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标准版 基于STC单片机的超声波测距仪4.17改

简介:基于STC8H1K16单片机,HC-SR04超声波收发模块等元件的超声波测距仪。

开源协议: GPL 3.0

工程来源: 克隆自 基于STC单片机的超声波测距仪

发布时间: 2022-07-01 17:11:09
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描述

一.系统的硬件电路设计

1 . 本系统的硬件设计

本系统硬件部分主要包括:单片机系统模块、温度采集模块、超声波收发模块、数码管显示模块、声光报警模块、电池电压测量模块、锂电池充电模块、按键模块、降压模块、串口下载接口模块。硬件组件如下图所示。


 

2. 系统单片机的选择

本系统选用的是STC8H1K16型号的单片机。该单片机内部自带A/D转换模块,可以不用外接A/D转换芯片,节约成本,简化电路。单片机有26I/O口,可以直接驱动数码管等外设,不需要额外拓展I/O口。其内部多达516位定时器,1KRAM16KROM均满足本系统的设计需要。价格低廉也是它的优势,在国内单片机大幅度涨价之前,此型号的单片机单价在1.6元左右,性价比很高。

STC8H1K16单片机引脚功能图如图所示:

3.超声波收发模块

超声波收发部分采用的是HC-SR04超声波收发模块。

该模块的测距范围、测距精度均满足系统的设计要求。且该模块的价格较低,可以节约系统的成本。

超声波模块实物图如图所示:

HC-SR04超声波模块工作原理如图所示:

单片机对控制端TRIG发出10us的控制脉冲,超声波模块开始工作。循环发出840KHZ的超声波振荡声波,超声波从发射到接收的时间就是ECHO引脚高电平持续的时间。单片机通过读取ECHO高电平持续的时间,加上测量的环境温度信息,通过补偿计算就能精准的测出被测物体的距离。

超声波模块和单片机的接线图如图所示:

超声波模块采用3.3V电压供电。同样的,在VCC引脚与GND引脚之间加入了一个100nF的去耦电容,避免受到其他元件或电磁波的干扰。TRIG引脚连接了单片机的一个I/O口,ECHO引脚也连接单片机的一个I/O口。

4.  电池电压测量模块

锂电池的电压和电量成正比的关系,从一定角度上可以反应电池的电量。由于本系统使用的锂电池没有硬件锂电池保护模块,既为了防止电池电量过于,影响电池寿命,也为了使用者可以清楚电池的剩余电量,本系统加入了电池电压检测模块。

电池电压测量模块电路如图所示:

该模块共有两个网络连接了单片机,分别是“OUT2”网络和“ADC”网络。当“OUT2”网络输出低电平时,S8050截止,SI2302 MOS管处于关断状态,两个100K电阻组成的分压电路断开,该状态是为了节约功耗。当“OUT2”网络输出高电平时,S8050三极管导通,SI2302 MOS管处于低阻状态,两个100K电阻组成的分压电路开始工作,单片机的A/D转换功能引脚通过“ADC”网络连接分压后的电压部分并测量电压。电阻R5的作用是限流,防止单片机输出电流过大,电阻R7和三极管组成逻辑电路,负责为MOS管提供高低电平,同时还有泄放MOS管电荷的作用。R10R13组成电池电压分压电路,将电池电压转换到A/D基准电压以内,C13的作用时稳定电压,防止电压突变,干扰电池电压的准确测量。

5.  锂电池充电模块

该模块主要元件是TP4056锂电池充电芯片。

TP4056的引脚及其功能如图所示:

  

锂电池充电模块电路如图所示:

根据TP4056锂电池充电芯片的数据手册,设计了该电路。5V电源输入接口采用了MICRO-USB接口,该接口适配与市面上大部分数据线,具有很好的兼容性。R9为限流电阻,起到保护芯片的作用。C3C8为输入电源滤波电容,滤除低频纹波和高频纹波,使得输入电压更加平滑。同样的,C4C9也是起到滤波的作用,使得充到电池的电流更加平滑。LED1LED2构成显示部分,用来显示电池的充电状态,当还在充电时,红灯LED2亮,充电完成时,蓝灯LED1亮。R8R11LED限流电阻,R12为电流编程电阻,不同的阻值决定了锂电池的最大充电电流,具体关系可以参考图

本系统使用的锂电池容量为400mAh,考虑到电池的使用寿命,充电电流不能太大也不能太小,太大了影响电池寿命,太小了充电时间久,最后选择了4.7K阻值的R12电阻作为电流编程控制电阻,最大充电电流约为255mA

二.总结

该系统的主要特点有如下这些:

(1)操作方便:系统只有一个控制按键,使用者只需按下按键,系统便可以测量距离并显示结果。

(2)功耗低:系统在正常工作时工作电流仅为20mA左右,使用400mAh的小容量聚合物锂电池理论上可以连续工作20个小时。

(3)精度高:在实际验证功能过程中,超声波测距仪的精度可以达到1cm

(4)反应灵敏:在实际操作过程,系统反应灵敏,没有出现卡顿的情况

本系统对于超声波测距的发展具有十分重要的意义,但是也有一些不足之处:

(1)被测物体最好是平面物体,形状复杂的物体会干扰测距仪的测距,造成测距结果的不准确

(2)测距准确性受测距距离影响,当测距距离越大时,测距准确性会下降

(3)自动待机的功能没有完善,目前只能靠提醒使用者关机来降低功耗,不够智能化,后期需要改进硬件电路和程序来实现自动待机。

设计图
原理图
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PCB
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