超声波测距仪毕业设计

1、( 此文档为 word 格式，下载后您可任意编辑修改！)滁州职业技术学院信息工程系 2015 届应用电子技术专业毕业论文姓名：朱淼森班级：12级应用电子（ 1）班设计课题：超声波测距仪指导教师：姚聪2014年11月28日1目录目录.ii摘要.4第一章概述 .11.1系统功能要求 .11.1.1基本要求 .11.1.2发挥部分 .11.2系统设计方案 .11.2.1超声波测距模块.21.2.2显示模块 .21.2.3主控模块 .21.2.4电源模块 .21.2.5充电控制模块 .2第二章硬件设计 .42.1超声波测距模块 .42.1.1设计方案 .42.1.2HC-SR04 芯片介绍 .42.1

2、.3超声波测距模块原理 .42.2显示模块 .52.2.1设计方案 .52.2.21602液晶显示器介绍 1.62.2.31602液晶显示器原理.62.3主控模块 .72.3.1设计方案 .72.3.2 STC12C5A60S2单片机介绍 2 .72.3.3 STC12C5A60S2单片机原理.82.4总体硬件设计 .92.4.1总体设计方案 .92.4.2完整硬件电路图.9第三章软件设计 .103.11602液晶屏显示驱动模块 .103.1.1软件设计方案 .103.1.2软件流程 .103.1.3软件代码 .103.2AD 检测模块.133.2.1软件设计方案 .143.2.2软件流程图

3、.143.2.3 3 .14软件代码3.3超声波测距模块 .163.3.1软件设计方案 .163.3.2软件流程图 .163.3.3软件代码 .163.4软件整体流程 .233.4.1软件整体设计方案 .233.4.2 主函数程序结构.23第四章系统结果 .255.1超声波测距仪性能介绍.255.2超声波测距仪结果分析.25致谢 .27参考文献.27摘要超声波测距仪要求测量范围在 5cm500cm，测量精度 1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。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，因而超声波常用于距离测量。超声波测距仪，可以应用于汽车倒车、建筑施

4、工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于液位、井深、管道长度等测量的场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因为往往在移动机器人的研制中得到了广泛的应用。本组设计的超声波测距仪采用 HC-SR04 模块实现了超声波的发射与接收，采用 STC12C5A60S2 单片机做为该测距仪的控制核心，此设计易于调试，成本低廉，具有很强的实用价值和良好的市场前景。关键词：超声波传感器，单片机，测距仪第一章概述声波分为纵波和横波等，声波可以在任意介质当中传播称之为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会产生反射，反射波称为回声。假如声波在介

5、质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出从声源到目标的距离。超声波测距仪就是基于上面原理而设计的。这里声波传播的介质为空气，采用的是方向性较好的超声波。1.1系统功能要求基本要求（ 1）最大测距距离 5m，最小测距距离 5cm。（ 2）测量精度小于 1cm。（ 3）人机界面友好，操作方便，用液晶屏或数码管显示测量值。（ 4）自带可充电电池作为电源，充电电池用USB 口充电。发挥部分（ 1）最大测距距离提高到 10m。（ 2）测量精度提高到 5mm。（ 3）使用两套以上设备实现“一问一答”的二次雷达工作方式进行距离测量。各套设备发射不同编码波

6、形实现自身个体身份识别，并以此同时测量自身与其它多个个体之间的距离。1.2系统设计方案根据系统功能要求，本此设计的思路是将系统分为电源模块、主控模块、超声波测距模块、显示模块和充电控制模块五个部分（如图1-1 所示）进行分步设计。图 1-1 系统功能框图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 （ time of flight ），也可以称为回波探测法。超声波发射器向某一方向发射超声

7、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。超声波在空气中(20 ) 的传播速度为340ms(实际速度为344ms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S=340*t2。超声波测距模块超声波测距模块用于实现本系统核心功能，是本次设计首先考虑的内容，超声波测距模块的好坏，直接决定了产品的性能。显示模块显示模块是人际交换的重要平台之一，显示模块的好坏直接决定了用户的体验

8、，所以选择什么样的显示器件也是很重要的。主控模块主控模块是本次设计的核心器件，它起到了“大脑”的作用，在一定程度上决定了产品的性能和功能；强大的单片机可以丰富产品功能，增加用户体验和产品性能，更利于软件开发等。所以选择什么样的单片机更加实惠，性能会更好，也是硬件设计所面临的挑战。电源模块电源模块是超声波测距仪的“心脏” ，只有给超声波测距仪的各个“器官”提高足够的功率，这些“器官”才能发挥自己的作用，所以选择一个适合超声波测距仪的“心脏”也是很重要的，在整体上影响了产品的性能，毕竟超声波测距仪是手持式的，具有便携的功能，电源模块也需要短小精悍。充电控制模块这个模块在超声波测距仪中也是不可缺少的

9、，它性能的优良关系到产品的性能和耐用度。根据设计要求，我们知道需要用USB 接口给充电电池充电，如果我们用USB 接口直接连接外部的 USB 电源的话，那么USB 接口标准电压为 5V ，电池电压不低于5V，这时充电就无法进行。我们为了可以用USB 接口对充电电池充电，采用的是：一个USB 接口母头、升压模块、 JZC-32F 继电器、发光二极管共同组成充电控制模块。在超声波测距仪正常工作时使用电池直接供电，当电量不足时发管二极管点亮来提示电量不足。在为电源模块充电时，外接5v 充电器连接超声波测距仪的USB 接口，通过升压模块来提升充电电压，用单片机来控制继电器为电池充电。第二种方案还带有电

10、池电量检测功能，可以再电池电量不足的时给予提示，避免了由于电池电量不足而影响超声波测距精度。第二章硬件设计2.1超声波测距模块设计方案超声波测距模块用于实现本系统核心功能，是本次设计首先考虑的内容，在设计时，本组确实考虑了两种方案。方案一：选取超声波收发探头作为核心器件，配合外部电路以及超声波信号处理芯片（CX20106）自主设计测距模块。这种方案可以控制超声波的发射接收频率，具有很强系统优化功能，但是外部电路复杂，参数匹配要求较高，且测距的精度和距离不够高。方案二：购买市面上已经成熟的超声波测距模块。这种超声波模块的发射接收频率固定，不具有系统优化的可能，但是信号接收精度高，控制简单。经过比

11、较，方案二既能够满足设计要求，同时对控制程序的要求较低，因此选取方案二作为本模块的设计方案。芯片介绍HC-SR04 芯片是超声波模块，它由STC11 单片机、 MAX232 电平转换芯片、 TL074四个集成的运算放大器组成。使用HC-SR04 超声波模块， 可以很方便的与单片机连接，并且超声波测距的精度很高，驱动程序也很好编写。HC-SR04 超声波模块也是由发射部分和接收部分组成。发射部分包括，STC11 系列的单片机， MAX232 电平转换芯片和超声波发射头组成。接收部分包括：TL074 芯片和超声波接收头。STC11 系列的单片机芯片主要起到控制作用，起到和我们使用的单片机进行通讯，

12、包括 TX 引脚的启动电平和RX 引脚的接收电平。我们将单片机输出TX=1 ，启动信号后，STC11 单片机打开 MAX232 芯片的电源开关，并且输出 8 个 40kHz 的方波信号给 MAX232 芯片，MAX232 芯片是电平转换芯片， 在这里的作用就是电平转换， 将 5V 电平转换到 12V 输出。这样可以提高发射功率，我们知道功率和电压和电流有关，现在电流不变，电压升高，那么超声波发射的功率显然就上升了。功率的提升可以增加超声波检测的距离和精度。正是有了这个模块，所以HC-SR04 的性能这能这样好。 TL074 芯片是 4 个集成运放电路。而且它是低噪声输入的JFET 的运算放大器

13、，可以很好的将超声波接收头接收到的信号，进行放大，整形等。通过三极管控制和STC11 单片机的通讯信号，拉低或者拉高。所有的信号经过 STC11 单片机处理后，和我们使用的主控芯片进行通讯和数据传输。超声波测距模块原理（ 1）超声波测距原理：超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。测量距离 L 为 L=（t2)*c 超声波在空气中的传播速度为340m

14、s,根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距离障碍物的距离（s）即： s=340t2。这就是所谓的时间差测距法。（ 2）原理图：图 2-1 是和单片机连接的原理图；图2-2 是 HC-SR04 内部原理图。图 2-1 HC-SR04 原理图图 2-2 HC-SR04 内部原理图2.2显示模块设计方案在显示模块的设计方案中，选择什么型号的显示器件，关乎到用户体验，本组认为数码管不利于控制，且视觉效果不好，所以选取了1602 液晶屏作为主要显示器件，相对于数码管，液晶屏的显示信息数量更多，而且数据更清晰，这样用户使用时能更清楚、直观的明白距离等信息，同时配合发光二极管作为报警器件，可以拥有更好

15、的用户体验。液晶显示器介绍 11602 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。它由若干个5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，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（用自定义CGRAM ，显示效果也不好） 。1602LCD 是指显示的内容为16X2,即可以显示两行， 每行 16 个字符液晶模块 （显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地

16、应用于市面上大部分的字符型液晶。液晶显示器原理（1）1602 液晶显示器工作原理：1602 液晶显示器的数据接口连接到单片机 STC12C5A60S2 的 P0 口上 ,控制端口连接在 P2 口上面，我们通过 1602 的读写时序，对 RS、 RW 、E 三个端口进行操作，便可以对 1602 进行读操作，写操作；数据也可以和 1602 进行交换，我们可以先写命令，也可以写地址，然后直接发送数据，这样1602 就能识别了。详细的程序会在软件中介绍。（ 2）原理图：图 2-3 是 1602 液晶显示器与单片机连接原理图；图2-4 是 1602 液晶显示器的实物图。图 2-3 1602 液晶屏接线图

17、图 2-4 1602 液晶屏实物图2.3主控模块设计方案主控模块是控制超声波发射与接收的核心器件， 选取什么型号的单片机是至关重要的。 STC59C52RC 单片机使用起来比较简单，程序也容易编写，但是考虑到，以后超声波测距仪功能的拓展和本次设计要求，如检测距离的精度高，且要进行AD 检测等，经过挑选，最终选择了 STC12C5A60S2 单片机作为本次超声波测距模块的主控芯片，这款单片机具有执行速度快，且内部自带AD 转换，符合了本次设计的功能要求。单片机介绍 2STC12C5A60S2ADPWM 系列单片机是宏晶科技生产的单时钟机器周期 (1T) 的单片机，是高速低功耗超强抗干扰的新一代

18、8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 AD 转换 (250KS),针对电机控制，强干扰场合具体功能如下：（ 1）增强型 8051 CPU， 1T，单时钟机器周期，指令代码完全兼容传统8051；（ 2）工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压： 5.5V-3.3V(5V 单片机 )STC12LE5A60S2系列工作电压： 3.6V-2.2V(3V 单片机 )；（ 3）工作频率范围： 0 - 35MHz ，相当于普通 8051 的 0 420MHz ；（ 4）用户应用程序空间8

19、K 16K20K32K40K48K52K60K62K 字节；（ 5）片上集成 1280 字节 RAM ；（ 6）通用 IO 口(364044 个)，复位后为：准双向口弱上拉(普通 8051 传统 IO 口 )，可设置成四种模式：准双向口弱上拉，推挽强上拉，仅为输入高阻，开漏，每个IO 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma ；（ 7） ISP( 在系统可编程 )IAP( 在应用可编程 )，无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（ 8）有 EEPROM 功能 (STC12C5A62S2ADPWM 无内部 EEPROM) ；（ 9）内置看

20、门狗；（ 10）时钟源：外部高精度晶体时钟，内部RC 振荡器 (温漂为 +-5% 到+-10% 以内 ) 1用户在下载用户程序时， 可选择是使用内部RC 振荡器还是外部晶体时钟， 常温下内部 RC振荡器频率为： 5.0V 单片机为： 11MHz 15.5MHz ，3.3V 单片机为： 8MHz 12MHz ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准；（ 11）共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器计数器 ,16 位定时器 T0 和T1 ，没有定时器 2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器再加上 2 路 PCA模块可再实现 2

21、个 16 位定时器；（ 12）2 个时钟输出口， 可由 T0 的溢出在 P3.4T0 输出时钟，可由 T1 的溢出在 P3.5T1输出时钟；（ 13）PWM(2 路)PCA( 可编程计数器阵列 ,2 路)：可用来当 2 路 DA 使用、也可用来再实现 2 个定时器、也可用来再实现 2 个外部中断 (上升沿中断下降沿中断均可分别或同时支持）；（ 14）AD 转换 , 10 位精度 ADC ，共 8 路，转换速度可达 250KS(每秒钟 25 万次 )18.通用全双工异步串行口 (UART) ，由于 STC12 系列是高速的 8051，可再用定时器或 PCA 软件实现多串口。单片机原理（ 1）ST

22、C12C5A60S2 单片机控制原理： 在本次设计中采用了单片机芯片， 单片机采用的是 STC12C5A60S2，采用 11.0592MHz 高精度的晶振，方便以后单片机和上位机通讯。其次是利用单片机对超声波模块发出的 40kHz 的超声波进行计时和距离的计算。根据距离控制 1602 液晶显示屏显示相应的距离，单片机内部自带 ADC ，用于检测电池组的电压，单片机通过检测得到电压数据，而后控制 1602 液晶屏进行电压数据的显示。我们根据不同的电压，控制信号灯进行点亮或者熄灭，也控制电池组进行充电或是不充电。（ 2）原理图：图 2-5 是 STC12C5A60S2 单片机引脚图。图 2-5 S

23、TC12C5A60S2 引脚图2.4总体硬件设计总体设计方案在上面我们已经提到了，我们所有的硬件模块都是根据设计要求而得到的，总体设计思路如下：当接通电源后，电源给所有硬件电路供电，同时单片机对电源模块进行电压检测，因为电池电量和电池电压有直接关系，所以我们可以通过检测电池电压知晓电池的电量，这样在电池没电时，可以发出报警信号，当电池过充时，同样可以报警和利用继电器关闭充电回路。并且单片机可以实时将电池电量显示在1602 液晶屏上面，增加信息量。当上电时，单片机不仅会对电池电压进行检测，而且当电池电压不高不低时， 会控制 HC-SR04超声波模块发出超声波，并且打开定时器，当超声波反射回来的时

24、候，关闭定时器，然后计算出距离数据， 最后驱动 1602 液晶屏显示出来。 这就是我们超声波测距仪的整体设计思路。完整硬件电路图通过上面的设计方案和设计要求，本组设计出了完整的电路图，如图2-6 所示。图 2-6 超声波测距仪完整电路图第三章软件设计3.1 1602 液晶屏显示驱动模块软件设计方案根据 1602 液晶屏的资料，我们可以知道1602 液晶屏有 16 个引脚，数据脚有 8 个，与操作相关的引脚有 3 个，分别是 RS 数据命令选择端、 RW 读写选择端、 E 使能信号。知道这些引脚功能，并且知道了操作 1602 的时序后，就可以编写出 1602 液晶屏的操作读写代码。通过这些读写代

25、码，我们单片机就可以与 1602 液晶屏进行通讯，也就可以让 1602 液晶屏显示出我们想显示的内容了。软件流程我们查询资料可以得到1602 液晶屏的基本操作时序， 如：写命令：RS=0.RW=0,D0-D7=指令码 ,E=高脉冲。写数据： RS=1,RW=0,D0-D7= 数据，E=高脉冲。具体的写时序图如下所示：图 3-1 是写指令时序图；图3-2 是写数据时序图。图 3-1 1602 液晶屏写指令时序图图 3-2 1602 液晶屏写数据时序图软件代码#include<intrins. void delay_ms(unsigned int j);unsigned char P00(u

26、nsigned char i)unsigned char da=0,n;for(n=8;n>0;n-)da=da<<1;da=da+(i&0x01);i=i>>1;return(da);bit lcd_bz()查忙函数bit busy;RS=0;RW=1;E=1;选择目标为指令寄存器读操作拉高E端口_nop_();_nop_();busy=(P0&0x80)>>7;取出D7位（忙信号）busy=P0&0X01;_nop_();_nop_();E=0;E 端产生下降沿return busy;返回忙信号void lcd_wcmd(u

27、nsigned char cmd)写指令函数unsigned char cmd1;while(lcd_bz();查忙cmd1=P00(cmd);RS=0;RW=0;P0=cmd1;E=1;选择目标为指令寄存器写操作发送指令数据拉高E端口_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();E=0;E 端产生下降沿，数据写入指令寄存器void lcd_wdat(unsigned char dat)写数据函数unsigned char dat1;while(lcd_bz();查忙dat1=P00(dat);RS=1;RW=0;P0=dat1;E=1;选择目标为数据寄存器写操作发送显示内容

28、数据拉高E端口_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();E=0;E 端产生下降沿，数据写入指令寄存器void lcd_init()初始化函数lcd_wcmd(0X38);8 位总线，双行显示，字符大小5*7delay_ms(1);lcd_wcmd(0x0c);开显示，无光标delay_ms(1);lcd_wcmd(0x06); 光标向右，文字不移动 delay_ms(1);lcd_wcmd(0x01);清屏delay_ms(1);void display_up(unsigned char *p) 第一行显示函数unsigned char temp=0,i;lcd_wcmd

29、(0x00|0x80);设置显示起始位置为左边第一位for(i=0;i<16;i+)依次显示 16 个字符temp=pi;lcd_wdat(temp);delay_ms(1);void display_down(unsigned char *p) 第二行显示函数unsigned char temp=0,i;lcd_wcmd(0x40|0x80);设定显示起始位置为左边第一位for(i=0;i<16;i+)依次显示 16 个字符temp=pi;lcd_wdat(temp);delay_ms(1);3.2 AD 检测模块软件设计方案在上面的设计要求中有提到，需要用电池供电，且用 USB

30、 接口对电池充电，从这个要求中我们不难看出，一个好的产品必然需要对电池的电量进行检测，只有这样才能算是完整的产品。在硬件设计的时候， 本组就考虑这种情况， 所以选择了 STC12C5A60S2 单片机，这款单片机内部自带 8 路 10 位 AD 转换，精度高，数量多，我们对单片机内部的相关寄存器进行调用就可以完成 AD 转换。因为电池是直接对单片机进行供电，这时，如果电池电压下降，那么单片机检测出来的电压必然是不准确的，所以为了避免这种情况，我们用了两路 AD 转换接口，一路是检测电池电压，另一路是检测基准电压源的输出电压，因为基准电压源的电压值不会随着电池的电压波动而变化，所以可以通过检测这个电压，将这个电压和电池电压之间的比例关系计算出来，就可以实现我们实际测得的电池电压数据是准确的，不会因为电池电压的波动而得到错误的电池电压数据，这样就可以正确的对