【正文】 第三章，軟硬件使用說明；這章簡(jiǎn)單的說明設(shè)計(jì)過程中所用到的軟件。認(rèn)識(shí)和分析所用的硬件的特點(diǎn)。為后邊的設(shè)計(jì)的過程做必要的準(zhǔn)備。 4 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第四章，程序設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；在第三章已經(jīng)認(rèn)識(shí)了所需要的軟件之后，先決定寫程序，因?yàn)榭梢酝ㄟ^軟件模擬程序的實(shí)現(xiàn)。 第五章，電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)；在一切就緒以后就必須動(dòng)手做實(shí)物。這個(gè)章節(jié)主要介紹過程和所用的物件。 第六章，調(diào)試；分析錯(cuò)誤并解決，分析誤差并盡力減小誤差。錯(cuò)誤來源有程序錯(cuò)誤和硬件拼裝錯(cuò)誤，所以用的是調(diào)試軟件的軟件，硬件的錯(cuò)誤只能靠人工去發(fā)現(xiàn)并解決 。 小結(jié) 通過本章節(jié)的說明，了解論文題目的研究意義，即聲波的速度比其他測(cè)量方式慢，且為 非接觸式等原因。以及超聲波的發(fā)展。并對(duì)論文題目的設(shè)計(jì)需求和論文章節(jié)說明做了介紹，分別是：概述，超聲波測(cè)距原理，軟硬件說明，程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，調(diào)試等章節(jié)。 5 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 2 超聲波測(cè)距原理 超聲波簡(jiǎn)介 聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限 (根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為 20xx0 赫茲 )時(shí)，人們就會(huì)覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。 超聲波為直線傳 播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能轉(zhuǎn)換為電能。 超聲波測(cè)距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器 記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V 與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不是很大的情況，則可認(rèn)為 超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正（將在一面一節(jié)中談到）。 只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。 6 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 超聲波的測(cè)距原理如圖 21 所示。 T 超聲波發(fā)射 障礙物 超聲波接收 圖 21 超聲波的測(cè)距原理 H=scos θ （ ） θ =arctg（ L/H） （ ） 式中 :L兩探頭之間中心距離的一半 . 又知道超聲波傳播的距離為 : 2s=vt () 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。 t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)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(gè)常數(shù) (例如在溫度 T=30 度時(shí) ,V=349m/s)。當(dāng)需要測(cè)量的距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時(shí) ,則 (— 4)變?yōu)?: H=Vt/2 () 所以 ,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間 t,就可以得出測(cè)量的距離 H. 溫度補(bǔ)償原理及運(yùn)算 在本設(shè)計(jì)中 ，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響， 所以 對(duì)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(guān)系。 V = 331． 4 + 0． 607T ∥ 7 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 式中， T 為實(shí)際溫度單位為 ℃ ， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s。 超聲波波度與溫度關(guān)系如表 22所示。 表 21 超聲波波速與溫度的關(guān)系表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 在通過上邊的公式得到比較真實(shí)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(guó) Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)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(jiǎn)單等特點(diǎn)。將 DS18B20 數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 口相連，就可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量 。 關(guān)于超聲波長(zhǎng)距離和短距離的測(cè)量問題和限制 由于超聲波發(fā)送探頭發(fā)射的信號(hào)不是單一方向 的，而是向一片區(qū)域發(fā)送信號(hào)，并且超聲波探頭的發(fā)送功率有限。所以在測(cè)量的時(shí)候需要注意一些問題，對(duì)于長(zhǎng)距離， 被測(cè)目標(biāo)必須垂直于超聲波測(cè)距儀 ； 被測(cè)目標(biāo)表面必須平坦 ； 測(cè)量時(shí)在超聲波測(cè)距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體 ,即開闊地，等。對(duì)于短距離，由于兩個(gè)探頭之間是有一定距離的，所以超聲波無法收回回波。所以必須注意在測(cè)量時(shí)保持距離在 。 小結(jié) 通過對(duì)本章的介紹，熟悉了超聲波的原理，并對(duì)超聲波測(cè)距的方式進(jìn)行了說明。其中對(duì)于超聲波對(duì)于溫度的變化是本設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。另外對(duì)于超聲波測(cè)距的限制也具體說了。 為超聲波測(cè)距后邊的調(diào)試工作做好理論基礎(chǔ)。 8 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 3 軟硬件說明 使用軟件簡(jiǎn)介 軟件使用說明 論文題目主要的軟件是 Keil uVision4， Protues， Protel 99se。同時(shí)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(gè)程序調(diào)試的環(huán)節(jié)，但是軟件比較簡(jiǎn)單，故不細(xì)說。 Keil uVision4 簡(jiǎn)介 Keil C51 是美國(guó) Keil Software 公司出品的 51系列兼容單片機(jī) C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相 比， C 語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用 C 來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，并且全Windows 界面 [1]。 Protues 簡(jiǎn)介 Proteus 是目前最好的模擬單片機(jī)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(dāng)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(yīng)的仿真模型。 Proteus 與其它單片機(jī)仿真軟件不同的是，它不僅能仿真單片機(jī) CPU 的工作情況，也能仿真單片機(jī)外圍電路或沒有單片機(jī)參與的其它電路的工作情況。因此在仿真和程序調(diào)試時(shí)，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時(shí)單片機(jī)寄存器和存儲(chǔ)器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運(yùn)行和電路工作的過程和結(jié)果。對(duì)于這樣的仿真實(shí)驗(yàn)， 9 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 從某種意義上講，是彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)和工程應(yīng)用間脫節(jié)的矛盾和現(xiàn)象。 Protel 99se 簡(jiǎn)介 Protel 99SE 是應(yīng)用于 Windows9X/20xx/NT 操作系統(tǒng)下的 EDA 設(shè)計(jì)軟件，采用設(shè)計(jì)庫(kù)管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及 3D 模擬功能，是一個(gè) 32 位的設(shè)計(jì)軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計(jì)，印制電路板設(shè)計(jì)和可編程邏輯器件設(shè)計(jì)等工作，可以設(shè)計(jì) 32 個(gè)信號(hào)層， 16 個(gè)電源 地層和 16 個(gè)機(jī)加工層 [2]。 硬件 硬件使用說明 在明確設(shè)計(jì)方向之后，需要了解哪些功能需要哪些硬件去實(shí)現(xiàn)，功能包括，溫度測(cè)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(shí)際的傳輸需求，需要用到 MAX232 電平轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)中的常規(guī)電壓是 +5V。所用硬件是選擇這個(gè)電壓的。以下硬件大體主要從這四個(gè)方面做介紹，對(duì)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(dǎo)體溫度傳感器。它具有節(jié)省系統(tǒng) I/O口線資源，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，精確度高，便于總線擴(kuò)展和維護(hù)等諸多優(yōu)點(diǎn)。單總線是 Dallas半導(dǎo)體公司近年推出的新技術(shù)。他將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為 1根信號(hào)線，即只需要三根線。單總線適用于單個(gè)主機(jī)系統(tǒng)，能夠控制一個(gè)或多個(gè)從機(jī)設(shè)備。 DS18B20抗干擾能力強(qiáng) ,轉(zhuǎn)換精度高，使用時(shí)無需標(biāo)定或調(diào)試，與微處理器的接口電路簡(jiǎn)單，可方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng) 測(cè)溫，給硬件設(shè)計(jì)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(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擴(kuò)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(cè)量，溫度測(cè)量范圍為 55～ + 125℃，在 10 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 10～ 85℃范圍內(nèi)。（在本設(shè)計(jì)中需要用的溫度范圍更小，所以用這個(gè)非常合適。）測(cè)量分辨率為177。 ℃，增量值最小可為 ℃，電源供電范圍 ～ 。將測(cè)量溫度轉(zhuǎn)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(hào)線寄生供電，不需額外的外部供電，在需要遠(yuǎn)程溫度探測(cè)和空間受限的場(chǎng)合特別有用。每個(gè) DS18B20有唯一的 64位序列號(hào)，這使得可以有多個(gè) DS18B20同時(shí)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(jī)外， VCC 和 GND 不占用單片機(jī)的引腳，大大的節(jié)約了單片機(jī)的引腳。 MAX232 電平轉(zhuǎn)換 MAX232 芯片是美信（ MAXIM）公司專門 RS232 標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)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(yīng)用中的電路圖如圖32， 33 所示。 由 MAX232 和應(yīng)用原理圖可以直觀的看出，每個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的硬件。 T1out 和 T1in是對(duì)應(yīng)的，其他同理。左邊 1 到 6 是電容的引腳，為 MAX232 供能和儲(chǔ)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。 11 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 圖 32 MAX232 芯片圖 圖 33 MAX232 在本應(yīng)用中的電路圖 12 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 STC12C5A60S2 芯片說明 在本設(shè)計(jì)中使用過 AT89C2051[6]已經(jīng) STC12C5A60S2等芯片，但是這些芯片在某些功能上不能完成本設(shè)計(jì)要完成的任 務(wù)，所以在老師的推薦下使用 STC12C5A60S2芯片。見 STC12C5A60S2說明書 [7]。 STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812倍。內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路 ,2路 PWM,8路高速 10位 A/D轉(zhuǎn)換 ,強(qiáng)干擾場(chǎng)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， 到 是添加的 LCD1602 13 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 顯示器的雙向數(shù)據(jù)端，其實(shí)如 數(shù)據(jù)寫， 數(shù)據(jù)讀等等的引腳與 LCD1602 的引腳一一對(duì)應(yīng)即可。 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(cè)方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。本設(shè)計(jì)使用的就是雙探頭，一個(gè)接受一個(gè)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(gòu)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(gè)探頭的性能都是不同的