单片机技术的超声波测试仪系统
引言 1
一、总体设计方案 1
二、系统硬件电路设计 5
1.1电源电路设计 5
1.2显示电路设计 6
1.3主要控制模块电路设计 7
1.4报警模块电路设计 7
1.5报警模块电路设计 7
1.6报警模块电路设计 7
三、系统软件实现 9
四、系统的调试与测试 11
五、结束语 11
附录 13
附录1:主要程序清单 13
附录2：实物图 21
附录3：原理图 22
附录4：PCB布线图及装配图 23
引言
随着科技进步和单片机的广泛使用，生活中越来越多的东西用到了STC系列的单片机，比如洗衣机的内部控制电路，空调的制热控制电路，乃至于汽车的倒车雷达。本文的主要设计就是倒车雷达的前身，利用一块STC89C52系列单片机进行主要的电路控制，利用HC-SR04进行测量距离然后将数据交给单片机处理并在数码管上显示出来，此设计十分便携切成本低廉，又由于单片机的抗干扰能力强，所以能够被广泛使用。
总体设计方案
本设计主要分为6个模块，包括电源的控制模块，按键按钮控制模块，超声波传感器监测模块，4位数码管显示电路控制模块，STC单片机主控制器模块，蜂鸣器报警电路模块。总体设计方案如图1所示
图1 总体设计方案
1.1电源控制模块
电源控制模块也称电源接口电路，此设计中利用一个电源自锁开关来开关机，接上一个2K电阻用来分压限流，当按下开机键时，D1发光二极管会有电流经过然后发光表示电路已经导通。电源接口电路如图2所示。
图2 电源接口电路
1.2 按键按钮控制模块
按键电路主要利用三个按钮开关构成，构造十分简单，但是却在该电路中起到了大左右，在该设计中，S2可以用来进入设置基准报警参数值，S3可以下调报警值数据，S4可以上调报警值数据。S2，S3，S4分别连接单片机P2.0，P2.1，P2.2
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后发光表示电路已经导通。电源接口电路如图2所示。
图2 电源接口电路
1.2 按键按钮控制模块
按键电路主要利用三个按钮开关构成，构造十分简单，但是却在该电路中起到了大左右，在该设计中，S2可以用来进入设置基准报警参数值，S3可以下调报警值数据，S4可以上调报警值数据。S2，S3，S4分别连接单片机P2.0，P2.1，P2.2口。按键按钮控制模块如图3所示
图3 按键按钮控制模块
1.3超声波传感器监测模块
超声波传感器检测模块也是该设计中最为复杂的一块电路设计，他用到了市面上常见的HC-SR04超声波模块，该模块价格便宜且精度高。加一个12M晶振来产生时钟震荡周期，从而使其能够接收到超声波信号，还加入了复位电路，即图中S1并联C1，用来复位电路。并且超声波模块和单片机连接，单片机可以有效接收到超声波模块接受的信号并及时处理反馈。超声波传感器监测模块如图4所示。
图4 超声波传感器监测模块
1.4 4位数码管显示电路控制模块
设计中利用4个数码管进行数据的显示，利用三极管进行电路的驱动，因为三极管不止有放大作用，还可以用作开关，并且9012为PNP型三极管，其基极和发射极的压降为5V，工作电流为0.5A，正好可以驱动LED灯使他正常工作，上啦电阻在单片机设计中十分常见，其作用有两个，第一起到限流，第二则是锁定高电平。4位数码管显示电路控制模块如图5所示
图5 4位数码管显示电路控制模块
1.5 STC单片机主控制器模块
单片机主控制模块主要有上拉电阻用来限流，主控电路选择了STC89C52，因为它的售价低廉但是很实用。此芯片有4个IO口，8位FLASH寄存器以及512M的RAM，其响应速度十分快且频率很高，抗干扰性能也是十分优秀。STC单片机主控制器模块如图6所示。
图6 STC单片机主控制器模块
1.6蜂鸣器报警电路模块
蜂鸣器报警电路设计十分简单 利用一个2K电阻进行分压限流然后通过一个NPN的9012三极管进行开关，此处蜂鸣器为无缘。蜂鸣器报警电路模块如图7所示。
图7 蜂鸣器报警电路模块
系统软件实现
开始对单片机个端口进行初始化，然后单片机给超声波模块指令让其开始工作，超声波模块工作后会返还一个数值，单片机对数值进行分析然后开始处理，处理完和设定的初值进行对比，如果测得值小于设定值，那么单片机给报警模块一个信号让他开始工作并且产生报警，如果测得值大于设定值，那么单片机就产生一个信号，使得超声波模块持续工作，并且工作过程中对测得距离进行实时监控，一旦测得距离小于设定值了，就给报警模块信号让其报警，设计过程中可以通过按键进行超声波报警距离的设定，可以增大报警距离，也可以缩小报警距离。软件设计框图如图8所示
图8 软件设计框图
系统误差分析与改进
1.1 误差产生的原因：
（1）超声波的传播速度受介质影响
因为超声波在固体，液体或者气体中的传播速度也是不一样的，所以当遇到不同介质时他的传播速度也会受到很大的影响。比如一般而言，声波在固体中的传播速度是大于液体种的传播速度且大于气体种的传播速度的。
（2）超声波传播速度受地磁场的异动
由于地球本身存在一定的磁场，人也存在一定的磁场，因此超声波在传播过程中就很容易受到磁场的影响，尤其是地磁场，对于超声波额影响是极大的。
（3）超声波传播速度受辐射干扰影响
超声波传播需要介质，但是不排除传播过程中遇到辐射干扰，因为随着人们科技的进步，所以越来越多的家用电器等产品都存在辐射，尤其是人们经常使用的手机，对于超声波的传播速度有很大影响。
（4）超声波传播速度受温度干扰
超声波的传播速度还受温度的干扰，一般而言，温度越高，超声波的传播速度越快，据网上数值显示，20°时，超声波传播速度为344M/S，但是当温度上升10°，超声波传播速度也上升了将近5M/S，但是温度降低到零下20°时，超声波的传播速度也随之下降了10M/S，因此温度对于超声波的传播速度也存在很大的影响。
