超声波测距器的设计毕业设计说明书.doc

北京林业大学本科毕业设计（论文）超声波测距器的设计摘要本设计主要介绍了基于51单片机设计的超声波测距器的工作原理：由STC89C51单片机控制定时器产生超声波脉冲，在发射的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就停止计时。根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，最终测量出物体与仪器的距离。测距器的组成包括超声波发射器、接收器、单片机电路、控制电路、温度补偿电路以及显示屏，测量范围为0.01-0.40m，测量精度为0.01m。整个设计的控制核心是单片机SCT89C51，需要综合处理接收到的探头信号、时间信号、温度信号以及传输最终结果到显示屏上。由于测量的地点和时间不同，声速在不同的温度环境中有不同的传播速率，在精度要求较高的情况下，需要加入温度补偿电路，从而达到预计的测量精度，提高测量质量。实现后的测量仪器轻便易携，测量精确，可以适用于各种测量场合。关键词：超声波，测距，STC89C51，温度补偿 IVDesign of ultrasonic distance measurementElectronic Information Science and Technology 11-1 Wu YuSupervisor Shan HongAbstractThis design mainly introduces the working principle of 51 single-chip design of ultrasonic range finder based on: by MCU STC89C51 control timer to produce the ultrasonic wave pulse, emission and the counter in the start time, the spread of ultrasound in the air, on the way encountered obstacles surface barrier set that is reflected back, ultrasonic receiver receive ultrasonic waves reflected back to immediately stop the clock. According to the timer records the time t can be calculated the launch obstacles in the pitch plane distance s, and the final measurement of the distance between objects and instruments.The components of the range finder include ultrasonic transmitter, receiver, MCU circuit, control circuit, temperature compensated circuit and display screen. The measurement range is 0.01-0.40m, and the measurement accuracy is 0.01M. The core of the design is SCM SCT89C51, the need to deal with the received signal, the time signal, the temperature signal and the transmission end result to the screen. Due to the different location and time of measurement, sound velocity in different temperature environments have different propagation rate, under the high precision and need to join the temperature compensation circuit, so as to achieve the expected accuracy, improve the quality of the measurement. The portable measuring instrument is portable and can be applied to all kinds of measurement occasions. Keywords: ultrasonic, ranging, STC89C51, temperature compensatio目录摘要IAbstractII第一章绪论11.1 课题研究的背景和目的11.1.1 课题研究的背景11.1.2 课题研究的目的11.2 超声波测距器的发展和现状21.2.1 超声波测距器的发展21.2.2 研究现状31.3本课题研究的主要内容41.4 论文结构4第二章超声波的介绍及超声波测距的原理52.1超声波简介52.1.1 什么是超声波52.1.2超声波的特性及特点62.2超声波测距的原理及误差分析62.2.1 超声波测距的原理62.2.2 超声波测距的误差分析7第三章设计思路和系统结构283.1 设计思路283.2 系统结构28第四章主要器件介绍304.1 单片机STC89C51简介304.1.1 单片机STC89C51功能304.1.2 单片机STC89C51主要特性304.1.3 单片机STC89C51管脚介绍314.2 超声波传感器简介334.3 1602LCD液晶显示屏34第五章硬件电路设计355.1 超声波发射电路355.2 超声波接收电路355.3 显示电路365.4 复位电路37第六章软件设计386.1 主程序设计386.1.1主程序设计思路386.2.2 主程序流程图386.2.3主程序及说明396.2显示模块程序设计406.2.1 显示模块的初始化406.2.2 显示模块的实现41总结42致谢43参考文献44附录A45第一章绪论1.1 课题研究的背景和目的1.1.1 课题研究的背景 谐振频率高于20kHz的声波被我们称作为超声波，因此超声波的传播速度和我们所知道的平常能被耳朵听到的声音的速度是一样的，而且和声音的速度的特性一样，超声波传播的速度也会随着周围环境的温度和介质的变化而变化。但是所发射出来的超声波的频率很高，其特点很明显，它具有绕射能力弱、反射能力强等特点。现在人们能够利用超声波的这种性能就可以制成超声波测距器中的主要部件之一超声波传感器，或称为超声波换能器，它可以在电脉冲激励下将电能转化为可以传播出去的声能或者说是机械能，能够向外发射超声波；反之，当超声波换能器在处于接收状态下时，它又可以将接收到的超声波机械能转化为能被单片机识别的电能，从而实现超声波测距的具体功能。目前存在于市面上主要存在两大类的超声波传感器，它们的主要内部的区别是在于它们两者具有不同的发射和接收超声波信号的超声波发生器：一类是电气方式，另一类是机械方式。目前较为常用的是采用电气方式工作的压电型超声波发生器。超声波具有在介质中传播距离较远且稳定、能量强且消耗慢的特性，因而经常用于距离的测量。上个世纪70年代，超声波已经开始应用于传感器，并进行简单的距离测量。但当时的科学技术还比较滞后，而且对超声波的了解和应用还不够细致和成熟，在实际应用中所遇到的问题也比较多，例如受地域和环境的影响比较大，精确度不够等问题。这些都需要在不断研究中得到改善和解决。随着科学技术的不断发展，超声波的应用范围也越来越广，不仅仅局限于最初的距离测量。现在，超声波传感器可以用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可以应用于如液位、井深、管道长度、物体厚度等的测量，还可以用于机器人控制、小车躲避障碍等场合中。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。1因此，在机器人的研究当中，超声波传感器也被广泛使用，并且对精度的要求也越来越高。超声波传感器作为一项正在蓬勃发展的新型技术，还有很大的发展空间，随着人们的不断学习和探索，它将朝着更智能更精确的方向发展，最终得以实现人们对于传感器的各种需求。1.1.2 课题研究的目的在科技日益发展的今天，快速、精确、简便似乎是所有研究的最终目的，人们利用科学的手段使得生活生产更加便利和智能。想要更精确更迅速地进行距离测量，这便是测距器被发明的最初目的。测距的方法和原理有很多，根据测距的不同载体可以分为光学测距器、无线电测距器和超声波测距器。光和无线电在某些情况下局限性较大，相比之下，超声波测距器的应用范围更大，可操作性更强。譬如在测量透明或者漫反射性差的物体时，由于超声波对色彩和光照度不敏感，其测量的准确性优于光学测距器；在有电磁场干扰的区域，电磁波会受电磁场的干扰导致测量不准确，而超声波测距器抗干扰能力强，测量精度也要优于电磁波测距器。超声波测距器作为非接触类的测量手段，以其精准、迅速、便携等性质备受人们的青睐。而超声波传感器的结构简单，制作费用低廉，并且易于集成，可以和其他不同的传感器集成融合，形成多位传感器，得以实现更加复杂的功能，具有很大的发展前景。1.2 超声波测距器的发展和现状1.2.1 超声波测距器的发展超声波在我国大规模地研究开始于1956年，在历经了几十年的研究之后，我国对于超声波的应用在各个领域都有了重大的突破和发展。到目前为止，有少数项目已经接近或者已经达到了国际领先水平。1978年10月，一款名为JC-2型便携式超声波测距仪问世，这款由中国建筑科学院研制出的超声波测距器是我国的第一款成型的超声波测距器，净重大约为5kg。该款在当时很先进的超声波测距仪器采用了TTL线路，数码显示。在此仪器问世之后不久，我国还陆续研制出了SC-2型超声波测距器，CTS-25型超声波测距器，SYC-2型超声波检测仪，自此之后，我国便有了自主生产的超声波仪器。1998年，曼内斯德马泰克研制出了一款数字式的超声波位移测量器。而国外关于超声波测距研究的主力是莱卡公司。从1996年开始至今，莱卡迪士通公司先后发布了Power、basic、memo、Pro、classic和lite型等一系列的测距器产品，其发展至今在同类型的公司中处于遥遥领先的地位。莱卡迪士通公司研发的超声波测距器具有体积小、重量轻、测距快（最新一代的产品lite5和classic5测量200m以内的距离时间花费居然不到1秒钟！）价格优惠等特性，因此其公司的产品深受企业、工业以及群众的喜爱。1.2.2 研究现状随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD测距、雷达测距、激光测距等。2而超声波测距器因其技术难度低，成本低易于实现，因此能大规模地在日常生活中使用。由于超声波具有有很强的指向性，并且超声波的能量消耗相对于其他声波来说已经是很缓慢了，同时其在大多数的介质中传播的距离也相对来说比较远，所以现在超声波经常被我们用在了对距离的测量上。利用超声波检测测距或者应用超声波的其他性质，往往会比较简洁，而且能够做到实时控制，并且在对距离的测量精度方面超声波测距能够达到工业实用的要求，因此在机器人的移动、躲避障碍物的研究上也得到了非常广泛的应用。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特殊是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很轻易检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。3因此本设计也是利用超声波来测量距离。1.3本课题研究的主要内容为了能够让我们以超声波为媒介作为检测距离的手段，必须要具有的功能就是可以有一款器件能够产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。4本设计的实物是采用了以STC89C51单片机作为核心部分的一款超声波测距器。使用了HC-SR04超声波传感器探头、1602LCD液晶显示器和STC89C51单片机作为主要的硬件部分，整个超声波测距器系统包括了单片机系统、超声波发射接收电路、单片机复位电路、LCD显示电路等几个主要的部分。单片机和LCD显示屏一起工作，实现了超声波测距并显示到LCD显示屏上的具体功能。并且依据实际的测量精度需求检测是否需要添加温度补偿电路。本系统成本低廉，功能实用，很强大。1.4 论文结构第1章论文首先就课题的背景、研究目的和课题的发展以及现状进行了简明扼要的阐述。第2章介绍超声波测距器的原理，并提出了能够提高测距的精度的方法温度补偿。第3章论证了本次实验设计的可操作性，并初步设计出了实物的系统结构框图。第4章介绍本次设计中所要用到的一些主要器件。第5章从整体硬件设计出发，对各部分电路进行了详细说明。第6章给出了软件设计的整体流程图，对几部分比较重要的软件程序设计做出相应的解释。28第二章超声波的介绍及超声波测距的原理2.1超声波简介2.1.1 什么是超声波振动是物体发出声音的本质，物体只有产生振动才能产生声波。并且物体振动的快慢能发出不同的声音，科学家们将每秒钟物体振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz）。能够被我们人耳所感知的声音或者声波具有一个固定的频率范围，过低的频率或者过高的频率都无法被我们所听到。我们所能听到的声波频率范围为2020000赫兹。一般我们规定“超声波”是指频率高于20000赫兹、无法被人耳所听到的声波。能够被我们听到的声音和无法被听到的超声波在本质上是一致的，它们都是声音能量的一种简单传播形式，二者都是一种机械振动，以纵波的方式在弹性介质中传播。但超声波同时又具有很多奇异的性质：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，该特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。5对于咽喉炎、气管炎等疾病，药品很难血流到打患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎。62.1.2超声波的特性及特点超声波的特性：1、超声波在三态即固液气、胶体等介质中都能十分有效地传播出去。 2、超声波可传递很强的能量。 3、超声波在遇到不同的介质或者物体时会产生反射、叠加、干涉和共振的物理现象。 4、超声波在液体中传播的时候，超声波的振动特性会使得在介质的界面上因超声波而产生了相应的振动，所以在这个同时带动了液体微粒的振动，因此在介质的界面上也能够产生强烈的空化和冲击现象。 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓物体的振动是指物质的质点往返运动于其自身质点的平衡位置附近。譬如，当我们用力敲击鼓面的时候，鼓面会随着我们的敲击而上下不停地振动，这种振动使得鼓面上的每个质点偏移了它们原来的位置，所以鼓面的这种状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 超声波的特点： 1、超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。 2、超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 3、超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息。6 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构 。62.2超声波测距的原理及误差分析2.2.1 超声波测距的原理超声波测距的方式是利用声波遇到障碍物后能够反射回来的原理进行物体之间的距离测量的，发射装置向被测物体方向发射超声波，直到遇到被测物体后被物体反射回来。在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。然后根据超声波的传播速度和收发装置的时间就能计算出距离。测量距D为 (2.1)式中 c超声波的传播速度； 超声波从发射器开始发射到超声波被接收器接收到的这个过程所历经的时间的一半，也就是超声波单程传播所经历的时间。72.2.2 超声波测距的误差分析由2.1式可知，超声波测量距离的测量精确度主要是在于单片机计时器的计时精度和超声波在当时所处的环境中的传播速度两方面。计时精度是由单片机定时器决定的，定时时间为机器周期与计数次数的乘积，本设计所选用的STC89C51单片机所选用是12MHz的晶振片，因此设计的这个超声波测距器的机器周期为1s，测量下来不会产生累积误差。超声波的传播速度c并不是固定不变的，它的传播速度受当时所处环境的空气密度、温度和环境中构成气体的分子成分比重的影响，这几种影响因素的关系式为 （2.2）式中 气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40。 R气体普适常数，为8.314kg/mol。T气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t。M气体相对分子质量，空气为28.810-3kg/mol。c00时的声波速度，为331.4m/s。由2.2式可得，超声波在空气介质中传播时，其传播速度受当时环境温度的影响是最大的。由2.2式可以计算出超声波的传播速度与所处环境的温度的关系。如表2.1所示，所处环境温度越高时，超声波的传播的速度会越快，而且在不同的环境温度下的传播速度也有很大的差别，因此在对测量精度的要求很高的情况下，需要对超声波测距器加入一个温度的补偿电路，补偿温度对超声波传播速度的影响，尽量减小环境对超声波测距的影响，从而提高超声波测距器的测量精度，达到人们对测距的要求。如下表所示，10时的速度为338m/s，30时的速度为350m/s，相差12m/s。当然，在对测量精度要求不是很高的情况下，我们可以粗略地认为超声波的传播速度为340m/s。在本设计中，因为所要求的精度是1cm，所以在对精度进行计算后发现，不需要加入温度补偿电路。表2.1 超声波传播速度与温度关系表Table 2.1 The relationship between ultrasonic velocity and temperature项目数值温度/-30-20-100102030405060100声速/( ms)313319325332338344350356361367388第三章设计思路和系统结构3.1 设计思路根据此次设计的要求，所选择的设计方案应具有制造成本低，性价比高，简单使用等特性。到现在为止，人们已经设计和制作了很多类型的超声波发射器，总的来说，超声波发射器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛型、液哨型和气流旋笛型等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。8按照设计的要求以及现今的普及状况和大众的认知状况，本设计选择的是压电式超声波发生器。此次设计实物的整体电路的控制核心是所采用的单片机STC89C51。超声波传感器中的收发超声波的电路中有着对所感应到的信号的放大电路，这个放大电路的作用是用来保证所测量的结果尽可能精确。整体的设计中我所用到的系统结构电路囊括超声波传感器电路、STC89C51单片机电路、电源电路、复位电路、显示电路等几部分模块。3.2 系统结构此次设计的超声波测距器系统结构如图3.1所示。它主要由单片机模块、超声波传感器模块、键盘、LCD显示电路及电源电路组成。系统主要功能包括：1) 超声波的发射和接收，根据发射和接收历经的时间计算测量距离；2) LCD显示器显示距离；3) 键盘接收用户命令并处理；4) 当系统运行突然故障或者不正常时，使用电平式开关与上电复位电路对系统进行复位。超声波接收电路放大电路超声波发射电路放大电路比较电路震荡电路单片机STC89C51键盘输入复位电路温度传感器DS18B20电源电路1602LCD显示器R40超声波传感器T40超声波传感器图3.1超声波测距系统结构图Fig 3.1 Structure diagram of ultrasonic distance measuring system第四章主要器件介绍4.1 单片机STC89C51简介4.1.1 单片机STC89C51功能单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）制功能，所以又称为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。相对于普通微机，单片机的体积要小得多，一般嵌入到其他仪器设备里，实现自动检测与控制，因此也称为嵌入式微控制器EMCU（Embedded Microcontroller Unit)。94.1.2 单片机STC89C51管脚介绍P0 口：P0口是一个具有8位漏极开路的双向I/O口。当P0口作为单片机的一个输出端口时， 8个TTL逻辑电平都能被每位驱动。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当P0口在进行外部程序的访问和存储器的数据存储时，它也能被用作为低8位地址/数据的复用作用。在这种地址/数据复用的模式下，P0具有内部上拉电阻的作用。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，4 个 TTL 逻辑电平能被P1 输出的缓冲器驱动使用。对P1 端口写入高电平“1”时，此时的端口就能够被内部的上拉电阻拉高，并作为输入口使用。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如表4.1所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表4.1 P1引脚号第二功能Table 4.1 Function of P1 pin secondP1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5MOSI（在线系统编程用）P1.6MISO（在线系统编程用）P1.7SCK（在线系统编程用）P2 口：P2作写入高电平时，功能与P1口相同。而当P2口作为输入被使用时，外部被拉低的单片机管脚会由于内部具有电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3 口：P3 口是一个8 位双向I/O 口，并且P3口也具有内部上拉电阻。对P3 端口写入高电平“1”时，P3端口将会被其具有的的内部上拉电阻拉高，因此此时的P3口就可以被当做输入口使用。与P2口相同的是，当P3口在被作为输入使用时，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STC89C51特殊功能（第二功能）使用，如表4.2所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表4.2 P3端口引脚的第二功能Table 4.2 P3 port pin second functionP3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INTO(外中断0)P3.3INT1(外中断1)P3.4TO(定时/计数器0)P3.5T1(定时/计数器1)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)此外，一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号也可以被P3端口接收。RST复位输入。当振荡器处于工作状态的时候，RST引脚将会出现两个机器周期以上高电平，此时RST就会产生一个信号，使得单片机进行复位。图4.1为STC89C51引脚图： 图4.1 STC89C51引脚图Fig. 4.1 STC89C51 pinout4.2 超声波传感器简介超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。我们所研究并且加以在生活中生产中使用的超声波是一种振动频率高于能被我们人耳识别听到的可闻性声波的一类机械波，其是由换能晶片在电压的激励下发生快速的振动而产生的声波，具有频率高、波长短、衍射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。10超声波之所传感器之所以能够成为测量工具，其所必须要具备的基本功能就是既可以产生超声波又可以接收超声波。只有能够实现这种功能的装置才能被称为超声波传感器，或者被称为超声换能器和超声探头。超声波传感器主要由压电晶片组成，利用电晶体的谐振来发射和接收超声波。（同上）超声波发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。7本设计使用的超声波传感器如图4.2所示。 图4.2 超声波传感器Fig. 4.2 Ultrasonic sensor4.3 1602LCD液晶显示屏液晶显示器的英文名是Liquid Crystal Display，简称LCD。液晶显示器作为显示器件具有体积小、重量轻、功耗低，性价比高等优点，所以LCD日渐成为各种便携式电子产品的理想显示器，1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块，它有若干个5X7或5X11点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。11第五章硬件电路设计5.1 超声波电路超声波测距模块选用的是HC-SR04。该模块采用超声波发射器和超声波接收器一体化设计，采用IO口TRIG触发测距。模块工作的时候，在发射器端口会自动发射8个40kHz方波（TTL），然后在接收端口随之也会自动检测方波信号是否有返回。当接收器接收到反射回来的信号时候，ECHO口就会输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波发射到返回的时间。图5.1 超声波时序图Fig. 5.1 Ultrasonic time sequence diagram图5.2 HC-SR04超声波模块原理图Fig. 5.2 Schematic diagram of HC-SR04 ultrasonic module5.2 显示电路1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，存储器能够识别ASCII码，显示时可以通过单片机直接用ASCII码赋值，能显示的字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。显示电路如图5.3所示。图5.3 显示电路Fig. 5.3 Display circuit5.3 复位电路STC89C51复位有一个专用的外部引脚RESET，外部电路可以在错误或者突发状况时，通过此引脚向内部电路输入一个有效脉冲使得单片机能够回到最初的初始状态，然后能够重新开始工作。其电路图如5.4所示：图5.4 复位电路Fig. 5.4 Reset circuit第六章软件设计6.1 主程序设计6.1.1主程序设计思路在整个系统中，主程序开始运行之前，需要对系统的整体环境进行初始化设置。首先将定时器的工作模式设定为16位定时/计数器模式，同时将P0/P1端口清0，然后接着调用系统传感器模块的子程序向外发送一个超声波脉冲。在设计中为了避免传感器在发射超声波后直接将超声波传送到接收器端口，所以设置了一个10ms的延迟，延迟过后才打开外中断0，开始接收返回的超声波信号。由于HC-SR04超声波传感器采用的是12MHZ晶振，所以单片机计数器每寄存一个数的间隔时间就是1us。6.2.2 主程序流程图主程序流程图如下：图6.1 主程序流程图Fig. 6.1 Main program flow chart6.2.3主程序及说明void main(void) /主程序 uint distance_data,a,b; uchar CONT_1; uchar k; /定义变量i指向字符串数组元素 LCD_Init(); /调用LCD初始化函数 delay(10); /延时10ms，给硬件一点反应时间 LCD_Write_Com(0X83); / 从第1行第3列开始显示 k = 0; /指向字符数组的第1个元素 while(stringk != 0) LCD_Write_Data(stringk); k+; /指向下字符数组一个元素 Tx=0; /首先拉低脉冲输入引脚 TMOD=0x10; /定时器0，定时器1，16位工作方式 TR0=1; /启动定时器0 IT0=0; /由高电平变低电平，触发外部中断 ET0=1; /打开定时器0中断 EX0=0; /关闭外部中断 EA=1; /打开总中断0 EA=0; Tx=1; delay_20us(); Tx=0; /产生一个20us的脉冲，在Tx引脚 while(Rx=0); /等待Rx回波引脚变高电平 succeed_flag=0; /清测量成功标志 EX0=1; /打开外部中断 TH1=0; /定时器1清零 TL1=0; /定时器1清零 TF1=0; TR1=1; /启动定时器1 EA=1; while(TH1 250);/等待测量的结果，周期65.535毫秒（可用中断实现） TR1=0; /关闭定时器1 EX0=0; /关闭外部中断 6.2显示模块程序设计6.2.1 显示模块的初始化void LCD_Init(void) LCD_Write_Com(0x38); /*显示模式设置*/ DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x38); LCD_Write_Com(0x08); /显示关闭 LCD_Write_Com(0x01); /显示清屏 LCD_Write_Com(0x06); /显示光标移动设置 DelayMs(5); LCD_Write_Com(0x0C); /显示开及光标设置 6.2.2 显示模块的实现LCD_Write_Com(0X86+0X40); / 从第2行第6列开始显示 LCD_Write_Data(C); LCD_Write_Data(E); LCD_Write_Data(J); LCD_Write_Data(U); LCD_Write_Data(:); LCD_Write_Data(digitww); /将万位数字的字符常量写入LCD LCD_Write_Data(digitkk); /将千位数字的字符常量写入LCD LCD_Write_Data(digitbai); /将百位数字的字符常量写入LCD LCD_Write_Data(digitshi); /将十位数字的字符常量写入LCD LCD_Write_Data(.); LCD_Write_Data(digitge); /将个位数字的字符常量写入LCD LCD_Write_Data( ); LCD_Write_Data(C); LCD_Write_Data(M); 总结在此次设计中，对测量精度的要求是1cm，在试验了加入温度补偿和不加入温度补偿的情况下，测量精度影响不大。所以最终在实物的设计中并未加入温度补偿电路。超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机模块、显示电路以及超声波传感器三部分。本设计中我采用的单片机是STC89C51单片机，这款单片机具有12MHz高精度的晶振，用以获得较稳定时钟频率，从而可以有效地减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用1602LCD液晶显示。超声波测距器的软件设计主要运用C语言进行编程，同时辅用少量汇编进行精确延时。C语言程序能够实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的工作效率且可以精细计算程序运行的时间，因为超声波的传播速度较快，在短距离的测量中对时间的精细程度要求较高，且在计算距离时有较复杂的程序计算，所以，最终选择了采用C语言和汇编语言混合的编程方式对本设计的实现具有很大的作用。这次的设计虽然磕磕绊绊地完成了，但是在制作过程和最终成果中都有很多不尽如人意的地方。希望通过这次实践所掌握的知识，在以后能做出更加完善的作品。致谢大学四年的学习生涯即将走向终点，回顾往昔，在我脑海中留下深刻回忆的是在大学的整个学习和生活中给予我关怀和支持的老师和同学们。我能够顺利地完成本科阶段的学习，最要感谢的是授课的各科老师们。在大学这个全新的学习环境中，老师所教授给我不仅仅是书本上的知识，还有很多在书本上学习不到的知识和阅历。回顾大学四年，有收获也有遗憾。特别是在做毕业设计的过程中对此深有感受。很感谢老师们不厌其烦地为我解答疑问，不管是简单的还是困难的，因此在这个过程中受益匪。作为大学的最后一次学习机会，我很珍惜也很感激。也要感谢在大学里对我帮助颇多的同学们，大家来自五湖四海，相聚在一起便是缘分。四年的友谊，即使毕业之后各奔东西，这段回忆也会深深记在我的心里，感谢大学有你们的陪伴。谢谢老师们的教导和同学们的帮助，没有你们我也没办法完成此次设计，万分感谢。最后，此次毕业设计让我学到了很多，感谢各位老师的教导，这不仅仅是一份毕业设计，这更是一份很好的经验。这不仅让我在未来的工作中更有动力，也教会了我如何在从无到有的过程中学习知识。我从来不相信毕业就等于失业这句话。在未来的工作中我会更加努力的去学习新的知识来充实自己的内心。谢谢老师们教会我不仅仅是课堂上的知识，更多的是教会了我如何在非正常式学习生涯中去学习新的知识和经验。再次谢谢各位老师。不忘初心，方得始终。不论未来的路有多么的艰辛，我也会像这次设计一样，用心坚持，认真对待。在不同的环境中学习不同的新知识、新经验。谢谢各位老师的教导和帮助。参考文献1李佰庚.超声波测距仪的设计J.工具技术，2012,6:82-85.2常小凯，卢庆林.基于一种高精度超声波测距仪的研究J.科技创新与应用，2013,7.3王启宇.超声波测距系统的研究J.农机使用与维修，2009,3:43-44.4张荣.基于单片机的超声波测距器设计J.科技信息，2010,31:87-88.5赵姝妹.浅谈长输管道超声波在线检测技术的应用J.城市建设理论研究（电子版），2014,2.6刘清荣.超声振动辅助铣削加工技术及机理研究J.劳动保障世界，2014,3:78-78.7杨乐.机器人超声波避障的探究J.黑龙江科技信息，2010,11.8刘凤然.基于单片机的超声波测距系统J.传感器世界，2001,5:29-32.9付向艳.浅谈MCS-51单片机原理与应用J.计算机光盘软件与应用，2010,11:88-88.10李晓妮，刘树林.超声波液位自动测报系统技术J.九江学院学报（自然科学版），2006,3:29-31.11黄志刚，赵之赫.通用型1602LCD自定义字符的显示J.电子世界，2013,22:182-182.12APLUS.API8108A versatile 10 sec instant voice rom PDF .美国：APLUS, 1999.6.13D.Pearl mutter ， Eerily ， Y.Etzion ，I.A.Meir，H.Di ，Refine the use of the evaporation in an experimental down-draft cool tower ，Energys .1995.14rtori S，ZHANG G X. Geometric Error Measurement and C