基于超声波测距的导盲仪设计 - 图文

本科毕业设计（论文）

基于超声波测距的导盲仪设计

2014年 6 月

本科毕业设计（论文）

基于超声波测距的导盲仪设计

学 院：专 业：学生 姓名：指导 教师：答辩 日期：

摘要

摘要

盲人由于先天或后天的生理缺陷丧失了视觉功能，因而在日常生活和安全行走方面受到了很大的制约。所以，为了协助盲人安全行进，提高他们的生活能力与人身安全，世界各国一直在进行着电子导盲系统的研制。在此背景下，本文设计了一种基于超声波测距的导盲系统。大体上可分为两部分进行设计：测距系统与电源管理系统。

测距系统通过超声波的发送和接收来检测盲人周围各个方向上一段距离内的障碍物信息，并将其转化为声音信号，使盲人从中获知其周围的情况。本文是在基于STC89C52单片机控制的超声波测距原理的基础上，来确定目标范围内障碍物的存在，同时利用US-100超声波模块自带的温度补偿功能来提高系统的精确度。本设计采用的是US-100的串口触发模式，在软件设计中主要包括：串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。

电子导盲仪作为一种便携式电子设备，电源的地位在其研究中占有十分重要的位置。电源管理系统会对电源电压进行实时监控，为系统提供稳定的电源以及根据电量的状态作出相应的反应，这是导盲仪整个系统稳定可靠的重要一环。

关键词 单片机；超声波；US-100；温度补偿； 电源管理系统；

I

燕山大学本科生毕业设计（论文）

Abstract

Due to congenital or acquired physical defects, the blind lose their ability of visual ability, and their life in daily and the safety of travel is restricted seriously. So, in order to help the blind walk safely, improve their quality of life and safety , the whole world has been committed to the research of the electronic guide system. In this background, this paper designs a guide system based on the ultrasonic ranging . This system can be divided into two parts: the distance measurement system and the power management system.

Distance measurement system detects information all directions of an obstruction within a distance around the blind by sending and receiving of ultrasonic , and converts it into sound signal, makes the blind man to learn from its surroundings. This article is on the basis of principle of ultrasonic distance measurement based on single chip microcomputer(STC89C52) control, to determine the presence of obstacles in the scope of the targets , at the same t- ime use US - 100 ultrasonic module with temperature compensation function to improve the accuracy of the system. This design uses the mode of triggering by the serial port.the design in software mainly includes: serial port initialization function, ultrasonic launch function, writing characters function, digital tube scanning function, digital tube display function.

Electronic guide instrument as a kind of portable electronic devices,the status of mobile power supply occupies very important position in the research. Power management system provides real-time monitoring on the power supply voltage, provides a stable power supply for the system, and make corresponding reaction according to the state of the power, this is an important part of the stable and reliable of the whole system.

Keywords single-chip; ultrasonic;US-100;Temperature compensation;Power

management system

II

目 录

摘要………………………………………………………………………….........I Abstract…………………………………………………………………..............II 第1章 绪论………………………………………………………………...........1

1.1 课题背景及意义……………………………………………….............1 1.2 课题的国内外现状……………………………………………….........2 1.3 课题研究的主要内容…………………………………………….........3 1.4 论文结构………………………………………………………….........4 第2章 超声波测距原理..........…………………………………………............5

2.1 超声波的特性……………………………………………….................5 2.1.1 超声波的产生、发射和接收……………………………..............5 2.1.2 超声波的传播特性………………………………………..............6 2.1.3 超声波的温度特性………………………………………..............6 2.2 超声波的测距原理…………………………………………….............7 2.3 基于超声波测距的导盲仪的设计…………………………………….8 2.4 本章小结…………………………………………………….................9 第3章 测距系统硬件部分…………………………………………................10

3.1 单片机系统及外围硬件电路…………………………………...........10 3.1.1 STC89C52单片机介绍…………………………………..............10 3.1.2 STC89C52最小系统及外围电路………………………..............12 3.1.3 数码管显示电路…………………………………………............15 3.1.4 蜂鸣器报警电路…………………………………………............16 3.2 US-100超声波测距模块………………………………………...........16 3.2.1 US-100模块介绍………………………………………....................16 3.2.2 US-100串口测距原理…………………………………....................18 3.2.3 US-100串口测温原理…………………………………....................19 3.3 本章小结……………….………………………………………..........19 第4章 测距系统软件设计及仿真……………………………………….........20

III

4.1 软件程序的总体设计…………………………………………...........20 4.2 主要模块的程序设计…………………………………………...........21 4.2.1 串口初始化函数…………………………………………............22 4.2.2 超声波发射脉冲函数、写字符函数……………………............24 4.2.3 数码管扫描函数…………………………………………............25 4.2.4 数码管显示函数…………………………………………............25 4.3 系统调试与仿真………………………………………………...........26 4.4 测距结果与误差分析…………………………………………...........28 4.5 本章小结………………………………………………………...........30 第5章 电源以及电源管理系统………………………………........................31

5.1 便携式设备可用的几种电源介绍……………………………...........31 5.2 电源的选择及其工作模式……………………………………...........32 5.2.1 电源的选择………………………………………………............32 5.2.2 电源的工作模式…………………………………………............33 5.3 电源管理系统的设计…………………………………………...........34 5.4 本章小结………………………………………………………...........36 结论………………………………………………………………………..........37 参考文献…………………………………………………………………..........38 致谢………………………………………………………………………..........40 附录1 开题报告……………………………………………………………….41 附录2 中期报告……………………………………………………………….45 附录3 英文文献翻译……………………………………………….................51 附录4 英文文献原文…………………………………………….....................61

IV

第1章 绪论

第1章 绪论

1.1 课题背景及意义

视觉能力是我们沟通外部世界、获得认知和信息的主要来源，可以说是人类感觉功能中最重要的一项功能。然而双目失明的盲人由于各种各样先天的生理缺陷和后天的伤害丧失了这一能力，因而在日常生活和安全行走方面受到了很大的制约与限制。我国是世界上盲人最多的国家，目前我国约有近2000万的盲人，这一数量正在以在每年约45万人的速度增长[1]。随着科学技术和现代制造技术的快速发展，现代生活的节奏逐渐加快，普通的盲人拐杖已经无法满足现代生活里盲人的现实需要，导盲犬由于训练难度大，训练费用高也难以发挥高效的作用。盲人事故的屡屡发生，也对电子导盲辅具提出了更高的、更迫切的要求[2]。

为了协助失明群体可以安全行走，提高他们的生活能力，确保他们的人身安全，世界上许多国家一直在进行着电子导盲装置的设计和研发。例如，盲人电子导盲眼镜；盲人语音协助系统；红外线无线电导盲系统等[3]。导盲仪的存在将会极大地扩展盲人朋友的生活范围，丰富他们的日常生活，同时，也能减轻社会以及家庭的负担。所以电子导盲仪的开发和应用会带来巨大的社会效益。

导盲仪各种各样，基于的工作原理也各不相同，基于超声波测距的导盲仪是其中一种。超声波由于其种种的传播特性和优势，在工业和社会生活的各个领域中获得了广泛的应用。近些年来，超声波测距已普遍应用在机器人避障系统[4]：移动机器人的超声波避障系统、智能机器人管家和智能电动车自动避障系统；车载系统[5]：自动泊车系统、自动刹车系统和雷达倒车引导系统；工业制造；航海航空；石油化工、液位测量等中[6]。此外，超声波在医学、材料学以及生命学等领域中也占有重要的地位。

利用超声波实现距离的测量无论是在硬件还是软件编程上都是十分方便且易于实现的。基于超声波测距原理的导盲装置会比其他导盲设备体积更轻便，反应更快捷，测量更精确，更加方便携带。所以本课主要是完成超声

1

燕山大学本科生毕业设计（论文） 波测距的软硬件的设计与研究。 1.2 课题的国内外研究现状

随着现代社会对自动化、智能化设备的要求越来越高，越来越迫切，科研领域对于超声波在精确的距离测量方面的需求也越来越大。近十几年来，关于超声波技术的研究方兴未艾。国内外的科学研究工作者在超声波的回波处理方法，超声波测距精度的研究以及超声波在工业和社会生活中的应用等方面进行了大量的理论研究分析以及产品的研发。

在超声波理论研究方面：国内方面有，赵海鸣[7]等人提出了通过两个比较器结合的软件来确定回波前沿的测量方法，借此以提高超声波的测量精度，这一方法使得超声波在空气中的近距离测量的精度达到了厘米级；厦门大学的童峰等人提出了一种基于回拨轮廓分析圈法的回拨处理方法[8]，该方法在距离测量中通过两次探测取回波轮廓包络曲线来求取回波的起点，这种方法也大大提高了超声波的测距精度。国外方面有，FigneroaJ.F.,Lamancuse J.S.提出了一种新的回波计时方法，回波时延由峰值时延和相位时延相加而得的方法，各自用不同的检测手段得到峰值时延和相位时延，相加后即得回波的传播时间[9]。也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。

在超声波的应用方面：超声波测距由于它的原理简单易懂、易于实现以及成本低等优势，在动态测距和避障、液面液位测量、曲面仿形检测等领域都有着广泛的使用。国内，雷建龙[10]等人基于超声波测距原理，研发出一款针对液位测量的便携式装置；田志宏[11]等人基于超声波测距原理，设计出一款电动轮椅，它能够自动智能躲避障碍物；王洪青[12]等人设计出一种应用于移动机器人的并行超声波测距系统；彭翠云[13]等以8051单片机为主控单元，设计了一种用于泊车倒车雷达引导的超声波测距模块。国外，R.Kuc.[14]开发出了三维的仿声呐系统，该系统能够利用超声波自动的寻找设定的目标物体；R.X.Gao和C.Li[15]研制了一种专门为失明人群服务的超声波测距系统；意大利的CaruUo等人研究出了一种自动适应系统。

超声波测距作为不接触式检测手段的典型方法之一，以它的低廉价格，

2

第1章 绪论

可靠的信号处理特点，不易受天气及其他声波干扰的影响等优势，广泛应用于社会生活的方方面面。超声波凭借它的种种优势，必将在现代社会生活中拥有广阔的市场前景，发挥越来越大的作用。

1.3 课题研究的主要内容

本课题设计采用的是超声波在导盲测距系统中的应用，利用现代检测手段，获取盲人周围的环境信息，并将它转化为声音警示信号，使盲人从中获知其身边的障碍情况，能够及时的避开周边存在的危险，确保自身安全。

由于一个超声波探测头的探测范围不会大于15°，所以为了探测范围的全面性和有效性，导盲测距系统内部会安置多个超声波传感器，测量各个方向上一定距离内的障碍物信息。本系统由单片机作主控单元、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块、电源管理系统模块组成。本设计会在测距系统里外加LED数码管用以显示测得的距离值，以便于测试现象的观察与系统的调试。

本课题研究的主要内容就是实现超声波测距系统的硬件与软件的设计与调试，并对导盲仪的电源管理系统的一般结构进行设计。本设计大体可以分为两个设计部分进行：测距系统和电源管理系统。

本设计的测距系统是在基于AT89C52单片机控制的超声波往返时间测度法测距原理的基础上，来实现对目标距离内障碍物的存在情况进行确定，同时利用US-100超声波测距模块自带的温度补偿功能来提高系统的精确度。

US-100超声波测距模块具有两种工作模式：电平触发模式、串口触发模式。本设计采用的是US-100的串口触发模式，在软件程序设计中主要包括：串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。测距系统工作时，只需要控制单片机驱动US-100超声波测距模块发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后便等待接收回波信号。当接收到回波信号后，模块便会自动进行温度值的测量，然后根据当前测得的温度值对测距结果进行校正，校正结果将通过RX管脚经串行口送至单片机内，然后由单片机控制数码管显示和蜂鸣器的状态。

3

燕山大学本科生毕业设计（论文） 进行移动电源的选择并设计电源管理系统，主要是对能表征电源工作状态的电压、电流等工作参数进行实时的监测，并对可能出现的突发情况进行预测和响应，为整个导盲系统提供一个稳定可靠的工作保障。本设计会对电源管理系统的一般结构进行讨论与研究。其一般结构包括：电池组，电压传感器，电源管理部分（由单片机并配合相应的电池监测芯片来完成），DC/DC电源变换，充电电路，整流滤波、稳压部分等。

1.4 论文结构

第一章 介绍了课题的背景、意义，课题的国内外发展趋势，以及本文的主要研究内容。

第二章 介绍的主要是超声波测距的相关原理。主要是关于超声波原理的知识，包括超声波的传播特性、温度特性、以及超声波的测距原理等。

第三章 介绍的是测距系统的硬件部分，有STC89C52单片机、US-100超声波测距模块的一些功能以及工作原理。

第四章 介绍的是测距系统的软件设计及其仿真。软件设计主要是软件指令的编写，以及各个功能函数的介绍。此外还会对测距系统进行仿真并对可能引起误差的原因进行分析。

第五章 是电源管理系统的一般设计。本章会在电池的选择、电池组工作模式的切换以及电源管理系统的一般结构等方面进行分析。

4

第2章 超声波测距原理 第2章 超声波测距原理

2.1 超声波的特性

超声波是指频率超过人类听觉能力可以达到的最高频率值20KHZ的声波或着振动。超声波由于其高频、方向性好、易于获得较集中的能量等特性而被广泛应用于工业和生活的各个领域，例如：距离和速度的测量、精密仪器的清洗、杀菌消毒等方面。

2.1.1 超声波的产生、发射与接收

超声波一般可以通过电气方式或机械方式产生，能够实现这种转换的设备叫做电声换能器[16]，也称这种电声换能器为超声波发生器。电气转换方式包括压电型、电动型等；机械转换方式有加尔统笛、气流旋笛等。由于各种不同的产生方式产生的超声波它们的频率、幅值以及声波特性等都大不相同，因而由不同方式产生的超声波的用途也各不相同。目前最常用的是压电型超声波发生器，也即本设计采用的超声波发生器类型。压电型超声波发生器是利用压电材料的压电效应原理制作而成的。压电效应有两种：逆压电效应、顺压电效应。

超声波发送器利用的是逆压电效应的工作原理。压电逆效应是对压电材料施加交变的电场后引起的压电材料机械变形现象。不同的压电材料具有不同的机械变形特性，例如，常见的压电陶瓷就不存在体积上的变形，但它具有良好的厚度变形和长度变形形式的压电效应，如图2-1所示。若在图a所示的已经发生极化的压电材料上加以如图b所示的极性的电压，此时材料表面的正电荷与材料内部的极化正电荷相互排斥，同时，外部的负电荷与晶体内部极化的负电荷相互排斥。在这种斥力的作用下，压电材料厚度缩短，长度伸长。相反，若在外部施加极性相反的电压，如图c所示那样，压电陶瓷则会厚度增加，而长度缩短。

超声波接收器是利用正压电效应原理工作的。正压电效应是当压电材料 受到一定方向的外力压力时,内部会产生电极化现象,同时会在材料本身两个表面上产生电性相反的电荷；当外力撤去后，压电材料又会恢复到静息状

5

燕山大学本科生毕业设计（论文） 态；当外力的方向改变时，产生的极化电荷的极性也会随之转变。

图2-1 压电陶瓷压电逆效应图

压电式超声波传感器实际上是利用压电材料的谐振现象来工作的。超声波传感器内部构造由两个压电晶片和一个工作振子组成。当在传感器外部的两端施加电压脉冲信号，且电压脉冲信号的频率恰好等于压电晶片固有的振荡频率时，此时的压电晶片就会产生共振，同时带动工作振子振动，便产生了超声波。反之，如果两电极间没有施加外电压，当共振板接收到回波时，将迫使压电材料振动，将机械能转换为电信号，这时它就变成超声波接收器。

2.1.2 超声波的传播性质

超声波能够在气体、液体、熔固体以及固体等介质中有效地传播。 (1) 同其他声波一样，超声波在不同的介质中传播时会发生反射、折射、衍射以及透射、干涉等现象。利用超声波进行距离的测量正是利用了超声波的这些传播特性。超声波由于其频率高，方向性好，在介质中衰减小，碰到障碍物（杂质或界面）会有显著的反射，因而经常被用于距离的测量。

(2) 超声波可以实现很强的能量传递。 (3) 超声波会发生叠加和共振现象。

(4) 超声波在液体中传播时会在液体表面产生强烈的冲击现象。

2.1.3 超声波的温度性质

超声波在空气中的传播速度跟其他声波一样受到温度与湿度的影响。尤其是环境温度会对超声波的传播速度产生很大的影响，湿度的影响相对来说小一点。表2-1指出了温度和声速的关系[17]。在实际应用中，如果某一设计

6

第2章 超声波测距原理 要求很高的测距精度时，需要对超声波的传播速度通过温度补偿的方式加以修正。

表2-1 声速与温度的关系

温度(℃) 声速(m/s)

－30 313

－20 319

－10 325

0 323

10 338

20 344

30 349

100 386

2.2 超声波的测距原理

超声波测距的方法有很多种，主要的有声波幅值检测法、相位检测法和渡越时间法(往返时间测度法)三种。本设计使用的是渡越时间法[18]，首先由超声波的发送器向某一方向发送超声波，在发送的同时由单片机控制的定时器开始计时。超声波在传播过程中，碰到障碍物发生反射产生回波，回波立即返回，当超声波接收器接收到回波时单片机立即停止计时。超声波在空气中的的传播速度v，根据定时器记录的时间△t，就可以算出发射点距离障碍物的距离s。

s?v??t/2 (2-1)

此外，超声波在空气中的传播速度不但与温度有关，而且也与空气的相对湿度有关。在标准状态下，干燥空气中的声速为v0=331.5m/s。在室温为t℃时，干燥空气中的声速为：

tv?v01? T0

由于空气实际上并不是完全干燥的，总会含有一些水蒸气，经过对空气摩尔质量和比热容的修正，在温度为t℃，相对湿度为r的空气中，声速为：

(2-2)

rPs t

v?331.5(1?)(1?0.31)T0P

P=1.013×105Pa。

(2-3)

式中：T0=273.15K；PS为t℃时空气的饱和蒸汽压；P为大气压，取由于湿度对声速的影响较小，在保证测试环境相对干燥的情况下，为了

7

燕山大学本科生毕业设计（论文） 写程序的方便，可把方程式简化为：

v?331.4?0.6007t (2-4)

2.3 基于超声波测距的导盲仪的设计

本设计选取STC89C52作为核心处理器，利用超声波往返时间测度法原理进行测距，并利用单片机片上资源蜂鸣器进行声音报警。导盲系统的原理框图如图2-2所示。测距系统由作为主控单元的单片机、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块、电源管理模块组成。本设计外加LED数码管显示，以便于现象的观察与系统的调试。本设计选取STC89C52作为核心处理器，以US-100超声波传感器（自带温度补偿）作为硬件辅助，和LED数码管、蜂鸣器等一起完成整个设计。

系统工作时，只需控制单片机驱动US-100超声波测距模块在串口工作模式下发出8个40KHZ的脉冲信号，然后等待检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还会自动进行温度的测量，US-100模块会根据当前温度对测距结果进行修正，校正结果会通过Echo/RX管脚输出。

由单片机计算得出的距离值用LED数码管进行显示，便于现象的观察，当测得的距离低于0.5米时，触发蜂鸣器报警。 电源管理系统 图2-2 导盲系统的整体原理框图

8

蜂鸣器报警模块 （单片机控制系）统 STC89C52 超声波发射模块 温度采集补偿模块超声波接收模块 障碍物LED显示模块

第2章 超声波测距原理 2.4 本章小结

本章介绍的主要是超声波的一些原理性内容，包括超声波的传播特性、超声波的温度特性以及利用电气方式产生超声波的原理。此外，本章还介绍了超声波的发射和接收原理以及超声波的测距原理，在超声波测距的3种方法中本文选用的是渡越时间法。最后，本章还对导盲系统的一般结构进行了设计，主要包括：单片机控制系统、超声波发射接收模块、温度采集补偿模块、LED数码管显示模块、蜂鸣器报警模块以及电源管理系统。

9

燕山大学本科生毕业设计（论文） 第3章 测距系统硬件部分

测距系统由作为主控单元的单片机、温度采集补偿模块、超声波发射模块、超声波接收模块、蜂鸣器报警模块以及LED数码管显示模块构成。测距系统选用单片机STC89C52作为主控单元，选用的超声波传感器为自带温度补偿功能的US-100，它集成了超声波发射和接收模块以及温度补偿模块。单片机和超声波传感器的选型主要是利用既有的实验室资源，在符合功能要求的条件下选择的。

3.1 单片机系统及外围硬件电路

本小节主要介绍单片机系统资源以及在测距系统设计中用到的外围硬件电路：数码管显示电路、蜂鸣器报警电路。

3.1.1 STC89C52单片机介绍

⑴STC89C52具有以下标准功能： ●8K字节Flash; ●32位输入输出口线；； ●512字节的随机存储器； ●内置看门狗定时电路；

●内置4K的 电可擦可编程只读存储器； ●一个7向量4级中断结构，4个外部中断，； ●3个16位的定时器/计数器； ●全双工串行口； ●复位电路

⑵STC89C52的重要工作参数：

●有6机器/时钟周期和12机器/时钟周期这两种时钟可以选择，指令代码可以完全兼容传统的51单片机；

●通用输入输出口线（32 个），复位后32个I/O口线 是准双向口， P0口是漏极开路输出，P0口作总线扩展时，不用加上拉电阻，作为 输入输

10

第3章 测距系统硬件部分 出口时，需加上拉电阻；

●工作电压：3.3V~5.5V（5V单片机）/2.0V~3.8V（3V单片机）； ●工作频率：40~0MHz，相当于普通51的80~0MHz，其实际工作频率可达48MHz；

● 4个外部中断，可由下降沿触发或低电平触发，掉电模式下可以通过外部中断在低电平触发方式下触发；

●工作温度范围：-40~+85℃（工业级）/75~0℃（商业级）；

⑶STC89C52的管脚(如图3-1所示)分配： ●2根电源引脚 GND (Pin 20)：接地线

VCC (Pin 40)：接电源输入，+5V电源 ●4根控制引脚

RST/VPP (Pin9)：复位引脚， 2个机器周期及以上的高电平有效 PSEN (Pin29)：外部程序存储器读选通端 ALE/PROG (Pin30)：地址锁存允许端

EA/VPP (Pin31)：程序存储器的内外部选通引脚。低电平时从外部存储器读取指令，接高电平从内部存储器读指令

●2根外接晶振引脚

XTAL1 (Pin19)：单片机内的振荡电路输入端 XTAL2 (Pin20)：单片机内的振荡电路输出端

●32根可编程的I/O引脚 STC89C52有4组可编程的输入输出口，分别是P0、P1、P2、P3口，每个口有8位，共32根引脚。

P0口（Pin32～Pin39）：P0.0～P0.7， 8位双向I/O口线， P1口（Pin8～Pin1）：P1.7～P1.0 ， 8位准双向I/O口线， P2口（Pin28～Pin21）：P2.7～P2.0，8位准双向I/O口线， P3口（Pin17～Pin10）：P3.7～P3.0，8位准双向I/O口线，

11

燕山大学本科生毕业设计（论文）

图3-1 STC89C52引脚图

3.1.2 STC89C52的最小系统及周边电路

图3-2为单片机最小系统及周边电路示意图

图3-2 STC89C52最小系统及周边电路

12

第3章 测距系统硬件部分 ⑴复位及复位电路

复位是单片机的初始化操作。复位的功能主要是把个人计算机初始化为0000H，这样单片机就会从地址0000H开始执行程序。除了系统进入正常的初始化之外，还可能出现程序运行出错，甚至是错误操作使系统处于死机状态的情况，为了使程序重新启动，进入正常运行，这时便需按复位键重新启动。

除了PC之外，复位操作还会对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表3-1所示。

表3-1 一些寄存器的复位状态

寄存器 PC ACC PSW SP DPTR P0-P3

复位状态 0000H 00H 00H 07H 0000H FFH

寄存器 IP IE PCON TMOD TCON SCON

复位状态 XX000000B 0X000000B 0XXX0000B

00H 00H 00H

寄存器 TL0 TH0 TL1 TH1 SBUF

复位状态 00H 00H 00H 00H 不定

复位信号的输入端是RST引脚。复位信号是高电平有效的，高电平有效时间应持续二个机器周期及以上。复位操作有两种方式：上电自动复位，按键手动复位。

上电自动复位是由外部所接电路的电容的充放电实现的，其电路图如3-3（a）所示，只要电源VCC上升的时间不超过1ms，就可以使系统自动复位，也就是说接通了电源就可以使系统初始化。

按键手动复位可分为两种方式：电平方式，脉冲方式。其中，手动电平复位（如图3-3（b）所示）是复位端口通过电阻与VCC电源接通而实现的；按键脉冲复位（如图3-3（c）所示）则是利用RC微分电路来产生正脉冲实现的。

本系统的复位电路采用图3-3（b）手动电平复位。

13

燕山大学本科生毕业设计（论文） a 上电复位 b 手动电平复位 c 手动脉冲复位

图3-3 复位电路

⑵时钟电路

STC89C52片内有一个高增益的反相放大器，用以构成振荡器，由振荡器产生时钟信号。该放大器的输入端和输出端分别为XTAL1,XTAL2。时钟的产生方式有两种：内部方式、外部方式。图3-4(a) 所示为内部时钟方式电路，在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。外部方式的时钟电路如图3-4（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对于输入的外部振荡信号无特殊要求，只需保证脉冲宽度在一定的范围内即可，通常采用的是频率低于12MHz的方波信号。

图3-4 时钟电路

a 内部方式时钟电路 b外部方式时钟电路

14

第3章 测距系统硬件部分 本系统的时钟电路采用的是3-4（b）外部方式时钟电路。

3.1.3 数码管显示电路

本设计使用的STC89C52单片机是通过P0口经由锁存器SN74HC573DW来驱动2个共阴的4位一体的8位数码管，如图3-5所示。

图3-5 数码管的显示电路

该电路中用到了2片SN74HC573DW锁存器，分别由P2.7口和P2.6口控制。P0口是8位漏极开路双向输入输出口，每脚可以吸收8TTL门电流。当P2.6管脚写1，P2.7管脚写0时，P0口能够用于外部程序数据位，通过SN74HC573DW锁存器锁存数据用以控制数码管的段码。当P2.7管脚写1，P2.6管脚写0时，P0口被定义为8位地址，此时SN74HC573DW被用为地

15

燕山大学本科生毕业设计（论文） 址锁存器用以控制数码管的位码，其中，P0.0-P0.3控制LED-2的4个数码管，P0.4-P0.7控制LED-1的4个数码管。通过数据位和地址位的共同作用，本文采用单片机的动态扫描方式将距离显示出来，以便于测试现象的观察，并根据显示的距离值对系统的精确度进行分析。

3.1.4 蜂鸣器报警电路

在本设计中，用蜂鸣器报[20]警来代替语音提示系统，当测得的距离低于0.5米时，单片机便触发蜂鸣器报警。图3-6为蜂鸣器电路。

图3-6 蜂鸣器报警电路

P2.3R11kΩSMBT5086021Q2VCC5VVCCU1BUZZER200 Hz STC89C52单片机上的蜂鸣器是通过P2.3管脚来控制的，即在进行单片机的电路焊接时，已经将蜂鸣器通过三极管和电阻与单片机的P2.3管脚焊接在一起。也即此款单片机上的P2.3引脚不可再用作其他功能口使用。

3.2 US-100超声波测距模块

本设计选择的超声波传感器为US-100超声波脉冲测距模块（实物如图3-7所示）。

3.2.1 US-100模块介绍

US-100超声波脉冲测距模块[21]可以实现的非接触距离测量范围为2cm-4.5m。拥有5-2.4V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度

16

第3章 测距系统硬件部分 补偿功能对测量结果进行校正。同时具有电平，串口等多种通信方式。本文选择使用的是其串口工作方式。

a. US-100正面图 b. US-100背面图

图3-7 US-100超声波测距模块

由图3-7(a) US-100正面图所示，将5个引脚从左到右依次编号为1,2,3,4,5，它们的定义如下：

● 1号：接VCC电源 ● 4号：接外部电路的地 ● 5号：接外部电路的地

● 2号：为超声波脉冲发射引脚。串口模式触发时，接外部电路串口的TX端；电平触发模式工作时，接外部电路的Trig端。

● 3号：为超声波脉冲接收引脚，串口模式时，接外部电路串口的RX端；电平触发模式工作时，接外部电路的Echo端。

US-100超声波测距模块的主要技术参数： ● 静态电流：2mA

● 工作电压：直流电压 2.4V-5.5V ● 工作温度：-20~+70度 ● 探测距离：2cm-4.5m ● 探测精度：0.3cm±1% ● 探测角度：低于15°

● 输出方式：电平或串口（由跳线帽进行选择）

17

燕山大学本科生毕业设计（论文） 3.2.2 US-100串口测距原理

US-100测距模块同时具有电平和串口两种输出模式。在模块的背面有 一个模式选择跳线接口。插上跳线帽时为串口模式，拔掉时则为电平触发模式。本设计中选择使用串口工作模式。

电平触发与串口触发的不同之处为：电平触发方式工作时需在Trig管脚输入一个10us以上的高电平信号触发系统发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后等待回波信号，再根据温度值对测距结果进行校正，结果通过Echo管脚输出；而在串口模式下，需在TX管脚输入0X55（波特率9600）触发系统工作，工作过程与电平模式下相同，只是最后的结果由RX管脚输出。串口触发测序的时序图如图3-8所示。

图3-8 串口触发测序时序图

串口通信协议：波特率9600（0X55），一位起始位，一位停止位，8位数据位，无奇偶校验。

在串口触发模式下，只需在TX管脚输入0X55，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后等待回波信号。当接收到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，根据模块测得的温度对测距结果进行校正，校正结果通过RX管脚输出。

18

第3章 测距系统硬件部分 输出的距离值共2个字节，第一个字节为距离的高8位（H），第二字节为距离的低8位（L）,单位为mm，即距离值为（H*256+L）mm。

3.2.3 US-100串口测温原理

串口测温时序图如图3-9所示。

图3-9 串口测温时序图

只要在TX管脚输入0X55，系统会自动启动温度传感器（热敏电阻）对当前的温度值进行测量，然后将温度值通过RX管脚输出。测温完成后会返回一个字节的温度（TData），而实际温度值为TData-45度。

3.3 本章小结

本章介绍的是测距系统的硬件部分。一部分是STC89C52单片机的引脚信息以及其功能参数等，并对设计中使用到的外围电路进行的介绍，主要是复位电路、时钟电路以及蜂鸣器报警电路。另一部分是US-100超声波测距模块的参数以及功能介绍，以及它的串口测距和串口测温原理。

19

燕山大学本科生毕业设计（论文） 第4章 测距系统软件设计及仿真

本系统的软件设计是通过Keil uVision4软件来完成的，程序的编写采用的是C语言，程序中的超声波测距则是基于US-100的串口测距原理。 在此背景下，本系统的软件设计主要由主程序、串口初始化函数、超声波脉冲发射函数、字符发送函数、中断函数、数码管扫描函数、数码管显示函数，蜂鸣器报警程序组成。

4.1 软件程序的整体设计

使用US-100的串口测距原理编写程序时，首先要对串口进行初始化，然后向TX管脚发送0X55使超声波脉冲发射，等待检测RX管脚状态，当接收到回波后，进行距离的计算，将计算值通过串口传送给单片机进行处理并由数码管显示。当距离小于0.5米时，单片机触发蜂鸣器报警。

开始 >4500mm? 系统初始化 否 发送超声波脉冲 <500mm? 等待接收超声波脉冲 否 RI=1? 是 计算距离

图4-1 测距系统整体程序流程图

20

是 LED显示‘---’ 否 是 蜂鸣器报警 LED显示数值

第4章 测距系统软件设计及仿真 所以，C语言程序体现该整体程序流程图的主程序为：

void main(void) {

unsigned long distance = 0;

UART_init(); //串口和波特率初始化 while(1) {

distance = rebuf[0] * 256 + rebuf[1]; //计算距离 DisplayLED(distance); //数码管显示距离 if(distance <500)

{ int a;

for(a=0;a<500;a++) //距离小于0.5米时蜂鸣器报警

{

buzzer=~buzzer;

}

} } }

程序中rebuf[0]、rebuf[1]的定义为接收缓冲区，定义在idata 区（地址80H-FFH，单片机间接防问的RAM区)。rebuf[0]接收的是距离值的高8位，rebuf[1]接收的是距离值的低8位。蜂鸣器报警程序已经置于主程序中。

4.2 主要模块程序的设计

该程序采用模块化设计，本小节主要介绍程序中的几个主要程序模块，包括串行口初始化函数、超声波发射函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。

21

燕山大学本科生毕业设计（论文） 4.2.1 串行口初始化函数

该函数主要用于实现定时器工作模式和串口通信模式和的设置。程序流程图如图4-2所示。

UART_init()入口 设定定时器T0、T1的工作方式 启动定时器 初始化串行口通信模式 REN置1，串口接收允许 开中断 返回

图4-2 初始化程序流程图

串行口初始化的函数如下： void UART_init() { ?????.

TMOD = 0x21; //设计定时器工作方式 ?????.

SM0 = 0; //设置串口通信模式

22

第4章 测距系统软件设计及仿真 SM1 = 1;

????? }

TMOD为定时器/计数器T1和T0的方式控制寄存器，它的字节地址为89H。控制字共8位分为2组控制，高四位控制T1，低四位控制T0。其格式如下：

D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 GATE C/T M1 M0 GATE C/T M1 M0 C/T：定时器/外部计数器功能选择位。C/T=0时为定时器功能；C/T=1

时设置为计数器功能。

GATE：门控位。GATE=1时，T0、T1的计数会受外部引脚输入电平的控制；GATE=0时，则不受外部引脚输入电平的控制。

M1、M0：工作方式选择位。定时器/计数器有4种工作方式，由M1、M0两位的状态决定。

在该程序中，TMOD=0X21,即设置定时器1工作在模式2（能够自动重新装入常熟的8位定时器/计数器），定时器0工作在模式1（16位定时器/计数器）。

串行口控制寄存器SCON用于串行口的工作方的设置式及其相应的设定。串行口有4种工作方式，由SCON的第8位SM0、第7位SM1两位的状态决定。表4-1所示[14]为串行口的工作方式。

表4-1 串行口的工作方式

SM0 SM1 方式 0 0 1 1

0 1 0 1

0 1 2 3

功能说明

移位寄存器方式，波特率为fosc/12，用于扩展I/O口

波特率可变的8位串口

波特率为fosc/64或fosc/32的9位串口

波特率可变的9位串口

该程序中，SM0=0；SM1=1，即串行口通信模式设置为模式1，因为需要串行口传输的数据为距离值，是用2个8位二进制数表示的。

23

燕山大学本科生毕业设计（论文） 4.2.2 超声波发送函数、写字符函数

根据US-100超声脉冲测距模块的测距原理，只需向TX管脚输入0X55，系统便可自动发出8个40KHZ的超声波脉冲。所以，超声波发送函数可写为：

void MeterTempByUART() //发送超声波脉冲 {

UARTSnd(0X55); }

程序中的UARTSnd()即为写字符函数，其功能是向串口发送一个字节，这里是用于向TX管脚发送0X55。

void UARTSnd(unsigned char dat) {

TI = 0; // 清零发送标志，如果TI为0等待 SBUF = dat; //写字节到特殊控制寄存器SBUF while (!TI);

TX = ~TX; //启动超声波发射器 }

4.2.3 数码管扫描函数

void UART_ISR(void) interrupt 4 {

uchar temp ,k;

ES = 0; // 关中断 if(RI) {

RI = 0; // 清接收标志 temp = SBUF;

24

第4章 测距系统软件设计及仿真 rebuf[k] = temp; k++;

if(k == 2) // k = 数据长度 k = 0; RX = ~RX; }

ES = 1; //开中 }

这里SBUF为从串行接收寄存器中接收到的主机发来的数据。然后将数据写入到接收缓冲区rebuf[2],以供数码管显示。

4.2.4 数码管显示函数

void DisplayLED(unsigned long number) {

if(number > 4500) {

dispbuf[0] = 10;

dispbuf[1] = 10; //显示 \ dispbuf[2] = 10; dispbuf[3] = 10; }

else if(number < 4500) {

dispbuf[0] = number / 1000; dispbuf[1] = number % 1000 / 100; dispbuf[2] = number % 100 / 10; dispbuf[3] = number % 10; }

25

燕山大学本科生毕业设计（论文） 因为US-100超声波脉冲测距模块通过串口传输到接收缓存区的距离值是用毫米来计算的，所以数码管显示时要用到4位数码管。dispuf[]为显示缓冲区，显示缓冲存储区取待显示值作为参数，到Tab[]段码存储区取显示段码赋给P0口，由P0口将数据通过锁存器传输给数码管进行显示。

P0 = Tab[dispbuf[dispcount]]; ???????????? dispcount++;

if(dispcount == 4) //4位数码管显示位 {

dispcount = 0; }

count++;

if(count == 100) //25ms扫描一次 {

count = 0;

MeterTempByUART(); }

4.3 系统的调试与仿真

首先是系统软件程序的调试，即利用Keil_uvision4的编译功能对在其内编写的源程序进行编译。使用Keil_uvision4作为开发工具，一般可以分为以下几步：

⑴新建一个工程，从设备库中选择目标芯片，配置工程编译器环境以及单片机的一些工作参数；

⑵用C或汇编语言编写源程序； ⑶编译目标应用程序； ⑷修改源程序中的错误； ⑸测试链接应用程序。

26

第4章 测距系统软件设计及仿真 其中编译的功能是发现源程序中的语法和逻辑错误，把汇编语言或C语言程序编译为机器码。uvision4底部的Build窗口中会显示构建过程中的输出信息，包括源程序的errors和warnings。在没有errors的情况下，会成功构建出后缀为.hex的可执行文件。图5-1所示为本设计中源程序的编译结果：

图4-3 源程序的编译结果

成功编译出hex可执行文件后，便可将源程序下载到单片机内，进行仿真。由于使用的是STC89C52型单片机，此款单片机在下载时不需要仿真器，只需要STC_ISP下载软件，然后将单片机与电脑用USB传输线连接即可。

软件编译调试完成后，在进行仿真运行前，还需要将硬件连接。本设计中，硬件的连接主要是超声波测距模块的引脚与单片机相应引脚的连接。引脚连接表如表4-2所示：

表4-2 引脚连接表

US-100引脚

VCC RX TX

单片机引脚

+5V P1.0 P1.1

US-100引脚

GND GND

单片机引脚 GND GND

单片机与US-100超声波测距模块的引脚连接图如图4-4所示：

27

燕山大学本科生毕业设计（论文）

图4-4 硬件连接图

4.4 测试结果及误差分析

按照设计的硬件与软件，对整个系统进行调试与仿真。系统的测试部分数据如表4-3所示。

表4-3 测试结果部分数据

实际距离（mm） 测量距离（mm） 误差（mm）

20 19 1

50 53 3

100 100 0

130 125 5

210 212 2

350 345 5

440 444 4

500 508 8

690 688 2

由试验测得的测量值与用尺子测得的实际值之间存在着0-10mm左右的误差，在US-100超声波脉冲测距模块所允许的误差范围内，该调试结果认定正常，且系统的重复性能很好。由此可以认定该课题设计的超声波脉冲测距系统的硬件的选择和软件的设计符合设计要求，很好地实现了测距系统的功能且动态测量效果很好。测试系统的几个实验效果图如图4-5所示，测试基本正确。

28

第4章 测距系统软件设计及仿真

图4-5 实验效果图

误差的存在是正常的现象，因为在实际的测量的过程中，由于测试环境的不严格以及其他各种因素的影响，不可避免的会存在测量误差。测量误差产生的原因可能有如下几种：

⑴超声波传播速度的误差。保证距离计算精度的重要条件是精确稳定的传播速度。超声波的传播速度会受温度、湿度的影响[22]，虽然系统采取了温度补偿，测量环境的湿度影响也较小，但是理论计算值还是不能做到与实际传播速度完全一致，从而带来测量误差。

⑵时间t的计算误差，这属于软件系统带来的误差。距离计算的另一个重要条件是发射波与接收波之间的时间间隔t的精确计算。t由单片机的计时时钟决定，这还与单片机的指令执行速度有关。

⑶测距系统内部的误差。这属于硬件系统带来的误差，主要是超声波换能器需要一定的反应时间对回波信号进行处理[23]。这会带来时间的延迟，从而引起误差。

⑷反射角度引起的误差。当反射角度不是90°时，系统测量得到的距离是障碍物与传感器模块之间的距离而不是两个测量平面之间的距离，这也会带来测量误差。

4.5本章小结

本章主要是测距系统软件的设计以及系统的仿真。软件设计部分主要是

29

燕山大学本科生毕业设计（论文） 各个功能模块的软件程序的C语言编程及其关键语句的含义，主要包括：主函数、串口初始化函数、超声波发送函数、写字符函数、数码管扫描函数、数码管显示函数。系统的调试仿真部分，经调试实验结果表明：系统的误差在允许的范围内，可以认为该系统符合设计要求。另一方面，本章还对系统可能存在的引起误差的原因进行了分析，这些误差在一定程度上是无法用软件消除的，所以超声波的测距精度还有待进一步的提高。

30

第5章 电源以及电源管理系统 第5章 电源以及电源管理系统

随着芯片集成化和智能化程度的不断提高，体积不断降低，便携式电子设备的研发和应用得到了极大地发展[24]。对便携式电子设备来说，决定其的性能以及成本的很关键的一个因素是有效合适的电池组。电子导盲仪作为一种便携式电子设备，电源的地位在其研究中占有十分重要的位置。

5.1 便携式设备可用的几种电源的介绍

⑴NiMH电池

这种电池的容量是同体积镍铬电池的两倍，且其重量更轻、更加环保、不需要电子安全系统的保护。目前镍锰氢电池的最高容量是2100mAh左右。

⑵锂离子电池[25]

锂离子电池能提供相当于镍锰氢电池1.5-2倍的电能容量。锂离子电池具有能量密度大、平均输出电压高、自放电效应小等优势。且其没有记忆效应，可以快速充电放电、，循环性能优越，充电效率高达100%。锂离子电池具有较大的输出使用功率，较长的使用寿命，且不含有毒有害物质，故被称为绿色电池。但是，锂离子电池需要保护电路来确保电压和电流的安全。

⑶锂聚合物电池[25]

锂聚合物电池是采用锉合金做正极，有机溶剂作为电解质，采用高分子导电材料、聚苯胺、聚乙炔、聚对苯酚等做负极。锂聚合物电池具有更高的能量密度，更高的安全系数。

⑷NiCd镍铬电池

NiCd镍铬电池在价格上更便宜，放电效率高、耐过充能力强，且生命周期长，是便携式设备高性价比的最佳选择之一。但NiCd镍铬电池的能量密度较低，且电池中的铬元素是具有毒性的。

⑸密闭铅酸电池(SLA) [25]

密闭铅酸电池较其他电池易于维护、而且价格低。但它的不足之处是能量密度低，因而同电能的SLA电池体积更大更笨拙。纯铅锡SLA适合小摩托车、轮椅等较大型户外应用以及其他需要宽温度范围的场合。

31

燕山大学本科生毕业设计（论文）

表5-1 常用电池性能比较

NiMH电池 锂离子电池 锂聚合物电池 NiCd电池 铅酸电池

电压(V) 放电温度(℃) 充电温度(℃) 使用寿命（次） 1.2 3.6 3.7 1.2 2

-10～45 -20～60 -20～60 -20～60 0～45

10～45 0～45 0～45 0～45 0～45

1000 500 500 500 200～300

5.2 电源选择及其工作模式

5.2.1电源的选择

由于便携式电子设备的特点与设计需要，其电源无可避免的选择电池组作为电源，且对电池组有很高的要求：体积小、低压差、重量轻、低噪声、安全高效等[26]。在以上的几种便携式电子设备常用电池中，锂离子电池（产品如图5-1）由于其能量密度大、平均输出电压高、自放电小、且没有记忆效应、重量轻、使用寿命长、无污染等优势，在现代制造业中和高科技便携设备中占有较高的地位。

本设计选择锂离子电池作为电源，因其满足体积小、大电流（峰值电流30～40mA）、长期工作（可连续工作12小时以上）的设备需要。

图5-1 锂离子电池的几种型号

32

第5章 电源以及电源管理系统 5.2.2 电源的工作模式

作为便携式电子设备的工作电源，所选择的可充电锂离子电池需要这样几种工作状态：待机模式、工作模式、电量不足模式、关机模式以及充电模式。图5-2为电源系统的工作模式切换。

⑴待机模式

在该模式下，除主控单元外，其他所有子单元都一律停止供电。如果在一定的限定时间内，主控单元没有收到任何操作命令，则整个系统自动断电，进入关机模式。

⑵工作模式

该模式下，所有子单元都处于供电状态。系统的各个子单元并不是全部由移动电源直接供电，而是需要根据不同的电源电压需要对移动电源电池组的输出电压进行变压处理。此外，为了提高整个系统地稳定性，提高电源的供电质量，还需在变压处理后接入低压差线性稳压电源器(LDO)。这些是需要电源管理系统来完成的。

充电模式 电压传感器 工作模式 选择模式 开关切换 待机模式

充电 关机键 低于警戒线 关机模式 待机时长超过设定值 电量不足模式

图5-2 电源系统的工作模式切换

⑶电量不足模式

当电池的剩余电量低于设定值时，系统便转入电量不足模式。该模式下，

33

燕山大学本科生毕业设计（论文） 电源管理系统一方面向主机发出报警信息请求充电；另一方面，禁止设备的大电流放电动作，以保护电池。

⑷关机模式

在该模式下，整个系统都处于断电模式，没有放电动作。当用户摁下关机键或者电量过低低于警戒线时，系统便会进入关机模式。

⑸充电模式

将系统与外部电源连接，按下充电按钮，系统便进入充电模式。此时，除主控单元和电源单元外，其他子系统均断电，且不允许系统有大电流放电动作。

5.3 电源管理模式的设计

电源管理系统的设计具有一定的要求：特定工作对象的特定的输入输出电压、电流；长期稳定可靠的工作性能；高效、抗干扰的特性等。

本设计的电源管理系统的一般结构如图6-3所示。 电池组负责存储和输出电能；

电压传感器用以检测电池组的电能状态：当电池电量充足时，由电源管理完成电源各个工作模式的切换（模式切换如图6-2所示）；当电量不足时，电源管理会启动充电电路进入充电模式。

充电电路从外部获取电能向系统的电池组提供电能；

DC/DC电源变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，以满足不同的工作状态对电压的要求。

整流、滤波、稳压电路为测距系统提供稳定可靠的电压，以保证整个系统的稳定运行；

电源管理模块是整个电源管理系统的核心，一般是由单片机最为主控单元，在接收到表征电源系统状态的参数后作出相应的处理，也能根据用户的指令进行工作模式之间的相互切换切换。这不仅需要单片机的控制，还需要外围的电路以及一些数字电路的工作。

电压传感器会实时监测电池组的输出电压值，当检测到电压值小于2.5V时，便向主控单元发出充电申请，系统进入充电模式。

34

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2yl7.html