基于單片機(jī)熱水控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、JIU JIANG UNIVERSITY畢 業(yè) 論 文題 目 基于單片機(jī)熱水控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì) 英文題目 The design of hot water controller on single chip microcomputer 院 系 電子工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程技術(shù) 姓 名 鄧志高 年 級(jí) B1312 指導(dǎo)教師 丁文斌 二零一六年 六月摘 要本文介紹了用51單片機(jī)設(shè)計(jì)的一種多功能熱水控制器,具有自動(dòng)和手動(dòng)加水、設(shè)置水溫、實(shí)時(shí)顯示水量及溫度和報(bào)警功能，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、成本低等特點(diǎn)。 當(dāng)前市場(chǎng)上的熱水控制器基本上采用雙金屬片溫控，控溫精度低、可靠性差、功能單一。隨著微電子技術(shù)

2、的發(fā)展，單片微處理器功能日益增強(qiáng)，價(jià)格低廉，在各方面得到廣泛應(yīng)用。在熱水控制器中應(yīng)用單片機(jī)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、可靠性高、功能易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。本文著重于熱水器在智能控制方面的探討。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，熱水器，51，加熱The design of hot water controller on single chip microcomputerAbstractThis paper introduces single-chip design with 51 of a multi-functional water control, with automatic and manual water and set

3、the water temperature, water and temperature in real-time display and alarm functions, and simple structure, high reliability, cost low.At present the market is basically the use of hot water controller Bimetal temperature control, temperature control accuracy of the low reliability of poor, single

4、function. With the development of microelectronic technology, the growing single-chip microprocessor functions and low prices, in all respects been widely used. Hot water applications in single-chip controller with a simple design, high reliability and easy expansion of functions and so on. This art

5、icle focuses on the water heater in the area of intelligent control.Key Words：microcontroller, water heater, 51, heating目 錄AbstractII引 言21 設(shè)計(jì)任務(wù)及工作安排21.1 設(shè)計(jì)意義21.2 設(shè)計(jì)目的21.3 設(shè)計(jì)要求21.4 工作安排22 研究方案及選擇22.1 方案一：基于ARM的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)22.2 方案二：采用CPLD來控制的超聲波測(cè)距儀22.3方案三：采用的評(píng)價(jià)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)23 超聲波測(cè)距原理23.1 超聲波的基本理論23.1.1 超聲波的

6、傳播速度23.2.2 超聲波的物理性質(zhì)23.3.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用23.3.4 超聲波傳感器23.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理24 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)24.1 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)24.1.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)24.1.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)24.1.3 模塊設(shè)計(jì)過程及仿真24.2 LCD1602顯示電路24.3 整體電路設(shè)計(jì)24.4 仿真25 軟件整體設(shè)計(jì)框圖及程序設(shè)計(jì)25.1 程序設(shè)計(jì)總方案25.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)26 設(shè)計(jì)、下載與調(diào)試26.1 對(duì)超聲波測(cè)距電路進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，出現(xiàn)以下問題：26.2 解決辦法：2結(jié)論2參考文獻(xiàn)2引 言隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人

7、們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成為可能。超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測(cè)量、距離測(cè)量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)?；谶@個(gè)背景產(chǎn)生了超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)課題。國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)量主要集中在對(duì)010m固體和液體的測(cè)量，一般測(cè)量精度高，回波穩(wěn)定。近年來隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)控制，

8、建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)別等方面。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國(guó)外在提高超聲波測(cè)距方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也作了大量相關(guān)的研究。南昌航空工業(yè)學(xué)院的江澤濤在溫度對(duì)液體中超聲波速度的影響一文中，洋細(xì)地分析了溫度對(duì)超聲波在液體中傳播速度的影響，導(dǎo)出了超聲波速度同液體壓縮系數(shù)及密度的關(guān)系，研究了壓縮系數(shù)及密度同溫度的關(guān)系，進(jìn)而研究了溫度對(duì)聲速及聲時(shí)的影響，用實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同的液體成分下的聲時(shí)同溫度的關(guān)系。FigneroaJF，LamancusaJS在Amethodforaccuratedetectionoftimeofarrival：AnalysiSanddesig

9、nofultrasonicrangingsystem一文中，提出一種新的計(jì)時(shí)方法，該方法的原理是回波時(shí)延由峰值時(shí)延和相位時(shí)延相加而得，分別用不同的檢測(cè)方法得到峰值時(shí)延和相位時(shí)延，相加后即得回波的傳播時(shí)間。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及IAP15W413AS單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以IAP15W413AS單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求

10、。通過此次畢業(yè)課題設(shè)計(jì)，能進(jìn)一步提高自身的實(shí)踐能力以及思考解決問題的能力，同時(shí)，在大學(xué)的尾聲將大學(xué)所學(xué)的某些知識(shí)應(yīng)用于實(shí)際中，達(dá)到真理與實(shí)踐的完美結(jié)合。1 設(shè)計(jì)任務(wù)及工作安排 1.1 設(shè)計(jì)意義通過本課題的設(shè)計(jì)，掌握電子電路設(shè)計(jì)和PCB電路設(shè)計(jì)的一般步驟和方法，鍛煉分析問題、解決問題的能力，學(xué)會(huì)如何查找所需資料，學(xué)會(huì)使用Altium Designer軟件的使用同時(shí)復(fù)習(xí)以前所學(xué)的protel 99se相關(guān)知識(shí)并加深記憶，為畢業(yè)設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)，也為以后工作作準(zhǔn)備，通過對(duì)選題的分析設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)超聲波測(cè)距儀的工作原理、組成和特性，掌握IAP15W413AS單片機(jī)的原理以及超聲波測(cè)距儀的超聲波發(fā)射和接收工作原

11、理,掌握一門仿真PCB設(shè)計(jì)軟件。1.2 設(shè)計(jì)目的（1）運(yùn)用所學(xué)單片機(jī)知識(shí)并學(xué)會(huì)舉一反三編寫程序，強(qiáng)化知識(shí)理解程度；（2）準(zhǔn)確透徹分析超聲波測(cè)距儀的組成及原理，進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)知識(shí)的理解，同時(shí)制定一個(gè)方案設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距系統(tǒng)；（3）通過編程，加深對(duì)編程語言的認(rèn)識(shí)并進(jìn)一步了解超聲波的工作原理框圖以及LCD1602顯示原理；（4）在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，熟練掌握編程語言及電路知識(shí)。1.3 設(shè)計(jì)要求（1）完成超聲波測(cè)距儀及其PCB印制電路板的設(shè)計(jì)；（2）通過改變滑動(dòng)變阻器的電阻值來改變LCD1602的背光顯示亮度；（3）對(duì)制作好的PCB電路板進(jìn)行準(zhǔn)確焊接；（4）利用所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀進(jìn)行距離

12、測(cè)量；（5）準(zhǔn)確測(cè)量，使得所設(shè)計(jì)的測(cè)距值能精確地顯示在LCD1602；1.4 工作安排依次完成查閱資料、模塊設(shè)計(jì)、購(gòu)置模塊電路和元器件和電路原理圖及PCB圖繪制、程序編寫、功能實(shí)現(xiàn)、報(bào)告編寫。2 研究方案及選擇2.1 方案一：基于ARM的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S3C2410為核心，通過對(duì)其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該芯片對(duì)其外圍電路的適時(shí)控制,并提供給外圍電路各種所需的信號(hào),包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)和譯碼顯示信號(hào)等等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去8。頻率為40kHz左

13、右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔調(diào)制脈沖波信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。系統(tǒng)由測(cè)距系統(tǒng)、控制和顯示部分組成。溫度補(bǔ)償發(fā)射電路S3C2410接收電路LCD顯示圖 2.1 測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 方案二：采用CPLD來控制的超聲波測(cè)距儀采用CPLD來控制的超聲波測(cè)距儀，主要是在軟件上運(yùn)用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）編寫程序使用MAX+plusII軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中采用的是MAX7

14、000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高頻率可達(dá)175.4MHz，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在FPGA中還要用硬件描述語言(VHDL語言)編寫程序來實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來編程也復(fù)雜

15、。2.3方案三：采用的評(píng)價(jià)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)采用單片機(jī)來控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：S=vt/2。原理框圖如2.2所示。圖2.2 超聲波的測(cè)距原理方案一統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)探傷和實(shí)時(shí)顯示功能，集探傷、測(cè)距等多種功能于一體，所有運(yùn)算、處理、顯示都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；并且操作

16、簡(jiǎn)單。使用方便，所有功能都有按鍵控制；測(cè)量速度快、準(zhǔn)確，結(jié)果顯示直觀；儀器依靠電池供電，設(shè)有低功耗模式；體積小，攜帶方便，適用于室內(nèi)、野外等各種條件下作業(yè)。方案三計(jì)硬件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，測(cè)距范圍適中。測(cè)量誤差可以控制在士1cm左右。系統(tǒng)軟件采用合理算法，提高了測(cè)量精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫；用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能；支持ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從電路板取下來就可以擦寫程序；晶振頻率高達(dá)24M，運(yùn)行速度更快，價(jià)格也比較便宜；增了看門狗電路，防止程序“走飛”，更加安全可靠。與第二種方案相比，第三種使用的是單片機(jī)，編譯語言可以用C語言來實(shí)現(xiàn)，所以比較簡(jiǎn)單。3 超聲波

17、測(cè)距原理3.1 超聲波的基本理論超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動(dòng)輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測(cè)超聲。超聲波是聽覺閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在1041012Hz，其中通常的頻率大約在1043106之間。超聲波在超聲場(chǎng)（被超

18、聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長(zhǎng)與超聲場(chǎng)相比，超聲場(chǎng)很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長(zhǎng)與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：3.1.1 超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟āM波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些

19、特性相似。超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中，其傳播速度 =式中r介質(zhì)的密度；B絕對(duì)壓縮系數(shù)?？梢酝茖?dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度=331.4+0.61T（T為環(huán)境溫度）。超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況：（1）縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度,其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。= （細(xì)棒）= （薄板）= (無限介質(zhì))式中E楊氏模具；m泊松系數(shù)；K體積彈性模具；G剪片彈性模。（2)橫波聲速公式為= (無限介質(zhì))在固體中,介于05之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。3.2.2 超聲波的物理性質(zhì)當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射

20、過界面，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖3.1所示：圖3.1 聲波反射(1)超聲波的反射和折射當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖3.1所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩式求得：R= （3.1） T= （3.2）式中：ba,分別為聲波的入射角和反射角；為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速 （3.3）當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即0，則：R= （3.4） T= （3.5） 如果sina，入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中

21、沒有折射波。3.3.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2)空化作用在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為空化。(3)熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻

22、振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。3.3.4 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會(huì)發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動(dòng)作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)頻率相同的微弱的交流信號(hào)。超聲波傳感器

23、結(jié)構(gòu)如下圖3.2和圖3.3所示： 圖3.2 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖3.3 超聲波外部結(jié)構(gòu)3.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致有以下方法：取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(其幅值基本固定)與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離；測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t，故被測(cè)距離為S=12vt。本測(cè)量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y(cè)距適用

24、于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì):超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15時(shí)）。X2是聲波返回的時(shí)刻，X1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，X2-X1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定X2-X1=0.03S，則有340m0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下：圖3.4 測(cè)距原理L= （3.6）設(shè)計(jì)框圖如下圖3.5所示：超聲波接收電路IAP 15W 413 A S P1超聲波發(fā)射電路顯示系統(tǒng)圖3.5 設(shè)計(jì)框圖4

25、 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)4.1 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)超聲波是一種振動(dòng)頻率超過20kHz的機(jī)械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠(yuǎn)，在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到障礙物在入射到它的反射面上就會(huì)產(chǎn)生反射波。由于超聲波的以上幾個(gè)特點(diǎn)，所以超聲波被廣泛地應(yīng)用于物體距離的測(cè)量、厚度等方面。而且，超聲波的測(cè)量是一種比較理想的的非接觸式的測(cè)距方法6。當(dāng)進(jìn)行距離的測(cè)量時(shí)，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)7。首先由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會(huì)被反射回來，當(dāng)接收探頭收到

26、反射波后就會(huì)給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí)。這樣，定時(shí)器就能夠準(zhǔn)確的記錄下了超聲波發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間t（s）。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為340m/s，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為：S=340t/2=170t因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器周期T的計(jì)數(shù)，而本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則：T12/fosc=1st=NTN0.（s）S170NT170N/（m）在程序中按式S170NT170N/計(jì)算距離。4.1.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所

27、產(chǎn)生的40kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)選用74LS04芯片進(jìn)行信號(hào)放大，超聲波發(fā)射電路如圖4.1所示。圖4.1 超聲波發(fā)射電路工作時(shí)，由單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的脈沖從P0.1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號(hào)，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。4.1.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片

28、電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。CX20106A芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能，當(dāng)測(cè)量的距離比較近時(shí)，放大器不會(huì)過載；而當(dāng)測(cè)量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對(duì)它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場(chǎng)對(duì)芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏

29、度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。超聲波接收電路如圖4.2所示。圖4.2 超聲波接收電路4.1.3 模塊設(shè)計(jì)過程及仿真 HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊如下圖4.3所示：（1）產(chǎn)品特點(diǎn)：HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè) 距精度可達(dá)高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路 。（2）基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給最少 10us 的高電平信呈。模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距

30、離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2;圖4.3 HC-SR04模塊電路圖（3）實(shí)物圖： 如下圖4.4接線，VCC供 5V電源 ，GND為 地 線 ， TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO 回響信號(hào)輸出等四個(gè)接口端。圖4.4 實(shí)物圖（4）超聲波時(shí)序圖如下圖4.5所示：圖4.5 超聲波時(shí)序圖以上時(shí)序圖只需要提供一個(gè)10uS以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：Us/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距離=高電平時(shí)間*聲速（3

31、40M/S）/2；建議測(cè)量周期為60ms以上，儀防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。由上可設(shè)計(jì)單片機(jī)與HC-SR04超聲波測(cè)距模塊的電路如下圖4.6所示：圖4.6 HC-SR04與單片機(jī)連接電路4.2 LCD1602顯示電路（1）LCD1602各引腳及其功能：VSS：為地電源VDD：接5V正電源。VL：液晶顯示偏壓，為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度。RS：數(shù)據(jù)/命令選擇為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。R/W：讀/寫選擇，為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫

32、操作。當(dāng)RS和R/W共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平R/W為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平R/W為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。E：使能信號(hào)，為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。D0D7：為8位雙向數(shù)據(jù)線。BLA ：背光源正極BLK ：背光源負(fù)極 根據(jù)LCD1602的各引腳功能及其工作原理可以將其與單片機(jī)進(jìn)行連接，其連接電路如下圖4.7所示：圖4.7 LCD1602連接電路4.3 整體電路設(shè)計(jì)分別根據(jù)IAP15W413AS單片機(jī)芯片功能、HC-SR04超聲波模塊功能原理以及LCD1602顯示原理等可以設(shè)計(jì)電路原理圖如下圖4.8所示，PCB電路圖如下圖4

33、.9所示。圖4.8 電路原理圖圖4.9 PCB設(shè)計(jì)圖4.4 仿真經(jīng)下載程序后給予某一障礙物，測(cè)量超聲波測(cè)距模塊與其的距離，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)可證明該數(shù)據(jù)可靠，其測(cè)量誤差為0.02m。5 軟件整體設(shè)計(jì)框圖及程序設(shè)計(jì)5.1 程序設(shè)計(jì)總方案開始 根據(jù)模塊的劃分原則，將該程序劃分初始化模塊，A/D轉(zhuǎn)換子程序和顯示子程序，這三個(gè)程序模塊構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件的主程序，如圖5.1和圖5.2所示。定時(shí)器裝入初值 生成大于10us的高電平Trig信號(hào) LCD1602初始化 等待Echo信號(hào)變?yōu)楦唠娖紿C-SR04初始化 否檢測(cè)按鍵是否按下 否 是啟動(dòng)定時(shí)器 等待Echo信號(hào)變?yōu)榈偷碗娖?是 否 HC-SR04進(jìn)行測(cè)距 關(guān)

34、閉定時(shí)器 LCD1602顯示 計(jì)算計(jì)數(shù)值延時(shí)60ms以上開始下一次測(cè)距計(jì)算計(jì)數(shù)值返回圖5.1 主程序流程圖 圖5.2 HC-SR04測(cè)距流程圖5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)#include /器件配置文件#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DataPort P1 /定義LCD模塊數(shù)據(jù)端口#define Busy 0x80 /忙標(biāo)志，D7位為1說明忙sbit rs=P25;sbit rw=P26;sbit en=P27;uchar Xpos; /列方向地址指針uchar Ypos; /行方向地址指針sbi

35、t RX=P33; /接收超聲波端口sbit TX=P32; /發(fā)送超聲波unsigned int time=0;unsigned long S=0;bit flag =0;unsigned char disbuff4= 0,0,0,0,;unsigned char code Cls= ;unsigned char code mcustudio=;unsigned char code ASCII15=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,.,-,M;/400ms延時(shí)void Delay400Ms(void)unsigned char TempCycA=5;unsigned int TempC

36、ycB;while(TempCycA-)TempCycB=7269;while(TempCycB-);void Delay5Ms(void)/短延時(shí)函數(shù) uint i=522; while(i-);void CheckBusy(void) /讀忙狀態(tài)函數(shù)，即在正常讀寫操作之前檢測(cè)LCD模塊的忙狀態(tài) DataPort=0xff; /P1口寫1 rs=0; /選擇指令寄存器 rw=1; /選擇讀模式 _nop_(); en=1; /使能LCD _nop_(); _nop_();while(DataPort&Busy); /若D7=1，則DataPort&Busy=1,即說明忙，等待 en=0; /

37、若D7=0;說明不忙，令en=0;void WriteIR(uchar CMD,uchar Attribc) /寫入IR寄存器命令函數(shù)，向LCD模塊寫入命令CMD if(Attribc) CheckBusy(); /若Attribc=1;檢測(cè)忙；若Attyibc=0檢測(cè)不忙，順序執(zhí)行 rs=0; /選擇指令寄存器 rw=0; /選擇讀寫模式 _nop_(); DataPort=CMD; /將命令送數(shù)據(jù)端口 _nop_(); en=1; /使能LCD _nop_(); _nop_(); en=0; /禁止LCDvoid WriteDDR(char c) /寫DDR寄存器函數(shù)，在當(dāng)前光標(biāo)位置顯示1

38、個(gè)字符 CheckBusy(); /檢測(cè)忙信號(hào) rs=1; /選擇數(shù)據(jù)寄存器 rw=0; /選擇寫模式 _nop_(); DataPort=c; /將顯示字符送往數(shù)據(jù)口 _nop_();en=1; /寫使能 _nop_(); _nop_();en=0;/禁止LCDvoid LcdPos(uchar Xpos,uchar Ypos) /光標(biāo)定位函數(shù) uchar tmp; /定義tmp為指令碼 Xpos&=0x0f; /1602型液晶的范圍是0-15 Ypos&=0x01; /Y的范圍是0-1 tmp=Xpos; if(Ypos=1) tmp|=0xc0; /若Ypos為1（顯示第二行），地址碼+

39、0xc0; tmp|=0x80; /若Ypos為0（顯示第一行），地址碼+0x80; WriteIR(tmp,0);void LcdInt(void) /初始化函數(shù)，即向LCD模塊寫入不同的初始化命令 WriteIR(0X38,0); /功能設(shè)置指令，8位接口，顯示2行，5x7字符 WriteIR(0X38,1); /設(shè)置顯示模式（以后均檢測(cè)忙信號(hào)） WriteIR(0X08,1); /顯示開關(guān)控制指令，顯示關(guān)閉 WriteIR(0X01,1); /清屏指令，將DDRAM數(shù)據(jù)全部填入“空白” WriteIR(0X06,1); /輸入方式設(shè)置指令，字符不動(dòng)，光標(biāo)自動(dòng)右移一格 WriteIR(0X

40、0f,1); /顯示開關(guān)控制指令，顯示器開，光標(biāo)開，光標(biāo)閃爍void WriteOneChar(uchar Xpos,uchar Ypos,char c)/在指定行列顯示單個(gè)字符函數(shù) LcdPos(Xpos,Ypos); WriteDDR(c);void WriteListChar(uchar Xpos,uchar Ypos,uchar code *c)/在指定行列顯示單個(gè)字符函數(shù) unsigned char ListLength; ListLength = 0;Ypos&= 0x1;Xpos&= 0xF; /限制X不能大于15，Y不能大于1while (cListLength0x19) /若

41、到達(dá)字串尾則退出if (Xpos=700)|flag=1) /超出測(cè)量范圍顯示“-” flag=0; WriteOneChar(0, 1, ASCII11); WriteOneChar(1, 1, ASCII10);/顯示點(diǎn) WriteOneChar(2, 1, ASCII11); WriteOneChar(3, 1, ASCII11); WriteOneChar(4, 1, ASCII12);/顯示M else disbuff0=S%1000/100; disbuff1=S%1000%100/10; disbuff2=S%1000%10 %10; WriteOneChar(0, 1, ASC

42、IIdisbuff0); WriteOneChar(1, 1, ASCII10);/顯示點(diǎn) WriteOneChar(2, 1, ASCIIdisbuff1); WriteOneChar(3, 1, ASCIIdisbuff2); WriteOneChar(4, 1, ASCII12);/顯示M /*/ void zd0() interrupt 1 /T0中斷用來計(jì)數(shù)器溢出,超過測(cè)距范圍 flag=1; /中斷溢出標(biāo)志 /*/ void StartModule() /啟動(dòng)模塊 TX=1; /啟動(dòng)一次模塊 for(i=0;i100;i+); TX=0; /*/ void delayms(unsi

43、gned int ms)unsigned char i=100,j;for(;ms;ms-)while(-i)j=10;while(-j);/*/void main(void)unsigned char TempCyc;Delay400Ms(); /啟動(dòng)等待，等LCM講入工作狀態(tài) LcdInt(); /lcd模塊初始化 Delay5Ms(); /延時(shí)等待復(fù)位/while(1)/WriteChar(0,1,W); /Xpos=0(第1列)，Ypos=1(第2行)，顯示字符WWriteListChar(0, 0, mcustudio);WriteListChar(0, 1, email);/Rea

44、dDataLCM();/測(cè)試用句無意義for (TempCyc=0; TempCyc10; TempCyc+)Delay400Ms(); /延時(shí)WriteListChar(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();/ DisplayOneChar(0, 1, ASCII0); while(!RX);/當(dāng)RX為零時(shí)等待 TR0=1; /開啟計(jì)數(shù) while(RX);/當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待 TR0=0;/關(guān)閉計(jì)數(shù) Co

45、nut();/計(jì)算 delayms(80);/80MS 6 設(shè)計(jì)、下載與調(diào)試6.1 對(duì)超聲波測(cè)距電路進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，出現(xiàn)以下問題：（1）自制元件時(shí)引腳位置放反、建立過多元件庫。（2）LCD1602封裝錯(cuò)了、IAP15W413AS芯片封裝錯(cuò)了。（3）沒有設(shè)計(jì)保護(hù)電路避免電路出現(xiàn)不穩(wěn)定。（4）PCB編輯窗中對(duì)元件進(jìn)行布局不合理。（5）對(duì)PCB圖進(jìn)行手動(dòng)布線時(shí)問題多多，過孔過大或過多、選用層面線不合理等。6.2 解決辦法：（1）將自制元件的引腳方向放置準(zhǔn)確，將多余的自制元件庫從當(dāng)前工程中移除或者在所建立的元件庫中新建多個(gè)元件。 （2）聯(lián)系實(shí)際，將設(shè)置有誤的元件封裝進(jìn)行更改。 （3）經(jīng)老師檢查電路發(fā)現(xiàn)

46、并設(shè)計(jì)保護(hù)電路，同時(shí)悉心傾聽原理。（4）請(qǐng)老師檢查自己繪制好的PCB圖，經(jīng)老師發(fā)現(xiàn)元件布局不合理，虛心學(xué)習(xí)明白如何聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行合理布局。（5） 將過孔大小重新設(shè)置合理、采用不同層面的布線要仔細(xì)。 結(jié)論該論文闡述了基于HC-SR04模塊構(gòu)成的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)，從原理圖的設(shè)計(jì)到PCB圖的繪制、從實(shí)際硬件電路的搭建及軟件程序的燒錄到整個(gè)電路的測(cè)試，所有工作形成了一個(gè)完整而又系統(tǒng)的架構(gòu)。整個(gè)過程下來，使得自己對(duì)超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理更加深入掌握，也培養(yǎng)了我自己的動(dòng)手能力及獨(dú)立解決問題的能力。通過反復(fù)測(cè)試、調(diào)試，從最初的電路LCD不顯示到LCD顯示但只能完成一次測(cè)距再到LCD顯示且能完成連續(xù)測(cè)量并檢驗(yàn)

47、可知誤差為0.02m，整個(gè)系統(tǒng)各部分調(diào)試完成，系統(tǒng)各項(xiàng)工作指標(biāo)也基本完成。由于時(shí)間關(guān)系和知識(shí)面受限的情況，該項(xiàng)設(shè)計(jì)還有待進(jìn)一步改進(jìn)，需要增設(shè)溫度補(bǔ)償報(bào)警、測(cè)距上下限設(shè)置等功能，以此使所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀功能更加完善，這些功能的完善還有待進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)所完成的測(cè)距性能總體完好，達(dá)到較高精度測(cè)量，電路耗費(fèi)低、簡(jiǎn)單便捷能滿足超聲波測(cè)距的實(shí)用性。這次論文設(shè)計(jì)及編寫讓我學(xué)到很多知識(shí)，掌握了超聲波測(cè)距的基本原理、HC-SR04模塊電路原理及使用，還掌握了PCB繪制的基本方法，也深刻理解程序編寫框圖等。本論文闡述基于HC-SR04模塊構(gòu)成的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)過程及相關(guān)技術(shù)，但功能還有待進(jìn)一步完善，望各位老師批評(píng)指正，也為我以后的學(xué)習(xí)和工作提出寶貴的意見和指導(dǎo)。 參考文獻(xiàn)1閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社，2004.6.2康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.高等教育出版社，2004.1.3張培仁.基于C語言編程的MCS-52單片機(jī)原理與應(yīng)用.清華