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1、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 日目 录目 录目 录i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42.1.2 HC-SR04芯片介绍42.1.3超声波测距模块原理42.2 显示模块52.2.1设计方案52.2.2
2、1602液晶显示器介绍162.2.3 1602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272.3.3 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103.1 1602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103.2 A/D检测模块143.2.1软件设计方案143.2.2软件流程图143.2.3软件代码3153.3 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173.
3、4 软件整体流程243.4.1软件整体设计方案24i目 录3.4.2主函数程序结构24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28ii摘 要摘 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
4、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28滁州职业技术学院应用电子技术专业毕业论文第一章 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
5、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1.1.1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。1.1.2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
6、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。电源模块主控模块充电控制模块显示模块超声波测距模块图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（timeofflight），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
7、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S=340*t/2。1.2.1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。1.2.2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，所以选择什么样的显示器件也是很重要的。1.2.3主
8、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。1.2.4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。1.2.5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，它性能的优良关系到产品
9、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池电量检测功能，可以再电池电量不足的时给予提示，避
10、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2.1.1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。经过比较，方案二既能够满足设计要求，同时对
11、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。2.1.2 HC-SR04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，包括TX引脚的启动电平和RX引脚的接
12、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，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
13、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。2.1.3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=（t/2)*c 超声波在空气中的传播速度为340m/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=340t/2
14、。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2.2.1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，可以拥有更好的用户体验。2.2.2 1602液晶显示器介绍11602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门
15、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应用于市面上大部分的字符型液晶。2.2.3 1602液晶显示器原理（1）1602液晶显示器工作原理：1602液
16、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 图2-4 1602液晶屏实物图2.3 主控模块2.3.1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。STC
17、59C52RC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A/D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A/D转换，符合了本次设计的功能要求。2.3.2 STC12C5A60S2单片机介绍2STC12C5A60S2/AD/PWM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,
18、8路高速10位A/D转换(250K/S),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 0420MHz；（4）用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节；（5）片上集成1280字节RAM；（6）通用I/O口(36/40/44个
19、)，复位后为：准双向口/弱上拉(普通8051传统I/O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I/O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(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片；（8）有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)；（9）内置看门狗；（10）时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C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R/
20、C振荡器还是外部晶体/时钟，常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz，3.3V单片机为：8MHz12MHz，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个16位定时器；（12）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1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D/A使用
21、、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）A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(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。2.3.3 STC12C5A60S2单片机原理（1）STC12C5A60S2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
22、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 STC12C5A60S2引脚图2.4 总体硬件设计2.4.1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
23、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。2.4.2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
24、模块3.1.1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、R/W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。3.1.2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
25、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3.1.3软件代码#include#includeSTC12C5A60S2.Hsbit RS=P25;sbit RW=P26;sbit E=P27;extern void delay_ms(unsigned int j);unsigned char P00(unsigned char i)unsigned char da=0,n;for(n=8;n0;n-)da=da1;return(da);bit lcd_bz()/查忙函数bit busy;RS=0;/选择目标为指
26、令寄存器RW=1;/读操作E=1;/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(unsigned char cmd)/写指令函数unsigned char cmd1;while(lcd_bz();/查忙cmd1=P00(cmd);RS=0;/选择目标为指令寄存器RW=0;/写操作P0=cmd1; /发送指令数据E=1; /拉高E端口_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(
27、);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;/选择目标为数据寄存器RW=0; /写操作P0=dat1; /发送显示内容数据 E=1;/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(
28、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(0x00|0x80);/设置显示起始位置为左边第一位for(i=0;i16;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unsi
29、gned 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;i0;k-)val_av+=AD_zhuanhuan(num);/100次采集求和val_av/=100.0;/求平均值val_av=val_av*5.0/1024;/单片机电源为5V，求真实电压值val_av/=2.5;/通过2.5这个系数，先转换为比例值val_av=5.0/val_av;/通过比例值和5V之间的关系，求出实际电压值return(val_av);3.3 超声波测距模块3.3.1软件设计方案超声波基本设计思路在上面已经提到了，利用的就是超声波发射和反射回
30、来的时间差而计算出声源到目标之间的距离。在本组的超声波测距仪设计中，我们单片机先将HC-SR04的T脚置1，持续时间在10us以上就可以，然后拉低到0.当HC-SR04接收到这个高电平后，会自动发出8个约40kHz的脉冲信号给MAX232，然后MAX232将5V和0V的脉冲变换成+12V和-12的脉冲输出，送给超声波发射探头。当超声波发射完成后，HC-SR04会对R引脚进行拉高处理，单片机在检测到这个引脚变为高电平后，将打开定时器，开始定时，当HC-SR04模块接收到超声波反射回来的信号后，会对R引脚进行拉低处理，这样单片机的引脚也会被拉低，我们在单片机程序中对这个引脚的电平不断的判断，当这个
31、引脚为低电平时，我们认为超声波返回了，这时我们将定时器关闭，然后开始计算距离数据，最后显示到1602液晶屏上面。这就是本组设计的超声波测距仪的软件设计思路。3.3.2软件流程图超声波测距的软件流程如图3-4所示：图3-4超声波测距流程图3.3.3软件代码void Conut()/超声波距离计算函数unsigned long s_t=0;unsigned char i=0,j=0;unsigned int k=0,temp=0;/变量的定义，这里要注意变量的范围float ad1=0;time=(unsigned int)(TH0*256+TL0);/将定时器的时间数据整合在一起TH0=0;/清
32、空定时器数据TL0=0;s_t=(time*188.15)/1000;/计算出实际距离数据ss_num=(unsigned int)s_t;s_num+;if(s_num=10)/利用冒泡算法求出10次的平均值s_num=0;for(i=0;i9;i+)for(j=0;jsj+1)temp=sj;sj=sj+1;sj+1=temp;k=(unsigned int)(s2+s3+s4+s5+s6)/5;if(k0)&(k=120)&(k=220)&k=420)&(k=520)&(k=620)&(k=720)&(k=820)&(k=920)&(k=1020)&(k=3020)&(k=4520)&(
33、k=5020)&(k6020)&(flag=0)k=k+16;flag=1;qq5=(k/1000)%10+0X30;/这里是将距离数据转换成1602显示数据qq6=(k/100)%10+0X30;qq7=(k/10)%10+0X30;qq9=(k/1)%10+0X30;display_up(qq);for(i=0;i10;i+)si=0; flag=0;if(flag_time=1)/对电池电压进行检测判断和显示flag_time=0;ad1=ad_av(0x00);zhuanhuan_1602(ad1);if(sj254000)gyd=0;qyd=1;jdq=1;if(sj2=48000)
34、&(sj28;TL1=(65536-40000)%256;TH0=0;TL0=0;ET1=1; /允许T1中断display_up(qq);delay_ms(1);display_down(shuzu);TR1=1;while(1) while(!RX);/当RX为零时等待 TR0=1; /开启计数while(RX);/当RX为1计数并等待 TR0=0;/关闭计数TR1=0;TH1=(65536-40000)8;TL1=(65536-40000)%256;num=0; Conut();/计算 void timer1(void) interrupt 3/这里利用定时器每隔一段时间开启一次超声波进
35、行测距TH1=(65536-40000)8;TL1=(65536-40000)%256;num+;time2+;if(time2=100)time2=0;flag_time=1;if(num=2)num=0; TRIG=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_()
36、; TRIG=0; 3.4 软件整体流程3.4.1软件整体设计方案在根据设计要求，基本确定了硬件后，就要着手进行软件的设计。本组设计的是超声波测距仪，所以整体的软件都是围绕着超声波测距来实现的，首先像1602液晶屏是拥有自己的操作时序，首先编写出这些固定的程序，把整体的框架给搭建好，在仿真电路中，对硬件进行基本的仿真，看看能不能实现。在实现了硬件的基本功能后，就开始设计超声波测距，根据HC-SR04模块的资料，获得操作的时序，进而进行程序的编写，写好了程序后，利用开发板和HC-SR04模块和1602液晶屏进行第一次整机调试，如果程序可行，那么就开始在精度，测距的速度，显示上面优化了。在整体都可行的基础上，进行电池电压部分的设计，在程序里面添加A/D检测程序，然后随便检测一个电压，看看这个检测的电压准不准确，