1、11 设计任务本文采用超声波传感器,IAP15 单片机以及 LCD 显示模块设计了一种超声波测距显示器，可以实现测量物体到仪器距离以及显示等功能。是一种结构简单、性能稳定、使用方便、价格低廉的超声波距离测量器，具有一定的实用价值。2 设计思路2.1 超声波测距2.1.1 超声波超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收
2、而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向） 。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达
3、的研制方面也得到了广泛的应用。2.1.2 超声波测距原理最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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障碍物面的距离 s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速 V 与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测2距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声
4、速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。距离计算公式：（2-1）=2=2其中 d 为被测物与测距器的距离，s 为声波的来回路程， c 为声波，t 为声波来回所用的时间。其中声速 c 与温度有关。T （2-2）=331.5+0.607如果要提高测距精确度，则必须考虑温度的影响，也可取室温简化电路设计，将温度传感器作为扩展电路，在力所能及的情况下完成。2.1.3 超声波测距模块 HC-SR04HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm 至 400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达 3mm；模块自身包括超声波发射器、接收器与控制电路。实物如图 2-1 所示：图 2-1 HC-SR
5、04 模块实物图HC-SR04 工作原理及说明：1、给 Trig 触发控制信号 IO 端口至少 10us 的高电平信号。2、模块自动发送 8 个 40khz 的方波，并自动检测是否有信号返回。3、有信号返回时，Echo 回响信号输出端口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。4、两次测距时间间隔最少在 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。如图 2-2 所示：3图 2-2 HC-SR04 工作原理2.2 LCD1602 显示屏LCD1602 显示屏实物如图 2-3 所示：图 2-3 LCD1602 显示屏4LCD1602 电路原理图如图 2-4 所示：图 2-4
6、 LCD1602 电路原理图2.3 IAP 单片机IAP15F2K61S2 单片机为增强型 8051CPU，具有 1 个单时钟/机器周期，其工作电压为 4.2V5.5V，速度比普通的 8051 快 812 倍；61K 字节片内 FLASH 程序存储器，片内大容量 2048 字节的 SRAM，大容量的片内 EEPPOM，擦写次数在 10 万次以上；一共有 8 道 10 位高速 ADC，速度高达 30 万次/s，3 路 PWM 还可当 3 路 DA 使用；共有 3 通道比较单元，内部高可靠复位，8 级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路;内部高精度 RC 时钟，内部时钟从 5MHz35MHz 可
7、选，相当于普通 8051 的 60MHz420MHz;两组高速异步串行通信端口，可以在 5 组管脚之间进行切换，分时复用可当 5 组串口使用；各种接口扩展齐全，一根 USB 线实现系统供电、程序下载及通信功能。单片机实物图及引脚图如图 2-5、图 2-6 所示：5图 2-5 IAP 单片机实物图图 2-6 IAP 单片机引脚图62.4 单片机最小系统对于一个单片机系统，能够工作的前提是具有最小系统模块，最小系统一般包括单片机、晶振电路、复位电路。单片机的复位及晶振电路都是常见的接法，电源用一个按键控制接通与断开，使得程序下载变得方便。电路如图 2-7 所示：图 2-7 单片机最小系统2.4.2
8、 电源电路此最小系统中的电源供电模块的电源可以通过计算机的 USB 口供给，也可使用外部稳定的 5V 电源供电模块供给。2.4.1 时钟电路单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。内部时钟电路的晶振频率一般选择在 4MHZ12MHZ 之间（本设计选用 12MHZ） ，外接两个谐振电容，该电容的典型值为30pF。如图 2-8 所示：7图 2-8 时钟电路2.4.3 复位电路按键复位就是在复位电容上并联一个开关，当开关按下时电容被放电、RST 也被拉到高电平，而且由于电容的充电，会保持一段时间的高电平来使单片机复位。如图 2-9：图 2-9 复位电路2.4 系统整体设计系统主要由三部分组成：单
9、片机，超声波测距模块和 LCD1602 显示屏构成。单片机在控制中作为控制器，用于对超声波模块的控制和计时，显示电路主要实时显示测量数值。系统框图如图 2-10 所示：超声波接收单片机控制器超声波发送LCD 显示图 2-10 系统框图83 原理图根据前面对设计的各个相关模块的分别讲述，再结合单片机的引脚功能，从而得到系统整体电路图，如图 3-1 所示： 图 3-1 原理图在图 3-1 中，LCD1602 的 D0 到 D7 连接 10K 上拉排阻并外接到单片机的 P2.0 到P2.7 端口，用于显示所测量距离，超声波 HC-SR04 的 trig 端、echo 端分别接在单片机的P0.0、P3
10、.2 这两个端口，利用单片机的计时器将时间计算出来。最后通过程序设计将计算出的距离显示到 LCD1602 液晶显示屏上。94 PCB 图生成 PCB 如图 4-1、4-2 所示：图 4-1 PCB 原理图图 4-2 PCB 图105 程序流程图5.1 主程序设计这次软件设计使用的软件是 Keil uVision4。Keil 4 集成开发环境是一个窗口化的软件开发平台，它集成了功能强大的编辑器、工程管理器以及各种编译工具 Keil 4 使用简单、功能强大，是设计者完成设计任务的重要保证，还能加速单片机应用程序的开发过程。主程序首先是对系统环境初始化，设定定时器 T0 工作模式为 6 位定时计数器
11、模式，置位总中断允许位 EA 并给显示端口 P2 清 0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1ms（这也就是超声波测距器会有一个最小测距离的原因）后，才打开外中断 0 接收返回的超声波信号。由于采用的是 12MHz 的晶振，计算器每计一个数就是 1us,，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器 T0 中的数（即超声波来回所用的时间）按计算公式计算，即可得被测物体与测距器之间的距离，设计时取声速为 340m/s。超声波测距程序见附录。5.2 程序流程图主程序流程图如图 5-1 所示：开始系统初始化显示结果 0.5s发射超声波脉冲计算距离等待反射超声波图 5-1 主程序流程图
