頁共31頁1緒論1.1研究的目的和意義超聲波在測距方面具備以下突出的優(yōu)點：(1)環(huán)境介質(zhì)可以是氣體、液態(tài)或固態(tài)等。應(yīng)用領(lǐng)域廣；(2)適用于黑暗、粉塵密布或煙霧繚繞以及強(qiáng)電磁干擾等嚴(yán)峻環(huán)境，能夠在這些條件下提升作業(yè)效能。(3)超聲波傳感器以其結(jié)構(gòu)簡潔、體積小巧、成本低廉的特性著稱，易于實現(xiàn)高效的信息管理與可靠的運行，特別適合微型化和集成化設(shè)計。依靠其特別屬性，此技術(shù)普遍應(yīng)用于精確檢測物體間的距離、厚度以及液體的高度。超聲波探測技術(shù)在超聲波檢測與汽車自動泊車及倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中起到了核心作用，占據(jù)核心效能。雷達(dá)探測與激光、電子信息技術(shù)的演進(jìn)步伐，超聲波原理的發(fā)展進(jìn)程以創(chuàng)新和進(jìn)步為顯著標(biāo)志。廣泛采納的非接觸檢測技術(shù)群，諸如激光測距儀、超聲波檢測和紅外激光測距技術(shù)等非接觸檢測技術(shù)。不管怎樣，激光測距技術(shù)顯現(xiàn)出其高精度性能，然而其明顯缺陷表現(xiàn)為易受周邊環(huán)境因素的干擾?？紤]到激光測距系統(tǒng)軟件在后期維護(hù)檢測方面的費用不菲，經(jīng)濟(jì)壓力明顯上升，因此其在日常及職業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定程度的約束。多見于高端專業(yè)范圍。對比分析超聲波測距與紅外感應(yīng)技術(shù)的比較情況，顯著提高測量效能等級，極大地縮減了測量工序，誤差顯著降低。操作簡單，計算輕松，實時跟蹤，精度與工業(yè)生產(chǎn)具體標(biāo)準(zhǔn)相吻合。圍繞此主題來作為我的設(shè)計方案。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀世界舞臺上20世紀(jì)70年代，高爾頓實施了哨聲測試，這一成就為高頻聲波制造領(lǐng)域樹立了新的歷史標(biāo)桿。未來三十年，非單一走向。超聲波的界限，鮮有人能全面把握其本質(zhì)，在那個階段，專業(yè)素養(yǎng)未能滿足專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致了超聲波研究領(lǐng)域的顯著分歧。直到一戰(zhàn)爆發(fā)，標(biāo)志著，超聲技術(shù)探討成為焦點。朗之萬在德國成功應(yīng)用晶體感應(yīng)器技術(shù)，實現(xiàn)了技術(shù)革新。釋放并采集聲波波峰。研究在水域?qū)嵤┻^程，采集到的超聲波頻率相對較低。研究成果在水下通信的實際應(yīng)用中展現(xiàn)出實用價值。除此,此技術(shù)擅長于水下物體的探測，辨別水下的潛艇活動，極其緊要性。工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域?qū)Τ暡夹g(shù)的應(yīng)用研究正逐步增長,逐步推進(jìn)。1928年，Sokolff首次顯現(xiàn)了超聲探傷檢測技術(shù)研究的深遠(yuǎn)意義。金屬檢測技術(shù)范疇，印度在金屬檢測上，超聲波技術(shù)展現(xiàn)出明顯特色。此設(shè)備是否存在裂縫或缺陷。兩年時光流逝，Murhauser的研究者專利申請已獲得德國官方的認(rèn)可，該專利技術(shù)集中研究超聲波檢測技術(shù)。

這一成就標(biāo)志著超聲波研究領(lǐng)域的重大突破期。1935年，索科爾夫遞交了畢業(yè)論文一份，全面揭示了其研究業(yè)績。執(zhí)行實驗槽溶液的穿透性檢測，對實驗?zāi)繕?biāo)所要求的超聲波能量數(shù)值進(jìn)行了細(xì)致的記錄。位于溶液狀態(tài)，溶液狀態(tài)下波浪紋路容易察覺。德國貝格曼的《超聲波》論文集，對眾多超聲波資料進(jìn)行了深入的剖析。此類資料也在系統(tǒng)軟件初始階段收集之列。

從1956年開始，我國對超聲波的系統(tǒng)研究正式實施，我國對超聲波實施系統(tǒng)性研究計劃。截至目前，我國檢測技術(shù)研究領(lǐng)域碩果累累，已實現(xiàn)顯著的進(jìn)展階段。

眾多領(lǐng)域均實現(xiàn)了顯著的成長步伐，若干新項目在國際舞臺上嶄露頭角。我國檢測研究在超聲波激光測距方位領(lǐng)域的研究成果顯著，表現(xiàn)卓越。經(jīng)過細(xì)致入微的考察，產(chǎn)出了眾多研究產(chǎn)出，研究焦點鎖定在社區(qū)論壇。本論壇對超聲波激光測距技術(shù)的操作原理進(jìn)行了全面分析。成功的研究成果揭示了超聲波的快速特性跡象。提煉波速傳播的核心決定要素，整合了波特性對激光測距系統(tǒng)傳播風(fēng)險的評估資料及實驗數(shù)據(jù)。

在全球超聲研究范圍內(nèi)，我國的研究進(jìn)程正逐步走向成熟階段，精度層面需提升。同步推進(jìn)現(xiàn)代化與超聲波技術(shù)至高級標(biāo)準(zhǔn)層面,研究強(qiáng)度迫切需要提升研究力度，維持效率與速度與既定規(guī)范相符合。1.3本課題主要研究內(nèi)容本研究論述了采用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行超聲波距離測量的理論與實踐方法，全文結(jié)構(gòu)共分為五個章節(jié)進(jìn)行探討。（1）第一章對超聲波測距的來歷及其價值進(jìn)行了介紹，對超聲波研究領(lǐng)域的進(jìn)步線索進(jìn)行了梳理。（2）第二章介紹了此次設(shè)計的總體方案。（3）第三章對硬件組成部分進(jìn)行了全面闡述，本裝置集成了單片機(jī)控制核心、超聲波測距模塊、溫度監(jiān)測模塊、警報模塊及電源系統(tǒng)。對每個模塊的功能與電路連接的細(xì)節(jié)進(jìn)行了全面說明。（4）第四章介紹了此次設(shè)計的軟件部分，詳細(xì)闡述了此次設(shè)計程序的編寫思路以及程序的流程圖，還介紹了各個模塊端口與單片機(jī)的連接，也就是頭文件中對端口的聲明。（5）第五章詳盡歸納了本設(shè)計的實驗成效與誤差探討，涵蓋了實物裝置的圖像展示，以及在未觸發(fā)起警閾值與超過起警閾值條件下的測試圖像對比分析。列出了測試的實驗結(jié)果和當(dāng)時的溫度以及測試的誤差，并分析了誤差的來源。2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1超聲波測距的基本理論2.1.1超聲波簡介微電子技術(shù)界別，在微電子行業(yè)，頻率超出20000赫茲的波動現(xiàn)象即定義為超聲波。該物質(zhì)的活性表現(xiàn)優(yōu)異，其透光表現(xiàn)同樣引人稱贊。這無疑是極其簡易的。作為回響樣本之一，該聲音樣本被采集。超聲波技術(shù)被多個領(lǐng)域所應(yīng)用，精確計量鑒定領(lǐng)域，可具體分為對速度的精確評估與距離的測定。各種徹底消除病原體的生存環(huán)境；利用超聲波能量源，物體破碎及切割作業(yè)能夠高效進(jìn)行。超聲波的運用范疇相當(dāng)寬廣，潛力無限大，前景無限大。技術(shù)進(jìn)步對國防安全及日常生活產(chǎn)生了深遠(yuǎn)效應(yīng)，在多個行業(yè)領(lǐng)域中起到核心作用。追溯超聲波術(shù)語的起源歷史,簡言之，聲波之上的高頻波動已越出人耳聽覺極限。其本質(zhì)屬性，表現(xiàn)為聲波，故此可行。聲波特性的多變面貌。超聲波的動態(tài)模式與聲波模式相一致。物體所吸納的能量是聲波傳遞的機(jī)械能形態(tài)，敲擊水后聲波隨即形成，漣漪在河面泛起，這足以引起魚兒的驚恐。聲波的性質(zhì)多到令人咋舌，特點鮮明。最初在相仿的自然環(huán)境里，聲速恒定無任何波動。遇到障礙后，某些聲波會反射回原出發(fā)點。第三波聲波向四周散布開去間距拉大，損耗逐步擴(kuò)大。本質(zhì)上講，超聲波的移動路徑幾乎保持直線，激光測距中標(biāo)定應(yīng)用中，該技術(shù)表現(xiàn)突出。2.1.2超聲波與傳播介質(zhì)的關(guān)系當(dāng)超聲波穿過不同媒介時，在媒介交界的地方會產(chǎn)生折射和反射，根據(jù)定律可知波的傳播規(guī)則。超聲波沿x正向傳播的運動方程為：A=Axcosωt+kxAx=A其中，A(x)代表超聲波的振幅（質(zhì)點位移的大?。?、ω代表角頻率、t代表時間、A0則是常數(shù)、x代表傳播的距離、k=2π/λ代表波數(shù)，λ代表波長，α代表衰減的系數(shù)。且有如下關(guān)系：α=af2（上式中f代表振動頻率，a代表介質(zhì)常數(shù)。在超聲波的傳播過程中，能量損耗現(xiàn)象顯著，主要歸因于外部條件的干擾，導(dǎo)致波的能量逐漸遞減。這一能量衰減的現(xiàn)象可追溯至波的發(fā)散效應(yīng)以及散射機(jī)制。其衰減的規(guī)律可由以下公式表示：P=P0e??x（（2-5）其中，P0代表聲音在x=0時候的聲壓，I0代表聲音在x=0出的聲強(qiáng)。?代表系數(shù)，單位是：奈培/cm。其衰減與距離的關(guān)系如表2-1所示：表2-1聲波衰減與距離的關(guān)系表L(cm)12510204080160200幅值（mv）141112867452413183早已證實，聲音傳播的速度會遭受物質(zhì)中自然環(huán)境溫度的危害。超聲波在空氣中每個角度的速度一般在340m/s上下，當(dāng)溫度上升時，速度一般會擴(kuò)大。他們相互關(guān)系如表2-2所顯示：表2-2聲速與溫度關(guān)系溫度（℃）-30-20-100102030100波速（m/s）313319325323338344349386用公式可表示為：C=331.4×1+T/273（其中，T代表溫度。2.2基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計方案本研究開展的系統(tǒng)設(shè)計涉及硬件與軟件方面，其架構(gòu)可細(xì)分成四大功能模塊，分別是數(shù)據(jù)獲取模塊、預(yù)警模塊、管控模塊以及信息展示模塊，從硬件電路構(gòu)成來看，主要包含單片機(jī)基礎(chǔ)系統(tǒng)、超聲波探測器、能源供應(yīng)單元、音頻警示裝置、溫度感應(yīng)器以及顯示電路等關(guān)鍵部分。其系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖2.1所示。圖2.1超聲波測距總體框圖在本設(shè)計里，單片機(jī)作為核心處理器發(fā)揮作用，由三節(jié)5號干電池來提供電力支持，一開始，借助單片機(jī)驅(qū)動DS18B20型溫度傳感器獲取實時的溫度，依據(jù)這個溫度來計算超聲波在當(dāng)下空氣狀況下的傳播速度，接著在控制端口P2.0施加一個持續(xù)時間超過10μs的高電平脈沖，以此啟動超聲波發(fā)射。超聲波經(jīng)過反射物體反射之后，被傳感器的接收端捕捉到，系統(tǒng)對超聲波接收口P2.1進(jìn)行監(jiān)控，一旦檢測到有高電平輸出，就立刻啟動定時器開始計時，當(dāng)Echo端口恢復(fù)到低電平時，計時停止，所記錄下來的時間差就是距離測量值，依據(jù)這個時間差計算出實際的距離，并且同步在顯示器上顯示出該距離以及對應(yīng)的溫度。要是處于安全距離范圍之內(nèi)，系統(tǒng)就不會觸發(fā)警報，維持正常的顯示狀態(tài)，可是當(dāng)檢測到的距離低于預(yù)設(shè)的閾值或者超出測量上限時，報警機(jī)制就會啟動，有源蜂鳴器會發(fā)出警告的聲音，顯示屏上會替換顯示"distance--"作為警示的信息。3系統(tǒng)硬件部分的設(shè)計3.1單片機(jī)控制模塊3.1.1單片機(jī)簡介片微型計算機(jī)，一般也稱作單片微控制器，實際上是集成電路里的一塊芯片，集成了帶有數(shù)據(jù)處理功能的微處理器CPU，像算術(shù)邏輯運算、邏輯操作、數(shù)據(jù)傳輸以及中斷管理等功能都包含在內(nèi)，它還整合了隨機(jī)存取內(nèi)存RAM、只讀存儲器ROM以及輸入輸出I/O端口，構(gòu)成一個緊湊且完整的計算機(jī)系統(tǒng)。在軟件指令的驅(qū)動之下，這個系統(tǒng)可精準(zhǔn)高效地執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的任務(wù)，不過單片機(jī)芯片自身沒辦法獨立承擔(dān)工程應(yīng)用，得結(jié)合配套的外圍電路才可以發(fā)揮出它的功能，圖3.1展示的是單片機(jī)的實物圖像，其芯片標(biāo)識是STC89C52。（1）采用STC作為前綴的芯片，與STC公司生產(chǎn)的產(chǎn)品線相匹配。（2）數(shù)字8揭示了該芯片的核心設(shè)計，即8051架構(gòu)的采納。（3）此標(biāo)識表明設(shè)備內(nèi)部集成了FlashE2PROM存儲模塊。（4）此商品經(jīng)C符號鑒定，歸屬CMOS類別。（5）數(shù)字5的書寫格式未變動。（6）該芯片的程序存儲量以二為記數(shù)單位，其內(nèi)存大小為8000字節(jié)。（7）某些芯片上帶有“RC”標(biāo)簽，此標(biāo)識揭示了STC單片機(jī)的RAM大小為512字節(jié)。（8）該產(chǎn)品采納雙列直插封裝方案。（9）在最高頻域，該設(shè)備支持接入的晶振頻率達(dá)到40MHz。圖3.1單片機(jī)實物圖3.1.2STC89C52內(nèi)部組成STC89C2單片機(jī)與袖珍電腦相仿，內(nèi)部結(jié)構(gòu)齊全，具體列舉其組成部分。（1）一個8位CPU;（2）該設(shè)備搭載了8000KB的Flash程序存儲介質(zhì)。（3）配備256字節(jié)容量的隨機(jī)存取存儲器（RAM）的數(shù)據(jù)存儲裝置；（4）內(nèi)置振蕩器及計時器組合體；（5）集成雙向全通道的串行數(shù)據(jù)傳輸端口實現(xiàn)；（6）配置了64KB尋址架構(gòu)的獨立外部數(shù)據(jù)存儲單元，含有一個64KB獨立的外部程序存儲管理單元；（7）安裝了32條可編程的輸入輸出線路模塊；（8）中斷管理采用了雙級優(yōu)先級設(shè)計，八個中斷觸發(fā)點均被整合進(jìn)配置的架構(gòu)中。STC89C52的內(nèi)部框圖如圖3.2所示。圖3.2單片機(jī)內(nèi)部框圖3.1.3STC89C52外部結(jié)構(gòu)及功能STC89C52單片機(jī)的設(shè)計方案中，重點集成了P0、P1、P2及P3端口，所提及的端口有接收、發(fā)送、電源、時鐘及復(fù)位。P0端口采用了八位雙向三態(tài)的I/O特性設(shè)計，每個引腳均可自主操作，數(shù)據(jù)與地址時分復(fù)用得以實現(xiàn)，也可用作普遍的輸入輸出接口。P0端子內(nèi)部未裝設(shè)上拉電阻，所以，表現(xiàn)為高阻抗?fàn)顟B(tài)，電平輸出不夠穩(wěn)定，應(yīng)當(dāng)連接外部上拉電阻，恢復(fù)其正常作業(yè)狀態(tài)。P1端子實現(xiàn)了八位雙向輸入輸出功能，功能全面，每個引腳均能獨立實施，集成了上拉電阻特性。在使用P1口之前，要先執(zhí)行寫1操作，這樣能保證單片機(jī)能準(zhǔn)確讀取外部信號，這個預(yù)備步驟讓P1口被稱作準(zhǔn)雙向。展開來說，P1.0的輔助功能是作為T2定時器/計數(shù)器的外部輸入，而P1.1則用于T2EX的捕捉和重裝觸發(fā)，也就是T2的外部控制接口，如圖3.3展示的，是STC89C52的外部引腳布局。。圖3.3單片機(jī)引腳圖STC89C52引腳功能說明如表3.1所示。表3.1STC89C52引腳功能表標(biāo)號引腳種類引腳說明1電源引腳VCC（40引腳）工作電壓為5V2電源引腳VSS（20引腳）接地端3時鐘引腳XTAL1（19引腳）片內(nèi)反相放大器的輸入端4時鐘引腳XTAL2（18引腳）片內(nèi)反相放大器的輸出端5復(fù)位引腳RST（9引腳）完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作6I/O引腳P0口（39～32腳）雙向八位三態(tài)I/O口，內(nèi)部沒有上拉電阻7I/O引腳P1口（1～8引腳）準(zhǔn)雙向八位I/O口，內(nèi)帶上拉電阻8I/O引腳P2口（21～28腳）與P1口相似9I/O引腳P3口（10～17腳）準(zhǔn)雙向八位I/O口，內(nèi)帶上拉電阻10擴(kuò)展引腳ALE/PROG(30引腳)進(jìn)行擴(kuò)展外部RAM時使用11PSEN（29引腳）程序存儲器允許輸出控制端，低電平有效12EA/VPP(31引腳)EA接高電平時，單片機(jī)讀取內(nèi)部程序存儲器在讀取外部存儲器，EA為低電平時，單片機(jī)直接讀取外部ROM。P3口作為第二功能使用時各個引腳功能如表3.2所示。表3.2P3口各引腳第二功能定義標(biāo)號引腳第二功能說明P3.010RXD串行輸入口P3.111TXD串行輸出口P3.212INT0(0)外部中斷0P3.313INT1(0)外部中斷1P3.414T0定時器/計數(shù)器0外部端P3.515T1定時器/計數(shù)器1外部端P3.616WR(0)外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖P3.717RD(0)外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖 3.2發(fā)射系統(tǒng)的設(shè)計3.2.1超聲波發(fā)射器通常，超聲波的制作技術(shù)主要可歸納為兩大類：采用電氣設(shè)備引發(fā)形成，設(shè)備直接制造此類超聲波。所涉及技術(shù)為壓電、磁致伸縮等電氣設(shè)備技術(shù)；也涉及加爾頓哨、液態(tài)哨及氣體哨等機(jī)械操作途徑。鑒于超聲波特性的差異性，故而采用了多形式的運用方式。本調(diào)頻發(fā)射器向檢測物體發(fā)射超聲波，以實現(xiàn)檢測功能。在重要應(yīng)用區(qū)域，超聲波射線具有高聚焦性、扇形擴(kuò)散和無角度的屬性，這些傳感器裝備了與介質(zhì)聲阻抗相一致的調(diào)節(jié)部件。該裝置的核心運作原理是壓電晶體的共振。該裝置由一塊共振面板及兩顆智能處理核心芯片拼接而成。輸入特定頻率的差分波形至雙極，當(dāng)該頻率與芯片自激振蕩頻率共鳴，導(dǎo)致共振板振動，聲波隨即生成。超聲波發(fā)射器如圖3-4所示圖3-4超聲波發(fā)射器以下列舉了HC-SR04傳感器的幾個關(guān)鍵特性：（1）微型化設(shè)計體積緊湊，其面積總和與兩個發(fā)射頭面積相加結(jié)果相同；（2）盲區(qū)范圍極窄，幾乎無盲區(qū)存在，幾乎可以忽略不計，只需10毫米實現(xiàn)了無盲區(qū)境界。（3）測速表現(xiàn)非凡，測速周期為10毫秒之短，有效保障目標(biāo)不被丟失。（4）發(fā)射源與接收源同一直線對齊。本節(jié)將介紹HC-SR04傳感器與單片機(jī)引腳對接的技巧：（1）VCC：供電電壓采用5伏特；（2）GND：接地（3）三角控制器輸出端口：與單片機(jī)的I/O模塊實現(xiàn)連接；（4）Echo（接收端）：集成了輸入輸出功能的單片機(jī)端口群。構(gòu)建超聲波傳感器系統(tǒng)期間，要保證信號傳輸穩(wěn)定，Trig和Echo端口與單片機(jī)接口時需預(yù)先接入上拉電阻，因為STC89C52型號單片機(jī)的P2端口有內(nèi)建上拉電阻功能，把Trig接口對應(yīng)連到P2.0端口，Echo接口相應(yīng)連到P2.1端口，這樣能優(yōu)化硬件資源利用。HC-SR04的電氣參數(shù)如圖表3.3所示。圖3.3HC-SR04電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HC-SR04工作電壓DC5V工作電流小于2mA工作頻率40HZ感應(yīng)角度不大于15度探測距離2cm～450cm精度可達(dá)3mm輸入觸發(fā)信號10μs的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL脈沖，與距離成正比尺寸大小45×20×15mm3.3.3超聲波測距原理超聲波是被定義為頻率超出20KHZ的機(jī)械波，它在實踐當(dāng)中的測距技術(shù)主要是依靠回聲定位原理來實現(xiàn)的，該方法具體的操作過程是這樣的：超聲波發(fā)射裝置會沿著特定的方向釋放出超聲波，同時會同步啟動計時器，當(dāng)超聲波在大氣當(dāng)中進(jìn)行傳播的時候遇到物體，就會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，這個時候超聲波接收器捕獲到反射信號后就會立刻終止計時。在實施超聲波發(fā)射之前，需要先測定當(dāng)前的空氣溫度，以此來獲取超聲波在空氣中的確切傳播速度V，憑借借助計時器測定的時間差t，可精確地估算出發(fā)射源與目標(biāo)物體之間的距離S，關(guān)于這一超聲波發(fā)射機(jī)制的示意圖展示在圖3.5當(dāng)中。圖3.5超聲波發(fā)射原理圖超聲波探頭與障礙物之間的垂直距離為：H=S×cosθθ=arctanLH式3.3中：L-兩探頭中心之間距離的一半。在使用超聲波測距之前，要先測量環(huán)境溫度，進(jìn)而求出當(dāng)前溫度下的超聲波傳播速度V。由表3.3溫度與速度的對照關(guān)系可以得出：V=331.5+0.067T（3.4）式3.4中：T-當(dāng)前環(huán)境的溫度。超聲波傳播的距離為：S=Vt2（3.5）式3.5中：v-超聲波在空氣中的傳播速度；t-超聲波從發(fā)射到接受所用的時間。將以上式子聯(lián)立得：2H=vtcos[arcH=Vt式3.7就是測量與障礙物之間距離的公式。3.3單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)STC89C52成為了主控板的核心部分，在其設(shè)計里有晶振電路以及延時電路這兩個不可缺少的組件，這三個部分一起構(gòu)建起了單片機(jī)的基本框架，一般被稱作單片機(jī)的最小系統(tǒng)配置。3.3.1時鐘電路該電路的主要作用是將內(nèi)外部產(chǎn)生的時鐘數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)化為單片機(jī)運行必須的時鐘信號，有兩種時鐘信號獲取渠道：內(nèi)外時鐘信號的輸入渠道。系統(tǒng)通過外部震蕩差分信號實現(xiàn)時鐘同步，增強(qiáng)同步精度，雙片單片機(jī)和姿態(tài)控制系統(tǒng)普遍運用了這一特性。本系統(tǒng)采用了12MHz頻率的晶振來構(gòu)成電路，運用了外部時鐘手段。坐落于STC89C52單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造內(nèi)，裝備了可控負(fù)反饋機(jī)制的反相放大器，XTAL1是信號接收的部件，輸出部分由XTAL2完成。此配置的反向放大器與單片機(jī)外部的紫水晶諧振器和電容C1、C2相聯(lián)，構(gòu)建了共振電源回路。雖說對外接電容的具體數(shù)值允許有一定的寬容范圍，然而電容值的不同確實會在一定程度上對振蕩器的工作頻率穩(wěn)定性、可靠性能、高速響應(yīng)以及溫度穩(wěn)定性產(chǎn)生影響?？紤]到對激光測距精度有著較高的要求，本設(shè)計選擇了12MHz的晶體振蕩器電路，其中C1和C2的電容值被設(shè)定為大約30PF，具體如圖3-5所示。圖3-5時鐘電路原理圖3.4.2復(fù)位電路執(zhí)行51單片機(jī)的初始配置動作，保證RST引腳的高電平持續(xù)不少于兩個時鐘周期，即可啟動重置操作。RST端口若變?yōu)楦唠娢?，RST端電位升高系統(tǒng)將實施內(nèi)部結(jié)構(gòu)的重置動作。循環(huán)中動作持續(xù)上演，RST端電平下降至低電位，當(dāng)前階段即告完成。進(jìn)行電路設(shè)計時，單片機(jī)技術(shù)被采納，電源復(fù)位模塊主要實施兩種復(fù)位手段：電源接入復(fù)位與人工復(fù)位方法。本計劃采用了人工激活的恢復(fù)步驟。復(fù)位鍵激活，電容器快速完成充放電過程，RST端子迅速上升至高電平狀態(tài)；復(fù)位鍵已從被按下的狀態(tài)中恢復(fù)，電阻與電池協(xié)同工作，使電容器充電，RST端子逐漸恢復(fù)至低電平狀態(tài)。圖3-6中展現(xiàn)。圖3-6復(fù)位電路原理圖3.5溫度檢測電路3.5.1數(shù)字溫度傳感器DS18B20簡介當(dāng)超聲波于大氣環(huán)境里傳播之時，它的速度會受到像氣溫、氣壓以及濕度等多種因素的作用，在這些因素里，氣溫所起的作用最為突出，要消除因環(huán)境溫度而致使的測量誤差，實時監(jiān)測并校正環(huán)境溫度十分關(guān)鍵，此設(shè)計選用DS18B20溫度傳感器模塊來開展溫度探測，該傳感器憑借其接線簡單、體積小巧以及使用便捷的特性，廣泛適用于各類環(huán)境的溫度測量，特別適宜在有限空間內(nèi)施行。DS18B20可直接把測得的溫度轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號，以便供處理器做處理，它采用單總線協(xié)議，只需一條信號線便可同時傳遞時鐘和數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)傳輸有雙向性，與微控制器的接口設(shè)計相當(dāng)簡潔，只需一個微控制器的I/O口就能達(dá)成對DS18B20的控制，執(zhí)行溫度采集任務(wù)。DS18B20的工作原理示意如同圖3.7，其實物圖像則如圖3.8所示。圖3.7DS18B20電路原理圖DS18B20溫度檢測集成模塊的實物圖如圖3.8所示。圖3.8溫度檢測集成模塊實物圖3.5.2DS18B20的工作原理DS18B20的ROM內(nèi)部包含著一個獨特的64位序列號，可被看作是傳感器的唯一標(biāo)識，這個光刻序列號保證了每個溫度傳感器都有個體差異性，使得一臺主機(jī)可串聯(lián)多個傳感器來構(gòu)建多點測溫網(wǎng)絡(luò)，在執(zhí)行與溫度有關(guān)的操作時，如果主機(jī)需要同時處理多個DS18B20，那就要依次連接每個傳感器來讀取其序列號，之后再把所有設(shè)備并入總線。要是僅對單一DS18B20進(jìn)行操作，那么可以省略這個步驟以及ROM匹配過程，隨后開展溫度轉(zhuǎn)換與讀取工作，該傳感器的溫度精度提供9至12位的選項，其中12位精度是最高的，按照0.0625℃的增量遞增，并且在上電的時候默認(rèn)采用12位模式，想要啟動測溫或者轉(zhuǎn)換，控制器需要發(fā)送44H指令，緊接著開始測量，等到轉(zhuǎn)換完成之后，結(jié)果將會以雙字節(jié)的形式暫時存儲在高速緩存當(dāng)中。每個字節(jié)包含8位數(shù)據(jù)，高字節(jié)的前五位指示溫度符號：正值顯示為'0'，負(fù)值則是'1'，對于正溫度，直接乘以0.0625就能得到實際溫度，要是為負(fù)值，那就需要減1之后再取反，然后乘以0.0625，圖3.9展示了DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部構(gòu)造概貌。圖3.9DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.5.3溫度對超聲波速度的影響超聲波測距技術(shù)持續(xù)捕捉超聲波射出后遇到障礙物所反射的回聲，運用回聲發(fā)射與接收的時間差進(jìn)行數(shù)值量算，成功計算出超聲波探頭與障礙物間的實際距離S。計算距離的公式如下：S=VT式3.1中的V為超聲波在空氣中的傳播速度。超聲波在空氣中傳播會受到很多因素的影響，其中影響最大的是空氣溫度，表3.4列出了幾種溫度下的波速。表3.4聲速與溫度的關(guān)系溫度（°C）-30-20-100102030100聲速（m/s）313319325331338344349386由此可以推導(dǎo)出，溫度和波速大概有V=331.5+0.607T的關(guān)系，波速確定后只要得到超聲波往返時間，就可以得到與障礙物之間的距離S。3.4LCD1602液晶顯示模塊3.4.1LCD1602液晶顯示模塊簡介1602型液晶點陣設(shè)備，特別為字母、數(shù)字及符號的顯示而制作，該模塊字符排列采用5×7或5×陣列設(shè)計。每個獨立點展示字符，字符間距清晰可見，行間間距適宜。該模塊的顯示區(qū)域為16列寬2行高布局，模塊的顯示區(qū)域為兩行，每行最多可展示16個字符。在稱呼液晶顯示器名稱時，一般按照字符排列形式來命名，通過“1602”標(biāo)記，LCD1602顯示屏的顯示模式為雙行，一行顯示16個字符信息。這款液晶屏正是本產(chǎn)品所采用的型號，本顯示界面能夠展示數(shù)字、大小寫字母及多種符號，中文字符與圖像在此設(shè)計中無法得到有效展示。LCD1602液晶顯示器主要技術(shù)參數(shù)如表3.5所示。表3.5LCD1602液晶顯示器主要技術(shù)參數(shù)技術(shù)參數(shù)LCD1602顯示容量16×2個字符工作電壓4.5～5.5V工作電流2.0mA最佳工作電壓5.0V字符尺寸2.95×4.35mm3.4.2LCD1602液晶顯示模塊電路的連接圖3.10所呈現(xiàn)的LCD1602液晶顯示器原理中，其對比度調(diào)控的關(guān)鍵之處在于CV端，該端口若直接連接到VCC，有可能致使對比度過強(qiáng)，造成內(nèi)容無法顯示，一般情況下，會采用串聯(lián)電阻的方式來適度調(diào)整對比度，不過在此次設(shè)計里，CV端被直接接地，使得對比度降至最低限度，即便如此，顯示器依然可維持正常的顯示功能。E端作為使能端，也就是允許/禁止端，它只有在高電平時才會生效，RS端用于數(shù)據(jù)指令的選擇，而R/W端則決定操作是讀取還是寫入，數(shù)據(jù)交互借助D0至D7這8位數(shù)據(jù)線來進(jìn)行，總體而言，LCD1602液晶顯示器配置有16個引腳，各引腳的具體功能在表3.6中有詳細(xì)羅列。表3.6LCD1602液晶顯示器引腳說明編號符號引腳說明1VSS電源地2VDD電源正極3CV液晶顯示對比度調(diào)節(jié)4RS(H/L）數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平選擇數(shù)據(jù)，低電平選擇命令，接單片機(jī)P2.6口5R/W(H/L)讀寫選擇端，高電平選擇讀，低電平選擇寫，接單片機(jī)的P2.5口6E使能端，接單片機(jī)的P2.7口7～14DO～D7數(shù)據(jù)端，接單片機(jī)的P0口15BLA背光電源正極16BLK背光電源負(fù)極圖3.10LCD1602原理圖3.4.3LCD1602液晶顯示模塊的主要操作（1）在進(jìn)行LCD1602顯示器的應(yīng)用操作時，首先要做的就是開展初始化配置工作，在本設(shè)計里，將其設(shè)置成雙行顯示模式，并且配備5×7像素的點陣結(jié)構(gòu)，采用的是八位數(shù)據(jù)接口，初始化的時候，發(fā)送指令0x38來開啟顯示功能，同時把光標(biāo)設(shè)置為不可見狀態(tài)，而且不讓其閃爍。緊接著，運用0x0c指令來優(yōu)化顯示效果，這樣在字符讀寫之后，指針和光標(biāo)可自動增加1，然后借助0x06指令保證在寫入字符時屏幕內(nèi)容不會出現(xiàn)移動的情況，說到清除屏幕操作，可以借助輸入0x01指令來重置數(shù)據(jù)指針，清空屏幕內(nèi)容。（2）LCD1602型液晶顯示屏內(nèi)部設(shè)置了80字節(jié)的顯示隨機(jī)存取存儲器，該存儲器最初的設(shè)計來用來存放傳輸過來的數(shù)據(jù)，不過在靜態(tài)顯示模式下，其中只有32字節(jié)被加以利用，剩下的48字節(jié)是專門為實現(xiàn)動態(tài)顯示功能而預(yù)留的，在進(jìn)行字符顯示的時候，需要提前確定字符的位置，液晶屏的顯示地址和實際屏幕坐標(biāo)之間的映射關(guān)系在表3.7中有詳細(xì)說明。表3.7液晶顯示屏的顯示位置與屏幕位置對應(yīng)關(guān)系表顯示位置12345678910111213141516第一行00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH第二行40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH然而，這并非僅限于在字符輸出前直接設(shè)定該存儲位置，在設(shè)置顯示地址之際，應(yīng)當(dāng)留心首位數(shù)字需設(shè)為1。從表3.7的地址資料出發(fā)，實施80H的加法實施步驟，地址顯示最終完成形成。（3）液晶顯示器狀態(tài)檢測方面，會設(shè)定一個臨時變量temp來存儲液晶顯示器的狀態(tài)字，這個狀態(tài)字由八位組成，其中最高位被用作液晶的忙狀態(tài)標(biāo)志，對最高位的值加以分析，就能知道顯示器的運行狀況，要是最高位的值是0，那就說明液晶屏處于非忙狀態(tài)，在這個時候可以安全地執(zhí)行讀寫操作。相反如果最高位是1，那就意味著液晶正忙，需要持續(xù)對其狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，不過為了避免無休止的等待讓系統(tǒng)陷入死循環(huán)，需要設(shè)置超時機(jī)制，以此來保證操作的可行性以及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（4）寫命令：首先確認(rèn)液晶是否正忙，若正忙需等待其空閑期間，即時觸發(fā)寫入指令。此刻將E端設(shè)定為低電平，RS端是數(shù)據(jù)與指令選擇的關(guān)鍵端口，寫入信號表現(xiàn)為低電平，讀寫選擇端已達(dá)到就緒狀態(tài)，寫入信號也為低電平所控制。本設(shè)計采用了8位的數(shù)據(jù)端口，指令直接輸入到P0數(shù)據(jù)端口。緊接其后，E使能端命令已成功寫入P0端口。最終調(diào)整使能端E的強(qiáng)度，降低對其他讀寫活動序列的干擾程度。（5）寫數(shù)據(jù)：與寫命令的操作基本一致，只是在RS端選擇寫數(shù)據(jù)為高電平。3.5蜂鳴器和指示燈報警電路電子訊響器，其中以蜂鳴器最為典型，按照其內(nèi)部有沒有搭載振蕩源來劃分，可分成兩類，分別是有源蜂鳴器和無源蜂鳴器，有源的意思是器件內(nèi)部有振蕩源，無源器件則不是這樣，有源蜂鳴器有自驅(qū)動的能力，只要施加合適的電壓就能開始發(fā)聲，而無源蜂鳴器要依靠外部驅(qū)動電路才能發(fā)出聲音，它最理想的工作條件是接收一定頻率的方波驅(qū)動信號。本設(shè)計選用有源蜂鳴器，它的I/O端口和單片機(jī)的I/O端口直接相連，功能設(shè)置為：當(dāng)檢測到的距離小于20cm或者超出了預(yù)設(shè)的測距范圍時，蜂鳴器就會啟動報警，來提示可能存在的風(fēng)險，相反，在安全范圍內(nèi)，蜂鳴器保持安靜，以沒有聲音的狀態(tài)表示環(huán)境處于安全界限之內(nèi)。如圖3.11所示，清楚地展示了蜂鳴器與指示燈的報警電路配置情況。圖3.11報警電路原理圖4.測距系統(tǒng)軟件程序設(shè)計4.1keil開發(fā)環(huán)境及開發(fā)語言選擇4.1.1編程語言的選擇本項目選用C語言作為編程工具，C語言是一種廣泛應(yīng)用的計算機(jī)語言，有著較大影響力和實用價值，C語言語法結(jié)構(gòu)簡潔明了，邏輯流程清晰，與機(jī)器語言相比，易讀性更高，編譯效率也更高，C語言的強(qiáng)移植性可讓程序在不同計算機(jī)系統(tǒng)上順利運行，而匯編語言的指令集往往緊密依賴特定操作系統(tǒng)和微處理器，限制了其跨平臺的適應(yīng)性。4.1.2Keil開發(fā)環(huán)境本產(chǎn)品所采用的集成開發(fā)系統(tǒng)為KeilμVision5，此平臺系KeilSoftware公司在美國所推出，特別設(shè)計的C語言開發(fā)環(huán)境，特別針對51系列微處理器。Keil公司推出了一個綜合性的開發(fā)工具群，整合了C語言編譯器、宏指令編譯器、鏈接器、庫管理工具以及仿真調(diào)試功能，這些工具在μVision集成開發(fā)環(huán)境中實現(xiàn)整合。本設(shè)計所依賴的KeilμVision5集成開發(fā)平臺在圖4.1中呈現(xiàn)。圖4.1KeilμVision5開發(fā)環(huán)境4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計本研究運用模塊化設(shè)計策略開展構(gòu)建與編程工作，程序結(jié)構(gòu)涉及主體程序模塊、溫度測量模塊、距離測量模塊、液晶顯示模塊、頭文件模塊以及警報模塊，主體程序主要承擔(dān)函數(shù)調(diào)用以及定時器管理工作，其余各模塊分別獨立執(zhí)行自身任務(wù)，圖4.2展示了系統(tǒng)的整體運行流程。圖4.2超聲波測距系統(tǒng)總體流程圖4.2.1主程序模塊在程序主體當(dāng)中，最先要做的事情是啟動各個模塊的系統(tǒng)環(huán)境配置函數(shù)，把定時器T0設(shè)置成16位定時器模式，使其運行在方式0下，緊接著，開啟全局中斷許可位EA，設(shè)置定時器工作模式寄存器TMOD，同時還要開啟T0的溢出中斷許可位ET0，之后激活定時器TR0并把它的初值設(shè)定為0。隨后調(diào)用超聲波發(fā)射功能，在Echo引腳檢測到高電平時啟動計時，當(dāng)Echo引腳返回低電平時，中斷結(jié)束，此時調(diào)用溫度計算函數(shù)來獲取溫度讀數(shù)，再調(diào)用超聲波測距函數(shù)進(jìn)行處理，最后調(diào)用液晶顯示函數(shù)，把溫度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，這一流程的概述如圖4.3所示。圖4.3主函數(shù)流程圖4.2.2超聲波測距模塊超聲波測距系統(tǒng)有超聲波發(fā)射以及距離估算這兩個功能組件，其中，核心程序承擔(dān)著計算往返于超聲波傳感器與目標(biāo)物體之間飛行時間的任務(wù)，在發(fā)射環(huán)節(jié)，微控制器向Trig引腳施加高電平脈沖，借助C語言庫中的空循環(huán)函數(shù)實現(xiàn)精確的10μs延遲，這是因為微控制器的晶體振蕩器頻率為12MHz，每個指令周期為1μs。該特定指令定義在頭文件intrins.h中，應(yīng)用時要引入此頭文件，這樣一來，超聲波可發(fā)射，10μs之后，Trig引腳切換為低電平，發(fā)射過程結(jié)束，之后計時器捕獲的時間在計算模塊中進(jìn)行處理，結(jié)合溫度補(bǔ)償對超聲波速度給予校正，最終依據(jù)預(yù)設(shè)公式計算出實際距離。該超聲波測距系統(tǒng)的流程示意如圖4.4所示。圖4.4超聲波模塊流程圖4.2.3顯示模塊本研究運用LCD1602顯示器來展示溫度以及測量得到的距離，在LCD1602剛開始應(yīng)用的時候，要聲明相應(yīng)的端口并且執(zhí)行初始化配置，這個過程包含設(shè)定顯示模式、光標(biāo)顯示狀態(tài)以及清除屏幕等功能，因為主要任務(wù)是利用LCD1602顯示距離和溫度，它的讀寫操作只涉及寫操作，不需要讀操作，于是設(shè)定Lcd_rw為0，用低電平來執(zhí)行寫操作，而高電平則是用來讀取。LCD1602的寫操作有發(fā)送指令和寫入數(shù)據(jù)，其中指令是用來定義操作類型的，比如滾動、閃爍、隱藏光標(biāo)以及指定顯示數(shù)據(jù)的地址等等，寫入數(shù)據(jù)一般指的是要顯示的字符，在執(zhí)行寫操作之前，要借助軟件里的do_while循環(huán)不斷檢測液晶狀態(tài)，防止設(shè)備持續(xù)忙碌，避免進(jìn)入循環(huán)，當(dāng)前液晶屏正忙碌顯示，檢測階段完成，返回結(jié)果為1。應(yīng)持續(xù)進(jìn)行監(jiān)控活動。一旦返回結(jié)果為零點零，液晶屏目前無占用狀態(tài)，流程迅速中斷，緊隨其后實施數(shù)據(jù)寫入步驟。進(jìn)行字符錄入到LCD1602液晶顯示屏，確保精確鎖定字符的顯示坐標(biāo)，通常借助坐標(biāo)定位系統(tǒng)進(jìn)行定位，若Y坐標(biāo)值為0字符將位于第一行,Y值為1則是指向第二行，X值為0代表從行首開始，每行最多能容納16個字符，超出這個限制的字符如果沒有換行，將會被存儲但不會顯示，在使用LCD1602的時候，首要的步驟是進(jìn)行初始化，它的詳細(xì)流程如圖4.5所示。圖4.5LCD1602初始化流程圖LCD1602顯示器的寫入操作包含數(shù)據(jù)與命令的書寫內(nèi)容，寫命令是向總線傳輸初始化指令以及字符或字符串的位置信息，寫數(shù)據(jù)則是把待顯示的字符或字符串輸入進(jìn)去，本設(shè)計在處理字符串寫入時，運用了獨立的函數(shù)來對字符串進(jìn)行操作，直接把字符串起始地址傳入寫數(shù)據(jù)函數(shù)，借助指針遞增的辦法逐個將字符串元素送入。LCD1602的整體寫操作流程示意如圖4.6，其具體寫字符串的步驟詳細(xì)示于圖4.7。圖4.6LCD1602寫操作流程圖圖4.7LCD1602寫字符串流程圖4.2.4溫度檢測模塊DS18B20單總線協(xié)議蘊含著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臅r間序列特性，在軟件實現(xiàn)時要嚴(yán)格按照時序圖來精準(zhǔn)實施延遲控制，要是不這樣做的話就有可能出現(xiàn)像初始化錯誤這類異常情況，該溫度測量模塊包括DS18B20的初始化過程、讀取操作、寫入操作、轉(zhuǎn)換過程以及溫度評估功能。溫度檢測初始化流程圖如圖4.8所示，寫時序流程圖如圖4.9所示，溫度測試模塊總體流程圖如圖4.10所示，讀時序流程如圖4.11所示：圖4.8DS18B20初始化流程圖圖4.9寫時序流程圖圖4.10測溫模塊總體流程圖圖4.11讀時序流程圖4.2.5頭文件聲明模塊頭文件主要是用來進(jìn)行函數(shù)的聲明和端口聲明，部分代碼如下：sbitFeng=P3^7;sbitK1=P1^1;sbitK2=P1^2;sbitK3=P1^3;sbitLCDRS=P2^7;sbitLCDEN=P2^6;5實驗調(diào)試及誤差分析5.1實物測試圖如圖5.1為基于單片機(jī)的超聲波設(shè)計實物正面圖。圖5.1設(shè)計實物正面圖在進(jìn)行測試時未超過報警限定距離時的測試結(jié)果如圖5.2所示。圖5.2未超出報警距離測試結(jié)果圖在進(jìn)行測試時超過報警限定距離時的測試結(jié)果如圖5.3所示。圖5.3超出報警距離測試結(jié)果圖5.2實驗結(jié)果表5.1是利用本課題設(shè)計的硬件電路進(jìn)行測量的結(jié)果。表5.1超聲波測距實驗結(jié)果次數(shù)實際距離（cm）測量