【正文】 349386由表21可得溫度與波速得經(jīng)驗?zāi)Ｐ腿缦拢? （26）式中 T ——現(xiàn)場溫度； v ——實際波速，從上式可以看出，要獲得準(zhǔn)確的波速,必須首先獲取現(xiàn)場溫度T的大小。 單片機核心部分單片機也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。概括的講，一塊芯片就成了一臺計算機。近年來，微處理器已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其是在智能儀器儀表中的應(yīng)用更是如此，這不僅引起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計的理念的變革?；谖⑻幚砥鞯闹悄芟到y(tǒng)設(shè)計，已成為目前電子設(shè)計領(lǐng)域的一個熱點。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的基礎(chǔ)上，其可靠性也是設(shè)計時需要考慮的一個方面，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于通信、雷達(dá)、遙控和自動控制等各個領(lǐng)域中。 單片機核心板電路原理圖如圖22所示。該系列單片機的主要特點有以下幾個方面：指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快812倍； ；工作頻率范圍為0 35MHz；用戶應(yīng)用程序空間為8k字節(jié)；片上集成1280字節(jié)RAM；含通用I/O口，每個I/O驅(qū)動能力均可達(dá)20mA，復(fù)位后為普通8051傳統(tǒng)I/O口，可設(shè)置成普通、推挽、高阻、開漏4種模式；ISP/IAP，無需專用編程器，無需專用仿真器；可通過串口直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片；有EEPROM功能；看門狗；內(nèi)部集成MAX專用復(fù)位電路、2路PWM、8路高速10為A/D轉(zhuǎn)換；；時鐘源為外部高精度晶體（），內(nèi)部R/C振蕩器，用戶在下載程序時可選擇使用類型；有兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時器/計數(shù)器；外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿終端或低電平觸發(fā)中斷；工作溫度范圍是0～75℃。圖23 電源供電電路電源供電電路原理圖如圖23所示。單片機本身就如一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時鐘信號的嚴(yán)格控制下。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。圖24 單片機時鐘電路 單片機復(fù)位電路復(fù)位電路是使單片機的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開始工作。上電復(fù)位是單片機上電時復(fù)位操作，保證單片機上電后立即進(jìn)入規(guī)定的復(fù)位狀態(tài)。它主要是利用電阻的分壓來實現(xiàn)的。上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。上電與按鍵均有效的復(fù)位電路不僅在上電時可以自動復(fù)位，而且在單片機運行期間，利用按鍵也可以完成復(fù)位操作。 液晶顯示模塊液晶顯示部分主要采用LCD1602液晶顯示器。對于LCD1602液晶顯示模塊，它的指令系統(tǒng)包括清顯示指令、光標(biāo)返回指令、輸入模式設(shè)置指令、顯示開關(guān)控制指令、光標(biāo)或字符移位指令、功能設(shè)置指令、字符發(fā)生存儲器地址設(shè)置指令、數(shù)據(jù)存儲器地址設(shè)置指令、讀忙標(biāo)志或光標(biāo)地址指令、寫數(shù)據(jù)指令和讀數(shù)據(jù)指令。模塊功耗小、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧。液晶驅(qū)動電路原理圖如圖26所示。該芯片有如下特性：具有獨特的單線接口，只需一個接口即可通信；多點能力使分布式溫度檢測應(yīng)用得以簡化；不需要外部元件；可用數(shù)據(jù)線供電；不需備份電源；測量范圍為55℃至+125℃，℃；以9位數(shù)字值方式讀出溫度。本次超聲波測距只統(tǒng)計溫度值即可，使用DS18B20芯片具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精確度高、與單片機核心板連接方便、占用線口少等優(yōu)點，可簡單高效地達(dá)到本系統(tǒng)的要求。 超聲波測量模塊 超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。超聲波的特性有以下四個方面：首先是束射特性。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強大得多的功率。頻率愈高速度愈大。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。 超聲波傳感器原理為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。小功率超聲探頭多用作探測方面。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率?！　〉诙ぷ鳒囟?。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。主要取決于制造晶片本身。人類能聽到的聲音頻率范圍為20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類，一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。壓電式超聲波發(fā)生器示意圖如圖28所示。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大。輸出端采用兩個反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。超聲波發(fā)射部分如圖29所示?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz（超聲波傳感器的聲壓能級、靈敏度在40kHz時最大）較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。圖29 超聲波發(fā)送部分電路圖CX20106A內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。當(dāng)CX20106A 接收到40KHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，單片機外部中斷接到這個信號并采取相應(yīng)動作，使測距結(jié)果在1602液晶上顯示出來。 各部分連接方案本次所用元器件包括STC12C5A60S2單片機，LC D1602液晶顯示模塊，HCSR04超聲波測距模塊和DS18B20溫度傳感器。圖210 超聲波接收部分電路圖溫度模塊采用DS18B20溫度傳感器。DS1820溫度傳感器為單線接口，因此從中央處理器到DS1820僅需連接一條線。其接線方式如下：第1腳VCC接5V電源；第2腳trig超聲波發(fā)射控制端接單片機任意I/O口，主要任務(wù)是接收脈沖以控制超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波以及單片機定時器開始計時；第3腳echo超聲波接收控制端接單片機外部中斷口INT0，當(dāng)接收到外部中斷時停止計時并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；第4腳GND接地。 本章小結(jié)這一章主要對超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)的說明。為下一章軟件設(shè)計提供基礎(chǔ)。Keil提供了豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。操作十分方便。它直接利用機器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機器語言程序的指令一一對應(yīng)的。但由于匯編指令與機器語言指令一一對應(yīng)，即一條匯編語言的可執(zhí)行指令對應(yīng)著一條機器語言指令，反之亦然。匯編語言的缺點是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比較龐大，運行速度慢。C語言有功能豐富的庫函數(shù)，運算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。C語言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實現(xiàn)共享。C語言應(yīng)用于單片機編程出了上述特點外，還有以下突出特點：編譯器可以自動完成變量存儲單元的分配，省去了分配和紀(jì)錄存儲單元的繁瑣；不必對單片機和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，省去了單片機漫長的學(xué)習(xí)時間；具有良好的可移植性，只要將程序略加改動就可以將其應(yīng)用與其他類型的單片機，省去了更改單片機型號時重新編寫程序的無奈。對于本次編程，使用keil生成的hex文件可以用軟件直接轉(zhuǎn)化成機械碼編入STC12C5A60S2單片機，簡單方便。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INT0端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。由于采用的是22 MHz的晶振，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）計算即可得被測物體與測距儀之間的距離。 液晶顯示模塊顯示模塊主要控制LCD1602液晶顯示屏顯示，設(shè)計要點是先根據(jù)液晶顯示模塊工作時序圖設(shè)計寫指令程序和寫數(shù)據(jù)程序，然后根據(jù)上兩個程序設(shè)計初始化程序和顯示程序。其中顯示程序如下：void show(uchar p,uchar *s,uint low){ uint num。 //寫入地址p for(num=0。num++) //寫入數(shù)組s[]作為數(shù)據(jù) { //數(shù)組內(nèi)字符的個數(shù)為low WriteData(s[num])。 }} 溫度測量模塊溫度測量模塊主要是控制DS18B20溫度傳感器完成溫度測量，設(shè)計要點是先設(shè)計溫度測量模塊讀命令程序和寫命令程序，再根據(jù)以上兩個程序逐步編寫測溫程序。存貯器操作命令包括溫度變換命令44h，讀暫存存儲器命令Beh，寫暫存存儲器命令4Eh，復(fù)制暫存存儲器命令43h，重新調(diào)出E2命令E3h，讀電源命令B4h。其中溫度處理程序如下： uint get_temp(){ uchar h,l。 //初始化溫度傳感器 delay(6)。 //跳過rom write_bey(0xbe)。 //讀前兩個字即溫度 h=read_bey()。 //溫度數(shù)值轉(zhuǎn)換 temp1=temp18。 t_temp=temp1*。 return temp1。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。 前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。其中運行程序如下：void yunxing(){ uint j,k。j10。 //發(fā)1次脈沖給trip端，則其自 動產(chǎn)生8個40kHz脈沖并發(fā)出超 聲波 NOP()。NOP()。 Tx=0。 //通過溫度計算當(dāng)前超聲波速度 distance=v*n/4424。 } distance=zonghe/10。 //取出定時器計時個數(shù) TH0=0。} 主程序部分主程序主要控制整體系統(tǒng)的工作流程。 //液晶顯示器初始化 delay(5)。 //設(shè)定定時器工作方式 EA=1。 EX0=1。 while(1) { temperature()。 yunxing()。 //距離和溫度數(shù)據(jù)處理 TempConvert(temp1)。 //設(shè)置顯示屏上行顯示溫度 show(0x44,dis,8)。包括軟件的設(shè)計方法，軟件的運行流程和各個軟件的具體內(nèi)容。第4章 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程及結(jié)果分析 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)過程及結(jié)果經(jīng)過上兩章對超聲波測距系統(tǒng)硬件電路和軟件程序的設(shè)計后，本章的主要任務(wù)是進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。圖42 液晶顯示實物圖圖41 超聲波測距系統(tǒng)實物圖將軟件程序?qū)懭雴纹瑱C，連接電源，打開開關(guān)。圖42中上行顯示為溫度，下行顯示為測量距離。（1） 調(diào)整被測物與超聲波測距模塊之間的距離，連續(xù)測量3次求平均值。　　　　　　測量數(shù)據(jù)（cm）實際數(shù)據(jù)（cm）絕對誤差（cm）相對誤差（%）第一次第二次第三次平均值當(dāng)測量距離為20cm～500cm之間時測量數(shù)據(jù)如表41所示。當(dāng)測量距離超過540cm時。由圖43可以看出，本系統(tǒng)測量過近距離時會產(chǎn)生比較大的誤差。由表42數(shù)據(jù)作20cm～500cm時測量值實際值坐標(biāo)圖如圖44所示。（3） 誤差修正對超聲波測距模塊軟件進(jìn)行修改如下：void yunxing(){ uint j,k。j10。 //發(fā)1次脈沖給trip端，則其自 動產(chǎn)生8個脈沖并發(fā)出超聲波 NOP()。NOP()。 Tx=0。