基于单片机的HC-SR04超声波模块测距仪设计（数码管显示）
目录
- 功能要求
- 一、材料准备
- 工具：
- 可能涉及到的元器件：
- 二、硬件设计
- 1、单片机最小系统电路
- 2、数码管显示电路
- 3、按键电路
- 4、HC-SR04超声波模块电路
- 5、报警电路
- 6、硬件测试
- 三、程序设计
- 1、搭建工程
- 2、数码管显示模块程序设计
- 3、超声波测距模块程序设计
- 4、按键模块程序设计
- 5、报警模块程序设计
- 6、定时器程序设计
- 7、功能实现程序设计
- 四、小结
- 五、附录
- 附录1：整体电路原理图
- 附录2：元件清单
- 附录3：资源分享
功能要求
（1）用单片机实现；
（2）用C语言编程；
（3）硬件电路板布局合理；
（4）用数码管显示器显示；
（5）距离测量范围是：10cm----100cm；
（6）误差小于8%；
（7）超过测距量程并报警；
（8）通过按键调节测距范围。
一、材料准备
工具：
电烙铁、万用表、STC烧写器、5V电源、PC机、Keil uVision5、AltiumDesigner 13.3.4、stc-isp程序烧写软件（可到STC官方网站下载：http://www.stcmcu.com/index.htm）等。
可能涉及到的元器件：
- 最小系统：STC89C52RC单片机x1、12MHz有源晶振x1、10uF电解电容x1、22pFx2、10KΩ排阻x1、10KΩx1、
- 数码管显示电路：四位共阴数码管x1、74HC573x1、220Ω电阻x8
- 报警电路：5V有源蜂鸣器x1、S8550三极管x1、1KΩx1
- 测距电路：HC-SR04超声波模块x1
- 键盘输入：轻触开关x3
- 其他原件：100mil插针若干、LEDx1、自锁开关x1
二、硬件设计
1、单片机最小系统电路
如图1所示，是单片机最小系统电路图。学过51单片机的人都知道单片机最小系统包括：晶振电路、复位电路、单片机芯片和电源，这里作大概讲解即可，想了解详细电路原理请另查资料。晶振电路是为单片机提供时钟源；复位电路是为了让单片机从头到尾重新执行一遍程序，为了方便调试笔者采用按键复位方式；单片机芯片采用国产的STC单片机，型号为STC89C52RC（注：可以选择其他型号，譬如STC89、STC90、STC12等等），代码是完全兼容的，不必过多地担心，只是单片机内部资源不同而已；电源电路很简单，采用普通5V供电即可，为了方便调试建议加一个总电源开关，开关类型根据个人喜欢随便选。
图1 单片机最小系统电路图
图1中的J2是程序下载接口，接法很简单，单片机的串口P3.0和P3.1口引出即可；RP1是P0口的上拉排阻。
2、数码管显示电路
如图2所示
图2 数码管显示电路图
3、按键电路
如图3所示
图3 按键电路图
4、HC-SR04超声波模块电路
如图4所示
图4 超声波测距电路图
5、报警电路
如图5所示
图5 报警电路图
6、硬件测试
三、程序设计
1、搭建工程
头文件common.h：
#ifndef __COMMON_H__
#define __COMMON_H__
//头文件包含
#include <reg52.h> //提供单片机寄存器地址
#include <intrins.h> //提供_nop_()函数
#endif
2、数码管显示模块程序设计
程序如下：
头文件dig.h
#ifndef __DIG_H__
#define __DIG_H__
//头文件包含
#include "common.h"
//管脚定义
#define digDuan P0 //数码管段控制端口，高电平有效
sbit digWei1 = P2^4; //第1位数码管控制端口，低电平有效
sbit digWei2 = P2^5; //第2位数码管控制端口，低电平有效
sbit digWei3 = P2^6; //第3位数码管控制端口，低电平有效
sbit digWei4 = P2^7; //第4位数码管控制端口，低电平有效
//函数声明
void dig_scan(unsigned int *dat); //数码管扫描
#endif
源文件dis.c
#include "dig.h"
/*
* 数码管扫描
* *dat：以数组的方式传值，使用的时候直接填入数组名即可
*/
void dig_scan(unsigned int *dat)
{
static unsigned char i = 0; //循环变量
/* 数码管扫描处理 */
digDuan = 0x00; //消隐
digWei1 = 1;
digWei2 = 1;
digWei3 = 1;
digWei4 = 1;
switch(i)
{
case 0:
{
digWei1 = 0; //选通第1位数码管
digDuan = dat[0]; //显示第1位数码管的内容
break;
}
case 1:
{
digWei2 = 0; //选通第2位数码管
digDuan = dat[1]; //显示第2位数码管的内容
break;
}
case 2:
{
digWei3 = 0; //选通第3位数码管
digDuan = dat[2] + 0x80; //显示第3位数码管的内容，顺便也显示小数点
break;
}
case 3:
{
digWei4 = 0; //选通第4位数码管
digDuan = dat[3]; //显示第4位数码管的内容
break;
}
default: break;
}
++i; //数码管位选变量循环
if(i >= 4)
i = 0;
}
3、超声波测距模块程序设计
程序如下：
头文件HC-SR04.h：
#ifndef __HC_SR04_H__
#define __HC_SR04_H__
#include "common.h"
//引脚定义
sbit Ttig = P1^3; //触发信号控制端口
sbit Echo = P1^4; //回响信号接收端口
//函数声明
void start_ranging(void);
#endif
源程序文件HC-SR04.c：
#include "HC-SR04.h"
/* 启动超声波程序 */
void start_ranging(void)
{
Ttig = 1; //启动一次模块
_nop_(); //延时一段时间，至少10us以上
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
Ttig = 0;
}
4、按键模块程序设计
程序如下：
头文件key.c：
#ifndef __KEY_H__
#define __KEY_H__
//头文件包含
#include "common.h"
//管脚定义
sbit KEY1 = P1^0; //设置键
sbit KEY2 = P1^1; //加键
sbit KEY3 = P1^2; //减键
//函数声明
unsigned char key_scan(void); //按键扫描
#endif
源程序文件key.c：
#include "key.h"
/* 按键延时函数，单位：ms */
static void key_delayms(unsigned int ms)
{
unsigned char a,b,c;
while(--ms)
{
for(c=1;c>0;c--)
for(b=142;b>0;b--)
for(a=2;a>0;a--);
}
}
/* 按键扫描 */
unsigned char key_scan(void)
{
if(KEY1 == 0) //如果按键1按下
{
key_delayms(10); //延时10ms,去除按键抖动
if(KEY1 == 0) //再判断一次按键按下
{
return 1; //输出键值1
}
}
if(KEY2 == 0) //如果按键2按下
{
key_delayms(10); //延时10ms,去除按键抖动
if(KEY2 == 0) //再判断一次按键按下
{
return 2; //输出键值2
}
}
if(KEY3 == 0) //如果按键3按下
{
key_delayms(10); //延时10ms,去除按键抖动
if(KEY3 == 0) //再判断一次按键按下
{
return 3; //输出键值3
}
}
return 0; //如果没有按键按下，则输出0
}
5、报警模块程序设计
程序如下：
头文件
在这里插入代码片
源程序文件
在这里插入代码片
6、定时器程序设计
程序如下：
头文件timer.h
#ifndef __TIMER_H__
#define __TIMER_H__
//头文件包含
#include "common.h"
#include "dig.h"
//函数声明
void InitTimer0(void); //定时器0初始化
#endif
源程序文件timer.c：
#include "timer.h"
extern unsigned int dis_buf[4];
/* 定时器0初始化，定时1ms */
void InitTimer0(void)
{
TMOD = 0x11; //配置定时器0为工作方式1，定时器1位工作方式1
TH0 = 0;
TL0 = 0;
TH1 = 0x0EC; //定时5ms
TL1 = 0x78;
EA = 1; //打开总中断
ET1 = 1; //打开定时器0中断
TR1 = 1; //打开定时器1
TR0 = 0; //打开定时器0
}
/* 定时器0中断服务函数，5ms进一次本中断，用于数码管扫描 */
void Timer1Interrupt(void) interrupt 3
{
TH1 = 0x0EC; //定时5ms，重新赋值
TL1 = 0x78;
dig_scan(dis_buf); //数码管显示温度
}
7、功能实现程序设计
程序如下：
头文件tack.h：
#ifndef __TASK_H__
#define __TASK_H__
#include "dig.h" //添加数码管显示程序
#include "HC-SR04.h"
#include "timer.h"
#include "key.h"
//引脚定义
sbit BEEP = P3^7; //蜂鸣器控制端口，低电平有效，无源蜂鸣器
//函数声明
void delayms(unsigned int ms); //延时，单位：ms
void count(void); //计算距离
void dis_distance(void); //显示距离
void key_fuction(void);
#endif
源程序文件tack.c：
#include "task.h"
//全局变量定义
//段码表，适用于共阴数码管
unsigned int code duan_ma[16] =
{
0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f, //0~9
0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71 //A~F
};
unsigned int dis_buf[4]; //显示缓存
unsigned int S = 0; //距离缓存变量
unsigned long time = 0; //时间缓存变量
unsigned int S_H = 400, S_L = 10; //S_H：报警上限值，默认400cm，S_L：报警下限值，默认10cm
/*
* 延时，单位：ms
*/
void delayms(unsigned int ms)
{
unsigned char a,b,c;
while(--ms)
{
for(c=1;c>0;c--)
for(b=142;b>0;b--)
for(a=2;a>0;a--);
}
}
/*
* 计算测距
*/
void count(void)
{
start_ranging(); //启动一次超声波
while(!Echo); //等待超声波模块输出IO拉高
TR0 = 1; //开启定时器计时
while(Echo); //等待超声波模块输出IO拉低
TR0 = 0; //关闭定时器计时
/* 计算距离 */
time = TH0 * 256 + TL0; //得到的时间，专业写法应该是这样：time = TH0 << 8 | TL0
TH0 = 0; //定时计数器清零
TL0 = 0;
S = (time * 1.7) / 100; //算出来是CM
}
/*
* 显示距离
*/
void dis_distance(void)
{
dis_buf[3] = 0x00;
dis_buf[2] = duan_ma[S / 100 %10]; //取出百位数，并在数码管的第3位显示，从右往左数
dis_buf[1] = duan_ma[S / 10 %10]; //取出十位数，并在数码管的第2位显示，从右往左数
dis_buf[0] = duan_ma[S % 10]; //取出个位数，并在数码管的第1位显示，从右往左数
}
/*
* 设置报警功能
*/
void key_fuction(void)
{
unsigned char mode_flag = 1; //模式切换标记位，1：设置上限值，2：设置下限值，3：退出
while(1)
{
if(key_scan() == 1) //功能切换键
{
BEEP = 0; //按键提示音
delayms(50);
BEEP = 1;
delayms(100);
++mode_flag;
if(mode_flag >= 3) //如果满3了，则退出
break;
}
if(key_scan() == 2) //如果加键按下
{
BEEP = 0; //按键提示音
delayms(50);
BEEP = 1;
delayms(100);
if(mode_flag == 1) //设置上限值
{
++S_H;
if(S_H > 400)
S_H = 2;
}
if(mode_flag == 2) //设置下限值
{
++S_L;
if(S_L > 400)
S_L = 2;
}
}
if(key_scan() == 3) //如果减键按下
{
BEEP = 0; //按键提示音
delayms(50);
BEEP = 1;
delayms(100);
if(mode_flag == 1) //设置上限值
{
--S_H;
if(S_H < 2)
S_H = 400;
}
if(mode_flag == 2) //设置下限值
{
--S_L;
if(S_L < 2)
S_L = 400;
}
}
/*------------- 报警设置显示 --------------*/
if(mode_flag == 1) //显示设置上限值内容
{
dis_buf[3] = 0x76; //第4位数码管显示字母 H
dis_buf[2] = duan_ma[S_H / 100 % 10]; //显示百位数
dis_buf[1] = duan_ma[S_H / 10 % 10]; //显示十位数
dis_buf[0] = duan_ma[S_H % 10]; //显示个位数
}
if(mode_flag == 2) //显示设置下限值内容
{
dis_buf[3] = 0x38; //第4位数码管显示字母 L
dis_buf[2] = duan_ma[S_L / 100 % 10]; //显示百位数
dis_buf[1] = duan_ma[S_L / 10 % 10]; //显示十位数
dis_buf[0] = duan_ma[S_L % 10]; //显示个位数
}
}
}
编写完功能程序之后，在主函数main()中测试功能程序是否成功，内容如下：
源程序文件main.c：
#include "task.h"
//全局变量声明
extern unsigned int S; //声明距离缓存变量，在文件"task.c"中定义
extern unsigned int dis_buf[4]; //声明显示缓存数组，在文件"task.c"中定义
extern unsigned int code duan_ma[16];
extern unsigned int S_H, S_L; //S_H：报警上限值，默认400cm，S_L：报警下限值，默认10cm
/* 主函数 */
void main(void)
{
digDuan = 0x40; //显示"----"
digWei1 = 0;
digWei2 = 0;
digWei3 = 0;
digWei4 = 0;
delayms(1000); //延时大约1s
InitTimer0(); //定时器0初始化
while(1)
{
count(); //计算距离
if(S>=S_H || S<=S_L) //如果超出设定的范围，则显示"---"
{
dis_buf[3] = 0x00;
dis_buf[2] = 0x40; //显示"---"
dis_buf[1] = 0x40;
dis_buf[0] = 0x40;
BEEP = 0; //蜂鸣器鸣叫
}
else
{
BEEP = 1; //关闭蜂鸣器
dis_distance(); //显示距离
}
if(key_scan() == 1) //如果按下设置键，则进入设置报警功能
{
BEEP = 0; //按键提示音
delayms(50);
BEEP = 1;
delayms(100);
key_fuction(); //进入设置报警功能
}
}
}
四、小结
五、附录
附录1：整体电路原理图
附录2：元件清单
附录3：资源分享
- STC89C52RC数据手册
官网下载链接：http://www.stcmcu.com/index.htm
百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1i_VyxjlJlqFOZImX1WpY0w - HC-SR04超声波模块资料
百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1rs0w3pSYESE-ate9bnE65A - 74HC573芯片数据手册
百度网盘链接：https://pan.baidu.com/s/1eMwCgwte-m5yAb1rql1dqw - 演示视频
优酷网：https://v.youku.com/v_show/id_XNDM1NzYzMzU0NA==.html?spm=a2h0k.11417342.soresults.dtitle
西瓜视频：https://www.ixigua.com/i6735447308093096455/