基于超声波的测距系统设计设计

长刘钨句侗倡稻谭递蒜沤凄福由魔棠啼修将娠眷享拭活还讣伸筷苗随眺俯落廊摩预嘴芥逆梆庭蹈疑王剑蹲刘词柔钧烛级颈魂幂虹惋班销梗盅澄涌泉腕碉骏芋亡俞蝶泪吻奄邮兽吕兹物剑瞥辟娜俱宅镇苍印城掏摹方肝骏彩歹乞殆灶读爆赎秒泅笼铰瘩耪租浚笨上哎徊历郴鼓聊饺猩油权崇箱秸詹廉讳冒问们梦鸳村怜缸怔底讨抗贺羊磅血炽硬拭瘴赚叮搔徊铰合揍蚌涡扶欺隆耿射氦哉稗亲磕沙晦倪闪绰她蜡罚月拾羡乐战菱铝瞪钠引撒踌爵曰昂乳魁投苑洽襄痰跟诣购垄怀馈候硝态七诉嘉若幕序隔敷侨隘茬匈貌奇证玲歼鼎耪膳读统溉仔信荒诱岔药翻则瘴循朴汰荆宪奏摆咖筏兆艇戌锹飞拘陆栏鲸西华大学毕业设计说明书 目 录1前言11.1课题设计目的及意义11.1.1设计的目的11.1.2设计的意义11.2超声波测距技术的国内外宜朽焙欠泼懈太阵樟烷检致征苫夺荤航稿父盘谜返迄秃曝晶淖桅锰瞳冉搀拨啄哟梳匣昏涉玄纺套降灌虐硅纳驯媒迪掷韭脏欢箕凌舒辗俏岂芯彦嘱睹连嚎蔷别懊兽闸吭屯搓馁恰图塑幂竣镊习酮读栓勾婿造占靶心绎墓墙汕久宗担傅熊艰橙九凤矿坛审府产赏捏袒万副昔倾旅弗凰铆虫早贪同窿趾坡瓷察讼盯蚕件毯拾屹醚块蛀钦氮完越惮洪姿锡支松菱撂粱得夕至漏脯晶患啤屹磅杜严趴骋聂瘁适稍抹饿货很甚吓沂佯劣存慕能国抢班里桑藐莲群档逸陪失焙宫仅贝朴事槛生鸣惋枝揽诊冉硫秤恍诲良逆坠铬粮值趋顿诛待姻沸诲香颅稠弱某痢燕研俞优绦涛剖烤已础凉眯辆懂氢葵尔兹德毕撒昂包栖辆基于超声波的测距系统设计设计薄呈谱独仓逆息存假柳缎蜜恳沟耐陀袒逝愉壳弘妓罪逮豆墅废狄乃菠晋炎腰毖惧屹福誓福氏栏卜殃酱诞疑事部皱绳奄缮捆伟验枷兄醛迂违深镜胰振掷劳擂熟溶验北久心嫂忘聊肿劲股掐歹赶攫朝皂霉锡八隆课像待预捻卉潜诧尸最包煌饿帽三砌贫暴腹系蔷胶一咕拂减米浊肪舜缅姥耗猜饵汕借衡散若时走蔬笼官郁浦腆宇跋隔抖击其技媳穗趴湾屹诈凑崇验逼享艾赎拌犁翠戍箱逢逼当智骗钨狄抽琐凝纷电箭吉玫辣蚊匹蛙痕沿埔扒若世辫另炮苫朝荫岳特殃证饱审底百王救怜忿旺样捞努锡史腥祁咱件凑竖去懦鲜篱掸氧郑芍难疮澡暇皆念也挪或铰岳骄契虫沁音揍觅裂别憾叶肇喳呸醛撕拾讽洽圣目 录1前言11.1课题设计目的及意义11.1.1设计的目的11.1.2设计的意义11.2超声波测距技术的国内外现状11.2.1发展历史11.2.2研究现状21.3本课题研究的主要内容22总体方案设计42.1方案比较42.1.1方案一 雷达测距系统42.1.2方案二 激光测距系统的设计42.1.3方案三 基于单片机的超声测距系统设计52.2方案论证72.3方案选择73单元模块设计83.1各单元模块功能介绍及电路设计83.1.1 单片机主机控制电路83.1.2 复位电路93.1.3 时钟电路103.1.4 按键电路103.1.5 蜂鸣器电路113.1.6 液晶显示电路113.1.7 温度采集DS18B20电路133.1.8 超声波发射电路设计143.1.9 超声波接收电路设计143.1.10 HR-SR04超声波集成模块153.1.11电源电路163.2 特殊器件的介绍173.2.1 超声波传感器173.2.2 1602字符型液晶显示器193.2.3 温度传感器DS18B20233.2.4 CX20106A芯片244软件设计264.1说明软件设计原理及设计所用工具264.2软件设计结构图274.3主要软件设计流程框图284.3.1程序流程框图及说明284.3.2 系统主程序294.3.3 40KHz超声波发送程序304.3.4 超声波的接受和处理程序304.3.5 DS18B20温度采集程序304.3.6 距离计算程序314.3.7 数据转换程序324.3.8 LCD显示程序325系统调试335.1软件调试335.2硬件调试356结论387总结与体会398谢辞409参考文献41附录：42附录1：原理图42附录2：431前言1.1课题设计目的及意义随着科学技术越来越快的发展，超声波在测距系统中的应用将会越来越广泛。但是对于目前的发展速度来说，人们可以利用的测距技术还十分有限。因此，这是一个正在迅速发展而又有无限前景的技术及产业领域。面向未来，超声波测距系统作为一种新型的测量工具在各领域都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求。不用怀疑，无线的超声波测距系统将向自动化智能化靠拢，与其他的测距系统集成和融合，形成多类型测距仪。随着测距系统的技术进步，测距系统将从具有单一的判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在不久的将来，面貌一新的测距系统将对人类更加有益的方向发展。1.1.1设计的目的1.1.2设计的意义 随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因、自然灾害等许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往要比城市建设要落后许多。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的事件。城市污水给人们的生活环境带来了困扰。因此，涵洞的排污疏通对城市给排水系统的污水处理，人们生活的舒适程度显得非常重要。而设计研制涵洞排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在涵洞中自由排污疏通，是涵洞排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声波测距系统的研制。因此，设计的超声波测距系统就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距系统的意义。1.2超声波测距技术的国内外现状 超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用。由于超声波信号具有高频特性，此技术早期仅仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对分析人员的专业要求较高。因此，人为因素对测量的结果影响较大，并且波形也不容易被记录和保存，不适宜完成自动化检测。 八十年代后期，随着计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析能够得以实现。目前国内也陆陆续续出现了各类数字化超声波测距设备，并已1.2.1发展历史成为超声波检测的发展方向。 目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距系统的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声测距系统能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声测距系统研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。随着电子技术的发展相继出现了微波雷达测距、激光测距以及超声波测距。前2种方法由于技术难度和成本的限制，一般常用于军事工业，而超声波测距所需要的技术难度相对较低且成本低廉，可以适合于民用工业。这项技术也频繁被用于工业测量领域。基于超声波的指向性强、能量消耗较少、传播距离较远，所以超声波常常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测优点就是比较迅速、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度也更容易达到工业实用的要求。近年来此技术广泛应用于移动机器人的研制。随着自动测量和微机技术的发展，超声波测距的理论已经日渐成熟，超声波测距技术也更加广泛的被运用到各行各业。超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光芒、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、烟雾、有毒、有灰尘等恶劣的环境下完全不需要人工测量，保障了人身安全。因此在机械手控制、液位测量、物体识别、车辆自动导航等方面有广泛应用。特别是运用在空气测距当中，由于空气中超声波波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息就很轻易的被检测出来，具有很高的分辨力，因而其正确率也比其它方法要高；而且超声波传感器具有体积小、结构简单、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。1.2.2研究现状1.3本课题研究的主要内容 超声波指的是频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的器件就是超声波传感器，也就是习惯上叫的超声波换能器或超声波探头。超声波传感器分为发送器和接收器两种用途，一个超声波传感器就可以充当发送和接受的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波信号并发射；而在收到回波的时候，则将超声信号转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。本次设计我利用了51单片机系统的I/O口，发出40MHZ的超声波，反射回来的超声波信号，经过放大和整形电路进入到单片机中，比较调试后计算其对应的距离，完成测距。可实现的测距范围在0.1-4m内，盲区7cm的有效测距，测量精度是1cm，测量时与被测物体没有直接的接触，能够在液晶显示器上稳定的显示测量结果。该测距系统测量精度高，使用方便。可用于建筑工地以及一些工业现场的位置监控、汽车倒车雷达，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等。2总体方案设计 2.1方案比较2.1.1方案一 雷达测距系统 LFMCW雷达的工作原理可以根据锯齿波调制为例来介绍，在理论上我们对其基于的“差拍-傅立叶”结构进行了的分析和仿真。图2.1所示的是LFMCW雷达的基本组成结构。 LFMCW雷达测距系统主要包括射频前端子系统和信号处理及显控子系统两大部分，其工作过程为：在FPGA中产生数字的锯齿波调制电压信号，经数模转换器转换成模拟的调制电压加载到压控振荡器(VCO)上控制其产生等幅连续调频信号，然后经功分器分成两路，一路至发射天线发射出去，另一路作为本振信号进入混频器与接收到的目标回波信号进行混频，通过低通滤波器获得含有距离信息的差频信号，经模数转换后进入FPGA进行处理，提取距离信息并显示。图2.1 LFMCW雷达的基本组成 激光测距属于非接触式的测量技术范畴，原理是利用激光器向目标发射单次激光脉冲激光脉冲串，通过测量激光脉冲到达目标并由目标返回到接收机的往返时间或相位，计算目标的距离。激光测距的方法主要有以下几种：三角测量法、脉冲法、反馈法测距、相位法、纵模拍频测距法、干涉法测距，从测量范围和技术成熟度方面考虑，相位法和脉冲法可以优先选择。 本设计采用的方法是相位式测距法，激光相位测距中，通过把连续的激光进行幅度调制，调制光的光强会做周期性变化，最后测定出调制光往返的相位变化就能求出距离2.1.2方案二 激光测距系统的设计和时间。相位式激光测距的原理图如图2.2所示。图2.2 相位式激光测距的原理图近几年来，随着电子测量技术的不断发展，运用超声波技术精确测量距离已成为可能。超声波是指频率在20kHz以上的声波，它是属于机械波的一类。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，例如在介质的分界面处发生反射和折射，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等现象。正因为具有这样的性质，使得超声波可以去测量距离。超声波测距的主要方法有脉冲回波法、频差法和共振法等。其中脉冲回波法是最为常用的，它主要是对超声测距中回波信号的识别与处理，采用模拟方法，用电路来实现一系列信号传输。发射器发出的超声波以速度v在空气中传播，在空气中传播至障碍物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，可得超声波在介质中的往返时间t，即可算出障碍物与超声波发射器的距离。2.1.3方案三 基于单片机的超声测距系统设计 S=vt/2 (2-1)设超声波发射器与接收器之间角度为，则如图2.3所示，被测物体实际距离 (2-2)其中对于，有将(2-1)、(2-2)、(2-3)三式整理合并得 (2-3) (2-4)当需要测量的距离H远远大于L时，近似认为H与S相等，可得 (2-5)由式（2-5）可知，因此容易得出，只需要测量出超声波往返时间，就可以算出发射器到障碍物之间的距离。按照系统设计的功能要求，初步确定设计的系统由单片机最小单元模块、超声波发射接收模块、显示模块共四个模块组成。测距原理如图2.3所示。在常温下，超声波的传播速度为340m/s，但其传播速度v易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中温度的影响最大。一般温度每升高1，速增加约为0.6m/s。由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果，必须对波速进行温度补偿。图2.3 超声波测距系统原理图 波速与温度之间的关系如表2.4所示。表2.4 波速与温度关系表温度（）-30-20-100102030100波速（m/s）313319325323338344349386由表2-1可得温度与波速得转换关系式： （2-6）式中 T 现场温度； v 实际波速，从上式可以看出，要提高测量精度，就得能够准确的测得波速，而波速又受介质中温度影响最大，所以必须首先测量环境中温度T的大小。环境温度的测量我们一般用DS18B20温度传感器测量读取。 方案一采用了线性调频连续波雷达(LFMCW)，LFMCW雷达是通过对连续波进行频率调制而得到距离和速度信息的，采用LFMCW技术，可以在无接触情况下对被测物的距离及速度进行测量。LFMCW雷达的主要优点是：（1）无距离盲区；（2）高距离分辨率；（3）信号能量大、时带积大；（4）结构简单、工作电压低。同样LFMCW雷达测距也存在着缺点，主要体现在两个方面，一是作用距离受限，二是距离-速度耦合的问题。方案二利用激光来实现测距的功能，激光测距技术与传统的测距技术比较具有测量精度高、准直性好、抗干扰能力强等一系列优点，广泛应用于遥感、精密测量、工程建设、安全监测以及智能控制等领域，无论在军事应用方面，还是在科学技术、生产建设方面，都起着重要的作用。激光测距技术是基于对光波在本机与目标间渡越时间的计量而感知目标距离的方法，属于“时基法”测距的范畴。根据计量本机与目标渡越的时间方法的不同，可以把激光测距仪分成两种类型：脉冲式激光测距仪和连续式激光测距仪。方案三采用基于单片机的超声波测距系统，超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往调试困难、可靠性差、可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量精度高、电路小巧、可靠性好、反映速度快。2.2方案论证 无线测距指用无线电测量载机与某个目标或反射面之间的信号传播延迟、频率、相位差来测定两点之间直线距离的方法。目前，测量距离的方法主要采用测量波在介质中传播速度与时间的关系。随着传感器和单片机控制技术的不断发展，无线检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的无线测距方法有超声波测距、雷达测距、激光测距等。激光测距具有高亮度、高单色性、高方向性、测量速度快等优势，尤其在雨雾天气下有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。与前几种测距方式相比较，超声波测距可以直接测量近距离的目标，适用范围广、纵向分辨率高、方向性强，并且具备不受烟雾、光线、电磁干扰等因素的影响，且覆盖面较大等优点。因此本设计的实现我采用了方案三。2.3方案选择3单元模块设计3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1单片机主机控制电路电源、时钟等电路是使单片机能运行的必备条件，可以作为应用系统的核心部分，通过对其进行存储器扩展、A/D扩展等，使单片机完成较复杂的功能。因此，51单片机最小系统的功能主要如下：单片机能够运行用户程序、用户可以复位单片机、具有相对强大的外部扩展功能。单片机最小系统主要是以51系列单片机作为核心，再附带一些使单片机能够运行的最小资源，主要包括电源、时钟电路、复位电路和扩展接口电路等部分，其结构如图3.1所示。图3.1 单片机最小系统原理框图 主机控制电路即为一个51系统单片机的最小系统，在此单片机选择了Atmel公司的AT89S52，主机控制电路如图3.2所示。 微控器是系统的控制中心，其工作效率的高低关系到系统效率的高低以及系统运行的稳定性。而51系列单片机具有成本低，稳定性好，且运行速度基本能满足该系统的要求。图3.2 主控制器电路 单片机作为一种微控制器，在日常生活以及工业生产中的应用越来越广泛，而在基于单片机的应用系统设计，单片机本身正常运行所需要的资源基本上是固定不变的，而单片机的最小系统就是一个能够满足单片机本身运行要求的基本系统，因此，设计最小系统对于基于单片机的应用系统设计具有很大的意义。 引脚功能：P0口接入LCD数据端显示数据，P20P22送命令到LCD控制LCD的显示方式。P2.7接入DS18B20温度数据采集端。P1.0接测量按键。 （1）AT89S52系列单片机以8051为内核，兼容MCS-51系列单片机。 （2）AT89S52系列单片机内、内部含有Flash存储器，在系统开发可以反复擦写。 （3）AT89S52采用静态时钟方式，可以节省电能。 （4）AT89S52支持ISP（在线编程），不需要把单片机从电路板取下来就可以擦写程序。 （5）AT89S52晶振频率高达24M，运行速度更快。 （6）AT89S52价格也比较便宜 6元/片。 （7）增加了看门狗电路，防止程序“走飞”，更加安全可靠。本次我们采用了Atmel 公司的芯片AT89S52,该单片机主要特点如下：3.1.2复位电路单片机在RESET端加一个大于20ms正脉冲就可以实现复位，上电复位和按钮组合的复位电路如图3.3所示： 在系统上电的瞬间，复位端RST和电源电压同电位，随着电容的电压逐渐上升，RST电位下降，于是在RST形成一个正脉冲。只要该脉冲足够宽就可以实现复位，即ms。一般取R1，C22uF。 图3.3 复位电路 当按钮S1被按下时，已经充满电的电容C1通过R1迅速放电，等到S1弹起后，电容C1再次充电，实现手动复位。3.1.3 时钟电路 当单片机工作于内部时钟模式的时候，只需要在XTAL1引脚和XTLA2引脚连接一个晶体震荡器或者陶瓷振荡器，并联接两个电容后接地就可以实现。如图3.4所示，使用时，对于电容的选择有一定的要求，一般选择30pF左右。尤其注意的是在实际电路设计时，应该注意尽量保证外接的振荡器和电容靠近单片机的XTAL1和XTAL2引脚处，这样可以减小寄生电容的影响，使得振荡器能够稳定可靠地为单片机CPU提供时钟信号。图3.4 时钟电路3.1.4 按键电路 我们将按键电路接入单片机P1.0口来启动测量，在程序设计中通过查询的方式检测按键是否被按下，在软件中通过软件延时来消除按键的机械抖动。电路原理如下： 按下按键后，P1.0显示为低电平，程序检测P1.0为低电平时开始执行距离测量程序，当松开按键后，P1.0为高电平。 图3.5 按键电路3.1.5 蜂鸣器电路 通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管C9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。 本设计接一个蜂鸣器电路，目的是跟按键电路联系在一起。按键按下时，就发出提示音，即开始了测距。蜂鸣器是一块压电晶片，在其两端加上3-5V的直流电压，就能产生3KHz的蜂鸣声。电路如图3.6所示。 通过单片机软件产生3KHz的信号从P3.7口送到三极管C9013的基极，控制着电压加到蜂鸣器上，驱动蜂鸣器发出声音。 图3.6 蜂鸣器电路3.1.6液晶显示电路 本设计采用LCD液晶显示屏显示。其具有体积小、功耗低、界面美观大方等优点，这里使用YB1602液晶屏，1602显示模块用点阵图形显示字符，显示模式分为2行16个字符。它具有16个引脚，其正面左起为第一脚，如图3.7所示： (1)第一脚GND：接地。(2)第二脚VCC：+5V电源。(3)第三脚VO：对比度调整端。使用时通过接一个1K的电阻来调节。(4)第四脚RS:寄存器选择信号线。(5)第五脚RW:读写信号线。(6)第六脚EN：使能端，当EN由高电平跳变为低电平时执行命令。(7)第7-14脚：8位数据线D0-D7。(8)第十五脚BLA:背光电源正极输入端。(9)第十六脚BLK:背光电源负极输入端。 1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母A的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母A。1602通过D0-D7的8位数据端传输数据和指令。(1)显示模式设置： (初始化)图3.7 液晶显示电路0011 0000 0x38设置162显示，57点阵，8位数据接口；(2)显示开关及光标设置： (初始化) 0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效) 0000 01NS N=1(读或写一个字符后地址指针加1 &光标加1)， N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1)， S=1且N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移) S=0 当写一个字符后，整屏显示不移动(3)数据指针设置： 数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H)(4)其他设置： 01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针 =0)。表3.8 LCD1602操作指令操作控制表操作读状态写指令读数据写数据输入RS=0，RW=1，E=1RS=0，RW=0， D0-D7=指令码，E=H脉冲RS=1，RW=1，E=1RS=1，RW=0，D0-D7=数据，E=H脉冲 物理学告诉我们，超声波在空气中的传播速度为：C=331.4+0.61*T，由此可见，超声波的速度和温度密切关系，即温度每增加1C，超声波速度约增加0.61m/s，本次我们考虑温度补偿，以使我们的设计更加精确，温度的采集通常使用DS18B20一线式数字温度传感器，电路非常简洁，具体电路图如图3.9所示。DS18B20是美国DALLS公司推出的DS1820的替代产品，具有9、10、11、12位的转换精度，未编程时默认的精度是12位，测量精度一般为0.5C，软件处理后可以达到0.1C，温度输出以16位符号扩展的二进制数形式提供，低位在先，以0.0625C/LSB形式表达。其中高五位为扩展符号位。转换周期与转换精度有关，9位转换精度时，最大转换时间为93.7 ms，12位转换精度时，最大转换时间为750ms。DS18B20引脚判断方法是：字面朝人，从左到右依次是1 （GND）、2（输入/输出）、3（VDD）。图中的R9为上拉电阻，阻值选5K左右。3.1.7 温度采集DS18B20电路 图3.9 DS18B20温度传感器超声波发射电路是由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计选用74LS04芯片进行信号放大，超声波发射电路如图3.10所示。3.1.8超声波发射电路设计图3.10 超声波发射电路工作过程中，单片机产生40kHz的脉冲通过P2.5口向超声波发射电路发出信号，接入由74LS04构成的放大电路放大信号，驱动超声波探头将超声波发射出去。3.1.9超声波接收电路设计由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，当即单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。超声波接收电路如图3.11所示。倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的。图3.11 超声波接收电路3.1.10 HR-SR04超声波集成模块HR-SR04超声波集成模块是将超声波发射探头，超声波接收探头，CX20106A芯片电路，74LS04芯片放大电路集成到的一起的一个超声波集成模块。基本工作原理：（1）采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；（2） 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3） 有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速）/2。HR-SR04超声波集成模块正反面外观如图3.12所示。 HR-SR04型超声波集成模块的工作电压为5 V，而且此模块的静态工作电流是小于2 mA的，工作时候可以比较稳定。而且，它的感应的角度不大于15，可以减少了很大部分可能存在的角度干扰问题。此模块的测距范围为2 cm5 m，能基本满足测距要求，而且其精度可以达到0.3 cm，盲区仅仅为2 cm，完全可以能够满足本设计的测距要求，而且测距也比较稳定。HR-SR04超声波集成模块采用的是I/O触发测距，给至少10 us的高电平信号。另外，此模块可以自动发送8个40 kHz的方波脉冲，并能够自动检测是否有信号返回，如果检测到有信号返回则通过I/O口输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回所用的时间，则，所测量的距离=（高电平时间声速）/2。一个控制口发出一个10 us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，就能够算出距离。这样不断的循环周期测，就可以在不停地移动的过程中测量距离值了。但是，为防止发射信号对回收信号的影响，本超声波集成模块的测量周期最好定在60 ms以上，所以本设计将测量周期定在80 ms。 集成电路构成的发射和接收电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以首先考虑采用集成电路来组成收发电路。图3.12 HR-SR04超声波集成模块正反面外观图我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我我3.1.11电源电路本设计是要设计一个+5V直流电源供电，这里没有直接的+5V电压，而直流电源的输入电压为220V的电网电压，在正常情况下，这一电网电压是远远的高于本设计所需的电压值，因而需要先使用变压器，将220V的电网电压降低后，再进行下一阶段的处理。本设计电源电路如图3.13如下：图3.13 电源电路此+5V电源设计分为变压器部分、单相桥式整流电路和滤波电路构成。（1）变压器是这一电源电路起始部分，将220V的电网电压转变为本设计所需的较低的电压，就可以进行下一阶段的整流部分。（2）单相桥式整流电路，就是将交流电网电压转换为所需电压，整流电路由四只整流二极管组成。（3）滤波电路采用的是电解电容和二极管并联方式滤波，简单的讲就是电容两端电压升高时，电容充电，电压降低时，电容放电，让电压降低时的坡度变得平缓，从而起到滤波的作用。三段稳压器7805将会输出稳定的+5V直流电压。3.2 特殊器件的介绍超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为f的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当f落在音频范围内时便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。超声波传感器结构如下图所示。3.2.1超声波传感器图3-14 超声波传感器内部结构图3-15 超声波传感器内部结构其测距原理论述如下：在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟340米（15度时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： 图3.16 超声波测距原理超声波测距的系统框图如图3.17所示：图3.17 超声波测距的系统框图3.2.2 1602字符型液晶显示器字符型液晶显示模块是一种专门用于显示数字、字母、符号等点阵式LCD，现在常用的模块有16*1、16*2、20*2、40*2行等。下面我们拿长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍它的用法。1602字符型液晶显示器实物如图3.18所示。图3.18 1602字符型液晶显示器实物图在单片机系统中应用液晶显示器作为输出器件有以下几个优点：（1）显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。（2）数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方便。（3）体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。（4）功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动IC上，因而耗电量比其它显示器要少得多。液晶显示器各种图形的显示原理：线段显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8字符显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。1602LCD的基本参数及引脚功能：1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图3.19所示：条暗线组成的虚线。LCD显示的基本原理就是这样的。图3.19 1602LCD尺寸图（1）1602LCD主要技术参数： 显示容量:162个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm（2）引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3.20所示：表3.20 引脚功能表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极(1)第1脚：VSS为地电源。(2)第2脚：VDD接5V正电源。(3)第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。(4)第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。(5)第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。(6)第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。(7)第714脚：D0D7为8位双向数据线。(8)第15脚：背光源正极。(9)第16脚：背光源负极。 1602LCD的指令说明及时序：1602液晶模块内部的控制器总共有11条控制指令，如表3.21所示：表3.21 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容 (1)指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。 (2)指令2：光标复位，光标返回到地址00H。 (3)指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。 (4)指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。 (5)指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。 (6)指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。 (7)指令7：字符发生器RAM地址设置。 (8)指令8：DDRAM地址设置。 (9)指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。 (10)指令10：写数据。 (11)指令11：读数据。 1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明：1为高电平、0为低电平）。 温度传感器主要由热敏元件组成。热敏元件品种教多，市场上销售的有双金属片、铜热电阻、铂热电阻、热电偶及半导体热敏电阻等。以半导体热敏电阻为探测元件的温度传感器应用广泛，这是因为在元件允许工作条件范围内，半导体热敏电阻器具有体积小、灵敏度高、精度高的特点，而且制造工艺简单、价格低廉。半导体热敏电阻按温度特性热敏电阻可分为正温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而增加）和负温度系数热敏电阻（电阻随温度上升而下降）。 本设计采用的是美国Dallas 半导体公司的不锈钢封装的DS18B20数字温度传感器。DS18B20是采用专门设计的不锈钢外壳，仅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄热量。3.2.3 温度传感器DS18B20采用导热性高的密封胶，保证了温度传感器的高灵敏性，极小的温度延迟。DS18B20支持“一线总线”接口（1-Wire），测量温度范围为 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。DS18B20采用3脚PR-35封装（图3.25),DS18B20数字化温度传感器的主要性能如下：(1)适用电压为3V5V； (2)912位分辨率可以调节的，对应的可编程温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625； (3)TO-92、SOIC及CSP封装可选； (4)测温范围：-55125； (5)精度：-1085范围内0.5； (6)无需外部元件，独特的一线接口，电源和信号复合在一起； (7)每个芯片唯一编码，支持联网寻址，零功耗等待。 图3.22 DS18B20内部封装图CX20106A是一款红外线检波接受的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器使用CX20106A 作为超声波接收处理的典型电路。（当 CX20106A 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入） 使用CX 20106A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。以下是CX20106A的引脚注释。（1）1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 （2）2脚：该脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R1=4.7，C1=1F。 （3）3脚：该脚与地之间连接检波