【正文】 2030405060100聲速(m/s)313319325332338344350356361367388 系統(tǒng)設(shè)計思路在日常生活中，我們對距離的測量方法不勝枚舉，對近距離的物體我們直接用直尺，對遠(yuǎn)距離物體，有激光測距、超聲波方法等先進(jìn)的測距方法，不論什么測量方法，它們的目的都一樣，就是通過障礙物返回的探測信息，立即判斷出障礙物與測量之間的距離，然后根據(jù)測量或者計算出的距離采取解決問題的措施。目前比較普遍的測距原理：通過發(fā)射出超聲波，由于超聲波具有一定的特征頻率，當(dāng)超聲波遇到障礙物時就被立即反射回去，超聲波傳感器感受到反射回來的超聲波，然后計算從發(fā)射到接收回來的時間，用時間乘以超聲波的波速，進(jìn)而求出了測距點(diǎn)與障礙物之間的距離，目前用此原理研究出來的產(chǎn)品很多，例如超聲波測距模塊，超聲波汽車倒車?yán)走_(dá)裝置等。在本系統(tǒng)中，是通過超聲波測距的溫度補(bǔ)償法，最后把測量精度提高到了毫米級，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的可讀性。與別的系列不同的是，除了具有8位核心的CPU外，它還擁有一個功能強(qiáng)的位處理器。對于超聲波的發(fā)射與接收，本系統(tǒng)用超聲波測距模塊，此模塊將超聲波接收器與發(fā)射器設(shè)置在同一個電路上，避免了超聲波接收器與發(fā)射器不在一起而引起的測量不穩(wěn)定的問題；測量環(huán)境溫度的主要原因是由于超聲波在空氣中傳播的時候受溫度的影響比較大，本系統(tǒng)中利用溫度補(bǔ)償法解決了此問題，提高了系統(tǒng)的精確度；與數(shù)碼管顯示不同的是，液晶顯示屏可以顯示多行，不僅顯示計算出來的距離，還可以顯示對超聲波影響較大的溫度因素，用LCD液晶顯示屏豐富了系統(tǒng)的整體功能；蜂鳴器報警模塊則是設(shè)置一個警戒值，小于警戒值系統(tǒng)就會報警，提醒駕駛員注意安全。它集合了一臺標(biāo)準(zhǔn)計算機(jī)上的基本功能部件，如CPU（核心中央處理器）、RAM（隨機(jī)存儲器）、ROM（程序存儲）、I/O設(shè)備、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器等部件集中在同一塊芯片上，故又稱為微控制器MCU（Microcontroller Unit）。主要功能包含32位引腳，看門狗電路，復(fù)位電路，且內(nèi)置8K內(nèi)存，512B運(yùn)存，另外還包含3個16位定時器/計數(shù)器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)(兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu))，STC89C52單片機(jī)工作模式是全雙工模式。在單片機(jī)閑置狀態(tài)時，處理器不再運(yùn)行，但是可以保持運(yùn)存、計數(shù)、通信、中斷等部件運(yùn)行。示意圖如圖31。VCC——第40腳，一般運(yùn)行時都是+5V的電壓。特殊情況下，如果采用外部信號時，那么這個引腳接地。正常情況下與晶振的另一個引腳相連。（3) 控制、復(fù)用和選通——第30腳，該引腳是地址鎖存允許信號和編程脈沖輸入端信號。一般情況下，滿足RST/VPD上連續(xù)施加兩個系統(tǒng)周期的復(fù)位信息，系統(tǒng)就進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)?！?9腳，外部ROM訪問選通信號。P1口——第1~8腳，此端口是具8位準(zhǔn)雙向的I/O端口并且含有上拉電阻。在兩種情況下P2口可作為高8位的地址總線，一種情況是單片機(jī)對存儲器訪問時，另一種情況是當(dāng)對片內(nèi)的程序存儲器（EPROM型）程序編程及校驗(yàn)時使用。但是與PP2不同的是，它還提供特殊的第二功能。第二功能表的具體含義如表31：表31 P3口的第二功能表端口引腳第二功能端口引腳第二功能RXD（串行通訊輸入口）T0（定時/計數(shù)器0）TXD（串行通訊輸出口）T1（定時/計數(shù)器1）（外中斷0）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外中斷1）（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 超聲波測距模塊 產(chǎn)品特點(diǎn)該系統(tǒng)采用測距模塊為，的測量范圍是4厘米至4米，準(zhǔn)確度為3毫米，主要由三部分組成：發(fā)射部分，接收部分以及控制部分。 實(shí)物圖 圖32 超聲波測距模塊實(shí)物圖從圖中可以看出，該模塊包含的引腳分別是電源、觸發(fā)、響應(yīng)和接地。s的TTL脈沖輸出響應(yīng)信號與傳播距離成正比的邏輯電平信號規(guī)格尺寸45*20*15mm 超聲波時序圖圖33 超聲波時序圖從上圖可以看出，當(dāng)外部提供不小于的TTL信號時，超聲波發(fā)射模塊將依次發(fā)射8個40KHz的脈沖信號，遇到障礙物后信號反射回來，被接收模塊接收到并給出電平響應(yīng)，相應(yīng)電平輸出正比于測量的寬度。市場上的熱敏元件有很多種類，根據(jù)材料及性質(zhì)的不同，分為金屬熱電阻、熱電偶、半導(dǎo)體材料熱電阻等不同形式。是美國一家公司最近研發(fā)的新型溫度傳感器，它最大的優(yōu)點(diǎn)是可以快速直接的顯示出所測量的溫度值度。的特點(diǎn)簡單介紹如下[21]：(1)可通過數(shù)據(jù)線供電，～；(2)每個芯片唯一編碼，零待機(jī)功耗，無需外部元件(3)可調(diào)的9至12位分辨率，℃，℃，℃，℃；(4)用戶可定義報警設(shè)置,測溫范圍：55℃～125℃；(5)自我保護(hù)功能，可防止電源接反損壞傳感器；(6)封裝方式多樣，圖34展示了PR35封裝圖。 液晶顯示器的優(yōu)點(diǎn)（1）低功耗液晶顯示器的功耗主要體現(xiàn)在兩部分，一是內(nèi)部的電極，二是內(nèi)部的驅(qū)動，其他的顯示器則沒有此優(yōu)點(diǎn)，大大的節(jié)省了能源的消耗；（2）數(shù)字式接口數(shù)字式的接口是液晶顯示屏最為重要的優(yōu)點(diǎn)，液晶顯示器通過數(shù)字式的接口連接到與單片機(jī)上，這一優(yōu)點(diǎn)使得系統(tǒng)安全可靠，操作更加方便；（3）顯示清晰液晶顯示屏的顯示十分清晰，與其他顯示器額區(qū)別是，當(dāng)液晶顯示器收到需要顯示的信號時，顯示屏上的任何一點(diǎn)會保持一定的色彩和亮度，不像其他顯示器，例如陰極射線管顯示器，需要系統(tǒng)不斷的刷新實(shí)現(xiàn)顯示功能；（4）重量輕液晶顯示器之所以比其他顯示器輕，是因?yàn)樗峭ㄟ^電極來控制液晶分子的狀態(tài)，最終實(shí)現(xiàn)顯示功能； 液晶顯示器的優(yōu)點(diǎn)液晶顯示器利用液晶的物理特性實(shí)現(xiàn)顯示功能的，如果系統(tǒng)上電，那么電壓就會對液晶顯示屏控制，從而實(shí)現(xiàn)顯示功能。在本系統(tǒng)中利用LCD1602，在其內(nèi)部自帶的字符發(fā)生控制器，通過在LCD上的行號及列號，在與RAM一一對應(yīng)的地址上設(shè)置光標(biāo)，通過軟件設(shè)計在光標(biāo)處送去需要顯示的字符即可。圖35 1602LCD尺寸圖引腳功能說明：本系統(tǒng)超聲波測距的倒車?yán)走_(dá)，采用帶背光的LCD1602，芯片上的16個引腳功能如表33所示:表33 LCD1602各個引腳說明引腳號符號引腳說明1VSS地電源2VDD接5V正電源3VL對比度調(diào)整端4RS寄存器選擇，高電平時為數(shù)據(jù)寄存器，低電平時為指令寄存器5R/W讀寫信號，高電平進(jìn)行讀操作，低電平進(jìn)行寫操作6E使能端，高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令7D0D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線8D19D210D311D412D513D614D715BLA背光源正極16BLK背光源負(fù)極1602LCD主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:162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:（WH)mm。通過利用USB塊傳輸模式，利用龐大的數(shù)據(jù)緩沖器和自動流量控制，PL2303能夠?qū)崿F(xiàn)更高的吞吐量比傳統(tǒng)的UART（通用異步收發(fā)器）端口,高達(dá)115200bps的波特率可用于更高的性能使用。 PL2303引腳PL2303引腳圖如圖36所示：圖36 PL2303引腳圖芯片PL2303上的28個引腳功能如表34所示:表34 PL2303各個引腳說明引腳號引腳名類型引腳描述1TXD輸出數(shù)據(jù)輸出到串口2DTR_N輸出數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好，低電平有效3RST_N輸出發(fā)送請求，低電平有效4VDD_325電源RS232的電源，為串行端口信號的電源引腳；，；，5RXD輸入串口數(shù)據(jù)輸入6RI_N輸入/輸出串行端口（環(huán)指示器）7GND電源接地8NC無連接9DSR_N輸入/輸出串行端口(數(shù)據(jù)集就緒)10DCD_N輸入/輸出串行端口(數(shù)據(jù)載波檢測)11CTS_N輸入/輸出串行端口(清除發(fā)送)12SHTD_N輸出控制RS232收發(fā)器關(guān)機(jī)13EE_CLK輸入/輸出串行EEPROM時鐘14EE_DATA輸入/輸出串行EEPROM數(shù)據(jù)15DP輸入/輸出USB端口D+信號16DM輸入/輸出USB端口D信號17VO_3318GND接地19NC無連接20VDD_5電源USB端口的5V電壓電源21GND接地22GP0輸入/輸出通用I/O引腳023GP1輸入/輸出通用I/O引腳124NC無連接25GND_A模擬地鎖相環(huán)26PLL_TEST輸入PLL 鎖相環(huán)測試模式控制27OSC1輸入晶體振蕩器輸入28OSC2輸入/輸出晶體振蕩器輸出第4章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)以STC89C52RC為整個系統(tǒng)的核心，控制著超聲波倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)的各個模塊的正常運(yùn)行，超聲波的發(fā)射與接收模塊，可以比喻成單片機(jī)與障礙物之間的“信號員”；測溫和蜂鳴器報警電路則是輔助系統(tǒng)的完善性模塊，LCD液晶屏顯示模塊更加人性化顯示算出的距離和環(huán)境溫度；它們與復(fù)位電路、電源電路等組成了完整的超聲波倒車?yán)走_(dá)測距系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖41所示。圖41 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 超聲波發(fā)射電路發(fā)射電路包含的主要元器件是反相器、電阻和發(fā)射器，反相器是一個六非門反向器，本電路共包含有5個反相器，單片機(jī)的端口輸出脈沖信號，該信號的頻率是40kHz，然后由壓電陶瓷芯片振動產(chǎn)生超聲波。反相器可以放大超聲波信號的強(qiáng)度，系統(tǒng)中添加的電阻、的作用有兩個，一個是增強(qiáng)了輸出信號，另一個作用是縮短了的自由振蕩時間，提高阻尼作用。圖42 超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波接收電路超聲波接收電路如下圖所示，它主要由一個超聲波接收器R兩個四路運(yùn)算放大器LM324組成的兩級放大電路和一個鎖相環(huán)電路LM567構(gòu)成。根據(jù)運(yùn)放器虛短虛斷原理，一級放大電路放大倍數(shù)為倍（增益為dB），二級放大電路放大倍數(shù)為倍（增益為dB），總的放大倍數(shù)為10010=1000倍（增益為40+20=60dB）。超聲波接收電路如圖43所示。電源電路原理圖如圖44所示。將溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)線與連接到STC89C52RC單片機(jī)的口，就可以實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的溫度測量，原理圖如圖45所示。顯示電路原理圖如圖46所示。報警電路原理圖如圖47所示。它的工作原理是，通過外界因素對輸入一個正脈沖從而達(dá)到使單片機(jī)復(fù)位的功能。如圖48所示。圖49 通信模塊電路原理圖第5章 軟件設(shè)計 主程序設(shè)計在整個主程序中，系統(tǒng)首先初始化，單片機(jī)的端口輸出信號用來激活超聲波發(fā)射電路，此時定時器開始計時，然后系統(tǒng)調(diào)用溫度轉(zhuǎn)換程序，獲得當(dāng)前環(huán)境溫度，當(dāng)超聲波接收模塊接收到反射回的超聲波時，停止計時，程序調(diào)用距離計算子程序和顯示子程序，LCD液晶顯示器顯示測得的溫度和所計算出的距離，并且比較所測量的距離和系統(tǒng)設(shè)定的報警值，則蜂鳴器報警，否則不報警。系統(tǒng)主程序的流程圖如圖51所示： 圖51 主程序流程圖 子程序設(shè)計 距離計算子程序從距離計算公式中可以很明顯看出來，如果想要得到具體的距離的值，一個是求出超聲波發(fā)射與接收所需要的時間，另一個就是求出超聲波的波速，由于超聲波的波速與溫度有關(guān)，所以在主函數(shù)中利用溫度補(bǔ)償公式（代表溫度）來提高測量精度。距離計算子程序代碼如下所示：void Conut(void){ time=TH0*256+TL0。 TL0=0。//算出來是mm if((S=7000)||flag==1) //超出測量范圍顯示“” { flag=0。39。 DisplayOneChar(11,1,39。)。39。 DisplayOneChar(13,1,39。)。39。 DisplayOneChar(15,1,39。)。 l_disbuff=S%1000/100+0x30。 l_disbuff=S%10+0x30。 DisplayOneChar(11,1,39。)。 DisplayOneChar(13,1,l_disbuff)。 DisplayOneChar(15,1,39。)。= 0x1。= 0xF。 //當(dāng)要顯示第二行時地址碼+0x40。 //算出指令碼 WriteCommandLCD(X, 0)。}void DisplayListChar(unsigned char X, unsigned char Y, unsigned char code *DData){// 按指定位置顯示一串字符 unsigned char ListLength。 Y amp。 X amp。 限制X不能大于15，Y不能大于1 while (DData[ListLength]=0x20){ //若到達(dá)字串尾則退出 if (X = 0xF){ //X坐標(biāo)應(yīng)小于0xF DisplayOneChar(X, Y, DData[ListLength])。 X++。void StartModule()//啟動模塊{TX=1。 _nop_()。TX=0。delay(50000)。SPK=1。//關(guān)閉蜂鳴延時delay(50000)。在頭文件中有延時函數(shù)、DS18B20初始化函數(shù)、讀寫一位字節(jié)函數(shù)、獲得溫度函數(shù)tmp（）、發(fā)送溫度轉(zhuǎn)化命令函數(shù)tmpchange（）等。獲得溫度程序代碼如下所示：int tmp(){ int temp。dsreset()。//延時函數(shù)tmpwritebyte(0xcc)。//發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令a=tmpread()。