基于单片机和SMC1602的超声波测距系统设计.doc

xx 大学毕业设计（论文） - i - 基于单片机和基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计的超声波测距系统设计 摘摘 要要 我们生活的是一个三维的空间，物体与物体之间有着其相对的位置。所以如何更 方便，更准确的测量一些我们想知道的两者之间的距离成了历代科学家最感兴趣的事 情之一。从最初的用脚步去丈量，到后来的具有统一标准的尺子测量。已经形成了一 系列应用于各行的不同精度的尺子，基本满足了我们日常生活和科学研究的需求。但 是，随着社会的发展又有许多关于测量距离的新问题被提出来。比如：能否方便的通 过测量距离而将面积或体积一同测量出来；在一些不方便使用尺子的地方，如高压线 周围、水电管布局等能否安全方便的测量出目标距离。另外，在一些场合里能否实时 动态测量目标。都是传统的静态测量方法解决不了的。这就要求我们设计一种新的测 量工具来解决的问题。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经 常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波 检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达 到工业实用的要求，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。 本设计给出了一种基于时差测距原理的超声波测距系统的整体结构设计方案，介 绍了该超声波测距系统中所选用的 at89c51 单片机、smc1602 液晶显示驱动器的主要特 点，最后给出了该超声波测距系统的软件主程序和中断程序流程图。 关键词：关键词：超声波测距；单片机；液晶显示器件；smc1602 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 ii the design of the ultrasonic ranging system based on single-chip and smc1602 abstractabstract we live in a three-dimensional space, objects and objects have their relative position. therefore the more convenient, more accurate measurements that we want to know the distance between the two scientists most interested in history has become one of the things. used from the initial steps to measure, and later ruler of a unified measurement standards. has formed a series of different lines used in the precision of a ruler, can basically meet the needs of our daily life and scientific research needs. however, with the development of society on the measurement of the distance there are many new issues raised. for example: can a convenient distance by measuring the area or volume will be measured together; in some areas is not convenient to use a ruler, such as around high-tension line, such as electricity and water pipes can safe and convenient layout of the target distance measurement. in addition, a number of occasions whether in the real-time dynamic measurement of the target. the traditional static measurement that can not be resolved. this requires us to design a new measurement tools to solve problems. strong point as a result of ultrasonic energy consumption slow, in the medium distance transmission, which are often used for ultrasonic distance measurement, such as range finders and all level measurement can be achieved through ultrasound. the use of ultrasonic testing are relatively rapid, convenient, simple, easy to do real-time control and measurement accuracy can meet the practical requirements of the mobile robot has been developed on a wide range of applications. the design of this paper, a location based on the principle of time difference of ultrasonic ranging system of the overall structural design of the program, introduced the ultra acoustic ranging system in the selected at89c51 single-chip microcomputer, lcd driver smc1602 the main features, and finally given the ultrasonic ranging system software flow chart of main program and interrupt procedures. keywords: ultrasonic distance measurement; single-chip microcomputer; lcd; smc1602 xx 大学毕业设计（论文） - iii - 目录目录 引引 言言.1 第第 1 章章 绪论绪论.2 1.1 概述.2 1.2 课题的总体设计及思路.2 第二章第二章 硬件电路的设计硬件电路的设计.4 2.1 at89c51 单片机.4 2.2 复位电路6 2.3 系统时钟电路9 2.4 发射电路10 2.5 接收电路11 2.6 温度采集电路12 2.7 显示电路12 2.8 时间增益补偿电路20 第三章第三章 软件设计软件设计.23 3.1 主程序流程图23 3.2 外部中断子程序24 3.3 定时器子程序25 第四章第四章 调试调试.26 4.1 硬件调试.26 4.2 软件调试.26 结论与展望结论与展望.27 致谢致谢.29 参考文献参考文献.30 附录附录.31 附录 a 原理图.31 附录 b 外文文献及译文 .32 附录 c 主要参考文献的题目及摘要 39 附录 d 程序清单42 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 iv 插图清单插图清单 图 1-1 超声波测距原理框图.2 图 1-2 基于单片机的 smc 超声波测距原理框图.3 图 2-1 89c51 引脚图5 图 2-2 cat810 引脚图7 图 2-3 vcc 低于 1.0v 时 reser 有效图 .8 图 2-4 vcc 低于 1.0v 时 reset 有效8 图 2-5 双向复位管脚的连接9 图 2-6 复位电路9 图 2-7 内部振荡电路连接图.10 图 2-8 外部振荡电路连接图.10 图 2-9 超声波测距发射电路11 图 2-10 超声波测距的接收电路11 图 2-11 温度采集电路12 图 2-12 ram 地址映射图.14 图 2-13 操作时序18 图 2-14 写操作时序19 图 2-15 显示电路20 图 2-16 灵敏度时间补.21 图 2-17 有源全波整流电路原理图22 图 3-1 主程序流程图23 图 3-2 外部中断子程序25 图 3-3 定时器子程序流程图25 xx 大学毕业设计（论文） - v - 表格清单表格清单 表 2-1 cat810 管脚说明7 表 2-2 smc1602 技术参数13 表 2-3 smc1602 接口说明14 表 2-4 smc1602 状态字说明14 表 2-5 smc1602 显示模式设置15 表 2-6 smc1602 显示光标设置15 表 2-7 数据指针设置15 表 2-8 清屏指令一览表15 表 2-9 光标归位指令一览表.16 表 2-10 进入模式设置指令一览表16 表 2-11 设定显示器或光标移动方向一览表16 表 2-12 设定功能一览表17 表 2-13 设定 cgram 地址指令一览表17 表 2-14 读取忙碌信号或 ac 地址指令一览表.17 表 2-15 数据写入到 ddram 或 cgram 中的指令一览表.18 表 2-16 从 cgram 或 ddram 读出数据的指令一览表.18 表 2-17 时序参数19 xx 大学毕业设计（论文） - 1 - 引引 言言 采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术， 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣 的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。 超声波测距在很多距离探测应用中具有重要的用途（包括液位测量、机械手控制、 车辆自动导航、物体识别等方面） ，特别是应用于空气测距方面。由于空气中的波速较 慢，其回波信号中包含的沿传播方向的信息很容易检测出来，因而具有很高的分辨力， 且其准确度也较其它方法高；此外，超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理 可靠等特点。目前，基于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精 确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的检测等。 超声波测距系统的应用非常广泛，它涉及到了现代的工业，军事等等方面，它的 发展快慢同时也标志着一个国家的发展速度，对于它的研究永远不会停止，人们要求 它能够使测距更简单，经济，普遍；使它的硬件更容易实现。为此，本文根据超声波 测距原理设计了一种以 mcs-51 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超 声波测距系统。 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 2 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 概述 本系统中的超声波信号由 80c51 单片机产生，它可通过 p1.0 口输出一个 40khz 的 脉冲信号，并持续发射 216s。原始信号是 5vp-p。该信号经过运行放大 3 倍后，可驱 动超声波发射头发出 15vp-p、40khz 的脉冲超声波。由于接收头与发射头配对，因此， 接受后可将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运行放大 5 倍后加至高通有源滤波 电路滤除低频杂波，当系统通过程序计算得到所测距离后，再将其转化成 ascii 码送 到液晶显示器。 1.2 课题的总体设计及思路 超声波测距的基本工作原理是测量超声波在空气中的传播时间，由超声波传播时 间和传播速度来确定距离障碍物的距离，即所谓的脉冲回波方式。该方式的基本 电路框图如图 1-1 所示。由发射传感器、发射电路、接收传感器、接收放大电路、回 波信号处理电路和单片机控制电路等几部分组成。 单片机 发射电 路 信号处 理 接受电 路 s 被测物体 图 1-1 超声波测距原理框图 发射电路通常是一个工作频率为 40khz 的多谐振荡器，该振荡器可由 555 时基集 成电路或其他电路构成多谐振荡器电路型式。多谐振荡器受单片机控制，产生一定数 量的发射脉冲(通常为 516 个)，用于驱动超声波发射传感器，并激励出超声波在空 气中传播，遇障碍物反射而返回。 超声波接收传感器通过压电转换的原理，将由障碍物返回的回波信号转换成电信 号，由于该信号幅度较小(几到十几毫伏)，因此须由低噪声放大、40khz 带通滤波电路 将回波信号放大到一定幅度，且干扰成分较少，并由回波信号处理电路转换成方波信 号，送至单片机系统进行时间测量和距离的显示。 单片机根据脉冲发射时间和接收到回波的时间计算出时间差 t，即超声波在空气中 传播的时间，并由式(1-1)： （1.1） cts 2 1 计算出距离 s，式中参数 c 是超声波在空气中的传播速度。 本设计是在次基础上加上单片机并在液晶显示器上显示出来。所以它的原理框图 如图 1-2 所示： xx 大学毕业设计（论文） - 3 - 发射探头 接受电路 检波电路 发射电路 接受探头 at89c51单片机 smc1602液晶显示 器 图 1-2 基于单片机的 smc 超声波测距原理框图 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 4 第二章第二章 硬件电路的设计硬件电路的设计 2.1 at89c51 单片机 at89c51 单片机是美国 atmel 公司生产的低电压，高性能 cmos 8 位单片机， 片内含 4k bytes 的可反复擦写的 flash 只读程序存储器和 128bytes 的随机数据存储器 （ram） ，器件采用 atmel 公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准 mcs- 51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（cpu）和 flash 存储单元，使其为众多嵌 入式控制应用系统提供了灵活性高且价廉的解决方案。 下面是对单片机 at89c51 主要特性进行了一些描述： 1. 主要性能参数： 与 mcs-51 单片机产品兼容； 4k 字节可重擦写 flash 存储器； 1000 次擦写周期； 全静态操作：0hz24mhz； 三级加密程序存储器； 1288 字节内部 ram； 32 个可编程 i/o 口线； 2 个 16 位定时器/计数器； 5 个中断源； 可编程串行 uart 通道； 低功耗空闲和掉电模式； 工作温度：-55+125； 储藏温度：-65+150； 任一引脚对地电压：-1.0v+7.0v； 最高工作电压：6.6v； 直流输出电流：15.0ma； 芯片引脚介绍： xx 大学毕业设计（论文） - 5 - 39 38 37 26 25 24 23 35 33 32 21 22 36 34 27 11 30 28 10 29 p10p00 rxd p27 p21 p25 p24 p23 p22 p20 p07 p06 p05 p04 p03 p02 p01 psen ael/p txd p26 p17 p16 p15 p14 p12 p13 p11 89c51 int0 int1 t1 t0 ea/vp x2 x1 reset wr rd 图 2-1 89c51 引脚图 vcc：电源 vss：地 p0 口：8 位漏极开路的双向 i/o 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 ttl 逻辑电平。 对 p0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0 口 也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，p0 具有内部上拉电阻。 在 flash 编程时，p0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程 序校验时，需要外部上拉电阻。 p1 口：具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 输出缓冲器能驱动 4 个 ttl 逻辑 电平。对 p1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。在 flash 编程和校验时，p1 口接收低 8 位地址字节。 p2 口：具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动四个 ttl 逻辑 电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。在访问 外 部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时，p2 口送出高八位地址。在 这种应用中，p2 口使用很强的内部上拉电阻发送 1。在使用 8 位地址访问外部数据存 储器时，p2 口输出 p2 锁存器的内容。 在 flash 编程和校验时，p2 口也接收高位地址字节和一些控制信号。 p3 口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p3 输出缓冲器能驱动四 个 ttl 逻辑电平。对 p3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输 入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 （iil） 。 p3 口亦作为 at89c51 特殊功能（第二功能）使用，p3 口还具有以下特殊功能： 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 6 rxd(p3.0) 串行输入口 txd(p3.1) 串行输出口 int0(p3.2)外部中断 0 int1(p3.3)外部中断 t0(p3.4)定时器 0 外部输入 t1(p3.5)定时器 1 外部输入 wr(p3.6)外部数据存储器写信号 rd(p3.7)外部数据存储器读信号 rst：复位输入。晶振工作时，rst 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位。 ale/：控制信号（ale）是访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输prog 出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（）也用作编程输入脉冲。prog 在一般情况下，ale 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来做为外部定时 器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ale 脉冲将会跳过。 如果需要，通过将地址为 8eh 的特殊功能寄存器（sfr）的 d0 位置“1” ，ale 操作 将无效。这一位置“1” ，ale 仅在执行 movx 或 movc 指令时有效。否则，ale 将 被微弱拉高。这个 ale 使能标志位（地址为 8eh 的 sfr 的第 0 位）的设置对微控制 器处于外部执行模式下无效。 ：外部程序存储器选通信号（）是外部程序存储器选通信号。当psenpsen at89c51 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次，而psen 在访问外部数据存储器时，将不被激活。psen /vpp：访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000h 到 ffffh 的外部程序ea 存储器读取指令，必须接地。ea 为执行内部程序指令，应该接 vcc。ea 在 flash 编程期间，也接收 12 伏 vpp电压。ea xtal1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2：振荡器反相放大器的输出端。 2.2 复位电路 本系统的复位电路主要是用 cat810，cat810 的主要性能如下： cat809 和 cat810 是微控制器监控电路，用来监控数字系统的电源。在工业级温 度范围的应用中可直接代替 max809 和 max810。 xx 大学毕业设计（论文） - 7 - cat809 和 cat810 产生一个复位信号，这个信号在电源电压低于预置的阈值时和 电源电压上升到该阈后的 140ms 内有效。由于 catalyst 半导体运用了底层浮动闸 （floating gate）技术 ae2tm，因此器件可以供任何特定的复位阈值。7 个工业标准的 阈值可支持+5.0v、+3.3v、+3.0v 和+2.5v 的系统。 cat809 的 reset 是推挽输出（低有效） ，cat810 的 reset 也是推挽输出（高 有效） 。 电源的快速瞬态变化可忽略，当 vcc低至 1.0v 时输出可保证仍处于正确状态。 cat809/810 可工作在整个工业级温度范围内（40+85） ，包含 3 脚 sot23 和 sc70 两种封装形。 阈值后缀选择器指定阈值电压阈值后缀名称： 4.63vl 4.38vm 4.00vj 3.08vt 2.93vs 2.63vr 2.32vz (1)管脚配置 cat810 2 1 3 gnd 3脚sot23 reset 图 2-2 cat810 引脚图 (2)管脚描述 表 2-1 cat810 管脚说明 管脚号 cat809cat810 名称描述 11gnd地 2reset复位低有效。reset 在 vcc 降到低于 复位阈值时有效，并在 vcc 上升到大于复位阈值后的至少140ms内 仍保持低电平。 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 8 2reset复位高有效。reset在vcc降低到低于 复位阈值时有效，并在vcc 上升到大于复位阈值后的至少140ms内 仍保持高电平。 33vcc监控的电源电压。 (3)典型工作特性: vcc正常范围，ta=40+85，除非特别说明。典型值在 ta=+25和 vcc5v（l/m/j 版本） 、vcc3.3v（t/s 版本） 、vcc3v（r 版本） 、和 vcc2.5v（z 版本）得到。 vcc低于 1.0v 时的有效复位。 为了确保 cat809 的 reset 管脚在 vcc低于 1.0v 时的状态可知，建议在 reset 和 gnd 之间连接一个 100k 的下拉电阻，电阻的阻值不作严格限制。对于 cat810， 则需要在 reset 和 vcc之间连接一个上拉电阻。 。 vcc cat810 gnd reset 100k 电源 图 2-3 vcc低于 1.0v 时 reser 有效图 vcc cat809 gnd reset 图 2-4 vcc低于 1.0v 时 reset 有效 (4)双向复位管脚的连接: cat809/810 可与 up/uc 的双向复位管脚相连。通过在 cat809/810 的复位输出和 up/uc 的双向复位管脚之间串联一个 4.7k 的电阻来实现。 xx 大学毕业设计（论文） - 9 - vcc cat809 gnd reset 100k 电源 reset gnd 双向i/o 管 4.7k buf (例如68hc11) 缓冲reset 图 2-5 双向复位管脚的连接 由于单片机芯片的高速，低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、 瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。 所以在系统的设计中使用了电源监控芯片。其电路图如图 2-6 所示： 图 2-6 复位电路 2.3 系统时钟电路 at89c51 单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，xtal1 和 xtal2 分 别是放大器的输入、输出端。石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器。 从外部时钟源驱动器件的话，xtal2 可以不接，而从 xtal1 接入，如图 2-7。在本设 计系统中采用的是内部振荡电路连接法，如图 2-8 所示。 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 10 xtal2 xtal1 c2 c1 图 2-7 内部振荡电路连接图 nc 外部时钟 xtal2 xtal1 vss 图 2-8 外部振荡电路连接图 2.4 发射电路 本设计采用软件发生法产生超声波。利用软件产生 40khz 的信号，通过输出引脚 输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。具体设计如图 2-9 所示： xx 大学毕业设计（论文） - 11 - 图 2-9 超声波测距发射电路 由图 2-9 可知，40khz 的超声波信号是利用 555 时基电路震荡产生的。其震荡频 率计算公式如(2.1)： （2.1） 15148 1.43(2)frrc 将 r14 设为可调电阻的目的是为了调节信号频率，使之与换能器的 40khz 固有频 率一致。为保证 555 时基具有足够的驱动能力，宜采用+12 电源。cnt 为超声波发射 控制信号，由微处理器进行控制。 2.5 接收电路 超声波接收器包括超声波接受探头、信号放大器及波形变换电路三部分。其图如 图 2-10 所示： 图 2-10 超声波测距的接收电路 超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，通常在 1mv-1v。之 间因此对放大器提出两个要求：（1）放大器增益要大；（2）放大器增益要能变化。 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 12 合理调节电位器，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。实践证明，比较参 考电压的选择取非常关键，它与测量灵敏度，系统鲁棒性都有关系。显然，按上图的 设计，当没有回波信号或回波信号很弱时，比较器输出为高电平，反之，为低电平。 2.6 温度采集电路 利用超声波实现的无接触测距其本上以上的部分就已完成，但是考虑到测量环境 温度对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。我们使用由集成数 字传感器 ds18b20 构成的温度测量电路,可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声 波在某一温度下的波速，由单片机计数器脉冲个数获得传播时间,根据超声波测距原理 测得并显示距离。从而对测量的稳定性进行了一次补充。 目前,大多数温度测控系统在检测温度时,都采用温度传感器将温度转化为电量,经信 号放大电路放大到适当的范围,再由 a/d 转换器转换成数字量来完成。这种电路结构复 杂,调试繁杂,精度易受元器件参数的影响。为此,利用一线性数字温度计即集成温度传感 器 ds18b20 和单片机,构成一个高精度的数字温度检测系统。ds18b20 数字式温度传 感器与传统的热敏电阻温度传感器不同,能够直接读出被测温度值,并且可根据实际要求, 通过简单的编程,实现 912 位的 a/d 转换。因而,使用 ds18b20 可使系统结构更简单, 同时可靠性更高。温度测量范围从-55+125,在-10+85检测误差不超过 0.5,而在 整个温度测量范围内具有2的测量精度,其电路连接如图 2-11 所示。 图 2-11 温度采集电路 2.7 显示电路 液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应 xx 大学毕业设计（论文） - 13 - 用系统中得到越来越广泛的应用。 液晶的物理特性是：当通电时导通，排列变的有秩序，使光线容易通过；不通电 时排列混乱，阻止光线通过。让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透。从技术上简单地 说，液晶面板包含了两片相当精致的无钠玻璃素材，称为 substrates，中间夹著一层液 晶。当光束通过这层液晶时，液晶本身会排排站立或扭转呈不规则状，因而阻隔或使 光束顺利通过。大多数液晶都属于有机复合物，由长棒状的分子构成。在自然状态下， 这些棒状分子的长轴大致平行。将液晶倒入一个经精良加工的开槽平面，液晶分子会 顺着槽排列，所以假如那些槽非常平行，则各分子也是完全平行的。 液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。点阵型液晶通 常面积较大，可以显示图形;而一般的字符型液晶只有两行，面积小，只能显示字符和 一些很简单的图形，简单易控制且成本低。目前市面上的字符型液晶绝大多数是基于 hd44780 液晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，为 hd44780 写的控制程序可以很 方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。 字符型 lcd 通常有 14 条引脚线（市面上也有很多 16 条引脚线的 lcd） ，多出来 的 2 条线是电源线 vcc（15 脚）和地线 gnd（16 脚） ，其控制原理与 14 脚的 lcd 完 全一样)，hd44780 内置了 192 个常用字符，存于字符产生器 cgrom(character generator rom）中，另外还有几个允许用户自定义的字符产生 ram，称为 cgram（character generator ram） 。下图说明了 cgrom 和 cgram 与字符的对应 关系(由于本书中未用到自定义特殊字符的功能，所以本节不对 cgram 作详细介绍。 以下如未特别说明，则“字符码“指 cgrom 的字符号，“地址“指 ddram 的地址)。字 符码 0x000x0f 为用户自定义的字符图形 ram（对于 5x8 点阵的字符，可以存放 8 组，5x10 点阵的字符，存放 4 组） ，0x200x7f 为标准的 ascii 码，0xa00xff 为 日文字符和希腊文字符，其余字符码(0x100x1f 及 0x800x9f)没有定义。 除了 cgrom 和 cgram 外，lcd 内部还有一个 ddram(display data ram)， 用于存放待显示内容，lcd 控制器的指令系统规定，在送待显示字符代码的指令之前， 先要送 ddram 的地址(即待显示的字符显示位置)。162 的字符型 lcd 的 ddram 地址与显示位置的对应关系如下： ddram 地址与显示位置的对应关系 00h 01h 02h 03h 04h 05h 06h 07h 08h 09h 0ah 0bh 0ch 0dh 0eh 0fh 40h 41h 42h 43h 44h 45h 46h 47h 48h 49h 4ah 4bh 4ch 4dh 4eh 4fh smc1602 主要技术参数： 表 2-2 smc1602 技术参数 显示容量： 162 个字符 芯片工作电压：1.55.5v 工作电压：2.0ma(5.0v) 模块最佳工作电压：5.0v 字符尺寸： 2.954.35(wxh)mm 接口信号说明： 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 14 表 2-3 smc1602 接口说明 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1vss电源地9d2date 1/0 2vdd电源正极10d3date 1/0 3vl液晶显示偏压信号11d4date 1/0 4rs数据/命令选择端（h/l）12d5date 1/0 5r/w读/写选择端（h/l）13d6date 1/0 6e使能信号14d7date 1/0 7d0date 1/015bla背光源正极 8d1date 1/016blk背光源负极 控制器接口说明： (1) 基本操作时序： 读状态：输入：rs=l,rw=h,e=h 输入：d0d7=状态字 写指令：输入：rs=l,rw=l,d0d7=指令码， e=高脉冲 输入：无 读数据：输入：rs=h,rw=h,e=h 输入：d0d7=数据 写数据：输入：rs=h,rw=l,d0d7=数据， e=高脉冲 输入：无 (2) 状态字说明 表 2-4 smc1602 状态字说明 sta7 d7 sta6 d6 sta5 d5 sta4 d4 sta3 d3 sta2 d2 sta1 d1 sta0 d0 sta0-6当前数据地址指针的 sta7读写操作使能1：禁止 0：允许 注：对控制器每次进行读写操作之前，都必须进行读写检测，确保 ata7 为 0 (3) ram 地址映射图控制器内部带有 808 位（80 字节）的 ram 缓冲区，对应关系 如图 2-12 所示： lcd16字*2行 xx 大学毕业设计（论文） - 15 - 图 2-12 ram 地址映射图 (4) 指令说明 显示模式设置 表 2-5 smc1602 显示模式设置 指令码功能 00111000设置 162 显示，57 点阵，8 位数据接口 显示开/关光标设置 表 2-6 smc1602 显示光标设置 指令码功能 00001dcbd=1 开显示；d=0 关显示 c=1 显示光标；c=0 不显示光标 b=1 光标闪烁；b=0 光标不显示 000001nsn=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且 光标加一 n=0 当读或写一个字符后地址指针减一，且 光标减一 s=1 当写一个字符，整屏显示左移（n=1） 或右移（n=0）以得到光标不移动而屏幕移 动的效果。 s=0 当写一个字符，整屏显示不移动 控制器内部设有一个数据地址指针，用户可通过访问内部的全部 80 字节 ram. 数据指针设置 表 2-7 数据指针设置 指令码功能 01h显示清屏：1.数据指针清零 2.所有显示清零 02h显示回车 1.数据指针清零 清屏指令 表 2-8 清屏指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 1清屏00100000001 功能：1：清楚液晶显示器，即将 ddram 的内容全部填入“空白”的 asc代码 20h 2：光标归位，即将光标撤回到液晶显示屏的左上方 1.64 us 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 16 3：将地址计数器（ac）的值设为 0 光标归位指令 表 2-9 光标归位指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/wedb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 2光标归位0010000001 功能：1：光标归位是把光标撤回到液晶显示器的左上方 2：把地址计数器（ac）的值设为 0 3：保持 ddram 的内容不变 1.64 us 进入模式设置 表 2-10 进入模式设置指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 3进入模式设置001000001i/ds 功能：设定每次写入 1 位数后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否 移动。根据 i/d 与 s 的变化，功能设定的情况如下所示： i/ds设定情况 00光标左移一格，并且 ac 的值减 1 01显示器的字符全部右移一格，但光标不动 10光标右移一格，并且 ac 的值加 1 11液晶显示器的字符全部左移一格，但光标不动 40us 设定显示器或光标移动方向指令 表 2-11 设定显示器或光标移动方向一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 4设定显示器或 光标移动方向 0010001s/cr/l 功能：使光标移动或使整个显示字幕移位，根据 s/c、r/l 的变化情况设置。如下表 所示 s/cr/l设定情况 00使光标左移一个，且 ac 值减 1 01使光标右移一格，且 ac 值加 1 10显示器上字符全部左移一个，但光标不动 11显示器上字符全部右移一格，但光标不动 40us xx 大学毕业设计（论文） - 17 - 功能设定 表 2-12 设定功能一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 5功能设定001001dlnf 功能：1：设定数据的长度，dl=1 时，数据为 8 位（db7db0） ；dl=0 时，数据 为 4 位（db7db4） 2:设定显示的行数，n=1 时，显示 2 行（db7db4） ；n=0 时，显示 1 行 （db3db0） 3：设定字形，f=1 时，选定 510 点阵字型 40us 设定 cgram 地址指令 表 2-13 设定 cgram 地址指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 6设定 cgram 地址 00101cgram 的地址（7 位） 功能：设定下一个要存入数据的 cgram 的地址 40us 读取忙碌信号或 ac 地址指令 表 2-14 读取忙碌信号或 ac 地址指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 6读取忙碌信号 或 ac 地址指 令 011bf、ac 的内容 7 位（ac0ac6） 功能：1.读取忙碌信号 bf 的内容，当 bf=1 时在忙碌中，无法接受微处理器送给字 符型液晶显示模块的数据；当 bf=0 时，可以接受微处理器 送来的数据 2：读取地址计数器（ac）的内容 40us 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 18 数据写入到 ddram 或 cgram 中的指令 表 2-15 数据写入到 ddram 或 cgram 中的指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 6数据写入到 ddram 或 cgram 中 101要写入到字符型液晶显示模块的 d7d0 这 8 位 数据 功能：1：将字符码写入 ddram，以使字符型液晶显示出相应的字符 2：将使用者自己设计的图形存入 cgram 40us 从 cgram 或 ddram 读出数据的指令 表 2-16 从 cgram 或 ddram 读出数据的指令一览表 指令编码指令 序号 指令功能 rsr/ w edb 7 db6db 5 db 4 db3db 2 db 1 db 0 执行 时间 6从 cgram 或 ddram 读取 数据 111读出的 d7d0 这 8 位数据 功能：读取 ddram 或 cgram 中的内容 40us 控制器接口时序说明 (1)操作时序 图 2-13 操作时序 (2) 写操作时序 xx 大学毕业设计（论文） - 19 - 图 2-14 写操作时序 (3) 时序参数 表 2-17 时序参数 极限值时序参数符号 最小值典型值最大值 单位测试条件 e 信号周期 c t 400-ns e 脉冲宽带 pw t 150-ns e 上升沿/下降沿时间 , r t f t -25ns 引脚 e 地址建立时间 1sp t 30-ns 地址保持时间 1hd t 10-ns 引脚 e、rs、r/w 数据建立时间（读操作） d t -100ns 数据保持时间（读操作） 2hd t 20-ns 数据保持时间（写操作） 2sp t 40-ns 数据保持时间（写操作） 2hd t 10-ns 引脚 db0db7 本设计采用的 smc1602 液晶显示器，工作电路图如 2-15 所示： 基于单片机和 smc1602 的超声波测距系统设计 20 图 2-15 显示电路 2.8 时间增益补偿电路 超声波在空气中传播时，声强会随传播距离的增加而减小，这就是所说的衰减现 象，造成超声波衰减的因素是由于声束本身的扩散以及以及由于反射、散射等原因造 成的声强度减弱。显然，这一类衰减没有使声波的总能量减少，只是使其偏离了原来 的传播方向而转移到其他方向上去了。设最初的声强为 i0，在经过 x 距离后，由于吸 收衰减，声强 变为 i，则超声波的吸收可以用式(2.2)表示： (2.2) at eii 0 式中， 为空气衰减系数。 由上式可知，超声波在空气中传播时，随着传播距离的增加，其总能量逐渐减弱， 其规律是按指数形式衰减。因此，在不同距离上的回波脉冲幅度，由于其声程不同， 造成的吸收程度也不同，使回波脉冲幅度的差异很大，由于在回波脉冲信号处理中通 常采用比较器电路，将回波脉冲(形状为钟形)跟一固定的基准电压作比较，将回波脉 冲整形为方波；由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大，回波到达时间产生不确定性， 导致测量误差产生。 如果探头发出的超声波，经 x 距离到达某反射面，并经原路返回，其入射声强和 反射声强分别是 ii 和 ir，由式(2.3)可得： (2.3) ax ir eii 从中可以看出，因为吸收而使声强增益l减少的分贝数(db)为： (2.4)eaxe i i i ax r i lg20lg10lg10 2 (2.5)actaxl3 . 423 . 4 式中，c 为声波在空气中的传播速度，t 为传播过程中经历的时间。由于空气衰减 系数 ，传播速度 c 均能确定，由此可以证明：超声波在 x 传播距离上幅度减少的分 贝数与超声波穿过该距离的时间 t 成正比。即随着时间的增加，声强增益 l 逐渐减小。 因而，必须对衰减上的回波进行增益补偿。依式(2.5)，可以把接收的增益 g(db 值)与回波时间 t 成正比，或者增益 g 与回波时间 t 成指数增加关系。补偿衰减的幅度， xx 大学毕业设计（论文） - 21 - 最终使接收器接收的信号保持不变。因而从较远距离反射的回波信号的放大倍数较大， 而距离较近的反射信号，也就是时间上较早到达的回波信号的放大倍数较小，由此进 行的幅度补偿称为时间增益补偿(time gain compensa-tion，tgc)，也称灵敏度时间 补(stc)。如图 2-16 所示。 信 号 强 度 距 离 信号强度距离 衰减白线 回 波 振 幅 距 离 增 益 补 偿 距 离 回 波 振 幅 距 离 不同距离的回 波振幅 距离补偿增益 白线 相应补偿后的 波形 (a)(b) (c) (d) 图 2-16 灵敏度时间补 图 2-16 中，(a)，(b)分别表示信号强度随距离衰减曲线和不同距离的回波幅度； (c)，(d)分别表示距离补偿增益曲线及相应补偿后的波形。可见，经过时间增益补偿， 不同距离的回波幅度不再衰减，保持常数。 时间增益补偿电路是一种放大倍数随时问呈指数增加关系的一种放大器，设计中 增益控制采用了数字电位器，并利用单片机的强大功能，将单片机内部事先设定的补 偿数据对数字电位器进行衰减状态控制，可进行精确的时间增益补偿。利用单片机控 制数字电位器，电路实现简单且补偿特性能根据实际情况调整，充分利用了单片机软 件资源，在实际使用中收到了较好的效果。 在采用了时间增益补偿电路后，回波信号幅度得到了相对的稳定。但由于压电陶 瓷片的惯性、滞后等现象，及超声波脉冲在空气中传播本身存在的多重反射路径等现 象，导致回波信号被展宽，造成了回波正确到达时间的不确定性，对测量精度造成较 大的影响。另外由于各种障碍物反射率的不同，对超声波的吸收程度也不一致，在研 究中发现仍会使回波信号幅度造成一定的波动，影响了时间检测的精度。因而须在回 波信号处理上采取措施，以消除所造成的误差。 回波信号处理电路由包络检波电路和时间检测电路两部分组成。 包络检波电路没有采用普通的二极管线性检波电路，由于二极管的正向导通电压 不小于 0.5v，在检波 1v 以下的小信号时，误差很大。因此采用有源全波整流电路。即 把二极管置于运算放大器的