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26个I/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5个16位定时器，1K的RAM和16K的ROM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8个40KHZ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。R10和R13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。C3和C8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，C4和C9也是起到滤波的作用，使得充到电池的电流更加平滑。LED1和LED2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。R8和R11为LED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。