電子信息系統綜合設計報告超聲波測距儀&目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"摘要 3\o"CurrentDocument"第一章緒論 3)設計要求 3理論基礎 3\o"CurrentDocument"系統概述 4\o"CurrentDocument"第二章方案論證 4\o"CurrentDocument"系統控制模塊 5|\o"CurrentDocument"距離測量模塊 5\o"CurrentDocument"溫度測量模塊 5\o"CurrentDocument"實時顯示模塊 5\o"CurrentDocument"蜂鳴報警模塊 6\o"CurrentDocument"第三章硬件電路設計 6*\o"CurrentDocument"超聲波收發電路 6\o"CurrentDocument"溫度測量電路 7\o"CurrentDocument"顯示電路 8蜂鳴器報警電路 9\o"CurrentDocument"第四章軟件設計 10】\o"CurrentDocument"第五章調試過程中遇到的問題及解決 11\o"CurrentDocument"畫PCB及制作 11\o"CurrentDocument"焊接問題及解決 11\o"CurrentDocument"軟件調試 11\o"CurrentDocument"實驗總結 12)附件 13元器件清單 13\o"CurrentDocument"HC-SR04超聲波測距模塊說明書 14\o"CurrentDocument"電路原理圖 16\o"CurrentDocument"PCB圖 16(\o"CurrentDocument"程序 17摘要該系統是一個以單片機技術為核心,實現實時測量并顯示距離的超聲波測距系統。系統主要由超聲波收發模塊、溫度補償電路、LED顯示電路、CPU處理電路、蜂鳴器報警電路等5部分組成。系統測量距離的原理是先通過單片機發出40KHz方波串，然后檢測超聲波接收端是否接收到遇到障礙物反射的回波，同時測溫裝置檢測環境溫度。單片機利用收到回波所用的時間和溫度補償得到的聲速計算出距離，顯示當前距離與溫度，按照不同閾值進行蜂鳴報警。由于超聲波檢測具有迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制的特點，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在生產生活中得到廣泛的應用，例如超聲波探傷、液位測量、汽車倒車雷達等。關鍵詞：超聲波測距溫度測量單片機LED數碼管顯示蜂鳴報警第一章緒論1.1設計要求設計一個超聲波測距儀，實現以下功能(1)$(2)測量距離要求不低于2米；(2)(3)測量精度±lcm；(3)超限蜂鳴器或語音報警。1.2理論基礎一、 超聲波傳感器基礎知識超聲波傳感器是利用晶體的壓電效應和電致伸縮效應，將機械能與電能相互轉換，并利用波的特性，實現對各種參量的測量。超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關，與環境條件也有關：在氣體中，超聲波的傳播速度與氣體種類、壓力及溫度有關，在空氣中傳播速度為C=+oC(m/s)式中，t為環境溫度，單位為oC.二、 壓電式超聲波發生器原理|壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。三、超聲波測距原理由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在空氣中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求。超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C,根據計時器記錄的時間t,就可以計算出發射點距障礙物的距離（S）,即：s=Ct/2 。[從上面超聲波特性可以知道：超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有關：C=+0C（m/s），如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的，典型的環境溫度與超聲波的傳播速度的關系為：溫度（°C）-30-20-100102030100聲速（米/稱）313319325323》3383443493861.3系統概述1.4超聲波測距儀主要由超聲波收發裝置、單片機、測溫裝置、報警裝置、LCD顯示等組成。系統檢測距離的原理是通過單片機發出40kHz的方波脈沖信號后，檢測接收端是否能夠接收到遇障礙物反射的回波，同時，測溫裝置檢測環境溫度。單片機利用收到回波所用的時間和溫度補償得到的聲速計算出距離，同時顯示出當前距離與溫度。測量距離范圍為2?250cm。可測量溫度范圍為-30?150°C。有溫度與距離顯示，誤差小，精度高。蜂鳴器預警和距離采樣頻率動態變化，距離越遠，采樣越慢。＞蜂鳴器報警電路圖一系統框圖第二章方案論證系統控制模塊控制器主要用于控制超聲波起振脈沖的產生、對回波信號的處理、溫度測量模塊、蜂鳴報警以及顯示模塊的控制。采用STC89C52單片機作為系統控制器。它的運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現各種算法和邏輯控制，并且功耗低，成本低，技術成熟。其程序可以采用C語言編寫，可讀性強，燒寫程序容易，這大大加快了系統的開發與調試。而且STC89C52有2個獨立的定時器，兩個獨立的外部中斷，正好可以達到我們的要求；IO足夠，還可外拓功能（如進行報警器的接入）。距離測量模塊采用超聲波傳感器測距。由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射、也能夠聚焦，而且遵循幾何光學上的定律，即超聲波從一種物質表面反射時，反射角等于入射角。超聲波具有較好的指向性，頻率越高，指向性越強，具有較高的分辨率，因而其測試精度也較其他方法高。而且超聲波傳感器具有體積小，結構簡單，信號處理可靠性高的特點，價格較便宜，成功案例較多，可行性很高。這里選用HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊性能穩定，測度距離精確，超微型，只相當于兩個發射、接收頭的面積,無盲區，反應速度快（10ms的測量周期）。溫度測量模塊方案一：采用熱敏電阻。熱敏電阻體積小，使用方便，但是精度、重復性、可靠性較差，對于檢測1攝氏度的信號是不適用的。在溫度測量系統中，采用單片溫度傳感器，比如AD590,LM35、TMP75等。但這些芯片輸出的都是模擬信號，必須經過A/D轉換后才能送給計算機，這樣就使得測溫裝置的結構較復雜。方案二:采用數字溫度芯片DS18B20測量溫度。測溫范圍是-55——+125攝氏度,固有測溫分辨率是攝氏度。輸出信號全數字化，便于單片機處理及控制，省去傳統測溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學性很穩定，線形較好，能很好地滿足此次測溫要求。經過以上比較，決定采用方案二。實時顯示模塊方案一：使用液晶顯示屏顯示。液晶顯示屏(LCD)具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示及影像穩定不閃爍等優勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強等特點。但是由于只需要顯示溫度和距離，信息量較少而液晶顯示占用的控制資源較多，切對外界環境要求高，不宜維護。方案二:使用傳統的數碼管顯示。數碼管的特點:低能耗、低損耗、壽命長，對外界環境要求低，易于維護，同時其精度比較高，稱量快，操作簡單。數碼管是采用BCD編碼顯示數字，程序編譯容易，資源占用較少。》根據以上的論述，采用方案二。蜂鳴報警模塊方案一：采用語音芯片ISD1420,WT588D系列等。音質好，播報清晰，有較高的靈敏度，但是增加了硬件電路的復雜度，使得設計和焊接的難度加大。而且對單片機和語音芯片的要求都比較高。方案二：采用蜂鳴器報警。在單片機的外圍接一個蜂鳴器實現報警，而控制部分完全由單片機軟件編程實現，使得設計變得更加簡單，成本也更加低了。根據上面的論述，擬定采取方案二。第三章硬件電路設計硬件設計主要包括以下幾個模塊：超聲波收發電路，蜂鳴器報警電路，溫度測量電路，顯示電路等。以下是各個模塊具體內容。超聲波收發電路HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm；模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。

基本工作原理：(采用IO口TRIG觸發測距，給最少lOus的高電平信呈；模塊自動發送8個40KHZ的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口ECHO輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。電氣參數HCSR04超聲波模塊工作電壓DC5V1】作電流lfimA工作碩率40kHz最遠射程4in最近射程2cm測量角度15度輸入觸發信號lOuS的TTL骯沖輸岀回響信號輸出TTL電平信號，與射程成比例|圖二HC-SR04模塊電氣參數本系統中超聲波的收發用單片機的、口控制，如圖：HC-SR04VCC溫度測量電路\溫度補償電路采用DS18B20芯片，DS18B20是美國DALLAS半導體公司生產的可組網數字式溫度傳感器，在其內部使用了在板(ON-B0ARD)專利技術。全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。與其它溫度傳感器相比，DS1820具有以下特性：

獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS1820的雙向通訊。DS1820支持多點組網功能，多個DS1820可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫。DS1820在使用中不需要任何外圍元件。溫范圍一55°C?_125°C，固有測溫分辨率。C。(5)測量結果以9位數字量方式串行傳送。DS18B20內部結構框圖如圖三所示：圖三DS18B20內部結構框圖DS18B20測溫原理如圖四所示。圖中低溫度系數晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給計數器1。高溫度系數晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為計數器2的脈沖輸入。計數器1和溫度寄存器被預置在一55C所對應的一個基數值。計數器1對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行減法計數，當計數器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數器1的預置將重新被裝入，計數器1重新開始對低溫度系數晶振產生的脈沖信號進行計數，如此循環直到計數器2計數到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數值即為所測溫度。圖2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數器1的預置值。*隔社燈親遨炳品 隔社燈親遨炳品 ?|計裁趙釘伴止比報圖四DS18B20測溫原理本系統中溫度模塊用單片機的口控制，如圖：顯示電路數碼管是一類價格便宜使用簡單，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，使其發亮，從而顯示出數字能夠顯示時間、日期、溫度等所有可用數字表示的參數的器件。數碼管由7個發光二極管組成，行成一個日字形，通過解碼電路得到的數碼接通相應的發光二極管而形成相應的字，這就是它的工作原理。數碼管按各發光二極管電極的連接方式分為共陽數碼管和共陰數碼管兩種。數碼管的顯示方式可以分為靜態顯示與動態顯示兩類。其中動態顯示接口是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態顯示是將所有數碼管通過分時輪流控制各個數碼管的COM端，就使各個數碼管輪流受控顯示。將所有數碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端連在一起，另外為每個數碼管的公共極COM增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數碼管就不會亮。在輪流顯示過程中，每位數碼管的點亮時間為l~2ms,由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位數碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩定的顯示數據，不會有閃爍感，動態顯示的效果和靜態是一樣的，但是可以節約大量的I/O端口，降低功耗。本系統的顯示電路采用簡單實用的4位共陽數碼管，段碼輸出端口為單片機的P0口，位碼輸出端口為單片機的，，，口。顯示電路如圖：蜂鳴器報警電路第四章軟件設計超聲波測距的軟件設計主要由主程序、超聲波收發模塊控制程序及距離和溫度顯示子程序，報警子程序等組成。整個程序運用C語言進行編寫，大量使用子函數的調用和函數嵌套，使得程序清晰簡潔，卻可以實現較復雜的算法。程序流程圖如下：[報警判斷(顯示距離發送超聲波溫度檢測和補償計算距離顯示溫度/[報警判斷(顯示距離發送超聲波溫度檢測和補償計算距離顯示溫度/開始系統初始化主程序首先對系統環境初始化，置位總中斷允許位EA并給顯示端口清零，然后調用超聲波發射子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發，需要延時后才打開外中斷0接收返回信號。一旦檢測到返回信號，立即進入中斷程序，結束記時，并保存時間，進行計算、編碼，與發送編碼比較，若不符則重發；若小于報警距離則發出警報。若沒有檢測到返回信號，則判斷接收限時是否已到，若接收限時未到，則繼續巡回檢測接收，否則返回發射狀態重發。第五章調試過程中遇到的問題及解決畫PCB及制作由于我們組三個成員都沒有畫PCB及制作的經驗，所以PCB的制作花費了較大的力氣，相當于是從零做起。首先我們安裝了AltiumDesigner，然后在網上下載了相關的學習資料和教學視頻，自己初步繪制了電路原理圖。在生成PCB的時候，遇到了較大的困難。由于我們畫的原理圖只考慮了電路的邏輯正確性，而沒有考慮布線的復雜度和可行性，以至于軟件自動布線后生成的PCB線路混亂，手動調整難度相當大。在和店家溝通后，我們對原理圖的線路進行了改動，盡可能使其規整和清晰，生成PCB后果然有了很大的改觀，手動調整布線的工程量也大大降低。焊接問題及解決焊接過程總體來說比較順利，元件不是很多，也不存在高焊接難度的芯片。但是遇到的一個最大的問題是三極管的型號問題：在LED顯示驅動電路中我們用的四個三極管是PNP型的，而在驅動蜂鳴器的時候我們需要的是NPN型的。但是由于制作PCB板的時候，我們沒有跟店家做特別的說明，導致板子上的三極管封裝都做成了PNP型的。經過仔細詢問店家，確保無誤后，我們采用了反接PNP三極管的辦法，使其達到NPN的效果。且經過實驗測定，發現該辦法可行，對實驗結果不影響。這樣就避免了我們再次制板，節省了時間，降低了成本。軟件調試軟件的調試的過程相對硬件來說較為漫長和辛苦。因為軟件部分的主程序我們是參考老師給出的模板，所以調試過程中遇到了很多端口和子函數調用方面的問題。最典型的是以下幾個：（1）在初次燒寫程序后，我們發現數碼管根本無法顯示，報警功能也無法實現。【解決辦法】我們采用軟硬件分開調試的辦法。用學習板在我們的單片機中重新載入了一個測試程序，裝進模塊后發現數碼管可以正常顯示，由此確定電路和焊接是正確的，問題肯定出在程序上。于是我們仔細檢查了程序，發現由于疏忽，我們把顯示端口寫錯了。經過修改，數碼管得以正確顯示。2)在電路可以顯示距離后，經過多次實驗，我們發現溫度補償后換算得到的距離誤差較大。解決辦法】我們將程序中進行溫度補償的程序段代碼，直接修改為我們常用的聲速340m/s，保留了溫度轉換的功能，但是并不真正根據實時的溫度計算距離，改過以后測量的準確度大大提高。3)距離和溫度顯示時，最高位數碼管的值出現亂碼。解決辦法】在設計電路時，我們用了七段四位數碼管，并且把它的四個位全部接進了電路。但是實際顯示時，我們最多只需要三位，所以我們采用把溫度和距離顯示函數中的最高位給零的辦法，避免了亂碼的閃爍和跳動。實驗數據》溫度(°C)1010101010101111實距(cm)$510152030)4050100測距1—;15192941I5099測距2一一1519304150@98測距3一一14$2030405099)均值一一)50誤差<報警報警———￥0—溫度(C)1110101010101111實距(cm)120140160180190200￥宿舍咼宿舍長測距1121141)160179192198304494測距2121142161192200304494179@測距3120140161180[192200304494均值~141192{304494誤差+++—++00實驗總結本系統以AT85S52單片機為核心，利用傳感器技術，單片機技術，顯示技術等并配合一套獨特的軟件算法實現了測距、溫度和距離的實時顯示、報警等功能。在系統設計過程中力求硬件電路簡單，充分發揮軟件編程方便靈活的特點，來滿足系統設計要求。這次項目完成過程中我們收獲很大，由于我們組三個成員以前都沒有接觸過相關知識，包括AltiumDesigner軟件的使用、單片機的原理和編程等，都是從零學起。在軟件調試的時候，遇到了很多問題，我們查閱了大量的書籍和資料，重新學習和復習C語言，反復檢查程序并加以修正。不僅增長了很多知識，更積累了制作和調試電路的經歷。在實驗過程中，我們做到了嚴格的分工，有同學負責收集資料和原理學習及，有同學負責硬件電路設計和PCB繪制，還有文字功底比較強的同學負責實驗報告的撰寫，大家一起討論完成了程序的編寫和調試。但是由于時間和水平有限，還存在很多缺陷。比如我們并沒有做到美觀大方的液晶顯示，只是采用數碼管簡單顯示了溫度和距離；沒有做到優質清晰的語音報警，僅僅實現了超限蜂鳴報警的功能。這次實驗警醒我們在以后的學習不僅要加強編程能力，而且要勤動手進行硬件方面的實踐，否則在真正用到的時候就只能是心有余而力不足。總之，這次實驗是對我們學習能力和以前學習成果的一個非常好的檢驗。我們學到了知識，也認識了不足，這將對我們以后的學習和工作起到很大的幫助和引導作用。]附件@附件元器件清單芯片類：STC89C52單片機超聲波收發模塊LED7段4位數碼管DS18B20溫度芯片蜂鳴器器件類：晶振：12MHZ電阻：510Q 8只6只1只1只瓷片電容：20pF 2只》電解電容：uF1只三極管：8550(PNP)5只按鍵：1個HC-SR04超聲波測距模塊說明書HC-SR04超聲波測距模塊說明書1.廣品笹用UHC5RM趙聲波礙趴棋決可握供2cm-4Wkm旳卄摟繼式即離感測功能.鴻

眾精度可達髙到書皿：模箜也聒赳聲鍍盂射器、接收瞬與竝制電酣a基車12佇原坯；口〕采用B1口IRlGft*g?lHi?給遇少10丄的高電平信墾.⑵纓壤自動蟻這E個働血的唐渡，自動檢測址舌fl■佶崢返回；苗］有信號返回*泡過D口ECHO輸岀個髙電平.商電平持讀的時間就是超聲波從發肘到逗回的時冋「測試即高二（:高電平時間*茴遽W40M巧圖一實物圈2.藝暢團：圖一實物圈岫右I劉搖線?VCC5V電源.GND為地線.TRIG邑發控制信號輛A.ECHO回響倍號爛I出3四個接口端。3,電r委救:屯吒罄處HC^5RD4fe聲涯懂塊匚作電樂DC^V匸作電祖15mA匸件額率40kHz址遠騁程斗noJcin樹侗:軸度15度輸入般訖佶號l&u&tfllTLB^輸H購響苗耳霜由:FTL扈甲信住與肘程戒比例4,趨聲爐時序03：UuS曲TTL熾佗號 —ns響趙平希■岀耳倒關E馮戍訊倒圖二?-超聲波肘序圏以卜吋序圖住明佛只幣亞提供個lOuSUL卜舐沖融發拾該模戻內郵誓握出壬傘AOkHzJS］期屯平并檢測回豔.旦檢騙到有回疫桔殆則體出回響信礙?回啊信弓的陸:沖邀度與所洲的祁成正比.由就逋過發射佶號別收到的問響特號時間間隔可以■計律得禺因離。醫&u￡；3B=M^^者uS」M8=英寸|或是壬fliM=高電乎時備T由建CSJOkL'S)/2：建說測雖⑹期為豹皿邸上?也應止發射佶匕燉回響信號的箱響?注：X此離塊不宜幣電覽搖*若要幫電連為崩先老舉塊的CMDifi先雀flb杳則會修響揍塊的正常工柞*1.別貶時，皺測物悻韻面稅平少于山呂平才米亀平ifi盡it要求平蠱，吾則黑響和肚的5,賓翰規裕：！電路原理圖=E-EZ￡411冷VC3PCB圖程序)#include<>}voidw_lbyte_dsl8b20(unsignedcharvalue)//向DS18B20寫一字節的數據{unsignedchari=0;for(i=0;i<8;i++)>{wendu=1;_nop_();_nop_();wendu=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();wendu=value&0x01;//最低位移出delay(6);】value>>=1;}wendu=1;}unsignedcharr_1byte_ds18b20(void)//讀一個字節{unsignedchari=0;unsignedcharvalue=0;for(i=0;i<8;i++){value>>=1;wendu=0;_nop_();_nop_();_nop_();wendu=1;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();》if(wendu==l)value|=0x80; //相當于value=value|0x80;delay(6);}wendu=1;returnvalue;/}readtemp_ds18b20()//讀取溫度{unsignedcharn=0;rest_ds18b20();//復位(w_1byte_ds18b20(0xcc);//跳過讀序列號的操作w_1byte_ds18b20(0x44);//啟動溫度轉換delay(6);rest_ds18b20();w_1byte_ds18b20(0xcc);//跳過讀序列號的操作w_1byte_ds18b20(0xbe);//讀取溫度寄存器templ=r_1byte_ds18b20();//溫度低8位temph=r_1byte_ds18b20();//溫度高8位if(temph>127) //當符號位為1時，先將補碼變為原碼，再計算十進制值{temph=256-temph;templ=256-templ;n=1;number[4]=(((templ&0xf0)>>4)|((temph&0x0f)<<4));//溫度值為中間16位speed=(number[4]*3/5+331+20)/100;number[2]=number[4]/100;number[4]=number[4]%100;number[1]=number[4]/10;number[0]=number[4]%10;number[3]=0;if(n){number[3]=