【文章內(nèi)容簡介】 干涉、散射、衍射等特性。而且超聲波具有振幅小、方向性集中、加速度大等優(yōu)點，可產(chǎn)生很大的力量，并且在不同的煤質(zhì)介面，聲波的大部分能量會反射[3]。超聲波發(fā)射器向某一固定方向發(fā)射長一個頻率為40KHz的脈沖信號，發(fā)射的同時進行計時，當聲波在傳播途徑當中碰到障礙物就會立刻返回，超聲波接收頭收到反射波的同時立即停止計時。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接受所經(jīng)歷的時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為c，則從傳感器到障礙物的距離S可用下式求出：S=ct/2。 超聲波測距裝置的原理框圖采用HCSR04超聲波收發(fā)模塊，它可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能。測量精度可達到3mm（本作品因測量工具限制，測量精度在10mm）。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器及其控制電路（1）基本工作原理：① 采用IO口TRIG(觸發(fā)信號輸入)觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號。② 模塊自動發(fā)射8個40khz的方波，并檢測信號是否有返回。③ 如果有返回信號， ECHO端（回響信號輸出）會自動輸出一個TTL高電平，該電平所持續(xù)的時間代表聲波從發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間。（2）：圖 超聲波收發(fā)裝置實物圖如圖左部分所示：模塊包括一個發(fā)射頭和一個接收頭，四個與外圍電路連接的端口，一個接5V 電壓，一個接地，中間兩個一個是觸發(fā)輸信號輸入，一個是回響信號輸出，圖右側(cè)是模塊內(nèi)部的所有集成電路，包括一個八位單片機EM78P153，一個芯片MAX232和一個運放集成芯片。，： RS232串口模塊內(nèi)部發(fā)出信號輸出回響信號10us的TTL循環(huán)發(fā)出8個40KHz脈沖觸發(fā)信號回響電平輸出與距離成正比超聲波時序圖表明觸發(fā)端只需提供一個10us以上的脈沖，模塊內(nèi)部便可自動將發(fā)出8個40KHz周期電平用來檢測是否回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到公式，S=高電平時間*聲速/2。： 超聲波模塊電氣參數(shù)表電氣參數(shù)HCSR04超聲波模塊工作電流15mA工作頻率40Hz工作電壓DC5V最遠射程4m最近射程2cm測量角度15度輸入觸發(fā)信號10us的TTL脈沖輸出回響信號輸出TTL電平信號，與射程成正比規(guī)格尺寸45*20*15mm（3）模塊內(nèi)部包含的單片機EM78P153是采用高速CMOS工藝制造的八位單片機，其內(nèi)部有512*13位一次性ROM，因此，用戶可以很方便地改進完善程序，有13位選項位可滿足用戶要求，其中的保險位可用來防止程序被讀出。,工作溫度范圍為07攝氏度，工作頻率范圍為08MHz[4]。： EM78P153引腳描述符號功能VDD電源P65/OSCI通用I/O引腳，外部時鐘輸入，XT振蕩器輸入引腳，上拉/下拉P64OSCO通用I/O引腳，外部時鐘輸入，XT振蕩器輸入引腳，上拉/下拉P63//RESET/VPP編程電壓輸入引腳，正常模式下電壓不高于VDD，置為RESET時低電平引起復位,有上拉P62/TCC通用I/O引腳，上拉/下拉/漏極開路，外部時鐘/計數(shù)器輸入引腳P61通用I/O引腳，上拉/下拉/漏極開路，引腳狀態(tài)變化將單片機從休眠模式喚醒P60/INT通用I/O引腳，上拉/下拉/漏極開路，編程模式下斯密特觸發(fā)輸入，下降沿觸發(fā)的外部中斷輸入信號P66,P67通用I/O引腳，上拉/漏極開路，引腳狀態(tài)變化時會將單片機從休眠模式中喚醒P50P52通用I/O引腳，下拉P53通用I/O引腳VSS地（4）40KHz超聲波發(fā)射電路由單片機控制，模塊內(nèi)部產(chǎn)生40KHz的頻率信號，由于單片機輸出電流較小，無法驅(qū)動超聲波傳感器，需要外接驅(qū)動電路，采用74LS04的反向器并接以擴大電流，以及電路的倒相功能使電路的驅(qū)動電壓可以達到10V左右，超聲波傳感器輸入端接上拉電阻，可以使本身的阻尼系數(shù)減小，優(yōu)于普通的發(fā)射。（5）超聲波回波接收電路接收部分主要由超聲波接收器和信號的放大、整形電路組成。這里使用三極管構(gòu)成一個三級放大器, 并在回路中適當使用電容和電感, 使電容電感的振蕩頻率為40 kHz。反射回來的微弱信號經(jīng)放大、隔直、濾波、整形, 最后將輸出信號送入RS觸發(fā)器。 LCD顯示電路本設計采用LCD1602模塊實現(xiàn)液晶顯示，采用此模塊的原因在于：液晶顯示模塊具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點，因此，在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，比傳統(tǒng)的LED顯示器件有很大的優(yōu)勢。目前字符型液晶顯示模塊已然是單片機硬件設計中最常用的顯示器件了，LCD1602顯示字母和數(shù)字比較方便，不僅控制簡單，較低成本，而且開發(fā)起來也比較容易，它能使整體電路更加的簡化，操作更加的方便。顯示部分采用SMC 1602液晶屏進行數(shù)據(jù)顯示，： SMC 1602液晶屏技術參數(shù)顯示容量16x2個字符芯片工作電壓工作電流()模塊最佳工作電壓 字符尺寸（WXH）mm： 液晶屏接口信號說明編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明1 VSS 電源地9 D2 Data I/O2 VDD 電源正極10 D3 Data I/O3 VL 液晶偏壓編號 11 D4 Data I/O4 RS 數(shù)據(jù)命令（H/L）12 D5 Data I/O5 R/W 讀/寫（H/L）13 D6 Data I/O6 E 使能信號14 D7 Data I/O7 D0 Data I/O15 BLA 背光源正極8 D1 Data I/O16 BLK 背光源負極引腳接口主要說明：第1引腳：VSS為地電源。第2引腳：VDD接5V正電源。第3引腳：VL為LCD 1602DE 對比度調(diào)整端，接地時對比度最高,接正電源時對比度最弱。在實際使用過程中可以在VSS與VDD之間外接一個10K的電位器來調(diào)整顯示屏的對比度。第4引腳：RS即寄存器選擇端，高電平時為數(shù)據(jù)寄存器，低電平選擇指令寄存器。第5引腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。第6引腳：E端為顯示屏的使能端，E端為低電平時，表示液晶模塊執(zhí)行命令。第7～14引腳：D0～D7是與單片機相接的8位雙向數(shù)據(jù)線。第15引腳：背光源正極。第16引腳：背光源負極。： LCD與單片機接口電路: LCD1602控制指令序號指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001*3置輸入模式00000001I/DS4顯示開/關控制0000001DCB5光標字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符存儲器地址0001字符發(fā)射存儲器地址8置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址9讀忙標志或地址01：圖3. 7 LCD1602顯示模塊電路圖 報警電路。本次電路設計為低電平輸出時蜂鳴器響，高電平時關閉（因為單片機管腳的灌電流比拉電流容量大，拉電流是數(shù)字電路給負載提供的電流，灌電流為負載反饋給數(shù)字電路的電流。）。，PNP型三極管8550導通，有集電極電流通過，蜂鳴器鳴響。，三極管截止，蜂鳴器關閉[5]。 蜂鳴器報警電路 串行與無線通信電路超聲波模塊內(nèi)部由芯片MXA232來進行電壓轉(zhuǎn)換，MAX232是一種雙組驅(qū)動器/接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V電源供電時提供電源，這就是說，如果你想用單片機和PC機通過串口進行通信，盡管單片機有串行通信的功能，但單片機提供的信號電平和RS232的標準不一樣，因此要通過MXA232這種類似的芯片進行電平轉(zhuǎn)換。[6]： MAX232管腳圖連接器使用的是DB9， 其管腳說明如表 。 DB9管腳說明引腳號引腳名 說明1DCD數(shù)據(jù)監(jiān)測信號線，用來表示DXE已接通通信鏈路，告知DTE準備接收數(shù)據(jù)。2RXD接收數(shù)據(jù)信號線，通過RXD線，DTE線接收從DCE發(fā)來的串行數(shù)據(jù)。3TXD發(fā)送數(shù)據(jù)信號線，通過TXD線，DTE將串行數(shù)據(jù)發(fā)送給DCE。4DTR數(shù)據(jù)終端準備好接收數(shù)據(jù)線，信號為有效狀態(tài)時，表明數(shù)據(jù)終端可以使用。5SG信號地6DSR數(shù)據(jù)裝置準備好數(shù)據(jù)線，該信號有效狀態(tài)時，表明DCE處于可以工作狀態(tài)。7RTS請求發(fā)送信號線，用來表示DTE請求DCE發(fā)送數(shù)據(jù)。8CTS允許發(fā)送信號線，用來表示DCE準備接收DTE的數(shù)據(jù)，是對RTS的響應。9RL振鈴提示信號線，當DCE收到交換臺信號時，該信號有效，通知發(fā)送短信。本系統(tǒng)的無線遠程通信功能是 通過用SIM 900A模 塊來實現(xiàn)的，當單片機接收到超聲波所檢測道德數(shù)據(jù)之后并將其 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后通過串口送給SIM 900A模塊，然后SIM 900A模塊將這個息通過AT指令發(fā)送 給已經(jīng)設置好的手機號碼，接收號碼將通過短信的形式讀取報警內(nèi)容。本系統(tǒng)中除SIM 900A模塊是使用+5V(1A)電源外，其余部分的模塊都使用的是+5V(3A)電源[7]。SIM卡供電，根據(jù)SIM卡的類型自動選擇輸出電壓，177。10%177。10%，該引腳最大輸出電流能力約為10mA。SIM部分設計注意如下： SIM_VDD：需要并100或220nF電容，以穩(wěn)定電源輸出，減小紋波； SIM_DATA：建議并pF級電容，防止高頻干擾；SIM_RST: 建議并nF級電容，防止高頻干擾； PCB布局、Layout時，注意SIM卡卡座盡量靠近模塊，不要擺放過遠，走線過長，導致無法識別SIM卡。其它引腳設計:STATUS：用于判斷模塊是否為開關機狀態(tài)，開機為高電平，關機后為低電平； VRTC：—，正常供電3V。如果需要VBAT去電后保持實時時鐘，請外接備份電池或電容； 如果不需要保存實時時鐘，請外接uf級電容。NRESET：硬件上復位，低電平有效。推薦外接100nF電容，這個信號僅用于緊急復位，建議客戶作為預留使用，當模塊無法關機時，最好還是通過VBAT使能給模塊重新上電。4軟件設計軟件設計部分采用與STC89C52單片機兼容的的高級開發(fā)語言軟件 Keil uVision4。它是德國 Keil Software 公司研發(fā)的單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與單片機系統(tǒng)高度。通過類似于 C 語言的語法進行程序的開發(fā)和設計。由于單片機系統(tǒng)己被完全集成到 uVision4的集成開發(fā)環(huán)境中，使得該集成開發(fā)環(huán)境包含：C編譯器、匯編器、實時操作系統(tǒng)、庫管理器和仿真調(diào)試器等工具而讓在線編程更加容易。Keil uVision4編譯器在語言上的擴展功能為用戶使用軟件資源提供方便，對于8051 系列資源 C51 編譯器都可以進行操作 。SFR 和 SBIT 兩個關鍵字對 SFR 進行存取。Keil uVision4 的編譯器和高性能仿真器,支持應用程序的調(diào)試。將系統(tǒng)電路 通上電，同時單片 機手動復位。同時開 始初始化單片機 的系統(tǒng)，硬件 連接部分可以 ~ 統(tǒng)的LCCD顯示模塊，將其 設置為 輸出口，LCD顯示初始化。 然后初始 化第二串口所連 接的SIM 900A 系統(tǒng)， 開定時器 中斷同時發(fā)射超聲波， 等到接收到超聲波 返回信號后響應 外部中斷，然后將 計算過的測量 結(jié)果用LCD顯示出來，單片機串口將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線模塊SIM 900A，SIM 900A模塊通過AT指令控制將報警信息發(fā)送給手機。 主 程序流程該系統(tǒng)的測量部分采用超聲波測距。通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換計算出超聲波從發(fā)射至接收所用的時間。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，T0中斷用來計數(shù)器溢出，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到