【《某超声波测距系统的硬件和软件设计案例》7200字】

某超声波测距系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21781某超声波测距系统的硬件和软件设计案例 129714第1章系统硬件设计 150511.1单片机最小系统电路 1321441.2HC-SR04超声波模块 3270251.2.1超声波模块使用的器件 3238731.2.2超声波模块的参数与工作原理 5323941.2.3超声波电路 7315691.3数码管显示电路 787081.4报警模块 8230451.2.1蜂鸣器电路 8256331.2.2发光二级管 9194881.2.3报警电路 9274221.5按键输入模块 1029161.6本章小结 1027714第2章软件设计 1162132.1程序语言及开发环境 11116052.2程序流程图 11215102.2.1总体流程图 11232352.2.2数码管程序流程图设计 1243042.2.3HC-SR04模块的程序流程图设计 1281442.3本章小结 1328556第3章硬件组装与测试 1465453.1元器件的组装 14249673.2电路的测试 14170283.2.1测试方法 1451553.2.2测试步骤 1492053.3实验测试 15325463.1.1实验目的 15173093.1.2测试数据 16210803.1.3实验结果与分析 16第1章系统硬件设计1.1单片机最小系统电路（1）概述该硬件电路设计的控制核心使用的是STC89C52，通过查资料可以了解到，它具有8K闪存电路，主要用于对数据信息进行有效的存储。通过对STC89C52进行深入研究可以看到，它已经得到了比较普遍的使用，同时，它的研发比较便捷，而易于在电路设计过程中顺利达成。因为它们可以利用缩短产品开发时间并尽可能加快开发速度的优势，因此它受到了各方的推崇。具体的运行期间，STC89C52的速度是比较快的，没有过高的功耗，抗干扰性同样比较出色。大量的引脚使其适用于多模式选项。同时，STC89C52单片机有两个设置：6个时钟/机器周期和12个时钟/机器周期，可以随意选择。选择命令代码期间，单片机要兼容于当前的8051单片机。通过研究可以看到，STC89C52电压范围2.0V-3.5V，频率48MHz；它里面有512BRAM数据存储器，同时，还存在8KB芯片闪存程序。同时，由于STC89C52微控制器具有EEPROM功能，具有复位电路，因此当外部晶振小于20M时，无需连接到相应的外部复位电路上。进行串行通信连接期间，会利用异步串行端口进行针对性的连接。在STC89C52单片机中，相应的封装方法也有很多，这些封装尺寸小且高度兼容。并且，STC89C52单片机中，其加密性能同样比较出色，如果是稳定运行的时候，其功耗是非常低的，同时，其抗干扰功能比较出色。图1.1STC89C52单片机图（2）引脚叙述通过对上图1.1进行研究能够了解到，作为STC89C52引脚图，其特定的引脚功能是：在电源中，VCC芯片电源，与5V电压相连。接地端子为VSS。XTAL1、XTAL2是连接到STC89C52单片机的晶体振荡器电路的外部晶体的引线端口。STC89C52微控制器具有用于地址锁存许可的4条控制线和用于片上EPROM编程脉冲的ALE/PROG控制线。PSEN主要用于从外部ROM读取选通信号。RST/VPD用于重置或备用电源。EA/Vpp控制线主要用于为内部和外部ROM提供选件，并为片上EPROM编程电源。同样从图片中，可以看到I/O端口线路设置主要有四个8位端口P0，P1，P2，P3，P0端口是总线端口，可以在外部存储器读写操作中发挥重要的作用，还能起到时分输出的作用。P1、P2准双向端口，P1是数据传输端口。P2在高8位地址线中使用，不可以当成数据线使用。P3双功能端口，如果当首个功能进行使用期间，有着与P1端口一样的功能。1.2HC-SR04超声波模块HC-SR04超声波测距模块可以提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，其结构简单，使用单片机控制电路简单容易，而且价格便宜。该模块包括超声波发射、接收与控制电路。实物图如图1.2所示。图1.2HC-SR04实物图1.2.1超声波模块使用的器件（1）MAX232Max232是单相转换器版本，专门为标准RS-232通道设计，使用了Maxim+电源。在此用于增加T40-16的拉伸强度。Max232共有14个管脚，如图1.3所示，可分为三部分，第一部分是在泵上，有1、2、3、4、5、6个磁盘和4个管脚，第二部分是数据交换，所有的数据网络是7、8、9、10、11、12、13和14，其中有13英尺（R1），12英尺（R1out），11英尺（t1in），14英尺（t1ut），第二个数据端口8英尺（r2in），9英尺（r2out），10英尺（t2in），7英尺（t2out）的第一条数据线。第三个组件是15针GND，16针VCC（+5V）电源。图1.3MAX232引脚分布图（2）TL074TL074使用了低噪声JFET放大器如图1.4。第一、第二和第三磁盘是第一端口上的数据输入和无输入的结果，第一端口是输出端，分别控制这三个端口的输入和输出节点。针脚12、13和14不会旋转输入端口，后输入和输出端子4则针脚4为电源正极，针脚11为负极。 图1.4TL074引脚分布图（3）T40-16和R40-16许多超声波发生器已经升级为读取和使用光波。通常，超声波发生器可以分为两类：电流产生超声波，其中大多数是压电波，电磁波和电波。还有很多。机械系统产生超声波，其中大多数包括尔统笛、液哨和气流旋笛等。产生的超声波的频率，功率和声音特性不同，因此它们的益处也不同。如今，常用的是压电式超声波发射器。压电超声发生器利用压电晶体的谐振作用进行处理，当它的两极外加脉冲信号，其频率相当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，这样就可以产生超声波。反之，如果两电极间没有外加电压，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。模块使用T40-16T/R如图1.5所示压电型传感器。图1.5传感器图T40-16T/R的特点如下：（1）正常频率（KHz）：40KHz；（2）10度时的电源电压（0dB=0.02MPa）：-110dB；（3）40KHz中的频率70-70dB（0dB=v/s）；（4）距离（m）：0.02-10；（5）外径（mm）：16；（6）类别：通用型；（7）此方法将T用作发送器，将R用作接收器，将TR用作发送器和接收器。（8）应用范围：家用电器及其他电子设备的超声波遥控，电子测距和旋转，防撞设备，水位检测，超声波接近速度和其他超声波应用。1.2.2超声波模块的参数与工作原理（1）电气参数HC-SR04超声波模块参数如下表1.1所示。表1.1超声波模块参数额定电压直流5伏额定电流15毫安额定频率40千赫兹最大距离4米最小距离2厘米角度大小15度输入的触发信号10微秒的TTL脉冲输入的回响信号输出TTL电平信号，和射程成比例尺寸大小45*20*15厘米（2）工作原理只需给一个10us以上脉冲触发信号，此模块的内部将会自动发出8个40KHZ周期电平并且检测回波。一旦检测得到有回波的信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离会是正比关系，由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。HC-SS04工作时系统序列如下图1.7所示。图1.7时序图超声波传感器称为信号传感器，由压电晶体和铁的混合物组成。第一个由两个晶体组成，与非铯的有机晶体相反。压电晶体是非共晶类型的。晶体的性质是它将在外力作用下变形[13]。在晶体断层的影响下，正电荷将丢失，晶体将受到晶体位移的影响，将受到某些正负电荷的影响，将位于压电岩石的顶部。在这种情况下，垫层材料的尺寸和形状将受到与原始形状不同的损坏。除了可以改变磁性物质形状的温度变化外，磁性材料的形状在外部磁性作用下也略有变化。卸下磁铁后，它将恢复正常。最常用的超声传感器是压电的。传感器通常在旋转，无法调节。特殊的晶体传感器是旋转设备。所谓的后向传感器意味着该传感器可以在发射器和接收器上使用。经过分析，系统使用超声波设备HC-SR04。超声波设备中的压电设备工作效率高，生物电效果好。所谓的众所周知的电介质材料是指在一定方向上向晶体施加外力，从而使电极出现在晶体中。在外力的作用下，压电晶体将在晶体材料的顶部产生不同的电荷。断开外部电源后，晶体将处于中间状态，而无需给电池充电。剪应力对应于外力的方向。相反，当将钻石置于常规电场中时，生物电晶体将产生电场缺陷。电子设备尺寸和位置的变化可归因于压电材料的负面影响。由于超声波在介质中以直线状态传播，超声波在非塑性介质中的传播存在一定的差异，这主要反映在超声波的传播频率和防衍射能力上。超声波传播频率越高，反射率越强，衍射能力越弱[14]。由于这些指示符的微妙关系，可以检测时差检测方法和对象的范围。超声波传感器是经常用作超声辐射组件和相应接收组件的能量转换装置。超声波传感器由四个模块组成：超声波接收模块、超声波发射模块、控制模块和电源模块。1.2.3超声波电路声波模块一共引出四个引脚，其中一个接VCC，一个接GND，剩下两个分别接到单片机的IO口。在本设计中，把超声波的ECHO引脚接到单片机的P23口，TRIG引脚接到单片机的P22。超声波电路图如图1.8所示。图1.8超声波电路1.3数码管显示电路数码管模块连接图如图1.9所示。第一和第二引脚连接到圆的GND和VCC。两个引脚都是用于数字流水线工作的电源极。第三个灯由10K电流表设置，并且可以通过控制数字管道更换平衡来进行调整。第四个引脚是连接到微控制器P13引脚的数字注册注册号。第五个引脚是与P1引脚微控制器相关的数字文本控制代码。第六个引脚是数字管的开口，该数字管连接到小型控制器的P15引脚。引脚7至14是8位总线数据/nicetb的地址，该地址连接到单个micro0P0端口。最后，引脚15和16直接连接到VCC和GND系统的后端数字支持组件。图1.9数码管模块连接图1.4报警模块该型号不仅具有超声波操作，还具有报警功能。可以为系统设置警报值。当所测量的距离未达到警报值时，将听到扬声器的声音并且LED指示灯将点亮，以完成警报功能和灯光功能。1.2.1蜂鸣器电路蜂鸣器的驱动电路如图1.10所示。由于蜂鸣器工作时的电流比较大，导致单片机的I/O端口是不能直接驱动的，所以可以利用三极管来驱动。三极管的控制脚（基极）接到单片机P20输出端口，所以单片机的P20输出端口一旦输出低电平，蜂鸣器就会报警鸣叫。图1.10蜂鸣器电路图1.2.2发光二级管发光二极管简称为LED。由含镓（Ga）、砷（As）、磷（P）、氮（N）等的化合物制成。当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。在电路及仪器中作为指示灯，或者组成文字或数字显示。它是半导体二极管的一种，可以把电能转化成光能。发光二极管与普通二极管一样是由一个PN结组成，也具有单向导电性。当给发光二极管加上正向电压后，从P区注入到N区的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数微米内分别与N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。不同的半导体材料中电子和空穴所处的能量状态不同。当电子和空穴复合时释放出的能量多少不同，释放出的能量越多，则发出的光的波长越短。砷化镓二极管发红光，磷化镓二极管发绿光，碳化硅二极管发黄光，氮化镓二极管发蓝光。在这里选择砷化镓二极管发红光，发光二极管的反向击穿电压大于5伏。它的正向伏安特性曲线很陡，使用时必须串联限流电阻以控制通过二极管的电流。1.2.3报警电路对于图1.11所示的LED报警电路，将LED正极调到最大电源，将LED负极连接到P21微控制器和1K电阻系列上，只要芯片P21的电平低，LED灯就可以打开。图1.11报警电路1.5按键输入模块键盘是人与单片机打交道的主要设备。在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按键，否则无效。由于该型号的按键较小，因此仅将三个键称为“设置”，“增加距离”和“减少距离”，因此使用键盘来连接P14，P15和P16的微控制器。按键组合如图1.12所示。图1.12按键电路1.6本章小结本章系统硬件的设计。对单片机模块、超声波模块、数码管显示模块、报警模块和按键输入模块电路的设计。

第2章软件设计2.1程序语言及开发环境C语言是一种程序设计语言，由Bell实验室的DennisEmery于1972年创立，1978年以后发展到大、中、小型和微型工业。独立于计算机硬件的系统编程和程序编写，使用C语言不仅在软件开发中，而且在许多科学研究中都有着广泛的应用和强大的数据管理功能。该程序与3D和2D图形系统以及特殊效果兼容[15]。KeilC51是由KerrSoftware在美国开发的一种51语言软件开发系统。提供了全面的开发应用程序，包括宏集合，网络连接，C编译器，库管理和强大的调试[16]。2.2程序流程图2.2.1总体流程图该系统的软件流程如图5-1所示。图2.1主程序流程图首先启动数码管，包括启动数码管功能和数码管显示屏。然后设置无限循环系统，插入循环的第一步是启动超声系统，通过数码管显示测得的距离，然后确定测得的距离未达到设定值（如果失败）。警报完成第一个任务后，检查按钮以确定是否已按下每个键，如果已按下，则进入警报设置功能。至此，完成了第一轮工作，并且该循环继续进行下一轮扫描。2.2.2数码管程序流程图设计考虑到系统资源的利用，采用了动态查看的方式，采用81155芯片作为接口I/O对系统进行单片机软件的扩展，数码管门用于LED字体的输出，PC端口用于选择数码管位置控制端口，并接受阴极显示器的常用连接方式。设置为查看说明的查看地址计算的距离数据，并在预览中给出查看说明中显示的字符代码的地址。数码管程序流程图设计如图2.2所示。图2.2数码管显示流程图2.2.3HC-SR04模块的程序流程图设计（1）采用I/O口TRIG触发测距，提供至少10us的高电平信号；（2）启动后，模块会自动发送8个40KHz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）如果有信号返回，通过I/O口Echo输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。（4）测试距离=(高电平时间×声速(340m/s))/2；系统的软件流程例如图4-3所示。图2.3超声波模块程序流程图2.3本章小结本章主要是对软件进行设计。首先，介绍了程序语言及开发环境，阐述了系统的总体流程图。然后，详细得介绍了系统的两个重点程序设计，包括数码管程序流程图设计和HC-SR04模块的程序流程图设计。

第3章硬件组装与测试3.1元器件的组装当前选用的组件包括：单片机STC89C52，发光二极管电线，电源开关，电路板，蜂鸣器，晶体管，4位一体数码管显示器，传感器，电容电阻等元器件。这些组件需要在焊接之前仔细搜索信息并了解每种工具的特性。这些组件可以根据型号直接在电子零件市场中直接购买。注意电阻和电容的大小以及连接时芯片的顺序。电阻的大小通常可以通过有色环读取，也可以用数字或者机械万用表进行测量。组装完成的超声波测距仪实物图如图3.1所示。图3.1超声波测距仪实物图3.2电路的测试如果供电电路正常，则是系统能够正常工作的前提。因此，首先调试电源，接通电源，测得电源电压为5V，调试是指改进和检测电路。调试是在组装电路后测量电路的参数和工作条件，而改进是在测试的基础上修改电路的某些参数以满足设计需求。在调试之前，应拟定测试程序，使用的方法和设备，以便知道如何做才能确保电路调试的成功。3.2.1测试方法调试方法有两种：一种是在安装的过程中进行调试，按照程序图的功能和安装调试的原理，将复杂的电路分为几个简单的电路，在简单电路调试的基础上，逐步扩大安装调试的范围，最终完成调试，这种方法在新设计的电路中经常使用。其二是在组装完成后调试。此方法适合用在简单系统和简单电路的电路调试。3.2.2测试步骤（1）通电前检查电路焊接完成功后,先不要直接通电，首先要确保电路接线图认真对照检查电路中的接线无误，包括接线错误，接线是否短路。而且还要检查各个元件引脚的使用端数是否和电路接线图是否相符。检查线路时应使用指针式万用表的“Ω×1”档进行检查或是用数字万用表“Ω”档的蜂鸣器来进行检测，而且检测时应该直接测量元器件引脚，这样检测的同时可以发现引脚是否有接触不良的地方。（2）通电观察在电路安装没有问题的状态下打开电源。但是，不能在通电后立即调试电路功能，首先检查电路有没有故障，电路中各元器件是否在加热和燃烧，有无短路或断路，有无漏电。如果在测试过程中出现电路故障，应立即关闭电源，检查并排除故障，然后重新通电。如有必要，必须测量每个插头的电源电压，而不仅仅是单个设备的总电压，以确保部件的正常工作。（3）单元电路调试调试单元电路时，应明确该部分的调试要求，按照电路原理图中的信号流向进行调试顺序，以便对整个电路进行分步调试，并且可以将之前调试电路的输出信号作为下一个电路的输入信号，以保证电路的调试更加顺畅和方便。单元调试包括静态调试和动态调试，静态调试一般是指在没有附加信号的情况下测试电路各点的电位，特别是有源器件的静态工作点。随着时间的推移，可以发现损坏的关键部件，动态调试就是用前相的输出信号或其自身的信号来验证a机组的不同指标是否符合设计要求，包括信号宽度、波形、相位关系等，对于信号产生电路，通常只看动态指标，并将静态和动态测试结果与设计指标进行了比较。经过深入分析，提出了合理的电路和参数修正方案，调试过程中必须做好详细记录。（4）整机联调每个单元一个电路调试后，由它们组成的整个电路的性能并不一定好，所以必须对整个电路进行调试，整个电路的调试主要是动态性