多功能超声波测距仪系统控制设计
摘 要本课题设计了一款超声波测距仪系统，采用了自上而下的设计方法，将整个超声波测距仪系统软硬件电路划分为LCD1602液晶屏电路、报警电路和距离测量电路等，在主控核心方案的选择方面则使用了STC89C51单片机作为控制器，使用了C语言编写了用于控制STC89C51单片机的程序代码，经过KEIL软件编译生成HEX目标文件后烧录到主控芯片中，通过其GPIO管脚对LCD1602点阵屏幕、有源蜂鸣器和HC-SR04超声波传感器的驱动，能够实现对距离进行非接触式测量并且能够将检测到的距离进行高清晰度的液晶显示等功能的超声波测距仪系统，与此同时用户还可以通过按键对距离阈值进行设置，当检测结果超过距离阈值上下限时能够引起声光报警功能。为了对设计成果的各个环节进行验证，以便从验证结果实现对超声波测距仪系统的优化和改进，经过了多次的实验验证，本系统表现出了稳定的工作状态。
目录
一、 引言
（一） 超声波测距仪的发展背景
（二） 超声波测距仪的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 超声波测距仪的方案设计
（一） 超声波测距原理设计
（二） 系统实现方案框图设计
三、 系统硬件设计
（一） 超声波测距仪主控电路设计
（二） HCSR04传感器电路设计
（三） LCD1602液晶屏电路设计
（四） 报警信号生成电路设计
（五） 按键电路设计
四、 系统软件设计
（一） 超声波测距仪的主程序流程设计
（二） 距离计算子程序设计
（三） 参数显示子程序流程设计
（四） 蜂鸣器子程序流程设计
五、 实物制作与安装
总结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 PCB图
附录三 元件列表
附录四 程序
引言
超声波测距仪的发展背景
本课题将要设计的是一款能够实现高清显示参数、报警和高精度的距离检测等功能的超声波测距仪系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
统，这款系统的发展例程非常清晰，它的出现是伴随着电子技术以及微处理器生产技术的发展而发展的，在这个发展过程中它的最大性能受到了大规模集成技术以及CPU处理速度的较大制约。本课题所说的这种超声波测距仪系统在当前的发展现状下主要是通过单片机等微处理器作为其内部的主控核心，将高性能的CPU嵌入后，通过CPU对外部高性能的传感器模块组以及其他功能芯片进行有序的驱动后，实现对系统外部输入信号的接收，随后通过CPU内部高性能的运算模块实现对信号的处理并产生输出结果，通过对输出模块的驱动从而用户可以得到处理结果。最初超声波测距仪系统的结构功能非常简单，与现如今的微处理器内核架构的智能化系统相差较远，这种最初的系统只能够进行简单的信号接收或者中低速的信号比较等一些初级运算，很难能够实现一些复杂的逻辑运算，从而也就无法实现一些需要借助高运算能力作为前提条件的智能功能，此时的超声波测距仪系统内部电路大部分结构由晶体管等一些基本元器件来进行搭建，由于在电路布局时这些分散的器件之间需要隔开一定的空间间隙，因此在元器件较多时，整个超声波测距仪系统内部的外部体积非常大，所以外部的温度环境因素很容易干扰到系统内部电路的正常工作。现如今的超声波测距仪系统已经实现了大规模的数字化，很少有设计者会再采用传统的模拟电路架构，全数字化架构的优点非常显著，对于系统本身来说，工作性能稳定，极少可能会受到外部环境因素的影响；系统的功能优化非常容易实现，只需要对微处理器芯片内部的程序代码进行重新烧录即可快速的实现产品的更新换代或者缺陷修复，本课题就将以这种数字式的超声波测距仪系统作为研究对象，设计一款满足课题要求的系统。
超声波测距仪的国内外发展现状
目前国内外对于超声波测距仪系统的研究方法侧重点有所差别，国外的研究者主要将研究重心放在了如何研发出更高性能的微处理器并发挥出其最大的性能，使得微处理器芯片能够在超声波测距仪系统中发挥出最大的控制功效，从而实现非常智能的功能；国内的研究者则主要将重点放在了对新型传感器的研发，到目前为止已经研发出了多种用于超声波测距仪系统中的传感器，这些传感器在外形体积、功耗性能以及使用稳定性等参数方面都具有突出的表现。根据最近一份关于目前市面上超声波测距仪系统产品竞争力的调查报告显示，无论是国内还是国外的高端超声波测距仪产品在目前的市场上都占有相当的份额，由于国内最近几年加紧了对于超声波测距仪系统的研究，进步速度非常快，取得的研究成果非常丰硕，所以在国际上具有较大的竞争力。
本文主要研究内容
本文将要研究的是一款能够实现对参数的高清晰显示、产生报警和高精度的距离检测等功能的超声波测距仪系统，在单片机的片外配置了LCD1602液晶屏电路、报警信号生成电路和距离测量电路等功能子电路，下列为本课题将要实现的指标功能：
1、这款超声波的测量范围在0.105.00m，距离检测精度不低于1cm；
2、通过超声波传感器电路的配置，能够实现非接触式的距离测量；
3、通过液晶屏电路的配置，能够将检测结果显示在液晶屏上；
4、用户可以通过按键设定距离阈值的上限和下限；
5、通过超声波传感器电路的配置，能够实现当检测结果超出阈值范围时进行声光报警的功能；
超声波测距仪的方案设计
超声波测距原理设计
本章主要对基于超声波的测距仪的方案进行设计，如下图所示，将被测距离夹于超声波测距仪超声波探头及挡板之间，进行距离测量时，超声波测距仪向挡板（障碍物）发出超声波，超声波在传送到挡板时将会被反射回来并被超声波测距仪的超声波模块接收到。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，因此只要将超声波的发射和反射总时间t测量到就可以得到被测距离S，公式如下：
S=340*t/2
图1 距离测量方案设计
系统实现方案框图设计
本超声波测距仪系统所要实现的各项功能指标在上文中已经进行了预期设计，现在开始对各个功能指标的实现方法进行设计，如下图中的系统结构框图所示，整个系统将以STC89C51单片机作为主控微处理器，通过它的GPIO管脚实现对片外的参数显示电路、报警信号生成电路和HCSR04超声波传感器电路的驱动控制，结构框图中的STC89C51单片机芯片、晶振电路以及复位电路三个部分将组成单片机最小系统电路。参数显示电路用于实现点阵显示的功能，报警信号生成电路用于实现发送报警的功能，距离测量电路用于实现快速检测距离的功能，。
目录
一、 引言
（一） 超声波测距仪的发展背景
（二） 超声波测距仪的国内外发展现状
（三） 本文主要研究内容
二、 超声波测距仪的方案设计
（一） 超声波测距原理设计
（二） 系统实现方案框图设计
三、 系统硬件设计
（一） 超声波测距仪主控电路设计
（二） HCSR04传感器电路设计
（三） LCD1602液晶屏电路设计
（四） 报警信号生成电路设计
（五） 按键电路设计
四、 系统软件设计
（一） 超声波测距仪的主程序流程设计
（二） 距离计算子程序设计
（三） 参数显示子程序流程设计
（四） 蜂鸣器子程序流程设计
五、 实物制作与安装
总结
参考文献
致 谢
附录一 原理图
附录二 PCB图
附录三 元件列表
附录四 程序
引言
超声波测距仪的发展背景
本课题将要设计的是一款能够实现高清显示参数、报警和高精度的距离检测等功能的超声波测距仪系 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
统，这款系统的发展例程非常清晰，它的出现是伴随着电子技术以及微处理器生产技术的发展而发展的，在这个发展过程中它的最大性能受到了大规模集成技术以及CPU处理速度的较大制约。本课题所说的这种超声波测距仪系统在当前的发展现状下主要是通过单片机等微处理器作为其内部的主控核心，将高性能的CPU嵌入后，通过CPU对外部高性能的传感器模块组以及其他功能芯片进行有序的驱动后，实现对系统外部输入信号的接收，随后通过CPU内部高性能的运算模块实现对信号的处理并产生输出结果，通过对输出模块的驱动从而用户可以得到处理结果。最初超声波测距仪系统的结构功能非常简单，与现如今的微处理器内核架构的智能化系统相差较远，这种最初的系统只能够进行简单的信号接收或者中低速的信号比较等一些初级运算，很难能够实现一些复杂的逻辑运算，从而也就无法实现一些需要借助高运算能力作为前提条件的智能功能，此时的超声波测距仪系统内部电路大部分结构由晶体管等一些基本元器件来进行搭建，由于在电路布局时这些分散的器件之间需要隔开一定的空间间隙，因此在元器件较多时，整个超声波测距仪系统内部的外部体积非常大，所以外部的温度环境因素很容易干扰到系统内部电路的正常工作。现如今的超声波测距仪系统已经实现了大规模的数字化，很少有设计者会再采用传统的模拟电路架构，全数字化架构的优点非常显著，对于系统本身来说，工作性能稳定，极少可能会受到外部环境因素的影响；系统的功能优化非常容易实现，只需要对微处理器芯片内部的程序代码进行重新烧录即可快速的实现产品的更新换代或者缺陷修复，本课题就将以这种数字式的超声波测距仪系统作为研究对象，设计一款满足课题要求的系统。
超声波测距仪的国内外发展现状
目前国内外对于超声波测距仪系统的研究方法侧重点有所差别，国外的研究者主要将研究重心放在了如何研发出更高性能的微处理器并发挥出其最大的性能，使得微处理器芯片能够在超声波测距仪系统中发挥出最大的控制功效，从而实现非常智能的功能；国内的研究者则主要将重点放在了对新型传感器的研发，到目前为止已经研发出了多种用于超声波测距仪系统中的传感器，这些传感器在外形体积、功耗性能以及使用稳定性等参数方面都具有突出的表现。根据最近一份关于目前市面上超声波测距仪系统产品竞争力的调查报告显示，无论是国内还是国外的高端超声波测距仪产品在目前的市场上都占有相当的份额，由于国内最近几年加紧了对于超声波测距仪系统的研究，进步速度非常快，取得的研究成果非常丰硕，所以在国际上具有较大的竞争力。
本文主要研究内容
本文将要研究的是一款能够实现对参数的高清晰显示、产生报警和高精度的距离检测等功能的超声波测距仪系统，在单片机的片外配置了LCD1602液晶屏电路、报警信号生成电路和距离测量电路等功能子电路，下列为本课题将要实现的指标功能：
1、这款超声波的测量范围在0.105.00m，距离检测精度不低于1cm；
2、通过超声波传感器电路的配置，能够实现非接触式的距离测量；
3、通过液晶屏电路的配置，能够将检测结果显示在液晶屏上；
4、用户可以通过按键设定距离阈值的上限和下限；
5、通过超声波传感器电路的配置，能够实现当检测结果超出阈值范围时进行声光报警的功能；
超声波测距仪的方案设计
超声波测距原理设计
本章主要对基于超声波的测距仪的方案进行设计，如下图所示，将被测距离夹于超声波测距仪超声波探头及挡板之间，进行距离测量时，超声波测距仪向挡板（障碍物）发出超声波，超声波在传送到挡板时将会被反射回来并被超声波测距仪的超声波模块接收到。由于超声波在空气中的传播速度为340m/s，因此只要将超声波的发射和反射总时间t测量到就可以得到被测距离S，公式如下：
S=340*t/2
图1 距离测量方案设计
系统实现方案框图设计
本超声波测距仪系统所要实现的各项功能指标在上文中已经进行了预期设计，现在开始对各个功能指标的实现方法进行设计，如下图中的系统结构框图所示，整个系统将以STC89C51单片机作为主控微处理器，通过它的GPIO管脚实现对片外的参数显示电路、报警信号生成电路和HCSR04超声波传感器电路的驱动控制，结构框图中的STC89C51单片机芯片、晶振电路以及复位电路三个部分将组成单片机最小系统电路。参数显示电路用于实现点阵显示的功能，报警信号生成电路用于实现发送报警的功能，距离测量电路用于实现快速检测距离的功能，。
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