【文章內(nèi)容簡介】 電平，這樣，二者之間就可以通過 RS232 接口進(jìn)行數(shù)字信號的傳送，其電路圖如下圖 34 所示。 PC 機(jī)與單片機(jī)的硬件連接 串口是 PC機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議。多數(shù) PC機(jī)提供兩個(gè) 9針或 25針的 RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，簡稱為 COM1和 COM2。大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與智能基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 單元之間只要使用 3到 5根信號線即可工作，需使用 IXD(發(fā)送數(shù)據(jù) )、 RXD(接收數(shù)據(jù) )、 GND(地線 )等信號線，但有時(shí)還需使用 RTS(發(fā)送數(shù)據(jù)請求 )、 CTS(清除發(fā)送 )、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒 )、 DSR(數(shù)據(jù)發(fā)送就緒 )等信號線。 串口通信的實(shí)現(xiàn) 單片機(jī)硬件系統(tǒng)是一個(gè)典型的信號采集系統(tǒng)， PC機(jī)控制端先給單片機(jī)發(fā)送“開始指令 ”和有關(guān)系統(tǒng)測量參數(shù)，單片機(jī)接收到后硬件系統(tǒng)開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號經(jīng)放大和 A/D變換后送入單 片機(jī)，單片機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)按每個(gè) 180個(gè)字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過 RS232接口傳到計(jì)算機(jī) [18]。計(jì)算機(jī)首先對單片機(jī)發(fā)過來的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的接收，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，然后再進(jìn)行必要的處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。 PC機(jī)也可以隨時(shí)向單片機(jī)發(fā)送指令，使單片機(jī)根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。 圖 34 TTL轉(zhuǎn) RS232接口電路 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 電源電路 電源電路提供系統(tǒng)運(yùn)行的能量，所以在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)保證原理正確的前提下，考慮電源容量并保證一定的余量。 為獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源電路，可通過降壓，整流，穩(wěn)壓 ，濾波四個(gè)環(huán)節(jié)得到 5V的直流穩(wěn)壓電源： 1） 降壓：可通過變壓器將市電轉(zhuǎn)變后，選擇輸出電壓為 7～ 9 伏之間電源。 2）整流：將變壓后的電源通過四個(gè)整流二極管 4007 組成的整流橋，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，因此即使粗心電源接反單片機(jī)也不會燒掉，而電路也是正常工作的。 3）穩(wěn)壓：通過三端正穩(wěn)壓電路 7805 穩(wěn)壓成 5 伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用。 4） 濾波： 7805 左邊兩個(gè)是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造 ,所以等效電感較大 ,小電容可以提供一個(gè) 小內(nèi)阻的高頻通道 ,降低電源全頻帶內(nèi)阻。 7805 右邊兩個(gè)電容是 5 伏電源的濾波電容。 通過以上四個(gè)環(huán)節(jié)即得到 5V 的直流穩(wěn)壓電源。整個(gè)電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機(jī)提供安全且穩(wěn)定的電源了，最后再并接一個(gè)高亮發(fā)光二極管來指示單片機(jī)的工作狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)的總電源電路圖如 35： 圖 35 電源電路圖 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì) 復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位輸入端管腳 RST 通過一個(gè)施基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，主要是用來抑制噪聲。 圖 36 為按鈕復(fù)位電路。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復(fù)位端，引起內(nèi)部某些寄存器錯(cuò)誤復(fù)位，可在 RST 端管腳上可接一個(gè)去藕電容。 圖 36 單片機(jī)復(fù)位電路圖 聲光報(bào)警顯示電路的設(shè)計(jì) 此模塊主要為聲光顯示功能，以提示是否進(jìn)入或退出調(diào)整電子時(shí)鐘界面，更具有人性化。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)， P1 口的 8 個(gè)發(fā)光二極管（除了 ）全部點(diǎn)亮；當(dāng)進(jìn)入時(shí)間調(diào)整的時(shí)候， P1 口的 8 個(gè)發(fā)光二極管只有高四位點(diǎn)亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時(shí)即可 開始調(diào)時(shí)；調(diào)時(shí)完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后 8 位發(fā)光二極管回到正常工作時(shí)的點(diǎn)亮狀態(tài)。發(fā)光二極管電路中采用共陽法，即當(dāng)單片機(jī) I/O 口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮；在蜂鳴器電路中，采用了 PNP 三極管 9012 來驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)該端口輸出低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲，其電路圖如下圖 36，圖 37： 圖 37 P1 口二極管發(fā)光電路 圖 38 蜂鳴器電路 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 鍵盤電路的設(shè)計(jì) 如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費(fèi)實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，是人機(jī)接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 可選擇的方案有以下兩種： 方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。用較少的 I/O 口就能夠連接很多按鍵，適宜于硬件資源緊張的情況。 方案二：采用獨(dú)立按鍵方式輸入。該方式的優(yōu)點(diǎn)是在軟件上對按鍵輸入的處理比較簡單、方便；在硬件上占用的 I/O 口數(shù)比較多。 由于本設(shè)計(jì)中所需 I/O 口不是很多，且 I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。 本模塊電路占用了單片機(jī)的 ~ 四個(gè) I/O 口，主要是完成時(shí)鐘調(diào)整功能，單片機(jī)系統(tǒng)初始化后， I/O 端口輸出高電平，由于按鍵的另一端都接公共地，因此可根據(jù)這幾個(gè) I/O 口是否為低電平 中可檢測是否有按鍵按下，是哪個(gè)鍵被按下，然后轉(zhuǎn)向該按鍵所指向的功能。其電路圖如下圖 39 所示： 圖 39 單片機(jī)與按鍵的接口電路 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、 T1 中斷服務(wù)子程序、 INT0 外部中斷服務(wù)子程序、測溫子程序、距離計(jì)算子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。 系統(tǒng)軟件編制時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時(shí) 器 T0 工作模式為 16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA，并給西安市端口清零，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 （這也是測距器會有一個(gè)最小可測距離的原因）后，再打開外部中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1us，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）按下式計(jì)算即可得到被測物體與測距儀之間的距離，當(dāng)然，我們計(jì)算的時(shí)候還要考慮溫度對聲速的影響。 測出距 離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 LED，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。主程序框圖如下： 圖 41 主程序框圖 開始 系統(tǒng)初始化 溫度檢測子程序 測距子程序 結(jié)合溫度計(jì)算結(jié)果 顯示 結(jié)束 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 主程序流程圖： 圖 42 主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初始化 位置回波接收標(biāo)志位 發(fā)射超聲波脈沖開定時(shí)器 延時(shí) 開外部中斷 計(jì)算距離 顯示 回波標(biāo)志位是否為 1 Y N 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個(gè)左右的超聲波信號頻率約 40KHz 的方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回 超聲波信號（ INT0 引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進(jìn)入中斷程序 [11]。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器 T0溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 0 以表示此次測距不成功。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取，距離計(jì)算，結(jié)果的輸出等工作。 圖 43 定時(shí)中斷服務(wù)子程序 定時(shí)中斷入口 定時(shí)器初始化 發(fā)射超聲波 停止發(fā)射 返回 三方發(fā)射完否 Y N 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 超聲波測距子程序設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射 子程序在 口產(chǎn)生 40kHZ 方波脈沖寬度約 12us，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號。一旦接收到超聲波返回信號后，就立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉定時(shí)器， T0 停止計(jì)時(shí)，并將接收到的標(biāo)志位為 1,，然后在主函數(shù)里調(diào)用計(jì)算距離公式，在顯示出來，流程圖如圖 44 所示。 圖 44 超聲波測距流程圖 開始 發(fā)生超聲波 停止發(fā)射，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù) 外部 0 是否有中斷 計(jì)數(shù)器停止 計(jì)算檢測結(jié)果 結(jié)束 Y N 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 超聲波溫度補(bǔ)償子程序設(shè)計(jì) 溫度補(bǔ)償流程圖如圖 45 所示。 圖 45 溫度補(bǔ)償流程圖 開始 啟動(dòng)溫度檢測電路 得出 對應(yīng)的溫度值 返回 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng) 的設(shè)計(jì) 第 5 章系統(tǒng)電路調(diào)試及誤差分析 系統(tǒng)電路的調(diào)試 通過多次的實(shí)驗(yàn)，對電路各部分進(jìn)行了測量，調(diào)試和分析。首先測量發(fā)射電路對信號放大的倍數(shù)，先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個(gè) 40kHz 真的方波信號，峰峰值為 。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號峰峰值放大到 10V 左右。 40kHz 的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到 40kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形復(fù)制較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷 請求信號。 該測距電路的 40kHz 方波由單片機(jī)的編程產(chǎn)生，方波的周期為 1/40ms，即25μs，半周期為 。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生半周期為 12μs或 13μs 的方波信號，頻率分別為 和 。 超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用 Φ15 的超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用 金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將單片機(jī)試運(yùn)行 [15]。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為小于 6m，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。 系統(tǒng)的誤差分析 聲速引起的誤差 聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點(diǎn)的位置、壓強(qiáng)和密度對相應(yīng)靜止值的擾動(dòng)。高于20kHz時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體，液體和固體。流體