【正文】 的電位器調(diào)整對(duì)比度。SE1 是跳線，接入時(shí)，背光燈亮，拿下時(shí)，背光燈滅，可節(jié)約電源。LCD1602 與單片機(jī)的接口電路如圖 所示。 GN+ 圖 顯示電路 20 報(bào)警模塊的設(shè)計(jì)蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電。它主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱組成 [32]。當(dāng)接通電源后多諧振蕩器起振，輸出 ~ 的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。本模塊在輸出電路上加上蜂鳴器作為聲音報(bào)警，當(dāng)距離小于 米時(shí)，蜂鳴器發(fā)出 BiBi 聲。蜂鳴器電路由單片機(jī)的 端口控制。設(shè)計(jì)中，通過(guò) 端口控制蜂鳴器的發(fā)聲，當(dāng) 端口輸出低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)聲，當(dāng) 端口輸出高電平時(shí)，蜂鳴器不發(fā)聲。其電路設(shè)計(jì)如圖 所示。 BuzerQ1VC5KR78P0.圖 報(bào)警電路 鍵盤電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)機(jī)控制的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中的主要作用是通過(guò)按鍵向單片機(jī)輸入指令，其主要功能是設(shè)定閾值，是人工控制單片機(jī)的主要手段。在倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的鍵盤采用的是 2 個(gè)獨(dú)立鍵盤，這 2 個(gè)按鍵的功能分別為：S2 鍵是閾值升高鍵，S3 鍵是閾值下降鍵。人工可以任意設(shè)定一個(gè)閾值，當(dāng)超聲波測(cè)出的距離小于設(shè)定的閾值時(shí)，蜂鳴器會(huì)自動(dòng)報(bào)警。鍵盤接口電路如圖 所示。 S49 圖 按鍵電路21 電源模塊的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)需要一個(gè)+5V 的電源，給單片機(jī)和其他的電路供電。電源設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)很重要的環(huán)節(jié)，它的穩(wěn)定與否涉及到電路能否穩(wěn)定工作。用分立元件組裝的直流穩(wěn)壓電源存在體積大，組裝、調(diào)試、維修麻煩的缺點(diǎn)。現(xiàn)在隨著功率集成技術(shù)的不斷發(fā)展，人們已經(jīng)把直流電源電路中的電源調(diào)整管、比較放大電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣電路、過(guò)壓過(guò)流保護(hù)電路等集成在一片芯片上制成集成穩(wěn)壓器 [33]。集成穩(wěn)壓器由于使用方便、體積小、成本低、性能良好、一致性好等優(yōu)點(diǎn)而在各種電子設(shè)備中得到廣泛應(yīng)用。常用的穩(wěn)壓器件包括三端式固定穩(wěn)壓集成電路器件 78XX 和 79XX 系列，78XX 系列集成穩(wěn)壓器的典型應(yīng)用電路如圖 所示。這是一個(gè)輸出正電壓的穩(wěn)壓電源電路，采用集成穩(wěn)壓器 7805，C9 是橋式整流濾波電容器，因?yàn)?C9 是大容量電解電容器，它本身的分布電感比較大，對(duì)高頻交流成分的濾波效果較差。為了改善濾波電路的高頻抑制特性，一般在大電容器 C9 的旁邊再并聯(lián)一個(gè)高頻濾波性能良好的小電容 C10。直流穩(wěn)壓電路輸出端的電容器 C11 是為了改善穩(wěn)壓電源電路瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)特性而設(shè)。對(duì)直流電穩(wěn)壓電路的性能要求不高時(shí)，電容器 C9 和 C11 可以省略。 Vin1Gd2+ 圖 由 7805 組成的+5V 電源 本章小結(jié) 本章確定了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)思想，分析了超聲波傳感器的工作原理和工作方式，然后設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、測(cè)溫模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊以及電源模塊的電路。22 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 編寫語(yǔ)言的選擇軟件設(shè)計(jì)比較常用的是匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言是單片機(jī)最快、最有效的語(yǔ)言，也能利用單片機(jī)所有硬件特性并能直接控制硬件的編程語(yǔ)言。而且匯編語(yǔ)言編寫的程序效率高，占用存儲(chǔ)空間小，運(yùn)行速度快。但要求程序設(shè)計(jì)者對(duì)單片機(jī)具有較好的軟硬結(jié)合的功底，而且編譯出來(lái)的程序的維護(hù)性和可移植性差。而C語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、緊湊，使用方便、靈活，運(yùn)算符豐富，數(shù)據(jù)類型多，具有現(xiàn)代語(yǔ)言的各種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，語(yǔ)言限制不太嚴(yán)格，程序自由度大，并且生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高，其編寫程序的可讀性、維護(hù)性和可移植性都很好(與匯編語(yǔ)言相比)?；旧喜蛔鲂薷木湍苡糜诟鞣N型號(hào)的計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)。因此，結(jié)合本系統(tǒng)的特點(diǎn)，這里選用C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言。運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對(duì)不同功能模塊的程序進(jìn)行分別編程，以便移植或調(diào)用，這樣使軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，有利于軟件的調(diào)試修改。23 算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的原理是超聲波發(fā)生器 T 在某時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波信號(hào)遇到障礙物后反射回來(lái)，就被超聲波接收器 R 所接收。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與障礙物之間的距離。距離的計(jì)算見公式（）。 ().?其中，H 為障礙物與測(cè)距儀的距離，s 為超聲波往返的路程， 為超聲波的速度，v為超聲波往返所用的時(shí)間。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t用定時(shí)器的計(jì)時(shí)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和接收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。 主程序流程圖的設(shè)計(jì)主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出八個(gè)超聲波脈沖，打開定時(shí)器 T0 開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收器檢測(cè)到脈沖時(shí)，打開外中斷 INT0 接收返回的超聲波信號(hào)。當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志后，將計(jì)時(shí)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按公式（ ）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與障礙物之間距離，如果取 20℃時(shí)的聲速為 344 ，則有sm/ （）cTvtH)1072(?其中， 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。當(dāng)測(cè)出的距離小于 米時(shí)，蜂鳴器會(huì)報(bào)警提0T示。測(cè)出距離后，結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LCD 液晶顯示。主程序流程圖如圖 所示。 24 開始啟動(dòng)定時(shí) T 0有回波否 ?外部中斷 I N T 0 打開顯示距離N初始化是否 = 0 . 3 5 m ？蜂鳴器報(bào)警NY發(fā)射 8 個(gè) 4 0 K H Z 方波Y數(shù)據(jù)處理圖 主程序流程圖 子程序流程圖的設(shè)計(jì) DS18B20 程序設(shè)計(jì)首先進(jìn)行初始化，寫 DS18B20 地址，然后寫 DS18B20 讀取溫度指令，讀取成功后，將溫度轉(zhuǎn)移給到溫度寄存器中，判斷溫度是否轉(zhuǎn)移成功，若失敗，重新再讀溫度值，若成功，單片機(jī)讀取溫度值，然后返回。DS18B20 子程序流程圖如圖 所示。25D S 1 8 B 2 0 子程序入口D S 1 8 B 2 0 初始化溫度轉(zhuǎn)移成功 ？返回N寫 D S 1 8 B 2 0 讀取溫度指令單片機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)移入溫度寄存器Y圖 DS18B20 子程序流程圖 顯示程序設(shè)計(jì)首先對(duì) LCD1602 初始化，單片機(jī)使其進(jìn)行寫操作，當(dāng) LCD1602 的使能信號(hào) EN置高電平后再過(guò)兩個(gè)時(shí)鐘周期至低電平，產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)，往 LCD 寫入顯示數(shù)據(jù)，先寫入第一行數(shù)據(jù)，顯示出來(lái)，該行數(shù)據(jù)為溫度值，再寫入第二行數(shù)據(jù)，顯示出來(lái)，該行數(shù)據(jù)為距離值，然后子程序返回。LCD 子程序流程圖如圖 所示。26 子程序入口L C D 初始化L C D 是否忙 ？單片機(jī)向 L C D 發(fā)出寫命令設(shè)置第一行顯示位置設(shè)置第二行顯示位置顯示第一行內(nèi)容顯示第二行內(nèi)容返回YN圖 顯示子程序流程圖 鍵盤程序設(shè)計(jì)按鍵的觸點(diǎn)在閉合和斷開時(shí)均會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，這時(shí)觸點(diǎn)的邏輯電平是不穩(wěn)定的，如不妥善處理，將會(huì)引起按鍵命令的錯(cuò)誤執(zhí)行或者重復(fù)執(zhí)行。現(xiàn)在用軟件延時(shí)的方法來(lái)避開抖動(dòng)階段。在判斷是否有鍵閉合后都延時(shí) 5ms，按下鍵后再延時(shí) 10ms 就可以避免鍵盤的抖動(dòng)。然后鍵碼分析，執(zhí)行后返回。鍵盤子程序流程圖如圖 所示。27 YNN鍵盤程序入口調(diào)用 延時(shí) 子程序延 遲 5 m s有按鍵閉合 ？2 次調(diào)用延時(shí)子程序延遲 1 0 m s有按鍵閉合 ？鍵碼分析返回閉合鍵釋放嗎 ？輸入鍵碼NYY圖 鍵盤子程序流程圖 本章小結(jié)本章主要完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分。確定了軟件的編寫語(yǔ)言，設(shè)計(jì)了主程序及各子程序的流程圖，而且將程序模塊化，編寫了相應(yīng)的程序，使整個(gè)系統(tǒng)功能得以實(shí)現(xiàn)。整個(gè)流程清晰，思路明確，便于觀察和修改。從功能上達(dá)到本次設(shè)計(jì)的需要。28第 5 章 軟硬件調(diào)試及性能 系統(tǒng)的調(diào)試超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都較為簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用的超聲波傳感器的中心頻率為 40KHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩個(gè)傳感器中心軸平行并相距 4～8 ，其cm余的元件沒(méi)有特殊的要求。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與接收器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。在焊接完所有元件之后，先不上電，檢查電路電源和地是否因粗心而造成的短路現(xiàn)象。確定電路不短路之后，給電路上電，檢查電路中的元件是否存在虛焊。在確定各芯片供電和關(guān)鍵管腳處正常后，即可進(jìn)行測(cè)試。首先測(cè)試發(fā)射電路，用示波器觀察超聲波發(fā)送端，負(fù)端為10V 直流電壓，正端為方波信號(hào)，低電平電壓為10V ，高電平電壓為+10V，則表明發(fā)送端正常。再測(cè)試接收端，更改程序讓單片機(jī)一直發(fā)射40KHz 的方波信號(hào)，接收器正端一直有微弱信號(hào)，表明接收探頭也工作正常。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。 系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)及誤差分析 測(cè)量數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)的要求是測(cè)量距離，所以在測(cè)試的時(shí)候，采用在室內(nèi)測(cè)量到墻壁的距離，其測(cè)量范圍為 2 ～100 。在對(duì)測(cè)量值和真實(shí)值進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者總存在一定cm的偏差，測(cè)量值和真實(shí)值的偏差保持在 3 左右，并計(jì)算其相對(duì)誤差，測(cè)量數(shù)據(jù)如cm表 所列。表 測(cè)量數(shù)據(jù)真實(shí)值（cm）5 10 20 30 45測(cè)量值（cm）9 12 22 30 47相對(duì)誤差（%）80 20 10 0 真實(shí)值 60 70 80 90 10029（cm）測(cè)量值（cm）60 69 78 90 99相對(duì)誤差（%）0 0 1 誤差分析（1）溫度對(duì)超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。本設(shè)計(jì)考慮到了這一點(diǎn)，增加了測(cè)溫模塊，從而彌補(bǔ)了由溫度引起的誤差。（2）超聲波回波聲強(qiáng)影響超聲波回波聲強(qiáng)與被測(cè)物得距離有由直接的關(guān)系，實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過(guò)根據(jù)測(cè)量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)以及動(dòng)態(tài)調(diào)整比較電壓來(lái)減小這種誤差。（3）電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會(huì)造成測(cè)量誤差，主要表現(xiàn)為：①啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差。這是源于單片機(jī)一次只能處理一件事，所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際上不能同時(shí)完成，是先后完成的，存在時(shí)差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。②收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后，這個(gè)因素可以通過(guò)提高單片機(jī)速度，使用高優(yōu)先級(jí)中斷。 本章小結(jié)本章主要完成了對(duì)倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的調(diào)試。首先對(duì)硬件和軟件進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試，硬件調(diào)試比較簡(jiǎn)單。主要是軟件調(diào)試，對(duì)測(cè)距進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果基本符合設(shè)計(jì)的要求，有待進(jìn)一步的改善。30結(jié)束語(yǔ)本課題設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以及它的一些特性。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用 Atmel 公司生產(chǎn)的AT89S52 芯片。40KHz 脈沖由單片機(jī)發(fā)出，輸入到發(fā)射電路。發(fā)射電路采用 CD4090六反向器，40KHz 方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。接收電路采用的是CX20226A 集成芯片，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形。溫度補(bǔ)償采用的是 DS18B20 數(shù)字式傳感器，它接線簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍大，精度高。顯示電路采用LCD1602，它能同時(shí)顯示溫度和距離兩組數(shù)據(jù)。報(bào)警電路采用常用的蜂鳴器，當(dāng)距離小于設(shè)定值時(shí)發(fā)出警報(bào)。單片機(jī)內(nèi)部采用 C 語(yǔ)言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。實(shí)際測(cè)試證明，本超聲波測(cè)距系統(tǒng)的性能比較穩(wěn)定，硬件設(shè)計(jì)中充分考慮了溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但也存在著如下問(wèn)題：（1）系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不高，被測(cè)物體表面移動(dòng)速度很小時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量；移動(dòng)速度過(guò)大，波動(dòng)較大時(shí)，誤差變大；（2）測(cè)量的距離較近，大約在 120cm 左右，原因可能在于超聲波發(fā)射電路的驅(qū)動(dòng)能力不夠強(qiáng)，能量在傳輸過(guò)程中損耗較大，接收電路接收到的信號(hào)比較弱，最終導(dǎo)致測(cè)出的距離近。31參考文獻(xiàn)[1]周偉，[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2022，12（4）：349351 .[2][M].電力工業(yè)出版社，2022： 3289 .[3]