【導(dǎo)讀】技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種。它廣泛應(yīng)用于建筑施工、防盜、倒車、水位測量以及一些工業(yè)現(xiàn)場。法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案。整個電路采用模塊化設(shè)計，發(fā)射模塊發(fā)射。超聲波，接受模塊接受回波，單片機計算距離，LCD1602顯示測量結(jié)果。信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。軟件部分由主程序、延時子程序、發(fā)射子程序、接受子程序、顯示子程序、溫度檢測子程序等模塊組成。

　　

【正文】 物體的距離。距離的計算公式（ 41）： L=s/2=(c? t)/2 (41) 其中， L 為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，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(dāng)收到超聲波反射波時，啟動定時器中斷，執(zhí)行計時子程序，讀取時間差，計算距離。 [14][15] 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和子程序，如圖 41 所示。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收。子程序完成單方向超聲波 的發(fā)射，計算測量距離，溫度測量以及溫度距離的顯示。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境進行設(shè)置，初始化 1602 屏。設(shè)置定時器 T0 工作模式為 13 位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超過 10um 的脈沖， HCSR04 內(nèi)部發(fā)出 8 個 40kHz 周期電平檢測回波，一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號，定時器開始計時，回響信號的脈沖寬度與所測距離成正比，回響信號結(jié)束后定時器結(jié)束計時。調(diào)用測距子程序計算距離并顯示。 void main(void) { unsigned char TempCyc。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 Delay400Ms()。 //啟動等待，等 LCM 講入工作狀態(tài) LCMInit()。 //LCM 初始化 Delay5Ms()。 //延時片刻 (可不要 ) DisplayListChar(0, 0, mcustudio)。 DisplayListChar(0, 1, )。 ReadDataLCM()。//測試用句無意義 for (TempCyc=0。 TempCyc10。 TempCyc++) Delay400Ms()。 //延時 DisplayListChar(0, 1, Cls)。 while(1) { TMOD=0x01。 //設(shè) T0 為方式 1， GATE=1； TH0=0。 TL0=0。 ET0=1。 //允許 T0 中斷 EA=1。 //開啟總中斷 while(1) { StartModule()。 while(!RX)。 //當(dāng) RX 為零時等待 TR0=1。 //開啟計數(shù) while(RX)。 //當(dāng) RX 為 1 計數(shù)并 等待 TR0=0。 //關(guān)閉計數(shù) Conut()。 //計算 delayms(80)。 //80MS } } } 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 圖 主程序流程圖 由于采用的是 12MHz 的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1μ s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（ 42）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取 20℃時的聲速為 344m/s 則有： d=(c? t)/2=172T0/10000cm 42 其中， T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。 開 始1 6 0 2屏 初 始 化T 0定 時 器 初 始 化觸 發(fā) H C S 0 4模 塊定 時 器 計 時停 止 計 時 并 調(diào) 用 計 算 距離 子 程 序計 算 距 離 并 顯 示延 時 等 待 下 次 測 距南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 測出距離后結(jié)果將傳給 LCD 數(shù)碼顯示約 5s，延時 80ms,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 超聲波發(fā)生子程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送一個 10us 以上的脈沖觸發(fā)信號。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準(zhǔn)確。 void StartModule() //啟動模塊 { TX=1。 //啟動 一次模塊 _nop_()。 //延時 1us _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 TX=0。 } 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 距離計算子程序 距離計算子程序通過公式 41 計算距離，首先根據(jù)定時器 T0 計算超聲波傳播時間，然后再加入溫度校正，根據(jù)公式 V=(+*i)/2 計算當(dāng)前環(huán)境下超聲波速度，再由公式 S=(time*V)計算出距離，單位為 米。最后調(diào)用顯示程序顯示溫度，距離。 void Conut(void) { unsigned int i=0。 unsigned int V=0。 time=TH0*256+TL0。 TH0=0。 TL0=0。 i=ReadTemperature()。 /*讀取當(dāng)前溫度 */ Delay400Ms()。 V=(+*i)/2。 S=(time*V)。 //算出來是 M if((S=700)||flag==1) //超出測量范圍顯示“ ” { flag=0。 DisplayOneChar(0, 1, ASCII[11])。 DisplayOneChar(1, 1, ASCII[10])。 //顯示點 DisplayOneChar(2, 1, ASCII[11])。 DisplayOneChar(3, 1, ASCII[11])。 DisplayOneChar(4, 1, ASCII[12])。 //顯示 M } else { disbuff[0]=S%1000/100。 disbuff[1]=S%1000%100/10。 disbuff[2]=S%1000%100%10。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 DisplayOneChar(0, 1, ASCII[disbuff[0]])。 DisplayOneChar(1, 1, ASCII[10])。 //顯示點 DisplayOneChar(2, 1, ASCII[disbuff[1]])。 DisplayOneChar(3, 1, ASCII[disbuff[2]])。 DisplayOneChar(4, 1, ASCII[12])。 //顯示 M DisplayOneChar(6,0,ASCII[i/100])。 /*把溫度顯示出來 */ DisplayOneChar(7,0,ASCII[i%100/10])。 DisplayOneChar(9,0,ASCII[i%10])。 } } 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 第五章 溫度補償 采用超聲波測量距離的方法，實時檢測現(xiàn)場溫度用以實現(xiàn)實際波速數(shù)據(jù)的校準(zhǔn)，減小溫度對測距產(chǎn)生的誤差，最終由 LCD1602 顯示所測距離及現(xiàn)場溫度。 設(shè)計方案 超聲波傳聲器結(jié)構(gòu)簡單、行能可靠、成本低、易集成，因此常用超聲波測距。 在常溫下，超聲波的傳播速度為 340m/s，但其傳播速度 V易受到空氣中的溫度、濕度、壓強 等因素的影響，其中溫度的影響最大。一般溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加約為 。表 1 為超聲波在不同溫度下的波速值。 [16] 表 一些溫度下聲速 溫度 T/℃ 30 20 10 0 10 20 30 聲速 v/m/s 313 319 322 331 337 344 350 由 此可見溫度對超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測量結(jié)果，必須對波速進行溫度補償。通過實驗可獲得波速與溫度之間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ停? V=+ (51) T 為現(xiàn)場溫度， V為實際波速。從式中可看出，要獲得精確的波速值，必須首先獲取現(xiàn)場溫度 T 的大小。本設(shè)計采用 DS18B20 檢測現(xiàn)場溫度，用以實現(xiàn)實際波速的校準(zhǔn)。 [17] 溫度補償及其原理 : 目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進行溫度測量時，通常采用模擬式溫度敏感元件，如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等 ，將溫度轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大電路放大到合適的范圍，再由 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。此種形式的溫度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜，測量精度易受原器件參數(shù)影響。 DS18B20 是 Dallas 公司開發(fā)的 1wire（單總線）高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器，它具有節(jié)省 I/O 口弦資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度高，便于總線擴展和維護等諸多特點。 1wire 是將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為 1 根信號線。 DS18B20 的測溫原理如圖 ，圖中低溫度系數(shù)的晶振的振蕩頻率受溫度很小，南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其 振蕩頻率明顯改變，產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置入計數(shù)器 1和溫度寄存器中，計數(shù)器 1的溫度寄存器被預(yù)置在 55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。 計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖進行計數(shù)。如此循 環(huán)直至計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中振蕩器溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測量。其輸出用于修正計數(shù)器的預(yù)置值， 如 計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達到被測溫度值。由經(jīng)驗公式 V=+ 得出現(xiàn)場波速，實現(xiàn)溫度補償。 [18] 圖 測溫原理 另外，由于 DS18B20 單總線通信功能是分時完成的，因此他有嚴格的時隙概念，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進行。 操作協(xié)議為：初始化 DS18B20（發(fā)復(fù)位脈沖）→發(fā) ROM 功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 據(jù)。 [19] 溫度采集電路 溫度采用 DS18B20 傳感器進行測量， 接 DS18B20 數(shù)據(jù)總線，控制 DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換和傳輸數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)對 DS18B20 采用外部供電，其優(yōu)點在于 I/O 線不需要強上拉，而且總線控制器無需在溫度轉(zhuǎn)換期間一直保持高電平。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進行其他數(shù)據(jù)傳輸，硬件結(jié)構(gòu)如下圖 : 圖 溫度采集電路 溫度采 集 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、 T1 中斷服務(wù)程序、 INT0外部中斷服務(wù)程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序等。 系統(tǒng)軟件編制時考慮相關(guān)硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。 DS18B20 有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序讀時序?qū)憰r序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。 而每次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要去單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。 [20] 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 圖 初始化時序圖