【正文】 的一半.又知道超聲波傳播的距離為:2s=vt ()式中:v—超聲波在介質中的傳播速度。 t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（—2）、（—3）代入（）中得：H=(Vtcos[arctgL/H])/2 ()其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=349m/s)。當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(—4)變?yōu)? H=Vt/2 ()所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H. 溫度補償原理及運算在本設計中，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，所以對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。下面公式是超聲波傳播速度與空氣溫度的關系。V = 331．4 + 0．607T式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質中的傳播速度單位為m／s。超聲波波度與溫度關系如表22所示。表 21 超聲波波速與溫度的關系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386在通過上邊的公式得到比較真實的速度以后帶入（）中，就得到H=（331．4 + 0．607T）*t/2這里采用的主要元器件是是美國Dallas半導體公司生產的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。，就可以實現(xiàn)溫度測量。由于超聲波發(fā)送探頭發(fā)射的信號不是單一方向的，而是向一片區(qū)域發(fā)送信號，并且超聲波探頭的發(fā)送功率有限。所以在測量的時候需要注意一些問題，對于長距離，被測目標必須垂直于超聲波測距儀；被測目標表面必須平坦；測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體,即開闊地，等。對于短距離，由于兩個探頭之間是有一定距離的，所以超聲波無法收回回波。 小結通過對本章的介紹，熟悉了超聲波的原理，并對超聲波測距的方式進行了說明。其中對于超聲波對于溫度的變化是本設計中的難點。另外對于超聲波測距的限制也具體說了。為超聲波測距后邊的調試工作做好理論基礎。3 軟硬件說明 使用軟件簡介 軟件使用說明論文題目主要的軟件是Keil uVision4，Protues，Protel 99se。同時也用到了一些其他的軟件，包括串口小助手，和增加電腦串口數(shù)量的一些小型工具軟件等輔助模擬的軟件。雖然他們始終貫徹于整個程序調試的環(huán)節(jié)，但是軟件比較簡單，故不細說。 Keil uVision4簡介Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，并且全Windows界面[1]。 Protues簡介Proteus是目前最好的模擬單片機外圍器件的工具，可以仿真51 系列、AVR，PIC 等常用的MCU 及其外圍電路。當然，軟件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相應的仿真模型。Proteus 與其它單片機仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機CPU 的工作情況，也能仿真單片機外圍電路或沒有單片機參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調試時，關心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結果。對于這樣的仿真實驗，從某種意義上講，是彌補了實驗和工程應用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 Protel 99se簡介Protel 99SE是應用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設計軟件，采用設計庫管理模式，可以進行聯(lián)網設計，具有很強的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設計軟件，可以完成電路原理圖設計，印制電路板設計和可編程邏輯器件設計等工作，可以設計32個信號層，16個電源地層和16個機加工層[2]。 硬件 硬件使用說明在明確設計方向之后，需要了解哪些功能需要哪些硬件去實現(xiàn)，功能包括，溫度測量（DS18B20），超聲波收發(fā)，以及處理的過程（STC12C5A60S2芯片），但是芯片提供的電平無法滿足實際的傳輸需求，需要用到MAX232電平轉換。本設計中的常規(guī)電壓是+5V。所用硬件是選擇這個電壓的。以下硬件大體主要從這四個方面做介紹，對電路板等其他必須用到或者都熟悉的硬件不做介紹。 DS18B20溫度傳感器DS18B20是Dallas公司開發(fā)的單總線高精度數(shù)字式半導體溫度傳感器。它具有節(jié)省系統(tǒng)I/O口線資源，結構簡單，成本低廉，精確度高，便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。單總線是Dallas半導體公司近年推出的新技術。他將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為1根信號線，即只需要三根線。單總線適用于單個主機系統(tǒng)，能夠控制一個或多個從機設備。DS18B20抗干擾能力強,轉換精度高，使用時無需標定或調試，與微處理器的接口電路簡單，可方便地實現(xiàn)多點組網測溫，給硬件設計工作帶來了極大的方便。另外采用DS18B20能縮短開發(fā)周期，有效地降低成本，簡化系統(tǒng)設計，擴展方便、占用系統(tǒng)I/O資源少[3]。DS18B20提供9～12位精度的溫度測量，溫度測量范圍為 55～ + 125℃，在 10～85℃范圍內。（在本設計中需要用的溫度范圍更小，所以用這個非常合適。）測量分辨率為177?！?，℃，～。將測量溫度轉換為12位的數(shù)字量最大需要750ms，而且DS18B20有2種供電方式：外部供電方式和寄生電源方式[4]。采用信號線寄生供電，不需額外的外部供電，在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用。每個DS18B20有唯一的64位序列號，這使得可以有多個DS18B20同時在一條單總線上工作。DS18B20如圖31所示。圖31 DS18B20外形由圖可一目了然的看出，除DQ直接相連單片機外，VCC和GND不占用單片機的引腳，大大的節(jié)約了單片機的引腳。 MAX232電平轉換MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專門RS232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，使用+5V單電源供電。是專為無法提供+12V單電源供電的串口使用。比較適合在非常有限的印刷電路板上使用[5]。MAX232和芯片在本應用中的電路圖如圖32，33所示。由MAX232和應用原理圖可以直觀的看出，每個引腳對應的硬件。T1out和T1in是對應的，其他同理。左邊1到6是電容的引腳，為MAX232供能和儲能的作用；其中串口中引腳3為TXD，用著發(fā)送數(shù)據(jù)，引腳4為接受數(shù)據(jù)的RXD。圖32 MAX232芯片圖圖33 MAX232在本應用中的電路圖 STC12C5A60S2芯片說明在本設計中使用過AT89C2051[6]已經STC12C5A60S2等芯片，但是這些芯片在某些功能上不能完成本設計要完成的任務，所以在老師的推薦下使用STC12C5A60S2芯片。見STC12C5A60S2說明書[7]。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產的單時鐘/機器周期的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051,但速度快812倍。內部集成MAX810專用復位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉換,強干擾場合[8]。STC12C5A60S2芯片外形和STC12C5A60S2引腳功能圖如圖34，35所示。圖34 STC12C5A60S2芯片外形圖35 STC12C5A60S2引腳功能圖圖中可以看到，第十，十一引腳，是與串口相連的，。 超聲波收發(fā)探頭和電路超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結構，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。本設計使用的就是雙探頭，一個接受一個發(fā)送。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。超聲波測距模塊如圖36所示。圖36 超聲波測距模塊如圖所示，這個模塊有五個引腳，引腳的功能分別是，電源（+5V），控制引腳，接收端，空引腳，接地引腳。 LCD1602液晶顯示器為了顯示方便，設計增加了顯示器，相對價格來說，選擇了這款比較熟悉的。從功能上來說，它使用的是+5V的電壓，是本設計中的使用電壓，對比度可調，有復位電路，以及各種控制命令，等等好處。LCD1602引腳圖如圖37所示。圖37 LCD1602引腳圖引腳功能如下：第1腳：VSS為電源地 第2腳：VDD接5V電源正極 第3腳：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高（對比度過高時會 產生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度）。 第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時選擇指令寄存器。 第5腳：RW為讀寫信號線，高電平(1)時進行讀操作，低電平(0)時進行寫操作。 第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。 第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。 第15～16腳：空腳或背燈電源。15腳背光正極，16腳背光負極。本章對所用到的主要的硬件做了簡單的介紹，包括DS18B20測量溫度，只占用單片機的一個引腳，大大的簡化了單片機的系統(tǒng)設計。MAX232的電平轉換給需要+12V的串口提供了足夠的電壓。STC12C5A60S2整個系統(tǒng)的心臟部分。LCD1602提供了實時顯示，并介紹了引腳的作用。4 硬件設計與實現(xiàn) 電路規(guī)劃說明整個電路分為兩個部分，超聲波的電路和MAX232電路。對于溫度的電路部分不需要特意去準備。因為DS18B20可以直接和主芯片相連。對于超聲波的電路設計，是通過接受的信號經過放大后傳進主芯片的。MAX232的電路是固定的，所以需要的是動手做。 電路原理圖設計 電路圖設計原理圖的設計是先在稿子上畫好大體的模樣，需要的零件，然后在Protel上畫。對于資料的整理需要從網絡或者圖書里得到芯片的每個引腳的功能，便于連線，對需要用到的零件有一定的認識。電路原理圖如圖41所示。圖41 原理圖圖中由于需要封裝的原因以及部分零件庫里面沒有，有代替零件。 PCB圖設計 PCB電路圖設計方法（1）原理圖畫好和將每個元件的封裝添加好（確保填入的PCB封裝與原理圖中元件可對應）（2）做ERC校驗（3）生成網絡表。（4）在PCB設計界面中裝入此網絡表。設定好板層。（5）元件布局（6）連線（7）規(guī)則檢查[9]。 PCB圖PCB圖如圖42所示。圖42 PCB圖 感光法制作電路板（1） 準備PCB圖: 注意其大小，最在用Protel畫圖的時候將柵格的大小調整。（2）打印: 用激光打印機將PCB圖打印到菲林紙上。在打印之前要設置打印選項，因為我的圖是在底層的，所以要選擇打印底層并選擇打印孔、不需要鏡像。（3）裁板: 因為在實驗室里使用的感光板是15cm 10cm大小的， 。所以需要將感光板裁成合適大小，避免浪費。我用的是電鉆來裁剪感光板。（4）曝光: 將打印有電路圖的菲林紙鋪在撕去了保護膜的感光板上（注意將菲林紙有墨的一面種感光板貼緊），將鋪好菲林紙的感光板放在兩塊玻璃板中間，用夾子夾好固定，將夾好的玻璃板放于日光燈下曝光（注意將有菲林一面朝上）。根據(jù)經驗，在夏天，用日光燈曝光時間約為8到9分鐘，冬天可長1到3分