超声波测距仪(液晶屏加报警)设计报告.doc

超声波测距仪设计报告一、 设计要求1、 提供2cm400cm的非接触式距离测量功能，测距精度达到3mm。2、 测量结果通过液晶屏实时显示。3、 当测量距离小于20cm时，进行声音和灯光报警。二、 超声波测距原理测量距离的方法有很多种，短距离的可以用米尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF（timeofflight），也可以称为回波探测法，如图1所示。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在介质中传播，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。根据传声介质的不同，可分为液介式、气介式和固介式三种。根据所用探头的工作方式，又可分为自发自收单探头方式和一发一收双探头方式。而倒车雷达一般是装在车尾，超声波在空气中传播，超声波在空气中(20)的传播速度为340m/s(实际速度为344m/s这里取整数)，根据计时器记录的时间就可以计算出发射点距障碍物的距离，公式。图1 超声波测距原理由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。表1 声速与温度的关系温度()3020100102030100声速(m/s)313319325323338344349386三、 硬件系统设计1、设计框图本研究设计的超声波测距仪框图如图2所示。图2 超声波测距仪方框图2、US-100超声波收发模块该超声波收发模块可自己产生40kHz的方波，并经放大电路驱动超声波发射探头发射超声波，发射出去的超声波经障碍物反射后由超声波接收探头接收。经接收电路的检波放大，积分整形，在ECHO引脚上产生方波脉冲，该脉冲宽度与被测距离成线性关系。具体过程如图3所示。图3 US-100超声波收发模块工作时序图上图表明：只需要在Trig/TX管脚输入一个10us以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号，当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。在此模式下，模块将距离值转化为340m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一个高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：（高电平时间*340m/s）/2注：因为距离值已经经过温度校正，此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正，也就是不管温度多少，声速选择340m/s即可。使用US-100超声波收发模块进行距离测量测量时，单片机只需要输出触发信号，并监视回响引脚，通过定时器计算回响信号宽度，并换算成距离即可。该模块简化了发送和接收的模拟电路，工作稳定可靠，其参数指标如表2所示。表2 US-100模块电气参数应注意测量周期必须在60毫秒以上，防止发射信号对回响信号的影响。图4 US-100超声波模块外形图模块共有两个接口，即模式选择跳线和5pin接口。模式选择跳线接口设置为当安装上短路帽时为UART（串口）模式，拔掉时为电平触发模式。3、单片机电路本设计选用宏晶公司高性能单片机STC89C52，其管脚如图5所示。图5 STC89C52单片机管脚图该芯片为52内核8位单片机，兼容Intel等52内核单片机，支持ISP下载，适用于常用检测控制电路。由STC89C52组成的单片机系统原理图如图6所示。图中TRIG引脚为单片机发送触发信号的引脚，ECHO引脚为US-100模块送回回响信号的引脚，接至单片机外部中断P3.2脚上，可以利用外部中断测量回响信号宽度。当测量距离小于阈值20cm时，单片机通过管脚P3.6发出灯光报警信号，触发LED报警灯亮，同时通过管脚P3.7发出声音报警信号beep，该信号用以触发蜂鸣器鸣响报警。 图6 单片机系统及超声波模块接口原理图4、蜂鸣器报警电路图7所示为蜂鸣器报警电路。由于单片机管脚的灌电流比拉电流容量大，因此电路设计为低电平输出时蜂鸣器响，高电平关闭。当P3.7脚输出低电平时，PNP型三极管8550导通，有集电极电流通过，蜂鸣器鸣响。当P3.7脚输出高电平时，三极管截止，蜂鸣器关闭。图7 蜂鸣器报警电路5、显示电路显示部分采用SMC 1602液晶屏进行数据显示，其主要技术参数为：表3 液晶屏技术指标接口信号说明如表4所示。表4 液晶屏接口信号说明与单片机接口电路如图8所示。图8 LCD与单片机接口电路6、供电及程序下载电路本设计采用USB接口供电，电源电压5V。同时，USB接口通过内含PL2303芯片的转换电路对单片机进行程序编写。其电路原理如图9所示。图9 供电及程序下载电路四、 软件编程1、软件流程图本设计软件主程序流程图如图10所示， (a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部中断子程序流程图。 (a) 主程序流程图 (b) 外部中断流程图图10 程序流程图2、主程序 下面介绍main.c主程序编写，其他程序略。(1) 头文件和一些宏定义/*/*超声波测距仪*/*(液晶屏显示)*/*晶振 11.0592MHz*/#include #include 1602.htypedef unsigned char U8; /* defined for unsigned 8-bits integer variable无符号8位整型*/typedef signed char S8; /* defined for signed 8-bits integer variable有符号8位整型*/typedef unsigned int U16; /* defined for unsigned 16-bits integer variable无符号16位整型*/typedef signed int S16; /* defined for signed 16-bits integer variable有符号16位整型*/typedef unsigned long U32; /* defined for unsigned 32-bits integer variable无符号32位整型*/typedef signed long S32; /* defined for signed 32-bits integer variable 有符号32位整型*/typedef float F32; /* single precision floating point variable (32bits)单精度浮点数32位长度*/typedef double F64; /* double precision floating point variable (64bits)双精度浮点数64位*/定时器0的定时值为1mS，即11059/12=922个时钟脉冲，其补为65536-922=64614#define SYSTEMCLK 921600 /11059200/12#define T0CLK 921600 /11059200/12#define T1CLK 921600 /11059200/12#define T1PERIOD 1000000/921600 /T1周期时间，以微秒为单位，约为1.085uS#define TIMER0H 0xFC /64614/256=252#define TIMER0L 0x66 /54447%256=102(2) 管脚、常量、变量定义和函数声明/管脚定义sbit Trig = P13;sbit Echo = P32; /回波必须接在外部中断引脚上sbit LedAlarm = P36; /报警灯，低电平亮sbit Beep = P37; /报警蜂鸣器/定义标志volatile bit FlagSucceed = 0; /测量成功标志volatile bit FlagDisplay = 0; /显示标志/定义全局变量U16 DisplayCount=0;U16 time=0;U32 distance=0;/函数声明void delay_20us();void Start_Module();void INT0_Init(void);void Data_Init();void Timer0_Init();void Timer1_Init(); (3) 各子程序/20us延时程序，不一定很准void delay_20us() U16 bt ; for(bt=0;bt= 1000) /1秒钟显示一次 FlagDisplay = 1;DisplayCount = 0; /定时器1初始化，16位计数模式，时钟为11059200/12=921600Hz/60ms计数为55296，即0xD800void Timer1_Init()TMOD = 0x11; /定时器0和1工作在16位方式TH1 =0;TL1= 0;ET1 = 1;/启动模块，Trig管脚20us正脉冲void Start_Module() /启动模块 Trig=1; /启动一次模块 delay_20us(); Trig=0;/* 名称 : Main()* 功能 : 主函数*/void main() U16 i, j; EA = 0; INT0_Init();Timer0_Init(); /定时器0初始化Timer1_Init(); /定时器1初始化 Data_Init();EA = 1;L1602_init();L1602_string(1,1,Welcome to my );L1602_string(2,1,distance meter! );/延时for (i=0;i1000;i+) for (j=0;j1000;j+) ;while(1) EA= 0; /以下为一次检测过程：先发出Trig电平，打开外部中断，清零T1，/最后在外部中断下降沿触发时取出T1当前值，计算出Trig脉冲宽度。 Start_Module(); while(Echo=0); /等待Echo回波引脚变高电平FlagSucceed = 0;EX0=1;TH1= 0;TL1= 0;TF1= 0; TR1=1; /启动定时器1开始计数EA = 1;while (TH180) ; /盲区TR1 = 0 ; /关闭定时器1EX0 = 0; /关闭外部中断 if(FlagSucceed=1) /一次测试成功，则计算距离，单位为厘米 distance = time * 1.085 ; /计算得到脉冲时间（以微秒为单位） /将微秒时间转变成厘米距离的算法： Y米=（X秒*344）/2 / X秒=（ 2*Y米）/344 =X秒=0.0058*Y米 =厘米=微秒/58 distance /=58; /如果距离小于20cm，则声光报警 if (FlagSucceed = 1) & (distance 20) LedAlarm = 0; Beep = 0; else LedAlarm = 1; Beep = 1; if (FlagDisplay = 1) /1秒显示时间到 if(FlagSucceed=0) /LCD提示无回波 L1602_string(1,1,OutOfRange(0-4m); L1602_string(2,1, - ); else /LCD显示数据 L1602_string(1,1,Distance Result:); L1602_string(2,1, cm ); L1602_int(2, 5, distance ); FlagDisplay = 0;3、显示程序/* 文件名 ： 液晶1602显示.c* 描述 : 该程序实现了对液晶1602的控制。*/#include 1602.h#include math.h/* 名称 : delay()* 功能 : 延时,延时时间大概为140US。* 输入 : 无* 输出 : 无*/void delay()int i,j;for(i=0; i=10; i+)for(j=0; j=2; j+);/* 名称 : Convert(uchar In_Date)* 功能 : 因为电路设计时，P0.0-P0.7接法刚好了资料中的相反，所以设计该函数。* 输入 : 1602资料上的值* 输出 : 送到1602的值*/uchar Convert(uchar In_Date) /* uchar i, Out_Date = 0, temp = 0; for(i=0; i i) & 0x01; Out_Date |= (temp = 0) sign = 0; else sign = 1; temp = abs(num); baiwei = temp / 100; temp = temp - baiwei*100; shiwei = temp / 10; gewei = temp - shiwei*10; num = abs(num); if (num=100) if (sign = 1) /负数 L1602_char(hang, lie, -); L1602_char(hang, lie+1, baiwei+48); L1602_char(hang, lie+2, shiwei+48); L1602_char(hang, lie+3, gewei+48); else if (num=10) if (sign = 1) L1602_char(hang, lie+1, -); L1602_char(hang, lie+2, shiwei+48); L1602_char(hang, lie+3, gewei+48); else if (sign = 1) L1602_char(hang, lie+2, -); L1602_char(hang, lie+3, gewei+48); 五、 下载与调试当程序在uVision环境下编写完成，并编译生成.hex文件后，就可以下载并进行调试了。1、 USB转串口驱动安装打开USB驱动文件夹下的PL2303_Prolific_DriverInstaller_v130.exe安装文件，按提示安装USB转串口驱动程序。安装完成后，插入USB下载线后，在开始-控制面板-打印机和其他硬件-设备管理器，在“端口”分支下有（Prolific USB-to-Serial Comm Port(COMX)。X表示串口号，如果没有说明USB转串口驱动没有安装，须重新安装。记住括号里的COM口号。图11 成功安装USB转串口驱动示意图2、 下载程序打开STC单片机下载软件文件夹，点击运行STC_ISP_V481.exe程序，出现如下界面。图12 下载软件正确选择MCU 类型为STC89C52，COM口（与刚才安装的COM号一致），最高波特率和最低波特率都选2400bps或者1200bps （下载线内PL2303芯片所限，没办法