原标题：基于51单片机的超声波定位系统（程序+原理图+BOM+论文）

一、引言

超声波定位技术是利用超声波的空间传播特性来确定目标具体位置的一种技术。随着科技的不断进步，超声波定位技术在各个领域得到了广泛的应用，如机器人导航、汽车倒车雷达、工业自动化等。本文旨在设计并实现一种基于51单片机的超声波定位系统，详细介绍系统的硬件设计、软件编程以及元器件选型等内容。

二、系统概述

（一）系统组成

基于51单片机的超声波定位系统主要由移动端和固定端两部分组成。移动端包括超声波发射电路和无线电编码接收电路，用于向周围发送超声波脉冲并接收触发信号；固定端包括微机处理器电路、超声波接收电路和无线电编码触发电路，用于接收超声波信号并进行处理，最终确定目标位置。

（二）工作原理

超声波定位系统利用超声波在空间中的传播特性，通过比较三个固定位置接收装置收到超声波信号的时间先后，反演出超声波发生器的具体位置，即被定位目标的位置。当目标移动时，系统可以通过不间断测量，描出目标的运动轨迹。

三、硬件设计

（一）核心元器件选型及功能

1. 单片机

• 选型：STC89C51/52单片机（与AT89S51/52、AT89C51/52兼容）

• 作用：作为系统的控制核心，负责处理超声波信号的接收、计时、计算以及与其他外设的通信。

• 选择理由：STC89C51/52单片机具有低功耗、高性能、抗干扰能力强等特点，且其指令系统与标准的8051单片机兼容，易于开发和维护。同时，该单片机具有丰富的外设接口，如I/O口、定时器、中断系统等，能够满足超声波定位系统的需求。

• 功能：通过I/O口与超声波发射和接收电路连接，控制超声波的发射和接收；利用定时器测量超声波的传播时间；通过中断系统响应外部触发信号；与其他外设（如显示屏、按键等）进行通信。

2. 超声波模块

• 选型：HC-SR04超声波测距模块

• 作用：用于发射和接收超声波信号，实现距离的测量。

• 选择理由：HC-SR04超声波测距模块具有探测距离精度高、性能稳定、盲区小等特点。其工作电压为5V，与单片机系统兼容性好；探测距离范围为2cm~400cm，能够满足大多数定位场景的需求；同时，该模块还提供了TRIG（触发）和ECHO（回波）两个引脚，方便与单片机进行连接和控制。

• 功能：当TRIG引脚接收到一个10us以上的高电平信号时，模块会自动发送8个40kHz的方波并检测是否有信号返回。如果有信号返回，ECHO引脚会输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。通过测量这个时间，并结合超声波在空气中的传播速度，就可以计算出目标物体的距离。

3. 显示屏

• 选型：LCD1602液晶屏

• 作用：用于显示测距结果、系统状态等信息。

• 选择理由：LCD1602液晶屏能够同时显示16x02即32个字符，显示字母和数字比较方便，控制简单，成本较低。同时，该液晶屏还具有低功耗、高对比度、宽视角等特点，适合用于各种嵌入式系统中。

• 功能：通过接收单片机发送的显示数据，将测距结果、系统状态等信息以字符的形式显示出来。用户可以通过观察显示屏上的信息，了解系统的运行状态和测距结果。

4. 按键

• 选型：独立按键

• 作用：用于设置测距的上下限、启动或停止测距等功能。

• 选择理由：独立按键具有结构简单、易于控制、成本低廉等特点。通过按键的按下和松开，可以向单片机发送不同的信号，实现不同的功能控制。

• 功能：当用户按下按键时，单片机通过检测按键引脚的电平变化来识别按键操作，并根据预设的功能逻辑执行相应的操作，如启动测距、停止测距、设置测距上下限等。

5. 无线电编码触发电路

• 选型：基于编码芯片的无线电触发电路

• 作用：用于触发各个发射点的超声波发射电路，实现不同发射点的区分。

• 选择理由：由于超声波系统难以通过不同的频率来区分不同发射点的信号，因此需要采用一种能够把各个发射点的超声波信号区分开来的方法。无线电编码触发电路通过发送带有地址编码的无线电信号来触发对应的超声波发射电路，从而实现不同发射点的区分。

• 功能：当固定端的无线电编码触发电路接收到来自移动端的触发信号时，会根据信号中的地址编码来触发对应的超声波发射电路。这样，不同发射点的超声波信号就可以被区分开来，从而实现对目标的准确定位。

（二）电路原理图设计

1. 超声波发射电路

超声波发射电路主要由单片机、超声波模块、电阻和电容等元件组成。单片机的I/O口与超声波模块的TRIG引脚连接，用于控制超声波的发射。当单片机的I/O口输出一个10us以上的高电平信号时，超声波模块会自动发送8个40kHz的方波。同时，为了保护超声波模块和单片机，还需要在电路中加入适当的电阻和电容进行限流和滤波。

2. 超声波接收电路

超声波接收电路主要由超声波模块、单片机、比较器和滤波电路等元件组成。超声波模块的ECHO引脚与单片机的I/O口连接，用于接收回波信号。当超声波遇到障碍物返回时，ECHO引脚会输出一个高电平信号。为了将这个高电平信号转换为单片机能够识别的数字信号，还需要通过比较器将模拟信号转换为数字信号，并通过滤波电路去除噪声干扰。

3. 显示电路

显示电路主要由单片机、LCD1602液晶屏、电阻和电容等元件组成。单片机的I/O口与LCD1602液晶屏的数据线和控制线连接，用于向液晶屏发送显示数据和控制信号。为了保证液晶屏的正常工作，还需要在电路中加入适当的电阻和电容进行限流和滤波。

4. 按键电路

按键电路主要由单片机、按键、电阻和电容等元件组成。按键的一端与单片机的I/O口连接，另一端接地。当用户按下按键时，按键两端的电平会发生变化，单片机通过检测I/O口的电平变化来识别按键操作。为了保护单片机和按键，还需要在电路中加入适当的电阻和电容进行限流和滤波。

5. 无线电编码触发电路

无线电编码触发电路主要由编码芯片、无线电发射模块、电阻和电容等元件组成。编码芯片用于生成带有地址编码的无线电信号，无线电发射模块用于将信号发射出去。当固定端的无线电编码触发电路接收到来自移动端的触发信号时，编码芯片会根据信号中的地址编码来生成对应的触发信号，并通过无线电发射模块将信号发送出去。

（三）PCB设计

在PCB设计过程中，需要考虑元器件的布局、布线规则、电源和地的处理等因素。元器件的布局要合理，尽量减少信号线的长度和交叉；布线规则要遵循高速信号线短而直、低速信号线可适当弯曲的原则；电源和地的处理要采用星形接地或多点接地的方式，以保证系统的稳定性和可靠性。

四、软件编程

（一）主程序设计

主程序是超声波定位系统的核心程序，负责初始化系统、处理按键操作、控制超声波的发射和接收、计算距离以及显示结果等功能。主程序的工作流程如下：

1. 系统初始化：包括单片机初始化、超声波模块初始化、显示屏初始化等。

2. 按键扫描：通过检测按键引脚的电平变化来识别按键操作，并根据预设的功能逻辑执行相应的操作。

3. 超声波发射：当接收到启动测距的指令时，控制超声波模块发射超声波信号。

4. 超声波接收：等待超声波模块接收到回波信号，并通过定时器测量超声波的传播时间。

5. 距离计算：根据超声波的传播时间和声速计算出目标物体的距离。

6. 结果显示：将测距结果通过显示屏显示出来。

（二）子程序设计

1. 超声波发射子程序

超声波发射子程序负责控制超声波模块的发射功能。当接收到发射指令时，程序会向超声波模块的TRIG引脚发送一个10us以上的高电平信号，以触发超声波的发射。

2. 超声波接收子程序

超声波接收子程序负责接收超声波模块的回波信号，并测量超声波的传播时间。当ECHO引脚接收到高电平信号时，程序会启动定时器开始计时；当ECHO引脚接收到低电平信号时，程序会停止定时器并读取计时器的值，从而得到超声波的传播时间。

3. 距离计算子程序

距离计算子程序负责根据超声波的传播时间和声速计算出目标物体的距离。声速在空气中的传播速度约为340m/s，通过公式s=(ttimesv)/2（其中s为距离，t为传播时间，v为声速）可以计算出目标物体的距离。

4. 显示子程序

显示子程序负责将测距结果通过显示屏显示出来。程序会将测距结果转换为字符形式，并通过I/O口发送到显示屏上进行显示。

五、系统测试与优化

（一）系统测试

在系统测试阶段，需要对超声波定位系统的各项功能进行测试，包括超声波的发射和接收功能、距离测量的准确性、显示屏的显示功能以及按键操作的功能等。通过测试可以发现系统中存在的问题并进行修复和优化。

（二）系统优化

为了提高超声波定位系统的性能和稳定性，可以对系统进行以下优化：

1. 优化元器件选型：选择性能更好、稳定性更高的元器件来提高系统的整体性能。

2. 优化电路设计：对电路进行优化设计，减少信号干扰和噪声影响，提高系统的稳定性和可靠性。

3. 优化软件编程：对软件程序进行优化，提高程序的执行效率和稳定性，减少系统的响应时间和误差。

六、结论

本文设计并实现了一种基于51单片机的超声波定位系统，详细介绍了系统的硬件设计、软件编程以及元器件选型等内容。通过测试和优化，该系统能够实现对目标的准确定位和测距功能，具有较高的实用价值和应用前景。未来可以进一步对系统进行扩展和优化，如增加更多的超声波发射和接收点、提高测距精度和稳定性等，以满足不同场景下的需求。