超声波测距仪的设计.doc

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第 55 页 共 55 页摘 要 我们把频率大于20KHz的声波称之为超声波，超声波具有频率高，波长小，穿透力强等特点。虽然超声波测距在量程上不能达到很高的要求，但是在许多需要短距离测量的场合中，超声波测距方式具有无可比拟的有点。第一，超声波特性比较稳定，在传播过程受到外界环境的干扰较小，可适应复杂环境的测距要求。第二，发射和接收电路简单，操作起来也比较方便，容易实现。其次，成本较市面上的激光测距仪相比，非常低廉，很好地实现利用较低的成本实现高性能的测距要求，第三，功耗较低，利用51单片机作为主控芯片，供电电压为5V，可以直接利用干电池或者其他便携式移动电源供电，最后，方便携带。由于发射和接收电路简单，可以把该系统体积做得很小，就可以实现手持操作。综合超声波在短距离测距的优点，根据超声波测距的基本原理，出于对成本，测距精度的考虑，我利用Atmel公司的AT89S52单片机设计了一种超声波测距仪的方案，利用51单片机做主控芯片，外围电路主要有超声波发射驱动电路，温度检测电路，湿度检测电路，12864液晶显示电路，报警电路，电源，超声波接收电路和定时关机电路控制部分组成，通过对超声波测距原理以及对单片机工作原理的深入分析，最终完成了电路硬件的设计以及软件部分的调试。该系统具有稳定，精度高，具有环境温湿度补偿，定时关机等功能，具有很好的实际效果。可满足在倒车雷达等多场合下的短距离测距要求。关键字 : 超声波 ； 测距 ； 单片机； 温湿度补偿； 12864液晶 ； AT89S52AbstractWe called the frequency more than 20 KHz of the sound wave as ultrasonic, ultrasonic has a high frequency, a small wavelength, and strong enetration etc. characteristics. Although ultrasonic ranging in the range cant reach high requirements, in many cases of short distance measurement, ultrasonic ranging way has the incomparable advantage. First, the ultrasonic characteristics is stable, in the propagation of the interference of the external environment is lesser, can adapt to the complex environment range finder requirements. Second, sending and receiving circuit is simple, the operation is also more convenient and easy to implement. Second, compared to the laser displacement meter on the market, the cost is very cheap, well realize by a relatively low cost realize high performance range finder requirements. and the third, low power consumption, using microcontroller as the main control chip 51, the power supply voltage of 5 V, can directly use dry cell or other portable mobile power supply. finally, it is easy to carry. Due to the sending and receiving circuit is simple, can put the system volume do small, can realize the handheld operation.Based on the advantage of ultrasound in short distance ，according to the basic principle of ultrasonic ranging, based on the consideration of cost,and the ranging accuracy requirement, I use the Atmel companys AT89S52 SCM to design a kind of ultrasonic rangefinder plan, use of 51 SCM do control chip, the buffer circuit mainly contains ultrasound launch driver circuit, temperature detection circuit, humidity detection circuit, 12864 LCD display circuit, alarm circuit, the power supply circuit, ultrasonic receiving circuit and regular shutdown circuit control parts, through to the ultrasonic ranging principle and working principle of the single chip microcomputer to thorough analysis, finally i complete the circuit design of the hardware and software of the test. The system is stable, high precision, which has environmental temperature and humidity compensation, regular shutdown, and other functions, have very good effect. Can meet in reverse radar, etc situations requirements.Key words : ultrasonic; ranging ; single-chip ;microcomputer temperature- compensation; humidity- compensation ; 12864 LCD ; AT89S52目录1. 引言1.1设计的背景-51.2单片机测距系统-51.3系统总体方案-61.4设计要求-72超声波测距原理2.1 超声波的特性-72.2 超声波传感器-82.3 超声波测距的基本原理-102.4 关于测量的盲区-103.系统各部分设计方案3.1 AT89s52单片机系统-113.2 40KHz脉冲信号的发生-133.3 超声波发射驱动电路-143.4 超声波接收电路-173.5 LCD液晶显示电路-203.6 定时关机控制电路-233.7 补偿电路及方案设计-253.8 电源供电部分- 283.9 报警电路 - 294.系统软件的设计和调试 4.1 开发环境和语言-304.2 系统程序流程图-314.3 发射子程序-355.系统的仿真调试5.1 protues仿真软件-355.2 超声波发生部分的仿真-365.3 定时电路的仿真调试-376测距校验 -397结论 -39谢辞-41参考文献-42附录-43操作说明书材料清单程序原理图PCB图1.引言1.1 设计的前景随着科技的进步，现代工业越来越趋于智能化，测距的技术的发展也有了翻天覆地的变化，对于测量精度和稳定性这些指标也日趋严格。早期时代我们都习惯用米尺对物体间距离进行测量，但随着社会发展，这种简单的测量方式的缺点也逐渐显现出，测量精度不高，需要两物体之间的直接接触，但现实中我们有很多时候场合不能进行直接接触，并且也需要很高的准确度，比如测量钻井深度，液位测量，机器人壁障，倒车雷达距离测量，钢板，焊件，混凝土，等进行探伤检验，水深检测，人体肿瘤，结石检查等方面。这时就迫切需要发展一种新的测量方式，超声波测距就是在这种情况下应运而生，超声波纵具有纵向分辨率高，方向性集中，振幅小，加速度大，对色彩，光照，电磁场不敏感，灵敏度高，抗干扰能力强的特点，并且在不同的煤质界面上，超声波的大部分能量会反射，利用发射这一个特性，超声波测距在这些非接触式的测量的场合，有着广泛的应用。目前市面上一般使用专用集成电路设计的超声波测距仪，它能够达到很高的精度要求和量程，但是成本高，操作复杂，出于对成本的考虑，我设计了一个基于单片机控制的方案，同样具有较高的测量精度和量程，并且具有环境温湿度补偿的功能，可以说完全可以满足大多数场合的测距要求。 1.2 单片机测距系统图1-1 超声波测距系统框架图利用单片机P15口编程发生40KHz的方波信号，通驱动电路放大的作用，传送到超声波传感器发射端振荡发射出超声波。经障碍物反射后，超声波传感器接收到回波信号，由接收芯片负责回波信号的整形，放大，控制单片机INT0中断口进行距离计算。这种通过单片机为作为主控芯片的超声波测距系统通过单片机内部定时器记录下超声波从发射到返回所经历的时间差。当接收到回波信号的时候，接收芯片会产生一个低电平，触发单片机的外部中断，停止计时，进行距离的计算和测量结果的显示。由于单片机的内部定时器定时准确，编程起来方便，操作简单，所以测量结果可以达到较高的精度，很多的超声波测距系统和其他控制电路都利用单片机这种设计方法。1.3 系统总体方案该系统由电源电路，液晶显示电路，单片机外围电路，报警电路，定时关机电路，超声波发射与接收电路，测温电路，测湿度电路组成，其组成可以通过下图表示：定时关机电路测湿度电路图1-2 系统总设计方案图其中电源供电部分有两部分，一部分直接从外部提供+5V电源供系统工作，另一部分当外部电压过大的时候经过7805稳压管提供稳定的5V电压输出提供电路使用，外围电路主要有晶振，复位电路组成，测温，测湿度电路分别由DS18B20温度传感器，DHT11温湿度传感器电路组成，报警电路由蜂鸣器实现，显示电路为12864液晶电路，超声波由单片机内部定时器提供稳定的40KHz方波输出经CD4069芯片推免放大输出到换能器TCT40-16T发射输出，接收换能器为配对的TCT40-16R，接收由CX20106组成的接收电路实现。1.4 设计要求 了解掌握超声波的原理，通过发射的超声波和返回的超声波的间隔时间来计算发射源和反射物之间的距离。完成系统方案设计、电路原理图设计、PCB图的绘制，硬件的组装，调试和所需软件的设计。本课题的任务包含如下内容： 1、学会并能娴熟利用图书馆、互联网获取所需技术资料。2、较熟练地阅读和翻译本专业的英语文献。3、学习和掌握电子测量技术、仪表与过程控制、单片机原理、自动控制原理的相关知识的理论和和应用。2.超声波测距原理2.1 超声波的特性 人们习惯将频率低于20Hz的声波称为次声波，频率范围在20HZ到20KHz范围的声波可以引起人的听觉，我们称之为声波，将频率大于20KHz的声波我们就称为超声波，其波长为0.01cm10cm。超声波既是一种波动形式，又是一种能量形式，在传播过程与媒介相互作用产生超生效应。超声波具有良好的特性，与可闻波相比，超声波由于频率高，波长短，使其在传播过程具有以下特点： 1) 方向性好。超声波的功率较高，其波长较同介质中声波波长短，衍射现象不明显，所以导致了超声波传播方向好。 2）能量大。在介质中传播时，当振幅相同，振动频率越高能量越大，因此它比普通声波具有很大的能量。 3）穿透力强。在不透明固体中，超声波能穿透几十米的厚度。 4）衰减。不管何种波，在传播过程都会产生衰减，超声波也不例外。在传输过程中，超声波随着传输距离的增加衰减程度越大，这也导致超声波测距中不能达到较远的量程。同一个介质当中，频率越高，对超声波吸收越大，衰减也越大，在空气中超声波的衰减程度相比其他介质大得多，其次为液态介质，固体中衰减的最慢。5）声压特性。 遇到物体时，声波的振动使得分子间产生压缩作用，进而导致物体受到的压力产生变化。由于声波的振动引起压力变化的现象我们称为声压的作用，我们利用这个特性使得声波驱动换能传感器进行能量的交换，实现测距的原理。 2.2 超声波传感器图2-1 压电式超声波传感器结构所谓超声波传感器，是一种将其他形式的能量转换为超声能或者将超声能转化为其他形式的能量的一种器件。目前超声波传感器大致可以分为2类，一种是电气方式产生超声波，另外一种则为机械方式。前者包括压电式，磁致伸缩型和电动型。机械方式的有加尔统笛，液哨，和气流旋笛等，这些多在工业上使用。它们分别产生不同频率特性的超声波，因此在用途上也各不相同。常用的是压电式超声波传感器。该系统所采用的也是压电式的超声波传感器探头。压电式传感器的工作原理是利用压电晶体的谐振来进行工作。它的内部有两个压电晶片和一个共振板，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料有晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的有石英，铌酸锂等。压电陶瓷的有钛酸铅，钛酸钡等。当两个极出现和压电晶片固有振荡频率的脉冲信号时，压电晶片将会产生共振，带动共振板进行振动，产生超声波，即为超声波发射器。该系统用的是TCT-40T型号。相反，如果两个极没有施加电压，当共振板接收到声波，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，我们称为压电效应，即为超声波接收器。该系统使用的是TCT-40R。压电型超声波传感器就是利用压电晶片的压电逆效应的原理进行工作的图2-2 压电效应的工作原理如上图所示，在压电原件上施加电压，元件就会产生变形。如果在图中a所示已极化的压电陶瓷上施加b所表示的极性电压，外部正电荷和压电陶瓷极化的正电荷互相排斥，同时外部的负电荷和极化的负电荷排斥。导致了压电陶瓷在厚度上有所缩短，长度伸长。如果施加极性变反，如C所示，压电陶瓷晶片在厚度上则伸长，长度方向上就会缩短。图2-3 超声波传感器压电晶片都有一个固定的谐振频率，发射声波时的交变电压应该和这个频率保持一致，这样才能使传感器有较高的灵敏度。改变晶片的几何尺寸，就可以改变其固有频率的大小。利用这个特性可以制成各种频率的超声波传感器。该系统使用的传感器有压电陶瓷晶片，锥形喇叭，底座，引线壳和金属网构成。压电晶片是核心器件，辐射喇叭可以集中超声波能量，金属网壳可以防止外界力对晶片和喇叭造成的损坏。金属网也起到一定保护作用。2.3 超声波测距的基本原理图 2-4 超声波测距原理如图1-1所示，先由方波发生电路产生40KHz的方波信号，通过驱动加到超声波发射换能器发射出去，遇到障碍物后声波返回，超声波接收换能器接收到回波信号之后通过接收电路接收，计算出发射到接收的总时间间隔T，在声速为V的时候，就可求出测量距离为d=s/2=V*T/2.其中d为实际路程，s为超声波通过的路程。表2-1 声速与温度的关系表温度（摄氏度）3020100102030100声速（米秒）313319325323338344349386由于声速收到空气中温度，空气湿度的影响，在不同环境下声速有略微差别，在追求高精度测量的要求下，本系统加入了声速对温湿度补偿的功能。其计算公式为: V=VO * sqrt(（1+t/T0）*（1+0.31*r*P0/Ps）)其中V0取值331.5m/s，t为环境温度，T0=273.15K，r为环境相对湿度，P0为0度时空气饱和蒸汽压，Ps为标准大气压。2.4 关于测量的盲区 由于在硬件设计上，超声波发射探头和接收探头之间不可避免的相邻，所以在发射超声波的时候，发射探头的超声波会首先到达接收探头，但这个信号是一个错误的信号，不是从障碍物返回来的真实回波信号。但是接收电路检测到这个信号之后会首先做出响应，触发单片机进行中断计算距离。但是这个并不是我们想要的真正测量值，属于误操作。所以我们需要在发射出脉冲后延时一段时间才允许单片机接收中断信号。这样，在延时的这段时间里超声波经过的距离是不能被系统检测出来的，我们就把这段距离成为超声波测距的盲区，这个是所有超声波测距系统不可避免的一部分。 为了减少这个盲区，可以在硬件和软件的设计上来实现，首先可以选择盲区较小的超声波探头，这就从本质上减少了盲区的数值。其次可以减少脉冲数量的发射，一次只发射58个左右的方波脉冲，并减少发射放大倍数，降低发射电压等方法实现。3.系统各部分设计方案3.1 AT89s52单片机系统 随着计算机技术的发展，面对日益增强的社会需求，单片机技术已经成为电子行业的核心，单片机的出现使得当前计算机技术的发展进入到微机控制时代，并深深影响了我们现今生活。在计算机和嵌入式计算领域都能看到它的身影，该系统的控制主控芯片采用的正是目前热门的AT89S52芯片，AT89S52单片机是ATMEL公司生产的8位低功耗，高性能的CMOS微机控制器，内部有8k字节Flash，256字节的RAM， 4个8 位I/O 口，三个16 位 定时器/计数器，一个2级中断结构，串行接口，片内晶振等. 其管脚示意图如下图所示：图3-1 51系列单片机管脚图单片机的外围电路定义如下：1） VCC和GNDVCC:接电源+5v;GND:接电源地。2） 时钟电路XTAL1和XTAL2单片机内部设置了一个反向的放大器用来产生时钟信号。XTAL1和XTAL2分别是片内振荡器输入和输出端，外接石英晶振，使内部振荡按照晶振频率振荡，产生时钟信号。一般接两个30PF的电容，如下图所示： 图3-2 单片机时钟振荡电路 3）控制信号引脚 i.RST/Vpd 复位功能：单片机上电后，该引脚出现2个机器周期以上的高电平，使得单片机复位，在RST和VCC间接一个10uF的电容,RST经一个8K电阻接地，即可以实现上电自动复位。图3-3 单片机复位电路组成 制作一个单片机控制系统通常都需要按部进行，首先需要明确系统实现的控制功能，完成总体方案的设计。进而对外围电路进行仿真设计，软件流程图的绘制，软件的设计，调试。制作PCB电路板，最后组装并检验和调试，最终才能完成整个系统的要求。3.2 40KHz脉冲信号的发生 超声波的发射电路由40KHz振荡电路，驱动电路，超声波发射器构成。图3-4 发射电路组成 而40KHz振荡电路可以采用软件方法和硬件方法进行实现，经查阅资料，发生电路主要有下面几种： 1)软件方式。 单片机的内部定时器可以达到准确的定时效果，利用这个原理，可以采用单片机定时器定时来实现40HKz的方波信号，由于采用12M的晶振，单片机可以准确定时到微妙的级别，40Khz方波的周期为25微秒，可以先持续12微妙的高电平，然后持续13微秒的低电平，这样持续几个数量的脉冲时间，可以实现40KHz的脉冲信号。 2）利用与非门多谐振荡器74LS00实现图3-5 74LS00方波发生电路 集成了四与非门的芯片74ls00U1A和U1B 构成了多谐振荡器，产生40KHz方波脉冲，振荡频率为 f=1/2.2R1*C1，调节电位器可以微调振荡频率，使得输出达到准确的40KHz方波。由单片机IO口控制信号的输出，U1C为整形处理。 3）利用555定时器图3-6 555多谐振荡器方波发生电路 8号管脚接电源，4号脚接单片机的IO口控制端，当4脚为高电平的时候，555定时器开始工作，为0时停止，通过定时可以产生几个数量的方波脉冲。 出于对简单易行，控制方便，失真程度较小，编写程序简单等方面因素的综合考虑，我优先选择了第一个方案作为该超声波测距系统40KHz方波发生的方案，利用单片机的IO口P15口产生频率为40KHz的方波脉冲信号，持续6个周期左右的时间作为脉冲产生。3.3 超声波发射驱动电路 由于工作环境的不确定性，为了使得该系统有较高的测距范围和精度，需要为超声波探头提供足够大的压差，所以必需加入超声波发射驱动电路，提高脉冲压差，经查阅资料，大概有以下几种方案：1） 采用CD4069芯片 图3-7 CD4069驱动电路 图3-8 CD4069内部接线图CD4069是集成6非门16位CMOS转换器，最大转换电压与探头同为20V其组成的发射电路如上图所示，黑色部分为脉冲波形的走向图。 2）采用中周变压器图3-9 利用中周变压器发生电路 超声波中周变压器是专门为超声波设计的脉冲放大器，其可以使脉冲放大到探头所需的20vpp，60vpp，20vpp等不同的驱动电压。超声波发生电路经过三极管推动，加载到脉冲变压器上，可以使得超声波探头获得很大的脉冲电压，可以实现较远的测量距离。超声波发射后遇到障碍物返回，经过接收探头接收回波，由于传播过程有所衰减，经过接收芯片的放大整形作用，输出一个负跳变触发外部中断计时，测量最后结果。这个方案理论上可以达到很好的实际效果。3）由三极管组成发射电路图3-10 由一个三极管组成的发射电路 上图所示为一个三级管和两个上拉电阻组成的放大电路，但是其稳定性能和可靠性并不高，实际运用上比较少。为了保证系统的测量精度和测距量程，需要在脉冲信号发射前加上驱动电路，综合工作稳定性，转换范围等因素的考虑，该系统采用了CD4069芯片作为发射驱动电路，组成超声波发射电路的主体部分。相比于三极管的驱动，虽然有些复杂，但是其放大性能好，稳定性，和可靠性相对来说比较好，用来做超声波测距特别是要求有较高的测距量程的时候采用该方案显得更加合适。CD4069是内部集成了6非门16位CMOS转换器芯片。并具有放大的功能。通常用于不需要中功率TTL驱动和逻辑电平转换的电路，它的工作电压范围从3V-15V之间，输入电压范围从0V-VDD，工作在摄氏温度-55-125之间，可以满足足够大的环境温度下工作要求。 在该系统中，由单片机管脚P15编程产生的40KHz脉冲方波信号从U1A输入，出来后分成两路，一路经过U1B信号反向，再经过U1C和U1D两个反相器的叠加，信号变为和U1A驶入极性一致，但幅度增强，另外一路信号经过U1E和U1F后信号极性和进过U1C,U1D之后相反，经过电容叠加在一起，可以提高反相器输出高电平驱动能力，还可以增加超声换能器阻尼效果，缩短其自由震荡时间提高，就能形成电压幅度大大增强的脉冲信号，用以驱动超声波探头发射出脉冲信号。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端的方式，可以大大提高超声波的发射强度。3.4 超声波接收电路 图3-11 声波传递过程 由于超声波发射在空气中衰减得很快，超声波探头接收到回波的信号比较弱，并且出现一定程度的失真，这就需要接收电路有整形，放大，检测等功能，经翻阅资料，可以得到以下的接收电路方案：1）利用CD4069和LM567组合音频译码集成块图3-12 音频集成块接收电路 接收头接收到回波脉冲后，经过6非门芯片CD4069整形输出到由C1耦合给带有锁定环的集成块LM567输入，当接收到的频率幅度落在其中心频率上时，LM567的逻辑输出端8脚由高电平变为低电平。8脚接单片机的外部中断口，这样就能使得单片机进行中断处理测量结果。2）采用专用接收芯片CX20106a接收图3-13 CX20106A接收芯片电路 CX20106A是索尼公司生产的红外接收专用芯片，被广泛运用于彩色电视机红外线遥控接收电路中，它的功能强大，性能也比较优越，成本低，在各种红外遥控系统中得到广泛的使用。其接收的中心频率可以通过5号脚的电阻大小进行调节，范围可以从30KHz到60KHz。 CX20106的一些参数有：电源电压5-17V，电流1.1-2.5mA，低电平输出为0.2V，电压增益77-79dB。输入阻抗为27K。中心频率30-60KHz，允许功耗0.8W。方波信号经过换能器TCT40-16T发射出去在空气中传播，当遇到障碍物之后返回回波信号，接收电路就是为了顺利接收这个回波信号而设计的，回波的脉冲经过换能器TCT40-16R转换成为电信号，但此时的信号非常弱，并且会比发射时候的信号出现一定程度上的失真，这使得我们在设计接收电路的时候，必须要考虑到对电信号进行放大，滤波，整形等处理。出于从简单易行，成本，功能实现等方面的考虑，我优先选择了索尼公司提供的CX20106A接收芯片，这块芯片内部已经包含有前置放大，限幅放大，带通滤波，检波器，积分器及整形电路功能，它被广泛运用于红外线检波接收的专用芯片，具有功能强，性能优越，外围电路设计简单，成本低的特点，由于红外遥控常用的载波频率为38KHz，和我们要求的40KHz比较接近，并且我们可以通过调节5号脚的电阻大小进而调节其中心频率的大小。识别到与其中心频率一致的脉冲回波信号的时候，就会在其7脚输出一个低电平，用来触发单片机中断。所以在该系统中采用这一接收芯片比较适合。 对于CX20106接收芯片的内部结构和引脚功能图如下所示：图3-14 CX20106内部结构图该芯片的工作过程可以概述为：信号先经过前置放大器，限幅放大器，调整信号至合适的矩形脉冲波，由滤波器对信号进行频率的选择，滤波干扰信号，再整形输出给7脚，如果频率有些误差，可以调节芯片5脚电阻，设置中心频率为40KHz，进而达到理想的效果。该芯片的各个引脚功能如下：1脚：回波信号输入端，输入阻抗大约40K；2脚：与地之间连接形成RC串联网络，改变它们数值的大小可以改变前置放大增益和频率特性。增大电阻或减少电容值的数值大小，将增大负反馈量，降低放大倍数，反之也成立。一般使用的阻值为R=4.7，C=3.3uf。3脚：与地间接检波电容，电容量大则瞬间相应灵敏度低，容量小则峰值检波，瞬间灵敏度高，一般推荐为3.3uf。4脚：接地端。5脚：与电源VCC接电阻，对带通滤波器中心频率进行调节，阻值越大，中心频率就越低，R=200K时，中心频率为42KHz，R=220K时，中心频率就为38KHz。6脚：与地之间接入积分电容，标准值为330pf，电容值过大会影响测距量程。7脚：命令输出端，是集电极开路输出方式，必需接上拉电阻，推荐阻值为22K。8脚:电源正极，外接电源4.5-5V。CX20106A是CX20106的改进型，两者之间的只要差别在于电参数略有不同。3.5 LCD液晶显示电路 由于需要显示的内容较多，设计中我摒弃了字符型液晶1602，测距显示采用12864汉字图形点阵LCD液晶显示模块，采用ST7920控制器，可以显示字母 ，数字字符，中文字型，以及自定图块等，液晶内置了8192个中文汉字（16X16点阵），128个字符（8X16点阵）以及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。 12864液晶的主要参数有： 电源：3.5- 5V，无需负压； 显示的内容：128列X64行 颜色：黄绿色 LCD类型：STN 和单片机接口：8位或4位并行/3位串行 配置好LED背光 多种设置功能：光标显示，画面移位，自定义字符，睡眠模式等等。12864的管脚接线图为： 1脚：GND，模块电源地端； 2脚：VDD，接电源正； 3脚：V0，LCD驱动电压输入； 4脚：RS（CS） ，并行指令/数据选择信号，串行片选信号； 5脚：R/W ，并行读写选择信号，串行的数据口； 6脚：E，并行使能信号，串行的同步时钟； 7-14脚：DB0-DB7 ，数据0-7引脚。 15脚：PSB，并/串行接口选择引脚；H并行，L-串行； 16脚：NC 空脚； 17脚：RET：复位，当出现低电平时，进行复位；18脚：NC 空脚19脚：LED-A 背光源正极20脚：LED-B 背光源负极图3-15 12864液晶与单片机管脚连接图液晶模块主要硬件介绍：1） 指令寄存器（IR）用于寄存指令码，和数据寄存器数据对应，当D/I=1,E处于下降沿的时候指令码写入IR；2） 数据寄存器（DR）用于寄存数据，D/I=1时，下降沿的时候图形显示数据写入DR 或者高电平时由DR读到DB7-DB0总线。3）忙标志 BF等于1 的时表示模块在内部操作，不接受外部指令和数据，等于0的时候模块为准备状态，用来对外部指令数据等待接收。4）显示控制触发器 DFF 用来模块屏幕显示开关的控制，DFF为1开显示，为0的时候关显示，DFF状态受到DISPLAY ON/OFF和RST控制。5）XY地址计数器 是一个9为计数器，高三位是X地址计数器，低6位是Y地址计数器，XY计数器实际是作为DDRAM指针。 6）显示数据RAM DDRAM DDRAM为存储图形显示数据，为1时表示显示选择，为0的时候非选择。 7）Z地址计数器 是一个6位计数器，具有循环计数功能，用来显示行扫描同步。扫描完一行后地址计数器加1，指向下一行数据，复位后变为0. 12864液晶的时序图如下，可分为读时序和写时序：图3-16 液晶模块写操作时序图图3-17 液晶模块读操作时序图3.6 定时关机控制电路 21世纪已经全面进入了信息化时代，随着科技的高速发展，人们为了提高自己的生活水平，却忽略掉对地球母亲的保护。为此，我们现在都在世界范围内大力倡导“节能减排，低碳生活”的口号，为了响应这个口号，我想能不能在这个系统中也体现出来，最会我设计了一个系统定时关机的功能，当开机后30秒的时间内如果没有人按下测量按键，则系统自动关闭电源，液晶停止显示，LED指示灯灭，发射停止，系统进入待机状态，单片机等待重新按下启动按键时再重新开始测量，这一个方案设计能很大程度上减少能源损耗，降低排放。该部分的基本原理是：单片机的VDD管脚与供电插头相连接，通过一个继电器控制供电电源和外围芯片电路电源的通断，利用555定时器产生周期3秒的方波信号，控制74LS192计数器芯片进行计数操作，当计数满之后，在74LS192芯片的12脚产生一个低电平，利用这个低电平触发单片机外部中断，从而让继电器动作，达到切断系统电源的功能。具体方案设计如下：1） 利用NE555产生方波脉冲信号图3-18 555定时器管脚接线图 555定时器是一种模拟和数字功能相结合的集成器件，其成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻，电容，就能作为多谐振荡器，单稳触发器，和施密特触发器及脉冲产生电路，应用范围比较广泛。该部分运用的正是它的脉冲信号发生的功能，其管脚的接线图如上面所示。该接线图的脉冲振荡周期可以通过以下公式计算： T= 0.7*（R1+2R2）*C由于该需要定时30秒的时间，而74LS192计数器是10进制的，所以我们可以通过改变公式中的电阻电容值，达到脉冲周期3秒的效果，我采用的数值是： R1=R2=1.5M，C=1uf； T=0.7*3*1.5M*1uF =3.1秒2） 利用74LS192加/减计数器实现计数延时功能74LS192是同步十进制可逆计数器，有双时钟输入，还可以清除和置数等功能，其内部的管脚定义和各部分作用如下图所示：图3-19 74LS192引脚排列和逻辑符号 其各个引脚的功能为： 加计数时钟输入端，上升沿有效。 异步并行置入控制端口（低电平有效） 减计数时钟信号输入端，上升沿有效 进位输出端，低电平有效 错位输出端，低电平有效。MR为清除端，Q0-Q3为数据输出端。其功能表可以从下图看出： 图3-20 74LS192功能表示意图 3） 继电器电路由于电源的切断和闭合需要有一个可控制的开关进行控制，而继电器就可以很好的实现了这一个功能如下图所示，JPJDQ接单片机的I/O口P10，当该口为0时，三极管导通，继电器的4和5之间形成了5V的压降，线圈得电，继电器工作，吸合磁铁，1接外部电源的+5V，2脚置空，3脚接系统需要供电的VDD总线。这样只要给一上电，单片机就给P10口一个低电平，继电器就闭合，给系统供电，每当延时电路计数结束，就给单片机控制端P10高电平，继电器复位，这样就可以实现电源的切断，使得系统处于待机状态，达到自动关机的功能作用。图3-21 5V继电器控制电路3.7 补偿电路及方案设计为了实现系统精确的测距要求，必需加入补偿电路和设计方案，主要包括两个方面，一个是声速的补偿，另一个则是测距角度的补偿。关于声速的补偿主要考虑到声波在空气中的传播速度会受到环境因素的影响，这里针对声速对环境温度和湿度的敏感特性而设计了两个补偿电路，方案如下：1） DHT11温湿度传感器湿度补偿图3-22 DHT11温湿度传感器管脚示意图 DHT11是一款温湿度一体化的数字传感器，内部包含了一个电阻式的测湿度原件和一个NTC测温元件，通过和单片机等微机处理器进行连接就能实时采集当地环境的温度和湿度，其接口简单，只有一个数据线2脚，能和单片机之间采用简单的单总线进行通信，传感器的温湿度数据40Bit的数据能一次性传送给单片机，数据经过校验，有效保证传输的准确，DHT11功耗很低，5V供电环境下，电流只有0.5mA。出于对精度的考虑，我只采用这个传感器的测湿度部分，测温部分由DS18B20实现更精确的测量。DHT11的特性指标为： 工作电压范围：3.5-5.5V工作电流：平均为0.5Ma湿度测量的范围为：20-90%RH温度测温范围：0-50C湿度分辨率：1%RH温度分辨率：1C采样周期：1SDHT11传感器采用单总线数据格式，其数据包有5Byte组成，分为小数部分和整数部分，具体格式如下说明：一次完整的传输为40Bit，高位首先输出。数据的格 式：8Bit湿度整数数据+8Bit湿度小数数据+8Bit温度整数数据+8Bit温度小数数据+8Bit校验和，具体可通过编程实现数据采集。2） DS18B20温度传感器温度补偿 图3-23 DS18B20温度传感器 DS18B20温度传感器体积小，接线简单，采用单总线的方式与单片机进行数据传输，仅需要一条线就可以实现微处理器与其的双向通讯，DS18B20的测温范围从-55C - +125C，分辨率可达0.5C，所以这就是不采用DHT11作为温度测量的原因，DS1820的工作电源为3-5V，不需要任何的外围器件就可以实现工作，测量的结果通过9-12位的数字量方式进行串行传送，其工作流程可简述为：初始化阶段，ROM操作指令，存储器操作指令，数据的传输，而DS18B20的工作时序又包括：初始化时序，写时序，和读时序。该系统和DHT11传感器和单片机的连接图是：图3-24 温湿度传感器补偿电路当系统采集到所在环境的温度数据和湿度数据的时候，就可以调用声速补偿程序进行对声速的补偿，根据查阅资料，声速和环境温度和湿度的关系可以通过以下公式表示：V=VO * sqrt(（1+t/T0）*（1+0.31*r*P0/Ps）) V表示补偿后的声速，V0表示声速基值，一般取331.5M/S，t表示环境温度，单位是摄氏度，T0表示绝对零度值，取273.15K，r表示环境的相对湿度值，P0表示零度是空气饱和蒸汽压，数值上取0.6112KPa，Ps为一个标准大气压，该数值为101.35KPa。通过把测得的温度和湿度数据代进公式就可以计算出经过补偿后的声速值，从而调用计算距离子函数，达到温湿度声速补偿的作用。3） 角度的补偿 图3-25 超声波测距示意图 由于超声波发射探头和接收探头之间存在距离h，遇到障碍物返回的时候，超声波传播的距离为s，并不是我们需要的实际距离d，为了达到准确的测量，在该方案中加入了测距的角度补偿，根据勾股定律，在距离计算子函数中，可得： d=sqrt（s-（h/2）；3.8 电源供电部分 考虑到外接电源电压的不稳定性，我设计了两种供电模式，一种直接外接+5V电源，这种情况需要外部提供的电压源比较稳定的情况，而另一种则是通过稳压管7805进行稳压处理，再输出稳定的+5v电压，适合在外部电源电压过高，不稳定的时候外接这个电路，下面对7805稳压电路进行说明。图3-26 7805稳压管外观7805是双极型线性集成电路，由三个管脚组成，1脚输入，2脚接地，3脚作为稳压输出，封装形式为T0-220，应用广泛，如果提供足够的散热片，可以通过大于1.5A的电流。最大特点是能输出稳定的+5V电压，并提供热过载保护和短路保护，前面四个二极管起到电压整形的作用，交流电源经过二极管后变成直流电压输出，经过滤波电容