【正文】 所有時(shí)序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。 操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲(chǔ)器操作命令→處理數(shù)南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 據(jù)。計(jì)數(shù)門的開啟時(shí)間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入計(jì)數(shù)器 1和溫度寄存器中，計(jì)數(shù)器 1的溫度寄存器被預(yù)置在 55℃所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。通過實(shí)驗(yàn)可獲得波速與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停? V=+ (51) T 為現(xiàn)場溫度， V為實(shí)際波速。 DisplayOneChar(9,0,ASCII[i%10])。 disbuff[2]=S%1000%100%10。 //算出來是 M if((S=700)||flag==1) //超出測量范圍顯示“ ” { flag=0。 unsigned int V=0。 _nop_()。 _nop_()。 //延時(shí) 1us _nop_()。 //計(jì)算 delayms(80)。 ET0=1。 ReadDataLCM()。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超過 10um 的脈沖， HCSR04 內(nèi)部發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，回響信號的脈沖寬度與所測距離成正比，回響信號結(jié)束后定時(shí)器結(jié)束計(jì)時(shí)。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 該器件作為 USB／ RS232 雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機(jī)接收 USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為 RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)； 另一方面從 RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 USB 數(shù)據(jù)格式傳送回主機(jī)。 [12] 圖 顯示電路圖 本系統(tǒng)采用的 5V電源主要采用 三 種方法，第一是直接用 9V電池然后通過一個(gè)南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 變壓電路，利用 7805 將轉(zhuǎn)化成 5V 供單片機(jī)和液晶顯示部分使用；其二是用 220V通過變壓器等將其轉(zhuǎn)化成 5V；第三種是直接用電腦 USB 供電。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 功耗低 ： 相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)部的電極和驅(qū)動(dòng) IC 上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 超聲波接收 電路 DS18B20 溫度傳感器 實(shí)物與引腳定義 圖 實(shí)物圖 表 DS18B20 各引腳描述 管腳號 符號 功 能 1 GND 電源地 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入輸出 3 VDD 電源可選 DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)以 9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值，通過一根單線接口發(fā)送和接收信息，因此在單片機(jī)和 DS18B20 之間僅需一條連接線（加上地線）。 [8] 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 超聲波測距模塊 HCSR04 實(shí)物圖 圖 HCSR04 實(shí)物圖 主要技術(shù)參數(shù) 所用工作電壓：直流 5V電壓 ； 工作靜態(tài)電流：小于 2mA； 電平輸出：高電平為 5V，低電平為 0V； 感應(yīng)角度：不大于 15 度 ； 探測距離及精度： 2cm450cm； 高精度：可達(dá) 3mm。 P0 口為開漏輸出，作為輸出口時(shí)需加上拉電阻，阻值一般為 10k。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令 A 應(yīng)該接 VCC。特別強(qiáng)調(diào)在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 脈沖將會(huì)跳過。 P3 做南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會(huì)輸入一 個(gè)電流（ I）。 P2 的輸出緩沖器可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4 個(gè) TTL 輸入。作 為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載，對端口 P0 寫入 每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng) 寫入“ 1”時(shí)，可 以作為高阻抗輸入。 溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鬟x擇普遍且實(shí)用的 DS18B20。再由單機(jī)計(jì)算出距離，送數(shù)碼管顯示測量結(jié)果。這時(shí)要求對環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 減小盲區(qū)措施 (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個(gè)脈沖，可使余震 減少，此法常用于短距離測量 。而使用雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。當(dāng)液面離探頭越來越遠(yuǎn)時(shí)，接收信號與發(fā)射信號 相隔時(shí)間越來越長，其幅值相應(yīng)的越來越小。這種方法實(shí)現(xiàn)起來較包絡(luò)檢測方便，電路實(shí)現(xiàn)簡單，精度也較高。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。 圖 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性 120 110 100 80 70 0 靈敏度 KHZ f=40KHZ 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 指向特性 實(shí)際 上 超聲波傳感器中壓電晶片是 一 個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成 一 個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒有指向性。而在 f0 兩測， 聲壓能級迅速減小。如電場反向，則 物體形變亦相反。 壓電式超聲波傳感器原理及特性 : 為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。 聲阻抗是當(dāng)聲波從一種介質(zhì) 向 另一種介質(zhì) 傳播時(shí)，在兩個(gè)介質(zhì) 分界面上一部分超聲波被反射 回來 ，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關(guān)系。然而，由于超聲 波 是人耳聽不到的 聲信號， 18 世紀(jì) 左右 ，人們 在 開始研究海豚、蝙蝠等動(dòng)物時(shí)，才推測自然界存在超聲。而且單片機(jī)更適宜 應(yīng)用于小型的嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間 對 精度影響 最 大， 因此 大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來提高測距精度。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求。 [1]正是因?yàn)橛羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量 。 整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)， 發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，接受模塊接受回波，單片機(jī)計(jì)算距離， LCD1602 顯示測量結(jié)果。換能器的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技水平的不斷提高，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛 ，超聲波測量 因?yàn)榫哂?精度高，成本低，性能穩(wěn)定 等特點(diǎn) 則備受青睞，超聲波測距技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于人們生活和工作中。隨著測距的技術(shù)進(jìn)步，測距將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。溫度對傳感器的影響也很大，因此，需要用溫度傳感器進(jìn)行校正，目前 分別使用 聲譜輪廓分析法 和相位探測法 或二者結(jié)合起來的方法是降低探測傳輸不確定度的 主要 方法?，F(xiàn)代人類生活大部分電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。 [4] 聲速是隨著介質(zhì)及其狀態(tài)的不同而不同。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。因此，超聲波發(fā)射器一定要使用非常接近中心頻率 的交流電壓來激勵(lì)。但離開超聲波傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即公式 （ 11） ， L= vt/2 (11) 在上式中， L 為待測距離， v 為超聲波的聲速， t 為往返時(shí)間。實(shí)現(xiàn)的方法是當(dāng)回波信號經(jīng)放大處理后，進(jìn)入比較器，調(diào)整好合適的閡值在比較器的輸出端就會(huì)產(chǎn)生 40kHz 的方波。同時(shí)，接收信號的衰減 總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。 (2)采用自動(dòng)距離增益控制 采用具有自動(dòng)增益控制功能的 放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小， 同時(shí) 相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間 縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。 [6] 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第二章 總體方案 方案選擇 采用單片機(jī)來控制超聲波測距，信號線發(fā)射到與超聲波發(fā)射器相連的信號端，超聲波發(fā)射器向既定方向發(fā)射，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物將產(chǎn)生回波。 超聲波測距的算法設(shè)計(jì) : 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘 340 米（ 15℃ 時(shí)）。 顯示部分選擇了 1602 顯示屏。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí) 在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也可以提供低 8 位 地址和 8 位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線 位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。對端口寫入 1 時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時(shí)可用作輸入口。在對 Flash ROM 編程或程序校驗(yàn)時(shí)， P3 還接收一些控制信號。如果需要，通過將地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置“ 1”， ALE 操作將無效。在 Flash 編程期間 A 也接收 12 伏 VPP 電壓。 設(shè)置為定時(shí)器模式時(shí)，加 1 計(jì)數(shù)器是對內(nèi)部機(jī)器周期計(jì)數(shù)（ 1 個(gè)機(jī)器周期等于12 個(gè)振蕩周期，即計(jì)數(shù)頻率為晶振頻率的 1/12）。 HCSR04 工作原理 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 采用 IO 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號 ， 模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波， 系統(tǒng) 自動(dòng)檢測是否有信號返回， 有信號返回，通過 IO 輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間 ： 測試距離 =(高電平時(shí)間 *聲速(340M/S))/2。南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 用于讀寫和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得，無需外部電源。 這里使用 YB1602 液晶屏，它具有 16 個(gè)引腳，其正面左起為第一腳，如圖 所示： 圖 LCD1602 第 1 腳： VSS 為地電源 ； 第 2 腳： VDD 接 5V正電源 ； 第 3 腳： VL 為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對比度最弱，接地時(shí)對比度最高，對比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生 “鬼影 ”，使用時(shí)可以通過一個(gè) 10K 的電位器調(diào)整對比度 ； 第 4 腳： RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器 ； 第 5 腳： R/W 為讀寫信號線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。 三 種方法都可以，但是由于第 三 種方法便于 實(shí)現(xiàn) 、而且成本相對較低所以我選用第一種方案。這些工作全部由器件自動(dòng)完成，開發(fā)者無需考慮固件設(shè)計(jì)。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器中斷，執(zhí)行計(jì)時(shí)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。調(diào)用測距子程序計(jì)算距離并顯示。//測試用句無意義 for (TempCyc=0。 //允許 T0 中斷 EA=1。 //80MS } } } 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 圖 主程序流程圖 由于采用的是 12MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1μ s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（ 42）計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃時(shí)的聲速為 344m/s 則有： d=(c? t)/2=172T0/10000cm 42 其中， T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)算值。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 time=TH0*256+TL0。 DisplayOneChar(0, 1, ASCII[11])。 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 DisplayOneChar(0, 1, ASCII[disbuff[0]])。 } } 南京工程學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第五章 溫度補(bǔ)償 采用超聲波測量距離的方法，實(shí)時(shí)檢測現(xiàn)場溫度用以實(shí)現(xiàn)實(shí)際波速數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，減小溫度對測距產(chǎn)生的誤差，最終由 LCD1602 顯示所測距離及現(xiàn)場溫度。從式中可看出，要獲得精確的波速值，必須首先獲取現(xiàn)場溫度 T 的大小。 計(jì)數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時(shí)溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，重新開