 4 \mathrm { M H z }$ 等频率的晶振，补偿电容通常选择 30pF左右。

2、超声波发射模块由超声波发射换能器能向外界发出 $4 0 ~ \mathrm { k H z }$ 左右的方波脉冲。单片机 P 1.0端口输出方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，由推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器以超声波形式发射到空气中。

3、集成芯片 CX20106A 在接收部分电路中起了很大的作用 。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适幅值的矩形脉冲，由滤波器进行频率选择，滤除干扰信号，再经整形，送给输出端 7脚。当接收到与 CX20106A滤波器中心频率相符的回波信号时，其输出端 7脚输出低电平，直接与 INT0 相连， 以触发中断 。

4、显示电路采用简单实用的 4 位共阳极 LED 数码管，用三极管驱动。

5、报警部分采用一个蜂鸣器，由单片机输出一定频率的信号，经过一个三极管的放大，再连接到蜂鸣器，实现报警功能。

第三、测距分析。当超声波发射器发射超声波时，同时也开始计算时间，传输过程中的超声波遇到障碍物立刻反射，反射波会传送到超声波的接收器，接收器同时也会停止计时。超声波在空气的传输速度是 $3 4 0 \mathrm { m } / s$ ，根据计时器显示的时间t，可以得出障碍物和车的距离s，即： $s = 3 4 0 \mathrm { t } / 2$ 。

第四、设计系统软件。系统主程序包括主函数，调最大、最小距离调用函数，按键调用函数，报警调用函数，数码显示函数，定时器函数，超声波发射子函数，超声波接收中断子函数等。

第五、制作系统与调试系统。利用仿真软件，画电路图并优化电路，对各个元件进行参数值的设定，然后进行系统的仿真。焊接并调试连接，测试系统功能。

8. 教学实施进程

1） 任务安排：教师给出任务、要求和条件，由学生自主选择，确定实验小组成员，1 天内上报名单；
2） 预习自学：对系统的设计任务进行具体分析，查阅资料，仔细研究题目，明确设计和实验要求，充分理解题目的要求,1 周时间完成；
3） 现场教学：教师用 2 学时授课，说明实验的目的，要求学生完成的情况，实验最终完成的时间以及实验结果的呈现形式等，并回答学生的疑问；
4） 实验实施：学生以小组为单位，在实验课和课余时间进行实际的电路设计、搭试、安装、焊接、编程、调试，2周内完成；
5） 分组研讨：针对各个小组出现的不同问题进行课堂讨论，让学生找出问题所在，使学生加深对相关电路和概念的理解；
6） 现场操作：在制作完成后，必须要用标准仪器设备进行实际测量，观测数据等，记录数据的同时用照片记录相关结果，尝试设计故障场景，分析和总结错误的结果，并记录相关数据；
7）结果验收：以实物和实验报告作为实验的验收标准，根据学生的具体完成情况给出相应的成绩，本项成绩占总实验成绩的 $7 0 %$ ；
8） 总结演讲：要求学生根据本组的实验情况，以项目演讲、答辩、评讲的形式进行交流，了解不同解决方案及其特点，交流在实验过程中出现的问题及解决方法等，拓宽知识面，教师给出答辩成绩，本项成绩占总实验成绩的 $3 0 %$ ；
9） 报告批改：教师批改学生的实验报告，汇总实验成绩。

9. 实验报告要求

实验报告需要反映以下工作：

1） 实验需求分析：是否具有实际意义，是否与课程紧密相关，正确的理解项目要求；
2） 实现方案论证：总体方案的合理性，功能与性能指标的完整程度；
3） 理论推导计算：公式的正确性，影响因素的处理，科学的计算分析；
4） 电路设计与参数选择：硬件设计、软件设计、器件选择、参数计算；
5） 电路测试方法：是否能实现设计要求，如何排除故障；
6） 实验数据记录：表格合理，数据清晰；
7） 数据处理分析：结果计算分析；
8）实验结果总结：产生误差原因及其消除方法，心得体会。

10.考核要求与方法（限 300 字）

1） 实物验收：功能与性能指标的完成程度（如距离测量精度、控制精度），完成时间。
2） 实验质量：电路方案的合理性，焊接质量、组装工艺。
3） 自主创新：功能构思、电路设计的创新性，自主思考与独立实践能力。
4） 实验成本：是否充分利用实验室已有条件，材料与元器件选择合理性，成本核算与损耗。
5） 实验数据：测试数据和测量误差。
6） 实验报告：实验报告的规范性与完整性。

11.项目特色或创新（可空缺，限 150 字）

项目来源于汽车倒车雷达预警系统，具有实用价值和一定工程意义；学生综合、系统地应用已学到的单片机技术、模拟电路、数字电路的知识，设计电路、编程、实现电路并测试；学生不仅扩展新知识的学习，而且培养综合运用能力，增强独立分析与解决问题的能力，更进一步培养学生严肃认真的工作作风和科学态度。

实验案例信息表