【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 首先 根據(jù)實(shí)際需要設(shè)定 報(bào)警距離 ，當(dāng)使用者 超過(guò) 報(bào)警距離后自動(dòng)報(bào)警。 以上 都是短距測(cè)距， 所以本設(shè)計(jì) 4m的 測(cè)量 距離 完全 可以滿足測(cè)量需要。 ： 3mm 超聲波 測(cè)距 可能 因?yàn)檎系K物不規(guī)則 、 溫度影響 等原因 影響測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)添加了 9 溫度補(bǔ)償模塊 ，大大提高了測(cè)量精度 ， 知道 老師 要求 精度 優(yōu)于 1％ ，考慮 到在實(shí)際中的應(yīng)用，我查取了相關(guān)資料，覺(jué)得控制在 3mm 誤差范圍內(nèi) 是比較合適且 可實(shí)現(xiàn)的。 自行構(gòu)建基于單片機(jī)的最小系統(tǒng)，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)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(guò) 1cm）； 了解超聲波測(cè)距原理，溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)方法。 當(dāng)被測(cè)距離小于預(yù)定的距離時(shí)， 向 蜂鳴器 發(fā)送信號(hào) 報(bào)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(fù)雜可編程邏輯器件，諸如 EPM7128LC8415） ，以實(shí)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(diǎn)，可以用 VHDL 語(yǔ)言開發(fā)編寫。與 單片機(jī)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(cè)距處理速度的要求不會(huì) 太高，則 對(duì)系統(tǒng)處理信息的 要 求 也不會(huì) 過(guò)高，在這一點(diǎn)上， MCU足以勝任 了 。使用該 方案 ， 在控制上 會(huì)遇到很多困難。出于這個(gè)原因，我們不使用這種方案的， 所以產(chǎn)生 第二 個(gè)方案 。 方案 2： 機(jī)為系統(tǒng)的核心， 用其 超聲數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。 進(jìn)行 系統(tǒng)的全面分析，關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距，但在這一點(diǎn)上， 單片機(jī)展示 了其優(yōu)勢(shì) —— 控制簡(jiǎn)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(qiáng)大的控制功能和位尋址的操作 功能 ， 價(jià)格低廉等特點(diǎn)。 所以 ， 較為理想的是第 二個(gè)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(cè)距 功能，但其造價(jià)高， 很難有 更 廣泛 的應(yīng)用。故 放棄 此方案。 方案 2： 使用 HCSR04 來(lái) 實(shí)現(xiàn) 超聲波的 收發(fā) ，它 可以 進(jìn)行 2— 400cm 的 非接觸 式 距離檢測(cè) ， 其測(cè)距誤差不超過(guò) 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(jià)廉 ，測(cè)距 精度高， 故采用 第 2 方案 。 3. 電源模塊 出 于 本設(shè)計(jì)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(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)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(gè) 方案 。 方案 2： 采用 3 節(jié) V 干電池共 做電源，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)、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(jiǎn)單易用 、 簡(jiǎn)潔的顯示 等特點(diǎn)使它得到廣泛應(yīng)用。 在這里我們需要顯示的是測(cè)得的距離值和溫度值以及 報(bào)警距離的設(shè)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(diǎn) 已被廣泛使用。 對(duì)于此系統(tǒng)我們要求 不僅能顯示測(cè) 量距離、溫度，還要顯示報(bào)警距離的設(shè)定 ， 故 用 物美價(jià)廉 的 LCD1602 顯示， 充分發(fā)揮出 LCD的顯示優(yōu)勢(shì) 。 因此我們選擇了此方案。 11 5. 溫度補(bǔ)償模塊 方案 1： 使用 PT100 溫度傳感器 用于 溫度補(bǔ)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(diǎn)來(lái)進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)模?具有抗震動(dòng) 性、 穩(wěn)定性 、精度高 、 耐高壓等特點(diǎn)。但 其操作較為復(fù)雜。 方案 2: 溫度補(bǔ)償電路 使用 DS18B20 作為溫度傳感器。 通過(guò)“ 一 線”總線（ 1Wire 是一種獨(dú)特的數(shù)字信號(hào) 的總 線協(xié)議，獨(dú)特的電源線和信號(hào)線的復(fù)合一起只使用一個(gè)口線 。每個(gè)芯片獨(dú)有的編碼，支持網(wǎng)絡(luò)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(dú)特的方法允許多個(gè) DS18B20 容易 建立傳 感器網(wǎng)絡(luò)，從而 提供更多地可能 性給 整個(gè)測(cè)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(shí)間 、 測(cè)量精度 、 分辨率 、傳 輸距離等 有 了長(zhǎng)足的進(jìn)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(wú)需采取糾正措施， 故選擇方案 2。 6. 報(bào)警模塊 方案 1： 使 用語(yǔ)音芯片 進(jìn)行 提示，優(yōu)點(diǎn)可以自由設(shè)定要提示的聲音。缺點(diǎn)使用復(fù)雜，需要專門的編程軟件，成本高控制復(fù)雜，不便于普及。 方案 2： 采用蜂鳴器提示，電路簡(jiǎn)單實(shí)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(jī)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(bǔ)償。 使用 蜂鳴報(bào)警器報(bào)警 13 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī) 最小 系統(tǒng) 對(duì)單片機(jī)的認(rèn)識(shí)源于大一時(shí)電子愛(ài)好者協(xié)會(huì)的一次講座。當(dāng)時(shí)大三的學(xué)長(zhǎng)們?cè)谧鲋悄苘?，精彩的演講和 有趣的知識(shí)吸引了我，也讓我對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生了興趣。他告訴我，單片機(jī)就相當(dāng)于人的大腦，它不能像電腦那樣做出特別復(fù)雜的運(yùn)算，但它足以完成很多操作任務(wù)。他當(dāng)時(shí)用的也是 51單片機(jī)，因?yàn)楦杏X(jué)性能比較穩(wěn)定，運(yùn)算速度快，而且物美價(jià)廉。后來(lái)通過(guò)大三對(duì)單片機(jī)課程的學(xué)習(xí)，進(jìn)一步對(duì) AT89C52 了解，因此本次設(shè)計(jì)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(jī) 通過(guò)發(fā)送 信號(hào) 來(lái)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(bào)警模塊。 超聲波測(cè)距儀中各模塊主要由單片機(jī)主控電路進(jìn)行控制和協(xié)調(diào)，從而有條不紊的進(jìn)行工作。 超聲波測(cè)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(hào) ， 加大于 10us 的高 電平 。該模塊 能夠自動(dòng) 發(fā)送 8 個(gè) 頻率 40KHz 的 方波 ， 且處于 工作狀態(tài)是 檢測(cè) 是否 有 回波 信號(hào) 。如 有 返 回信號(hào) ， 會(huì) 在 IO 口 向 ECHO 傳輸 一個(gè)高電平 信號(hào) ， 此 高 電平延續(xù)的 時(shí) 間 便是 超聲波 的 往返 時(shí)間 。 l（測(cè)試距離） =v（聲速） t（高電平時(shí)間） /2。 實(shí)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(hào)， ECHO 14 則為含有回波信號(hào)的四條線。 圖 7 超聲波模塊實(shí)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(hào)強(qiáng)度便衰減到40個(gè)聲壓級(jí)，此時(shí)超聲波接收探頭就很難接收到回波信號(hào)。因此，從理論上分析，本設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距部分的實(shí)際范圍是 10cm— 400cm，理想的避障范圍 是 10cm— 100cm,所以實(shí)際壁障安全距離應(yīng)設(shè)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(jì)時(shí)，超聲波經(jīng)過(guò)在空氣中傳播后，遇到障礙物反射回來(lái)被超聲波接收器捕捉到，同時(shí)停止計(jì)時(shí)。利用時(shí)間差計(jì)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(lái)顯示測(cè)量的距離值、溫度傳感器測(cè)量的溫度值以及 最小 的報(bào)警距離 。 溫度補(bǔ)償電路 溫度 補(bǔ)償電路 采用 DS18B20傳感 器 ， DS18B20數(shù)據(jù)總線， 由 單片機(jī) 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(diǎn)是 I / O 接口不需要強(qiáng)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(bǔ)償電路 DS18B20 蜂鳴 報(bào)警電路 如圖 13 所示 ， 蜂鳴報(bào)警電路由蜂鳴器、三極管、接到單片機(jī)上 P13 引腳上的電阻組成。 圖 13 蜂鳴 報(bào)警電路圖 17 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) AT89C52 程序流程圖 如圖 14 所示為超聲波測(cè)距單片機(jī) 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(xì)分如下： 系統(tǒng)初始化 單片機(jī) AT89C5 LCD160 蜂鳴報(bào)警器、超聲波測(cè)距模塊 通過(guò)上電 復(fù)位 并 自行 運(yùn)行 單片機(jī)清零程序 。 發(fā)射 超聲波 自動(dòng)讀取超聲波 測(cè)距程序， AT89C52 控制 HC— SR04 指向性 地 發(fā)射超聲波 并且記錄時(shí)間，待捕捉到回波時(shí)終止計(jì)時(shí)，算得回波時(shí)間。 判斷是否檢測(cè)到回波 超聲波 接收電路出于運(yùn)行狀態(tài) 。 如 超聲波接收 電路收到 回波，則 將信號(hào)發(fā)送到單片機(jī)并再次 計(jì)時(shí) ， 通過(guò) 溫度補(bǔ)償后 的 算式 算得 障礙物 當(dāng)前距離 ； 如超聲波接收電路未在 設(shè)定 時(shí)間 收到 回波， 則 返回。 顯示 顯示 距離、當(dāng)前溫度、設(shè)置 的 報(bào)警距離。 是否 小于超聲波報(bào)警距離 將 測(cè)得距離 與 報(bào)警值進(jìn)行比較，如小于報(bào)警值，則進(jìn)行報(bào)警 。 再次檢測(cè) 等待下次報(bào)警 19 計(jì)算距離 程序流程圖 圖 15 計(jì)算距離 程序流程圖 首先調(diào)用 溫度函 數(shù)進(jìn)行 溫度補(bǔ)償，得到當(dāng)前溫度下的超聲波傳播速度 v；然后調(diào)用 時(shí)間函數(shù) t，即超聲 波 發(fā)射與超聲波回波的時(shí)間差 ；再 將以上函數(shù)代入算式 =vt/2 算得 當(dāng)前溫度下障礙物的距離 ；最后 返回。 報(bào)警 電路程序流程圖 首先調(diào)用 測(cè)量函數(shù) l， 然后 與 報(bào)警 設(shè)定值進(jìn)行比較 ， 如 測(cè)量值 l 小于報(bào)警設(shè)定值 ，則向蜂鳴器發(fā)送報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警 ； 如 測(cè)量值 l 大于 報(bào)警距離 ，則不報(bào)警，返回調(diào)用測(cè)量函數(shù)。 20 圖 16 報(bào)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(jī)控制超聲波發(fā)射器發(fā)射超聲波， 同時(shí)計(jì)時(shí) 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(jì)時(shí)，計(jì)算 超聲波 往返時(shí)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(jì)時(shí)。 21 第五章 系統(tǒng) 的 調(diào)試 與 測(cè)試 安裝 按電路圖 購(gòu) 買好元件 后， 首先 需要 檢 測(cè) 元件 是否 完 好。 按 照 各 種 元件 檢測(cè) 的 方法分別進(jìn)行檢測(cè)， 這項(xiàng)任務(wù) 雖然重復(fù)繁瑣，但是我覺(jué)得這是必做的工作， 因?yàn)橹灰幸粋€(gè)元件出了問(wèn)題，設(shè)計(jì)就不能實(shí)現(xiàn)它的功能。同時(shí) 需要細(xì)心對(duì)照 原理圖 ， 使其 一一對(duì)應(yīng) ， 多次 檢查 確保 正確后 才可以 上件、焊件， 以防因 元件錯(cuò)誤 不便修正 ，導(dǎo)致功能無(wú)法實(shí)現(xiàn) 。 、焊接 各元件 出于對(duì)本設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)放置各元件，此過(guò)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(shí)要注意 集成芯片 上 焊接 不能連續(xù)焊接 超過(guò) 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(shè)定報(bào)警距離 。 向 障礙物進(jìn)一步靠近 。 22 當(dāng) 靠近后，距離顯示為 ，發(fā)出 蜂鳴警報(bào) 。 軟件調(diào)試 正常， 屏幕正常顯示 ， 正常工作 。 經(jīng)過(guò) 多次 測(cè)試 調(diào)試，與實(shí)際溫度對(duì)比 、 實(shí)際距離對(duì)比，該設(shè)計(jì)能夠在一定范圍內(nèi)穩(wěn)定的工作，并測(cè)出距離 ， 并且誤差小于 3 毫米 。 設(shè)計(jì) 成功。 23 第六章 總結(jié) 在臺(tái) 老師的悉心指導(dǎo)下， 自己 從初拿 題目 的一頭霧水， 到 一步步地學(xué)習(xí) 、 設(shè)計(jì)、改正， 再 改正，到 最后 完成 本 設(shè)計(jì)，這個(gè)過(guò)程讓我 收獲良多 。 這是我 16 年 的學(xué)生生涯中最后一次 完成 作業(yè)， 一