超声波测距仪液晶屏加报警设计报告.docx
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超声波测距仪液晶屏加报警设计报告
超声波测距仪设计报告
一、设计要求
1、提供2cm—400cm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（time of flight），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（℃）
－30
－20
－10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
323
338
344
349
386
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3US-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2US-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4US-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5STC89C52单片机管脚图
该芯片为52核8位单片机，兼容Intel等52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SMC1602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8LCD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.h"
typedefunsignedcharU8;/*definedforunsigned8-bitsintegervariable无符号8位整型*/
typedefsignedcharS8;/*definedforsigned8-bitsintegervariable有符号8位整型*/
typedefunsignedintU16;/*definedforunsigned16-bitsintegervariable无符号16位整型*/
typedefsignedintS16;/*definedforsigned16-bitsintegervariable有符号16位整型*/
typedefunsignedlongU32;/*definedforunsigned32-bitsintegervariable无符号32位整型*/
typedefsignedlongS32;/*definedforsigned32-bitsintegervariable有符号32位整型*/
typedeffloatF32;/*singleprecisionfloatingpointvariable（32bits）单精度浮点数32位长度*/
typedefdoubleF64;/*doubleprecisionfloatingpointvariable（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
#defineSYSTEMCLK921600//11059200/12
#defineT0CLK921600//11059200/12
#defineT1CLK921600//11059200/12
#defineT1PERIOD1000000/921600//T1周期时间，以微秒为单位，约为1.085uS
#defineTIMER0H0xFC//64614/256=252
#defineTIMER0L0x66//54447%256=102
（2）管脚、常量、变量定义和函数声明
//管脚定义
sbitTrig=P1^3;
sbitEcho=P3^2;//回波必须接在外部中断引脚上
sbitLedAlarm=P3^6;//报警灯，低电平亮
sbitBeep=P3^7;//报警蜂鸣器
//定义标志
volatilebitFlagSucceed=0;//测量成功标志
volatilebitFlagDisplay=0;//显示标志
//定义全局变量
U16DisplayCount=0;
U16time=0;
U32distance=0;
//函数声明
voiddelay_20us（）;
voidStart_Module（）;
voidINT0_Init（void）;
voidData_Init（）;
voidTimer0_Init（）;
voidTimer1_Init（）;
（3）各子程序
//20us延时程序，不一定很准
voiddelay_20us（）
{
U16bt;
for（bt=0;bt<100;bt++）;//8M晶振是100
}
//数据初始化
voidData_Init（）
{
Trig=0;
distance=0;
DisplayCount=0;
}
//外部中断初始化函数
voidINT0_Init（void）
{
IT0=0;//负边沿触发中断
EX0=0;//关闭外部中断
}
//外部中断处理用做判断回波电平
voidINT0_ISR（void）interrupt0
{
time=TH1*256+TL1;//取出定时器的值
FlagSucceed=1;//置成功测量的标志
EX0=0;//关闭外部中断
}
//定时器0初始化，16位定时模式，初始化为1ms中断一次。
voidTimer0_Init（）
{
TMOD=0x11;//定时器0和1工作在16位方式
TH0=TIMER0H;
TL0=TIMER0L;
TR0=1;//启动定时器
ET0=1;//允许定时器0中断
}
//定时器0中断,用做显示计时
voidTimer0_ISR（void）interrupt1//定时器0中断是1号
{
TH0=TIMER0H;
TL0=TIMER0L;
DisplayCount++;
if（DisplayCount>=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0xD800
voidTimer1_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
voidStart_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
***********************************************************************/
voidmain（）
{
U16i,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,"Welcometomy"）;
L1602_string（2,1,"distancemeter!
"）;
//延时
for（i=0;i<1000;i++）
for（j=0;j<1000;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（TH1<80）;//盲区
TR1=0;//关闭定时器1
EX0=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.;//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,"DistanceResult:
"）;
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
***********************************************************************/
voiddelay（）
{
inti,j;
for（i=0;i<=10;i++）
for（j=0;j<=2;j++）
;
}
/********************************************************************
*名称:
Convert（ucharIn_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
***********************************************************************/
ucharConvert（ucharIn_Date）
{
/*
uchari,Out_Date=0,temp=0;
for（i=0;i<8;i++）
{
temp=（In_Date>>i）&0x01;
Out_Date|=（temp<<（7-i））;
}
returnOut_Date;
*/
returnIn_Date;
}
/********************************************************************
*名称:
enable（uchardel）
*功能:
1602命令函数
*输入:
输入的命令值
*输出:
无
***********************************************************************/
voidenable（uchardel）
{
P0=Convert（del）;
RS=0;
RW=0;
E=0;
delay（）;
E=1;
delay（）;
}
/********************************************************************
*名称:
write（uchardel）
*功能:
1602写数据函数
*输入:
需要写入1602的数据
*输出:
无
***********************************************************************/
voidwrite（uchardel）
{
P0=Convert（del）;
RS=1;
RW=0;
E=0;
delay（）;
E=1;
delay（）;
}
/********************************************************************
*名称:
L1602_init（）
*功能:
1602初始化，请参考1602的资料
*输入:
无
*输出:
无
***********************************************************************/
voidL1602_init（void）
{
enable（0x01）;
enable（0x38）;
enable（0x0c）;
enable（0x06）;
enable（0xd0）;
}
/********************************************************************
*名称:
L1602_char（ucharhang,ucharlie,charsign）
*功能:
改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符显示"b"，调用该函数如下
L1602_char（1,5,'b'）
*输入:
行，列，需要输入1602的数据
*输出:
无
***********************************************************************/
voidL1602_char（ucharhang,ucharlie,charsign）
{
uchara;
if（hang==1）a=0x80;
if（hang==2）a=0xc0;
a=a+lie-1;
enable（a）;
write（sign）;
}
/********************************************************************
*名称:
L1602_string（ucharhang,ucharlie,uchar*p）
*功能:
改变液晶中某位的值，如果要让第一行，第五个字符开始显示"abcdef"，调用该函数如下
L1602_string（1,5,"abcdef;"）
*输入:
行，列，需要输入1602的数据
*输出:
无
***********************************************************************/
voidL1602_string（ucharhang,ucharlie,uchar*p）
{
uchara;
if（hang==1）a=0x80;
if（hang==2）a=0xc0;
a=a+lie-1;
enable（a）;
while
（1）
{
if（*p=='\0'）break;
write（*p）;
p++;
}
}
//显示整型的温湿度数据用，共占用4位，其中一位符号位
voidL1602_int（ucharhang,ucharlie,intnum）
{
uinttemp;
uintgewei,shiwei,baiwei,sign;
if（num>=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（han
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