点击链接获取Keil源码与Project Backups仿真图：
https://download.csdn.net/download/qq_64505944/90498287?spm=1001.2014.3001.5503
C+22
部分参考设计如下：
摘要
超声波测距技术因其具有较强的指向性、低能耗、较长的传播距离等优点，已成为广泛应用于各类传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案之一。超声波传感器利用声波在空气中的传播特性，通过测量从发射到接收的时间差来计算物体与传感器之间的距离，因此具有较高的可靠性和稳定性。这种技术不仅在防盗报警、倒车雷达、水位测量等日常应用中得到了广泛应用，还在建筑施工工地、工业现场等领域发挥了重要作用。
在本课题中，详细分析了超声波传感器的原理、特点及其在实际应用中的优势，结合STC公司的AT89C52单片机性能及特点，设计了一套低成本、高精度的超声波测距系统。AT89C52单片机具有较强的数据处理能力，适合用作此类测距系统的核心控制单元。设计中充分考虑了超声波传播受到环境温度影响而产生的误差，并采用温度补偿机制进行修正，从而提高测量的精度。此设计不仅能满足工业级测量精度要求，还具有液晶显示功能，能够实时显示测量结果，并根据设定的范围触发报警系统，提高了系统的实用性与安全性。
此外，本系统的硬件电路设计合理，工作稳定，性能优良，具有较快的检测速度和简单的计算过程，能够高效且准确地进行距离测量。设计的报警功能可以根据需要设定合适的距离范围，系统能够实时响应并发出报警信号，从而增强了测距系统的安全性和适应性。综上所述，该超声波测距系统具有广泛的应用前景，在工业、安防、智能家居等领域具有重要的推广价值。
关键词：单片机；液晶显示；报警；测距
目 录
1 绪 论 6
1.1 研究的背景 6
1.2研究的主要内容 6
1.3应解决的关键问题 6
2 电路方案论证 6
2.1方案比较 6
2.1.1 激光测距 6
2.1.2 超声波测距 7
2.2电路总体方案 7
3单片机概述 8
3.1 AT89C52主要性能 8
3.2 AT89C52外部结构及特性 8
3.3 AT89C52内部组成 9
4 超声波测距模块 11
4.1 超声波传感器介绍 11
4.2 HC-SR04超声波测距模块的性能特点 12
4.3 HC-SR04的管脚排列和电气参数 13
4.3.1 管脚简介 13
4.3.2 HC-SR04的电气参数 13
4.4超声波时序图 13
5系统硬件电路设计 15
5.1单片机最小系统 15
5.1.1 AT89C52芯片 15
5.1.2 复位电路 15
5.1.3 晶振电路 16
5.2 驱动显示电路及报警电路 17
5.2.1 1602LCD液晶显示屏 17
5.2.2 蜂鸣器报警 18
5.3 HC-RS04超声波测距原理 19
5.4 5V稳压电路 19
5.5温度检测电路 20
5.5.1 温度检测方案的分析 20
5.5.2 数字温度传感器DS18B20简介 20
5.5.3 DS18B20的结构及电路 20
6系统程序的设计 21
6.1主程序 21
6.2显示数据子程序 22
6.3报警子程序 22
6.4按键子程序 23
结 论 25
参考文献 26
附 录（A） 27
附 录（B） 28
致 谢 46
1 绪 论
1.1 背景
单片机技术的迅速兴起与蓬勃发展，已使其成为现代电子技术的核心之一，广泛应用于各行各业。单片机以其稳定性、安全性、高效性和经济性脱颖而出，成为智能设备、自动化控制系统的基础。由于其体积小、功耗低，且能够集成大量功能，单片机已广泛渗透到日常生活的各个领域，如空调、微波炉、手机、自动洗衣机、汽车电子设备等。单片机的内部结构是对传统计算机系统的简化，将其数据处理、控制功能和外设接口集成于单一芯片内，方便了各类智能系统的开发和应用。
单片机的可扩展性极强，可以根据需求加入不同的外部模块，完成多种任务。其强大的数据处理能力使得它能够执行复杂的算法，处理大量的传感器数据，并实时做出反馈或控制响应。这种特性使得单片机成为工业自动化中的关键技术，能够提高工业设备的智能化水平，优化生产过程中的数据处理效率，并实现远程控制和智能管理。同时，单片机的体积小，不占用过多空间，在空间受限的应用场合表现得尤为突出，能够实现精确的控制与监测。
随着科技的进步，尤其是工业自动化和智能家居的不断发展，超声波测距技术也成为了一个不可或缺的领域。与传统的接触式测距方式相比，超声波测距具有显著的优势，它是一种非接触式的检测技术，这使得它可以在许多传统技术无法应对的场合中发挥作用。超声波通过发射声波并接收反射波来测量物体与传感器之间的距离，这一过程不受光线、颜色等环境因素的影响，因此特别适合在复杂或恶劣的环境下使用。
超声波测距技术的应用非常广泛，尤其是在工业、建筑和交通等领域。测绘地形图、建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山等领域，都离不开超声波测距技术的支持。通过超声波传感器，施工人员能够迅速获得精确的测量数据，减少误差并提高工作效率。在倒车雷达中，超声波测距技术能够实时监测车辆后方的距离，保障驾驶员的安全。而在建筑施工工地及一些工业现场，超声波测距技术被广泛应用于液位监测、井深探测、管道长度测量等任务，能够高效、准确地完成任务。
超声波测距技术的优势还体现在其适应恶劣环境的能力。传统的光学测量方式受到环境光、颜色及物体表面反射特性的影响，而超声波测距不受这些因素干扰，特别适合在含有粉尘、烟雾或者黑暗环境下工作。它不仅能在工业现场实现实时监测，还能够提供高精度的测量，满足工业级别的应用需求。利用超声波测距技术，用户可以在测量过程中快速获得反馈，从而实现精确的控制与数据分析。
此外，超声波测距技术因其工作原理简单，且能够通过现代数字电路与单片机系统配合使用，具有较低的成本。与其他高精度测量技术相比，超声波测距设备的维护和操作成本较低，使用起来非常方便。基于超声波测距的系统通常采用简单的硬件配置，能够迅速响应并进行准确的距离测量，非常适合大规模工业应用。随着传感器技术的不断发展，超声波测距系统的精度和稳定性也在不断提高，预计未来在更多领域将得到更广泛的应用。
1.2主要内容
课题《基于单片机的超声波测距》系统的核心组成部分包括52单片机最小系统、超声波测距模块HC-SR04、驱动显示电路、5伏直流稳压电源、温度传感器等。超声波测距模块HC-SR04通过发射超声波并接收反射波来计算距离，得到的数据传输到52单片机进行进一步的处理和分析。通过处理后的数据被显示在1602 LCD上，直观地呈现测量结果。为了确保系统稳定运行，电源部分采用了5V稳压直流电源，提供稳定的电压支持。此外，系统还可以通过温度传感器对测距过程中温度变化对测量结果的影响进行补偿，提高系统的准确度。该系统设计简洁高效，适合在各种需要精准测距的场合应用。
2 电路方案论证
2.1方案比较
2.1.1 激光测距
激光测距技术主要有两种常用的测量方式：脉冲法和相位法。
1.脉冲法：这种方法基于测量激光从发射到反射回接收器的时间。激光测距仪发射出脉冲激光，激光经过被测物体的反射后回到测距仪。测距仪记录下激光从发射到接收的往返时间，通过光速和时间的乘积计算出激光行进的距离的一半，从而得到测量物体的精确距离。该方法适用于长距离的测量，因其具有较高的精度和较远的测量范围，但对短时间内的小范围测量可能不如相位法精确。
2.相位法：相位法利用激光的幅度调制进行测量。激光束被调制后，其波长会发生变化，测距仪根据反射光的相位延迟来计算物体与测距仪之间的距离。具体方法是：测距仪发射经过调制的激光束，并在接收到反射光时，测定返回光与发射光之间的相位差。根据相位差和激光的调制波长，可以间接计算出光经过往返测线的时间，进而得出物体的距离。相位法适用于精度要求较高且距离较短的测量，尤其适用于复杂环境中的高精度测量。
两种测量方式各有优势，脉冲法适合长距离测量，且结构简单，而相位法则在精度和测量范围较短的场合中具有优势。
2.1.2 超声波测距
超声波测距的原理依赖于声波在介质中传播速度的已知特性。当超声波发射器发出超声波信号时，计时器开始计时，声波通过空气传播，遇到障碍物后会被反射回来。接收器接收到反射波后，计时器停止，测得的时间差即为声波传播的总时间。利用已知的声波传播速度（在空气中的速度大约是343米/秒），可以通过公式计算出障碍物与超声波发射器之间的距离：距离 = 传播速度 × 时间差 ÷ 2（由于声波的往返，所以除以2）。这种原理与雷达测距相似，不同的是雷达使用的是电磁波，而超声波测距使用的是声波。
在比较了两种测距方案后，方案二明显更为简洁。方案二采用的电路简单，所需的硬件较少，同时软件设计也更加直观和易于实现。相比之下，方案一可能需要更加复杂的信号处理和计算方法，因此选择方案二作为本系统的设计方案。这不仅降低了系统的复杂度，还减少了可能出现的故障率和调试难度，有助于提高系统的稳定性和可靠性。
2.2电路总体方案
图2.1是电路总体框图，包括52单片机最小系统，HC-SR04超声波测距模块，1602 LCD显示电路，蜂鸣器，按键电路。
图2.1 电路基本框图
3单片机概述
3.1 AT89C52
AT89C52 是STC公司推出的一款超强抗干扰，加密性强，在线可编程，高速，低功耗CMOS 8位单片机。片内含 8k bytes 的可反复擦写Flash只读程序存储器和256 bytes 的随机数据存储器（RAM），器件采用STC公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS－52指令系统及8052产品引脚兼容， 片内置通用8位中央处理器 （CPU）和Flash存储单元， 功能强大的AT89C52单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。
3.2 AT89C52外部结构及特性
其外形封装有两种方式：双列直插式40脚封装（DIP）和方形44脚封装 （PLCC），直插式40 脚封装（DIP）和外部总线结构如图2和图3所示：
AT89C52的 4 个 8 位I/O口的功能说明如下：
（1）P0口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash 编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。
（2）P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向 I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX）。在 flash 编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
（3）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送 1。在使用8 位地址（如 MOVX @RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时，P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。
（4）P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2 输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。P3 口亦作为AT89C52特殊功能（第二功能）使用，如下所示：
P3.0 RXD(串行输入口)
P3.1 TXD(串行输出口)
P3.2 INTO(外部中断0 输入口)
P3.3 INT1(外部中断 1 输入口)
P3.4 TO(定时器 0 外部输入)
P3.5 TI(定时器 1 外部输入)
P3.6 WR(外部数据存储器写选通信号)
P3.7(外部数据存储器读选通信号)
3.3 AT89C52内部组成
AT89C52单片机在一块芯片中集成了 CPU、RAM、ROM、定时器/计数器、看门狗和多种功能的 I/O 口设备的等，相当于一台计算机所需要的基本功能部件。
AT89C52单片机内包含的具体部分如下：
一个8 位 CPU。
一个片内振荡器及时钟电路。
8KB Flash 程序存储器。
256 B RAM 数据存储器。
三个16 位定时器/计数器。
可寻址 64KB 的外部数据存储器和 64KB 的外部程序存储器空间的控制电路。 32 条可编程的 I/O线（4组8 位并行 I/O端口）。
一个可编程全双工串口通信。
8 个中断源、两个优先级嵌套中断结构。
AT89C52单片机的框图如图3.3所示，各功能部件由内部总线连接在一起。
4 超声波测距
4.1 介绍
超声波是一种频率较高的声波，其频率通常超过20 kHz，远高于人类可听的声音范围，因此不易被听觉感知。由于超声波具有指向性强、能量消耗低、传播距离较远等优点，它被广泛应用于多种测距和探测场景，例如超声波测距仪、物位测量仪、倒车雷达、液位检测、井深测量、管道长度检测等。在这些应用中，超声波测距因其技术简单、实时性强、精度适中且成本低廉，而成为一种理想的选择。
超声波测距的原理是基于超声波传播速度已知，通过测量超声波从发射到接收的时间差，计算出距离。在应用中，超声波测距常常用于工业现场、液体储存、建筑施工等领域，特别是在倒车雷达和物位检测等应用中表现出色。其优势在于不受光线、被测物体颜色的影响，能够在恶劣环境（如粉尘、雾霾等）下依然有效工作，这使得它在很多实际应用中成为首选。
超声传感器作为超声波测距系统中的核心组件，将其他形式的能量转化为超声波能量，或反过来将接收到的超声波信号转化为电能。目前，常见的超声传感器主要有电声型和流体动力型两类。电声型传感器包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器等，其中压电传感器是最常用的类型。压电传感器的工作原理基于压电效应，即压电材料在受到外力作用时会产生电场变化，反之，当加上电场时，压电材料会发生形变，产生机械振动。通过交变电场激励，压电材料产生超声波。
压电传感器的主要构成部分是压电晶片，这些晶片能够在电场作用下产生机械振动，或者在接收到超声波信号时产生相应的电信号。压电材料通常分为晶体和陶瓷两类，常用的晶体材料包括石英和铌酸锂，而压电陶瓷常见的材料有锆钛酸铅、钛酸钡等。压电陶瓷材料具有优异的压电性能，能够在电场作用下产生强烈的机械振动，进而发出超声波。
压电传感器的优势在于其低成本、简单可靠、适用于气体和液体介质中，同时具有较强的耐用性和稳定性。在使用中，当施加交变电场时，压电陶瓷晶片会产生同频率的机械振动，这些振动激发周围介质（如空气、液体等），从而产生超声波；反之，当超声波作用于压电晶片时，晶片产生与超声波频率相同的电信号。这一过程可实现超声波的发射和接收，适用于各种超声波测距系统。
总的来说，超声波传感器，特别是压电传感器，以其高效、稳定、低成本的特点广泛应用于超声波测距领域，提供了精准、快速的距离测量解决方案。这使得超声波测距技术成为现代工业、建筑、交通等领域中不可或缺的重要工具。
图4.1压电式超声波传感器结构图
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
4.2 HC-SR04超声波
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可高达3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理：
（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；
（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
（3）有信号返回，通过IO口ECH0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。测试距离=（高电平时间*声速/340M/S）/2；
（4）当TRIG从0->1时，主控制板启动，当超时10ms时ECH0仍然没有出现150us的0信号，表示没有障碍。
本模块性能稳定，测度距离精确，其主要特点：
（1）超微型，只相当于两个发射，接收头的面积已经没法再小了；
（2）无盲区（10mm内成三角形误差较大，简单可以当做0处理）；
（3）反应速度快，10ms的测量周期，不容易丢失高速目标；
（4）发射头，接收头紧靠，和被测目标基本成直线关系；
（5）模块上有LED指示，方便观察和测试。
4.3 HC-SR04的管脚
4.3.1 管脚简介
HC-SR04的外形及管脚排列如图4.2所示。
（1）VCC为5V电源；
（2）GND为地线；
（3）TRIG触发控制信号输入；
（4）ECH0回响信号输出。
图4.2外形及管脚排列图
4.3.2 HC-SR04的电气参数
电气参数如表4.1所示：
表4.1 电气参数表
电气参数 HC-SR04超声波模块
工作电压 DC 5V
工作电流 15mA
工作频率 40Hz
最远射程 4m
最近射程 2cm
测量角度 15度
输入触发信号 10us的TTL脉冲
输出回响信号 输出TTL电平信号，与射程成比例
规格尺寸 452015mm
4.4超声波时序图
图4.3超声波时序图
此时序图表明只需提供一个10us一上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到右回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms一上，以防止发射信号对回响信号的影响。
5系统硬件
5.1单片机最小系统
5.1.1 AT89C52芯片
本次设计我们所采用的是AT89C52单片机，是一种带8k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能COMOS8的微处理器，该器件有40引脚，速度较快，价格便宜，烧录方便，通过串口即可下载，还可以实现在线编程，采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-52指令集和输出管脚相兼容。
5.1.2 复位电路
为确保微机系统中电路稳定可靠工作，复位电路是必不可少的一部分，复位电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延迟才撤销复位，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。当单片机的复位引脚出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。所以复位引脚的电容大一点没多大关系，顶多是复位时间长一点；但如果电容太小，高电平持续时间太短，则单片机无法正常复位，就不能工作，电容通常取10UF或22UF，铝电解电容即可。
单片机的复位电路在刚接通电时，刚开始电容是没有电的，电容内的电阻很低，通电后，5V的电源通过电阻给电解电容进行充电，电容两端的电会由0V慢慢的升到4V左右（此时间很短一般小于0.3秒），正因为这样，复位脚由低电位升到高电位，引起了内部电路的复位工作；当按下复位键时，电容两端放电，电容又回到0V了，于是又进行了一次复位工作。电路图如图5.1。
图5.1 复位电路
5.1.3 晶振电路
它是单片机系统正常工作的保证，如果振荡器不起振，系统将会不能工作。假如振荡器运行不规律，系统执行程序的时候就会出现时间上的误差，这在通信中会体现的很明显：电路将无法通信。它是由一个晶振和两个瓷片电容组成的，晶振和瓷片电容是没有正负的，两个瓷片电容相连的那端一定要接地，如图5.2所示。
图5.2 晶振电路
一般单片机的晶振工作于并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差，也能保证温漂等误差。
机器周期:通常从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期,(也就是计算机通过内部或外部总线进行一次信息传输从而完成一个或几个微操作所需要的时间),它一般由12个时钟周期组成。而时钟周期=1秒/晶振频率，因此单片机的机器周期=12秒/晶振频率 ，补充其他几个周期：
指令周期（Instruction Cycle）：取出并执行一条指令的时间。
总线周期（BUS Cycle）：也就是一个访存储器或I/O端口操作所用的时间。
时钟周期（Clock Cycle）：又称节拍周期，是处理操作的最基本单位。(晶振频率的倒数，也称T状态)
指令周期、总线周期和时钟周期之间的关系：一个指令周期由若干个总线周期组成，而一个总线周期时间又包含有若干个时钟周期。
一般处理器的一个机器周期由12个时钟周期所组成。所以单片机用12M晶振，运行速度为1M。
负载电容=[(Cd*Cg)/(Cd+Cg)]+Cic+△C[6 ]，跟晶振特性、单片机内部时钟电路等效电容有关。
两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。其起到一个并联协振的作用，这样可以让它的脉冲更平稳与协调。
5.2.2 蜂鸣器报警
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后（1.515V直流工作电压），多谐振荡器起振，暑促1.52.5kHz的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，是电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。本设计采用电磁式蜂鸣器，当距离超出预设值时，蜂鸣器就会发出报警生硬。
电磁式蜂鸣器的发声原理是电流通过电磁线圈，是电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它，单片机IO引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路，即通过一个PNP型三极管8550来放大驱动蜂鸣器。原理图见图5.3。
图5.3 蜂鸣器驱动电路
5.3 HC-RS04超声波测距原理
超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的，设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：D=ct/2。其系统框图如图5.3所示。
图5.3 系统框图
基本原理：经发射器发射出长约6mm，频率为40khz的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。
5.4 5V稳压电路
直流稳压电源又称直流稳压器。它的供电电压大都是交流电压，当交流供电电压的电压或输出负载电阻变化时，稳压器的直接输出电压都能保持稳定。稳压器的参数有电压稳定度、纹波系数和响应速度等。前者表示输入电压的变化对输出电压的影响。纹波系数表示在额定工作情况下，输出电压中交流分量的大小；后者表示输入电压或负载急剧变化时，电压回到正常值所需时间。直流稳压电源分连续导电式与开关式两类。前者由工频变压器把单相或三相交流电压变到适当值，然后经整流、滤波，获得不稳定的直流电源，再经稳压电路得到稳定电压(或电流)。这种电源线路简单、纹波小、相互干扰小，但体积大、耗材多，效率低(常低于40％～60％)。后者以改变调整元件(或开关)的通断时间比来调节输出电压，从而达到稳压。这类电源功耗小，效率可达85％左右，但缺点是纹波大、相互干扰大。所以，80年代以来发展迅速。从工作方式上可分为：①可控整流型。用改变晶闸管的导通时间来调整输出电压。②斩波型。输入是不稳定的直流电压，以改变开关电路的通断比得到单向脉动直流，再经滤波后得到稳定直流电压。③变换器型。不稳定直流电压先经逆变器变换成高频交流电，再经变压、整流、滤波后，从所得新的直流输出电压取样，反馈控制逆变器工作频率，达到稳定输出直流电压的目的。
5.5温度检测电路
5.5.1 温度检测方案的分析
由于超声波也是属于声速，所以在传播途中也会受到温度等外界因素的影响，为了比较精确的得到传感器与液面之间的距离，利用温度传感器检测当时条件下的环境温度，并换算到相对应的超声波声速，利用这个速度去计算距离就可以得到比较准确的距离。因此在整个系统中添加一个温度传感器来对当时环境温度进行检测。
5.5.2 数字温度传感器DS18B20简介
DS18B20是美国DALLAS公司推出的单总线数字测温芯片[8]。他具有独特的单总线接口方式，仅需使用1个端口就能实现与单片机的双向通讯。采用数字信号输出提高了信号抗干扰能力和温度测量精度。他的工作电压使用范围宽(3.0～5.5 V)，可以采用外部供电方式，也可以采用寄生电源方式，即当总线DQ为高电平时，窃取信号能量给DS18B20供电。他还有负压特性，电源极性接反时，DS18B20不会因接错线而烧毁，但不能正常工作。可以通过编程实现9～12位的温度转换精度设置。设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长，在实际应用中要将分辨率和转换时间权衡考虑。
6系统程序的设计
系统程序主要包括主程序、显示数据子程序、报警子程序和按键子程序等。
6.1主程序
主程序的主要功能是负责距离的显示、读出并处理HC-RS04的测量距离值，按键控制有效距离限制，当测量的值超过预设值时，蜂鸣器发声报警。
主程序流程图如图6.1所示。
图6.1主流程图
6.2显示数据
显示数据子程序的主要功能就是把超声波模块测量后的结果经单片机处理完毕的距离显示在LCD液晶显示屏上。
显示数据子程序流程图如图6.2所示。
图6.2显示数据子流程图
6.3报警
报警子程序的主要功能是在距离值超过预警值时，能够使蜂鸣器发声从而达到报警的目的。
报警子程序流程图如图6.3所示。
图6.3报警子流程图
6.4按键
按键子程序的主要功能是有效距离可调，功能键调整上限，再次功能键调整下限，再次按功能退出。
按键子程序流程图如图6.4所示。
图6.4按键子流程图
结 论
本次设计为超声波测距系统提供了一个完整的解决方案，并在实践中实现了超声波的发射和接收，能够准确地检测液位及物体间的距离。设计中，考虑到外界温度对测量结果的影响，特别加入了温度补偿模块，从而提高了测量的精度。这一设计不仅实现了通过超声波测距技术获取物体之间的距离，还通过数字化方式进行显示，满足了现代测量设备对高精度和实时性的需求。
超声波测距的基本原理是利用超声波从发射到接收的时间差来计算距离。具体而言，超声波在发射后遇到物体并反射回来，测量从发射到接收反射波的时间，再根据已知的传播速度来计算距离。本设计采用了反射波测距法，依赖于物体表面对超声波的反射特性，将反射波返回的时间差作为距离的关键参数。
硬件设计方面，本系统包含了四个主要模块：单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路和温度采样电路。单片机采用了8052系列的微控制器，并且配备了12MHz的高精度晶振，以确保时钟频率的稳定，减少由时钟不稳定所带来的测量误差。超声波换能器通过单片机P2.0端口输出一个40kHz的方波信号，这个信号用于驱动超声波发射电路，发射超声波。当超声波遇到物体并反射回来时，接收电路通过外中断0端口检测到反射波的返回，并通过外部中断机制通知单片机进行时间记录和处理。
为了实现高精度测量，设计中采用了基于定时器T0的时间测量方法。在启动超声波发射电路后，系统会延时0.1ms启动单片机的定时器T0，此定时器会记录从发出超声波到接收到反射波的时间差。接收到反射波时，接收电路会触发一个负跳变信号，通过外部中断请求中断单片机的当前程序执行，进入中断服务子程序，读取定时器记录的时间差。根据该时间差和声速的已知值，单片机会计算出超声波从发射到接收的距离，最终将计算结果显示在液晶屏上。
此外，考虑到温度对超声波传播速度的影响，本系统还包括了温度采样电路，用于实时监测环境温度。通过温度数据的实时采集和补偿，确保测量的结果不受温度变化的影响，从而提高了测量的准确性和稳定性。这一温度补偿模块通过将温度传感器的数据与超声波传播公式结合，动态调整声速，从而减少因环境温度波动引起的测量误差。
总的来说，本次设计通过超声波测距和温度补偿技术的结合，实现了一个高效、稳定、精确的超声波测距系统，具备了较高的应用价值。未来，该系统可以进一步扩展应用到更复杂的场景，如液位检测、物位测量、自动化控制等领域，具有广泛的市场前景。
参考文献
[1] 胡汉才．单片机原理及系统设计[M] .北京:清华大学出版社，2002.
[2] 王守中. 52单片机开发入门与典型实例[M].北京:人民邮电出版社，2007.
[3] 陈雪丽. 单片机原理及接口技术[M].北京:化学工业出版社, 2005.
[4] 薛均义，张彦斌.MCS-52系列单片微型计算机及其应用.西安：西安交通大学出版社，2005.
[5] 唐颖，程菊花，任条娟.单片机原理与应用及C52程序设计[M].北京：北京大学出版社，2008.