【文章內(nèi)容簡介】 首先 根據(jù)實際需要設定 報警距離 ，當使用者 超過 報警距離后自動報警。 以上 都是短距測距， 所以本設計 4m的 測量 距離 完全 可以滿足測量需要。 ： 3mm 超聲波 測距 可能 因為障礙物不規(guī)則 、 溫度影響 等原因 影響測量精度，本設計添加了 9 溫度補償模塊 ，大大提高了測量精度 ， 知道 老師 要求 精度 優(yōu)于 1％ ，考慮 到在實際中的應用，我查取了相關(guān)資料，覺得控制在 3mm 誤差范圍內(nèi) 是比較合適且 可實現(xiàn)的。 自行構(gòu)建基于單片機的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設計實現(xiàn) 利用數(shù)顯裝置顯示障礙物的距離值（以 cm 為單位，誤差不超過 1cm）； 了解超聲波測距原理，溫度補償實現(xiàn)方法。 當被測距離小于預定的距離時， 向 蜂鳴器 發(fā)送信號 報警 。 系統(tǒng)基本方案 方案比較 1. 主控制器模塊 方案 1： 系統(tǒng)的核心部件 選擇一塊 CPLD（復雜可編程邏輯器件，諸如 EPM7128LC8415） ，以實現(xiàn)功能的控制和處理。 CPLD 具有速度快、易于編程、資源豐富、 開發(fā)周期短等優(yōu)點，可以用 VHDL 語言開發(fā)編寫。與 單片機相比， CPLD 在控制上 有很大的 不足 。 還有 ，CPLD 的處 理速度是異常迅速的，但是超聲波測距處理速度的要求不會 太高，則 對系統(tǒng)處理信息的 要 求 也不會 過高，在這一點上， MCU足以勝任 了 。使用該 方案 ， 在控制上 會遇到很多困難。出于這個原因，我們不使用這種方案的， 所以產(chǎn)生 第二 個方案 。 方案 2： 機為系統(tǒng)的核心， 用其 超聲數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)其既定的性能指標。 進行 系統(tǒng)的全面分析，關(guān)鍵在于實現(xiàn)超聲波測距，但在這一點上， 單片機展示 了其優(yōu)勢 —— 控制簡單 、方便 、 快捷。其結(jié)果是，該微控制器可以充分發(fā)揮其 資源 豐富， 有更強大的控制功能和位尋址的操作 功能 ， 價格低廉等特點。 所以 ， 較為理想的是第 二個方案。 綜上所述，我們選擇了方案 2。 2. 超聲波 模塊 10 方案 1： 由一塊 T4016作為 超聲波模塊 。 此 模塊具有 11000cm 非接觸式的 測距 功能，但其造價高， 很難有 更 廣泛 的應用。故 放棄 此方案。 方案 2： 使用 HCSR04 來 實現(xiàn) 超聲波的 收發(fā) ，它 可以 進行 2— 400cm 的 非接觸 式 距離檢測 ， 其測距誤差不超過 3mm。 該 模塊 包含 反射超聲波的 超聲波發(fā)射器 、 接收 回波的 接收器和控制電路 。 其 物美價廉 ，測距 精度高， 故采用 第 2 方案 。 3. 電源模塊 出 于 本設計使用便捷性的考慮，選擇便攜電源供電，故提出以下兩種供電方案 。 方案 1： 采用 12V 蓄 電池向系統(tǒng)供電。 蓄 電池 擁 有很強的電流驅(qū)動能力，和穩(wěn)定的電壓輸出性能。但 是蓄 電池的體積 太 大，使用非常不方便。所以我們放棄了這個 方案 。 方案 2： 采用 3 節(jié) V 干電池共 做電源，經(jīng)過實驗驗證系統(tǒng)工作時，單片機、傳感器的工作電壓穩(wěn)定能夠滿足系統(tǒng)的要求，而且電池更換方便。 綜上所述采用 第 2套方案。 4. 顯示模塊 方案 1： 數(shù)碼管 顯示。由于數(shù)字顯示速度快 、 簡單易用 、 簡潔的顯示 等特點使它得到廣泛應用。 在這里我們需要顯示的是測得的距離值和溫度值以及 報警距離的設置， 不足以 滿足使用 需要 ，因此我們放棄了此方案。 方案 2： 使用 LCD1602 液晶顯示屏。由于其清晰的液晶顯示屏 、 豐富的內(nèi)容 、 清晰 地 顯示信息 、 便于使用 、 顯示 速度快等優(yōu)點 已被廣泛使用。 對于此系統(tǒng)我們要求 不僅能顯示測 量距離、溫度，還要顯示報警距離的設定 ， 故 用 物美價廉 的 LCD1602 顯示， 充分發(fā)揮出 LCD的顯示優(yōu)勢 。 因此我們選擇了此方案。 11 5. 溫度補償模塊 方案 1： 使用 PT100 溫度傳感器 用于 溫度補償電路。 PT100 鉑電阻傳感器是利用 其 隨溫度變化的阻 值、 并 顯 現(xiàn)出一定的 函數(shù)關(guān)系的特點來進行溫度補償?shù)模?具有抗震動 性、 穩(wěn)定性 、精度高 、 耐高壓等特點。但 其操作較為復雜。 方案 2: 溫度補償電路 使用 DS18B20 作為溫度傳感器。 通過“ 一 線”總線（ 1Wire 是一種獨特的數(shù)字信號 的總 線協(xié)議，獨特的電源線和信號線的復合一起只使用一個口線 。每個芯片獨有的編碼，支持網(wǎng)絡尋址 和 零功耗等待等， 這條總線 需要 的 硬 件 連線 最 少）。 DS18B20數(shù)字溫度輸出這種獨特的方法允許多個 DS18B20 容易 建立傳 感器網(wǎng)絡，從而 提供更多地可能 性給 整個測量系統(tǒng) 的建 立和組合 。這已經(jīng)比其他的溫度傳感器在轉(zhuǎn)換時間 、 測量精度 、 分辨率 、傳 輸距離等 有 了長足的進步，為用戶提供了更 便捷 的使用 和更 讓 人滿意的結(jié)果。 相比之下， DS18B20 數(shù)字溫度直接輸出，無需采取糾正措施， 故選擇方案 2。 6. 報警模塊 方案 1： 使 用語音芯片 進行 提示，優(yōu)點可以自由設定要提示的聲音。缺點使用復雜，需要專門的編程軟件，成本高控制復雜，不便于普及。 方案 2： 采用蜂鳴器提示，電路簡單實用，可靠性高。 綜上所述我們選擇方案 2。 方案匯總 我們最終確定了如下方案： 主控芯片采用 AT89C52 單片機作為主控制器。 使用 HC— SR04 超聲波模塊 12 用 3 節(jié)干電池供電。 用 LCD1602 顯示。 采用 DS18B20 做溫度補償。 使用 蜂鳴報警器報警 13 第三章 系統(tǒng)硬件設計 單片機 最小 系統(tǒng) 對單片機的認識源于大一時電子愛好者協(xié)會的一次講座。當時大三的學長們在做智能車，精彩的演講和 有趣的知識吸引了我，也讓我對單片機產(chǎn)生了興趣。他告訴我，單片機就相當于人的大腦，它不能像電腦那樣做出特別復雜的運算，但它足以完成很多操作任務。他當時用的也是 51單片機，因為感覺性能比較穩(wěn)定，運算速度快，而且物美價廉。后來通過大三對單片機課程的學習，進一步對 AT89C52 了解，因此本次設計選用AT89C52 作為主控制器。 主 控制系統(tǒng)電路如圖 6 所示。 圖 6 單片主控電路 單片機 通過發(fā)送 信號 來控制主控制電路協(xié)調(diào)超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，顯示模塊，溫度模塊，報警模塊。 超聲波測距儀中各模塊主要由單片機主控電路進行控制和協(xié)調(diào)，從而有條不紊的進行工作。 超聲波測距模塊 使用 現(xiàn)成的 超聲波模塊 HC— SR04， 它的工作原理是 ： 向 IO 口 TRIG 發(fā)送信號 ， 加大于 10us 的高 電平 。該模塊 能夠自動 發(fā)送 8 個 頻率 40KHz 的 方波 ， 且處于 工作狀態(tài)是 檢測 是否 有 回波 信號 。如 有 返 回信號 ， 會 在 IO 口 向 ECHO 傳輸 一個高電平 信號 ， 此 高 電平延續(xù)的 時 間 便是 超聲波 的 往返 時間 。 l（測試距離） =v（聲速） t（高電平時間） /2。 實物如下 圖 7。其中 VCC 能夠 提 供 ， GND 為 接地 ， TRIG 可以觸發(fā)輸入信號， ECHO 14 則為含有回波信號的四條線。 圖 7 超聲波模塊實物 圖 8 超聲波 接口 T/R4012型 超聲波傳感器的震蕩頻率為 40KHz，傳播 10米超聲波信號強度便衰減到40個聲壓級，此時超聲波接收探頭就很難接收到回波信號。因此，從理論上分析，本設計超聲波測距部分的實際范圍是 10cm— 400cm，理想的避障范圍 是 10cm— 100cm,所以實際壁障安全距離應設在 50cm— 80cm之間。 圖 9 避障原理 圖 9中，超聲波 指向性地發(fā)送一段超聲波并計時，超聲波經(jīng)過在空氣中傳播后，遇到障礙物反射回來被超聲波接收器捕捉到，同時停止計時。利用時間差計算法算出距離。 15 圖 10 超聲波接口電路圖 顯示模塊 顯示模塊采用數(shù) LCD1602，連接圖如圖所示 圖 11 LCD顯示電路 顯示 模塊主要用來顯示測量的距離值、溫度傳感器測量的溫度值以及 最小 的報警距離 。 溫度補償電路 溫度 補償電路 采用 DS18B20傳感 器 ， DS18B20數(shù)據(jù)總線， 由 單片機 控制 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的傳輸，并且將 10k 的上拉電阻連接到數(shù)據(jù)總線。該系統(tǒng)采用外接電源 16 DS18B20 的優(yōu)點是 I / O 接口不需要強拉，總線控制器并不需要在溫度很高的 情況下 轉(zhuǎn)換。因此 轉(zhuǎn)換 在 可以允許 的 范圍內(nèi)， 單線總線上附加數(shù)據(jù)的傳輸，如圖 15 所示的硬件結(jié)構(gòu) 。 圖 12 溫度 補償電路 DS18B20 蜂鳴 報警電路 如圖 13 所示 ， 蜂鳴報警電路由蜂鳴器、三極管、接到單片機上 P13 引腳上的電阻組成。 圖 13 蜂鳴 報警電路圖 17 第四章 系統(tǒng)軟件設計 AT89C52 程序流程圖 如圖 14 所示為超聲波測距單片機 AT89C52 程序 流程圖 。 圖 14 系統(tǒng)軟件的整體流程圖 18 流程圖具體細分如下： 系統(tǒng)初始化 單片機 AT89C5 LCD160 蜂鳴報警器、超聲波測距模塊 通過上電 復位 并 自行 運行 單片機清零程序 。 發(fā)射 超聲波 自動讀取超聲波 測距程序， AT89C52 控制 HC— SR04 指向性 地 發(fā)射超聲波 并且記錄時間，待捕捉到回波時終止計時，算得回波時間。 判斷是否檢測到回波 超聲波 接收電路出于運行狀態(tài) 。 如 超聲波接收 電路收到 回波，則 將信號發(fā)送到單片機并再次 計時 ， 通過 溫度補償后 的 算式 算得 障礙物 當前距離 ； 如超聲波接收電路未在 設定 時間 收到 回波， 則 返回。 顯示 顯示 距離、當前溫度、設置 的 報警距離。 是否 小于超聲波報警距離 將 測得距離 與 報警值進行比較，如小于報警值，則進行報警 。 再次檢測 等待下次報警 19 計算距離 程序流程圖 圖 15 計算距離 程序流程圖 首先調(diào)用 溫度函 數(shù)進行 溫度補償，得到當前溫度下的超聲波傳播速度 v；然后調(diào)用 時間函數(shù) t，即超聲 波 發(fā)射與超聲波回波的時間差 ；再 將以上函數(shù)代入算式 =vt/2 算得 當前溫度下障礙物的距離 ；最后 返回。 報警 電路程序流程圖 首先調(diào)用 測量函數(shù) l， 然后 與 報警 設定值進行比較 ， 如 測量值 l 小于報警設定值 ，則向蜂鳴器發(fā)送報警信號，蜂鳴器進行報警 ； 如 測量值 l 大于 報警距離 ，則不報警，返回調(diào)用測量函數(shù)。 20 圖 16 報警電路 程序流程圖 圖 17 超聲波 回波接收程序流程圖 超聲波回波接收 程序流程圖 如 圖 17 所示 ，首 先 單片機控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波， 同時計時 開始， 超聲波 接收器 處 于工作 狀態(tài) ， 如接收 到回波，則再次計時，計算 超聲波 往返時間差 t； 如未收到超聲波回波，則返回超聲波放射，重新發(fā)射并 計時。 21 第五章 系統(tǒng) 的 調(diào)試 與 測試 安裝 按電路圖 購 買好元件 后， 首先 需要 檢 測 元件 是否 完 好。 按 照 各 種 元件 檢測 的 方法分別進行檢測， 這項任務 雖然重復繁瑣，但是我覺得這是必做的工作， 因為只要有一個元件出了問題，設計就不能實現(xiàn)它的功能。同時 需要細心對照 原理圖 ， 使其 一一對應 ， 多次 檢查 確保 正確后 才可以 上件、焊件， 以防因 元件錯誤 不便修正 ，導致功能無法實現(xiàn) 。 、焊接 各元件 出于對本設計便攜的要求，選用了正好可以容納所有器件的小塊洞洞板 。然后 依照原理圖對應放置各元件，此過程中先安放、焊接低層 元件 ， 最后焊高層的和 要求較高的元件。特別 要注意易損 元件的 焊接 ， 我 把它們放在最后，同時要注意 集成芯片 上 焊接 不能連續(xù)焊接 超過 10s， 并且注意芯片的 安裝方向。 系統(tǒng)的 調(diào)試 打開 電源開關(guān)， 電源指示燈亮起， LCD1602 正常顯示。 距離 ，溫度 28176。 C，設定報警距離 。 向 障礙物進一步靠近 。 22 當 靠近后，距離顯示為 ，發(fā)出 蜂鳴警報 。 軟件調(diào)試 正常， 屏幕正常顯示 ， 正常工作 。 經(jīng)過 多次 測試 調(diào)試，與實際溫度對比 、 實際距離對比，該設計能夠在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作，并測出距離 ， 并且誤差小于 3 毫米 。 設計 成功。 23 第六章 總結(jié) 在臺 老師的悉心指導下， 自己 從初拿 題目 的一頭霧水， 到 一步步地學習 、 設計、改正， 再 改正，到 最后 完成 本 設計，這個過程讓我 收獲良多 。 這是我 16 年 的學生生涯中最后一次 完成 作業(yè)， 一