超声波测距仪(液晶屏加报警)设计报告

超声波测距仪(液晶屏加报警)设计报告
-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1
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340*/2S t 。

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
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。

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 <reg52.h>
#include "1602.h"
typedef 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 = P1^3;
sbit Echo = P3^2; //回波必须接在外部中断引脚上
sbit LedAlarm = P3^6; //报警灯，低电平亮
sbit Beep = P3^7; //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<100;bt++); //8M晶振是100
}
//数据初始化
void Data_Init()
{
Trig = 0;
distance = 0;
DisplayCount = 0;
}
//外部中断初始化函数
void INT0_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
void INT0_ISR (void) interrupt 0
{
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。

void Timer0_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
void Timer0_ISR(void) interrupt 1 // 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
void 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;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,"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<8; i++)
{
temp = (In_Date >> i) & 0x01;
Out_Date |= (temp << (7 - i));
}
return Out_Date;
*/
return In_Date;
}
/******************************************************************** * 名称 : enable(uchar del)
* 功能 : 1602命令函数
* 输入 : 输入的命令值
* 输出 : 无
********************************************************************* **/
void enable(uchar del)
P0 = Convert(del);
RS = 0;
RW = 0;
E = 0;
delay();
E = 1;
delay();
}
/******************************************************************** * 名称 : write(uchar del)
* 功能 : 1602写数据函数
* 输入 : 需要写入1602的数据
* 输出 : 无
********************************************************************* **/
void write(uchar del)
{
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
********************************************************************* **/
void L1602_init(void)
{
enable(0x01);
enable(0x38);
enable(0x0c);
enable(0x06);
enable(0xd0);
}
/******************************************************************** * 名称 : L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)
* 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
********************************************************************* **/
void L1602_char(uchar hang,uchar lie,char sign)
{
uchar a;
if(hang == 1) a = 0x80;
if(hang == 2) a = 0xc0;
a = a + lie - 1;
enable(a);
write(sign);
}
/******************************************************************** * 名称 : L1602_string(uchar hang,uchar lie,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"ab cd ef" ，调用该函数如下
L1602_string(1,5,"ab cd ef;")
* 输入 : 行，列，需要输入1602的数据
* 输出 : 无
********************************************************************* **/
void L1602_string(uchar hang,uchar lie,uchar *p)
{
uchar a;
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void L1602_int(uchar hang, uchar lie, int num)
{
uint temp;
uint gewei,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(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、U SB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PL2303芯片所限，没办法！），并打开正确的.hex数据文件。

点击“Download/下载”按纽，窗口出现提示：
Chinese:正在尝试与 MCU/单片机握手连接 ...
Connection is failure. You can try:
1.Give your MCU Power On Reset.
2.Stop operation, then re-select COM Port.
3.Because PLCC-DIP/PQFP-DIP Socket trace too long.
4.Update the STC ISP.exe version.
5.If still error, your MCU Firmware is error
or null.
Chinese:连接失败，请尝试以下操作：
1.在单片机停电状态下，点下载按钮，再给单片机上电
2.停止下载，重新选择 RS-232 串口, 接好电缆
3.可能需要先将 P1.0/P1.1 短接到地
4.可能外部时钟未接
5.因 PLCC、PQFP 转换座引线过长而引起时钟不振荡，请
调整参数
6.可能要升级电脑端的 STC ISP.exe 软件
7.若仍然不成功，可能 MCU/单片机无 ISP 系统引导码，
或需退回升级，或 MCU 已损坏
8.若使用 USB 转 RS-232 串口线下载，可能会遇到不兼容
的问题，可以让我们帮助购买兼容的 USB 转 RS-232
串口线
仍在连接中, 请给 MCU 上电...
按下电路板上的电源按纽，保证其有个失电至上电的过程，则窗口显示开始烧录芯片。

芯片烧录成功后，程序开始运行，超声波测距仪正常工作。