自動(dòng)蓄水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 論 文（正文部分）題 目 自動(dòng)蓄水系統(tǒng)設(shè)計(jì) 姓 名 肖平安 學(xué) 號(hào) 20126024 系 部 理工系 專業(yè)年級(jí) 電子信息工程2012級(jí) 指導(dǎo)教師 彭沛夫 2016年 5 月 28日中南林業(yè)科技大學(xué)涉外學(xué)院本科畢業(yè)論文誠(chéng)信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文，是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識(shí)產(chǎn)權(quán)爭(zhēng)議，除論文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的作品成果。對(duì)本論文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本科畢業(yè)論文作者簽名： 年 月 日摘 要蓄水裝置在日常生

2、活和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)揮這重要作用。該設(shè)計(jì)是針對(duì)水位檢測(cè)和控制的實(shí)際問(wèn)題開發(fā)的一種基于單片機(jī)的超聲波水位控制器，深入討論了用超聲波作為信號(hào)源進(jìn)行液位檢測(cè)的可行性以及優(yōu)越性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了水位的自動(dòng)控制這一功能?；趥鹘y(tǒng)的測(cè)量距離必須要碰觸到物體這個(gè)不便之處。比如，距離液面高度測(cè)量，以前都是使用采用差位分布電極，通電來(lái)檢測(cè)液面，但是檢測(cè)器長(zhǎng)期放在液體介質(zhì)里面，容易受到破壞，無(wú)法保持良好性能，要進(jìn)行非接觸性的測(cè)距，因此想到運(yùn)用超聲波。結(jié)合單片機(jī)STC89C52，使得超聲波測(cè)距系統(tǒng)更加智能自動(dòng)化。系統(tǒng)的顯示模塊則是采用LCD1602液晶顯示屏，顯示水位信息以及設(shè)定的水位數(shù)值。該系統(tǒng)使用超聲波水位傳感器對(duì)水位進(jìn)

3、行檢測(cè)然后將檢測(cè)到的信號(hào)傳給單片機(jī)STC89C52進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)水位的監(jiān)測(cè)、超限報(bào)警等功能。最后，使用LCD1602液晶顯示屏顯示當(dāng)前水位高度，并且可以通過(guò)使用手動(dòng)按鍵來(lái)調(diào)整目標(biāo)水位的深度。本系統(tǒng)適用在不同的用水場(chǎng)合下的需要，能節(jié)省工作時(shí)間，提高系統(tǒng)整體的工作效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄水池水位的自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞 單片機(jī)STC89C52；超聲波；模塊；水位；檢測(cè)Abstract:Water storage device in our daily life and play the important role in industrial application. This design is aime

4、d at water level detection and control of the practical problems of the development of a ultrasonic water level controller based on single chip microcomputer, discussed how to use ultrasound as a source for the feasibility and the advantages of the liquid level detection, realized the automatic cont

5、rol of water level at the same time this feature. Based on the traditional measuring distance must touch the object of this inconvenience. Distance liquid level height measurement, for instance, is using the difference before electrodes, electricity to detect liquid level, but the detector in a liqu

6、id medium for a long time, easy to damage, unable to keep good performance, must carry on the non-contact ranging, so think of using ultrasound. Combining microcontroller STC89C52, make ultrasonic ranging system more intelligent automation. System is adopt LCD1602 LCD screen display module, display

7、water level information and set the water level value. The system USES ultrasonic water level sensor to test the water and then detect the signals to single chip microcomputer STC89C52 processing, so as to realize the function such as water monitoring, overrun alarm. Finally, using the LCD1602 LCD d

8、isplay shows the current water level, and can be through the use of manual buttons to adjust the depth of the target level. This system is the need of water in different occasions, can save the working time, improve the working efficiency of the system as a whole, realize the automatic control of th

9、e reservoir water level.Keywords: MCU STC89C52；Ultrasonic；module；water level, testing目錄1 引言.51.1 選題背景及意義.51.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì).51.3設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu).62 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).72.1 主控部分.8 2.1.1 單片機(jī)STC89C52系統(tǒng).82.1.2LCD1602液晶顯示模塊.82.1.3蜂鳴器報(bào)警模塊.82.2 超聲波測(cè)距部分.92.2.1 超聲波發(fā)射電路.102.2.2 超聲波接收電路.112.2.2 超聲波控制蓄水.113 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).123.1軟件設(shè)計(jì)總流程.123.2

10、 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)HC-SR04模塊程序設(shè)計(jì).133.3單片機(jī)STC89C52計(jì)算測(cè)試模塊與障礙物距離算法設(shè)計(jì).143.4 單片機(jī)STC89C52定時(shí)器計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì).153.5 LCD1602液晶驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì).163.6 蜂鳴器報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì).194 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析.204.1 調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法.204.1.1 回波信號(hào)的誤接收.204.1.2 外部中斷0的觸發(fā)方式.20 4.2 測(cè)距結(jié)果及分析.20結(jié)論.22參考文獻(xiàn).23致謝.241 引言1.1 選題背景及意義超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流和無(wú)線電測(cè)距方法相比，具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn)

11、，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波傳播聲時(shí)難于精確捕捉，溫度對(duì)聲速的影響等原因，使得超聲波測(cè)距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求更高的場(chǎng)合下的應(yīng)用。 距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，測(cè)距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問(wèn)題。而由于超聲波的速度相對(duì)光速小的多，其傳播時(shí)間比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以它就

12、能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測(cè)量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。將超聲波測(cè)距應(yīng)用于自動(dòng)蓄水池設(shè)計(jì)也是近年來(lái)非常重要的研究課題。 超聲波測(cè)距水位是一種極有潛力的方法，本文結(jié)合超聲波的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的超聲測(cè)距系統(tǒng)。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況及發(fā)展趨勢(shì)我們國(guó)家早在建國(guó)初期就已經(jīng)對(duì)超聲波以及其特性做過(guò)了較多的研究與探測(cè)，并取得了舉世矚目的成就。進(jìn)入21世紀(jì)后在電子科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展前提之下，尤其是嵌入式和微處理器技術(shù)的高速發(fā)展，使得之前相對(duì)來(lái)說(shuō)復(fù)雜的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)變?yōu)榭赡懿⑶已杆俚玫桨l(fā)展，如采用zilog公司的z86E08單片機(jī)控制的

13、超聲波測(cè)距數(shù)顯裝置，以8098單片機(jī)為核心的智能物位測(cè)量?jī)x等。隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷提高，對(duì)于科技的要求也越來(lái)越高，而距離的測(cè)量在許多工業(yè)生產(chǎn)中都有著重要作用，并且人們對(duì)于距離和長(zhǎng)度的測(cè)量環(huán)境和精度的要求越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)科研人員在超聲波回波信號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對(duì)超聲測(cè)距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施。本設(shè)計(jì)所研究的超聲波測(cè)距是一種典型的非接觸測(cè)量，它與紅外測(cè)距，激光測(cè)距等相比較，超聲波測(cè)距對(duì)外界的色彩，光線和電磁影響的抗干擾能力更強(qiáng)，并且在有毒、灰塵、以及煙霧等惡劣的環(huán)境下仍然能

14、工作，由于聲波在空氣中的傳播速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光波和無(wú)線電波在空氣中的傳播速度，所以其適用于測(cè)量精度不要求太高的場(chǎng)合，超聲波測(cè)距的系統(tǒng)更容易實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡(jiǎn)單，耗費(fèi)更低，且超聲波在傳輸過(guò)程中不受煙霧等能見度的影響，所以其在眾多的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，如測(cè)量海洋深度，建筑高度的測(cè)量，機(jī)器人智能識(shí)別，汽車倒車防撞系統(tǒng)等。1.3 設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)本設(shè)計(jì)采用STC89C52型號(hào)單片機(jī)作為主控器件，HC-SR04是專門用于超聲波發(fā)射和接收的模塊，雖然其內(nèi)部電路較為復(fù)雜，但是作為一個(gè)模塊，其外設(shè)接口簡(jiǎn)單，可以很方便地與單片機(jī)連接構(gòu)成超聲波測(cè)距系統(tǒng)，因此只需要根據(jù)超聲波發(fā)射遇到障礙物反射回來(lái)的特性，就可以較為方便

15、地設(shè)計(jì)出測(cè)距系統(tǒng)。只要用單片機(jī)給超聲波發(fā)射和接收模塊一個(gè)發(fā)射信號(hào)，模塊就發(fā)射超聲波并且在發(fā)射的同時(shí)開啟定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在遇到障礙物后就會(huì)反射回來(lái)被模塊接收到超聲波，此時(shí)此刻停止計(jì)時(shí)，然后就可以很快地將時(shí)間換算成為我們所測(cè)得距離。由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響較大，因此該設(shè)計(jì)還增加了測(cè)量當(dāng)前環(huán)境溫度的模塊，主要是用于溫度補(bǔ)償。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)HC-SR04超聲波測(cè)距模塊單片機(jī)STC89C52系統(tǒng)DS18B20測(cè)溫模塊按鍵模塊LCD1602顯示模塊蜂鳴器報(bào)警模塊系統(tǒng)由單片機(jī)主控部分和超聲波測(cè)距模塊部分組成。主控部分包括單片機(jī)STC89C52系統(tǒng)、LCD1602顯示模塊、DS18B20測(cè)溫

16、模塊模塊、串口通信模塊和蜂鳴器報(bào)警模塊。超聲波測(cè)距部分包括HC-SR04超聲波測(cè)距模塊：超聲波發(fā)射模塊和接收模塊。結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1 總體設(shè)計(jì)框圖本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)STC89C52作為中央處理器，用于控制HC-SR04超聲波測(cè)距模塊發(fā)射和接收聲音，同時(shí)利用其內(nèi)部的定時(shí)器得到超聲波發(fā)射和接收所用的時(shí)間，并且根據(jù)DS18B20測(cè)出溫度參數(shù)通過(guò)一定算法換算成測(cè)距系統(tǒng)與被測(cè)物之間的距離，最后通過(guò)LCD1602顯示其距離，并且該系統(tǒng)還具備自行設(shè)置測(cè)距范圍，測(cè)距范圍的設(shè)置由薄膜鍵盤按鍵實(shí)現(xiàn)，然后再加上蜂鳴器報(bào)警模塊，當(dāng)所測(cè)距離超出范圍時(shí)，單片機(jī)STC89C52將控制蜂鳴器發(fā)聲，以實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。超聲波測(cè)距

17、模塊主要用于根據(jù)單片機(jī)STC89C52控制信號(hào)發(fā)射聲音，并且單片機(jī)此時(shí)會(huì)將接受回來(lái)的聲波用于編碼，然后解碼，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)發(fā)射和接收功能。DS18B20主要是測(cè)試環(huán)境溫度，并且把測(cè)試到的環(huán)境溫度輸入單片機(jī)處理。LCD1602用于顯示測(cè)距系統(tǒng)與被測(cè)物間的距離和實(shí)時(shí)環(huán)境溫度。薄膜鍵盤用于設(shè)置測(cè)量范圍值，蜂鳴器則是用作報(bào)警。2.1 主控部分 2.1.1 單片機(jī)STC89C52系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊為系統(tǒng)的核心控制單元。單片機(jī) STC89C52的INT1/P3.3端口用于輸出發(fā)射器所需的40kHz 方波信號(hào)，INT0/P3.2端口用于檢測(cè)接收器輸出的返回信號(hào)。液晶顯示電路采用LCD1602，使用單片機(jī)的P

18、0口和P2口完成顯示功能。RXD/P3.0和TXD/P3.1端口用于串口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。P1.2和P1.3分別為超聲波的接收與發(fā)送使能端口。P3.4端口用于接收從溫度傳感器DS18B20獲取的溫度信息。2.1.2LCD1602液晶顯示模塊 液晶顯示模塊用于顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度和測(cè)得的距離值。顯示器件LCD1602的優(yōu)點(diǎn)是微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富。它識(shí)別的是ASCII碼，可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值。單片機(jī)的P0口和P2口與液晶模塊相連，其中P0.0P0.7端口用于LCD1602的數(shù)據(jù)輸出，P2.0P2.2端口分別用于顯示模塊的數(shù)據(jù)命令選擇，讀寫選擇

19、和使能控制。R6和R7分別用于調(diào)節(jié)LCD1602的亮度和對(duì)比度。 2.1.3蜂鳴器報(bào)警模塊本測(cè)距系統(tǒng)帶有超出手動(dòng)設(shè)置量程報(bào)警的功能，報(bào)警裝置采用壓電式蜂鳴器發(fā)聲來(lái)報(bào)警。蜂鳴器是目前使用較多的一種小型發(fā)聲類器件。通常采用直流電源供電，廣泛被用在小型嵌入式裝置，聲控系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)開發(fā)箱，報(bào)警裝置，打印裝置中。蜂鳴器按照其工作方式來(lái)分類可分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器。壓電式蜂鳴器主要由壓電發(fā)聲片、阻抗匹配電路及共鳴器、多諧振蕩器、塑料外殼等組成。多諧振蕩器由三極管或者CMOS管組成，也可由專門IC組成。當(dāng)接通1.5V-15V電源后，多諧振蕩器起振，輸出1.5-2.5kHz的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電

20、蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由特殊的化學(xué)壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍有一層電極，在經(jīng)過(guò)極化處理后，再與另外一種金屬片粘貼在一起來(lái)構(gòu)成。在嵌入式應(yīng)用的設(shè)計(jì)上，很多設(shè)計(jì)都需要用到蜂鳴器，由于蜂鳴器的發(fā)聲穩(wěn)定特性，經(jīng)常將蜂鳴器用作報(bào)警和提示的作用，還有也可用作按鍵、步驟提示或是故障停止等方面作用。由于自激蜂鳴器大部分是采用直流電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)，而很少使用交流電，只需對(duì)驅(qū)動(dòng)口輸出驅(qū)動(dòng)電平并通過(guò)三極管放大驅(qū)動(dòng)電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音。蜂鳴器報(bào)警模塊如圖2所示。 圖2 蜂鳴器報(bào)警模塊原理圖2.2 超聲波測(cè)距部分 超聲波測(cè)距單元的框圖如圖3所示。系統(tǒng)中采用的換能器是中心頻率為40.0kHz±0.1Hz的

21、發(fā)射器255-400ST16和接收器255-400SR16。該換能器具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。安裝時(shí)應(yīng)保持2個(gè)換能器中心軸線平行并相距48cm，若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，可提高抗干擾能力。 圖3超聲波測(cè)距單元2.2.1 超聲波發(fā)射電路 只要使用40kHz的方波激勵(lì)換能器就可以產(chǎn)生超聲 波。超聲波發(fā)射電路如圖4所示。電路中使用MOSFET管 ZXM61P03F進(jìn)行電源管理，當(dāng)單片機(jī)的P1.3端口為低電平 時(shí)，電路通電。MAX864為電壓轉(zhuǎn)換芯片，它將輸入的5V電源進(jìn)行加倍，轉(zhuǎn)換為正電源+10V和負(fù)電源-10V兩路輸出，提供給其后的LM8261使用。FC1和FC0為MAX86

22、4內(nèi)部晶振頻率選擇位，當(dāng)FC1和FC0均為高電平時(shí)，晶振頻率為最大值，高頻率可以保證MAX864不會(huì)對(duì)其它電路造成干擾，此時(shí)所需的外圍電容值(C9,C11,C12,C13)為1F。LM8261是一個(gè)具有高輸出電流的運(yùn)算放大器，較高的輸出電流可以使產(chǎn)生的超聲波有足夠的能量傳播較遠(yuǎn)的距離。LM8261的同相輸入端與單片機(jī)的INT1/P3.3端口相連，在這個(gè)端口連續(xù)發(fā)出高低電平時(shí)，LM8261的輸出端就會(huì)產(chǎn)生方波。當(dāng)方波的頻率為40kHz時(shí)，就會(huì)激勵(lì)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。 圖4 超聲波發(fā)射電路2.2.2 超聲波接收電路 接收電路主要負(fù)責(zé)將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。換能器在接收到超聲波信號(hào)時(shí)，由于壓電

23、效應(yīng)會(huì)在兩個(gè)接頭上產(chǎn)生微弱的電壓信號(hào)，一般為毫伏級(jí)。微弱的電壓信號(hào)需通過(guò)放大電路進(jìn)行放大、整形，進(jìn)一步設(shè)計(jì)比較器電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。 因此，接收電路包括接收換能器，放大電路以及比較整形電路3部分。電路如圖5所示?；夭ǚ糯箅娐肥褂玫氖蔷哂袃杉?jí)放大功能的LMV822MM，R15和R16組成分壓電路，為同相輸入端提供基準(zhǔn)電壓。其中可以通過(guò)調(diào)節(jié)第二級(jí)中的電位器R22來(lái)改變放大器的增益，從而調(diào)節(jié)放大電路的電壓放大倍數(shù)，以適應(yīng)接收信號(hào)變化范圍大的需要。 回波放大電路和穩(wěn)壓電路輸出的是模擬信號(hào)，電路中利用運(yùn)算放大器LMC7215組成的比較器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。R20和R

24、21為比較器提供基準(zhǔn)電壓。當(dāng)反向輸入端電壓超過(guò)基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出低電平，否則輸出為高電平。這樣，若有超聲波信號(hào)被接收，比較器電路輸出端會(huì)有由高到低的電平跳變。單片機(jī)的INT0/P3.2端口連接到比較器的輸出，以捕捉電平的跳變，從而判斷超聲波是否被接收。同時(shí)，比較器還解決了發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖沒有經(jīng)過(guò)反射物直接被接收器所接收的問(wèn)題。 圖5 超聲波接收電路2.2.3 超聲波控制蓄水 首先設(shè)定目標(biāo)水位值，如設(shè)定目標(biāo)水位為N，根據(jù)超聲波探測(cè)到的數(shù)值M反饋到單片機(jī)STC89C52，如果M小于N，燈光顯示為綠色，則可以繼續(xù)蓄水，如果M大于或等于N，燈光顯示為紅色，報(bào)警器發(fā)出警報(bào)，系統(tǒng)將停止蓄水，并且開

25、始啟動(dòng)排水系統(tǒng)，將多余的水排出蓄水池知道M數(shù)值等于N。目標(biāo)值和實(shí)際測(cè)量值均可在LCD1602顯示器上顯示。3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)總流程Step1:系統(tǒng)的初始化工作。主要包括在液晶顯示屏LCD1602上顯示兩行預(yù)設(shè)字符，“Temp：”和“Dist：”，分別為環(huán)境溫度和測(cè)量距離的提示字符；設(shè)置定時(shí)器、外部中斷的觸發(fā)方式；打開發(fā)送使能端P1.3和接收使能端P1.2；清零測(cè)量成功標(biāo)志succeedFlag。 Step2:利用溫度傳感器DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，并將溫度值顯示在液晶顯示屏第一行“Temp：”的后面；根據(jù)公式(2)計(jì)算出超聲波的傳播速度。 Step3:啟動(dòng)定時(shí)器T1開始計(jì)時(shí)，同時(shí)

26、連續(xù)發(fā)送8個(gè)頻率 為40kHz的超聲波信號(hào)（對(duì)P3.3口的高、低電平分別進(jìn)行 12s、13s的延時(shí)，實(shí)現(xiàn)從P3.3口輸出頻率為40kHz的方 波信號(hào)）；延時(shí)10s后，打開外部中斷EX0和總中斷EA，等待IT0/P3.2處電平的跳變。10s的延時(shí)也可以有效地避免發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波脈沖沒有經(jīng)過(guò)反射物直接被接收器所接收的問(wèn)題。 Step4:超聲波在傳播過(guò)程中，遇障礙物后反射回波。當(dāng)接收探頭接收到回波時(shí)，外部中斷0被觸發(fā)，此時(shí)執(zhí)行中斷服務(wù)程序。即取出定時(shí)器的高低位TH1和TL1，置位測(cè)量成功標(biāo)志succeedFlag，并關(guān)閉中斷。定時(shí)器所計(jì)的數(shù)據(jù)即為超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間。tep5:由以上步驟中所得定

27、時(shí)器的值和超聲波速度，根據(jù)式(1)計(jì)算測(cè)量距離。 Step6:重復(fù)步驟25五次后，獲得5次測(cè)距值。去除其中的最大值和最小值，取中間3值的平均值為當(dāng)前的測(cè)距結(jié)果，并將測(cè)距結(jié)果顯示在液晶顯示屏第二行“Dist：”之后。Step7:重復(fù)步驟26，當(dāng)有連續(xù)三次的預(yù)備顯示測(cè)距結(jié)果與當(dāng)前的顯示結(jié)果不同時(shí)，將預(yù)備顯示測(cè)距結(jié)果顯示在液晶顯示屏上。這樣設(shè)計(jì)是為了避免顯示頻繁導(dǎo)致的液晶顯示抖動(dòng)。Step8:重復(fù)步驟27進(jìn)行連續(xù)地測(cè)量。 程序中顯示一次測(cè)距結(jié)果的流程圖如圖6所示。 圖6 程序一次測(cè)距流程圖3.2 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)HC-SR04模塊程序設(shè)計(jì)等待LCD初始化與DS18B20測(cè)溫完畢后，單片機(jī)將I0口P2.6電

28、平拉高并且維持10us以上，之后HC-SR04將自動(dòng)產(chǎn)生8個(gè)40kHz的方波驅(qū)動(dòng)發(fā)射頭發(fā)射超聲波，并且使得P2.7口位高電平，當(dāng)HC-SR04模塊接收到發(fā)射回來(lái)的超聲波后，將P2.7端口電平拉低，其時(shí)序邏輯圖如圖7所示。輸出回響信號(hào) 回響電平輸出與檢測(cè)距離成正比 圖7 HC-SR04時(shí)序邏輯圖3.3單片機(jī)STC89C52計(jì)算測(cè)試模塊與障礙物距離算法設(shè)計(jì)單片機(jī)控制模塊通過(guò)控制發(fā)射換能器發(fā)射超聲波到固定端面，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。超聲波經(jīng)反射后由接收換能器接收，當(dāng)單片機(jī)控制模塊接收到第一個(gè)反射波信號(hào)即停止計(jì)時(shí)。單片機(jī)根據(jù)計(jì)時(shí)器值計(jì)算出時(shí)間間隔t。由于此系統(tǒng)是利用超聲波的傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離，就需要

29、考慮聲音傳輸媒介的彈性模量和密度對(duì)聲速的影響。在空氣中，氣體的溫度，濕度，壓強(qiáng)等因素會(huì)引起空氣密度和彈性模量的變化，氣體聲速主要受密度的影響，超聲波在氣、液、固三者中傳播速度關(guān)系是固體>液體>氣體。氣體中聲速受溫度影響較大，溫度補(bǔ)償模塊采集數(shù)字溫度，根據(jù)公式(1)計(jì)算出超聲波速度v。 其中T是空氣介質(zhì)的溫度()。在測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合，需要采用溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綄?duì)超聲波的速度校正。 最后利用公式(2)計(jì)算出換能器到障礙物之間的距離d。 液晶顯示模塊顯示當(dāng)前的溫度值T和計(jì)算所得的距離 d。薄膜鍵盤按鍵模塊可以通過(guò)按鍵在線下載單片機(jī)程序。3.4 單片機(jī)STC89C52定時(shí)器計(jì)時(shí)程序設(shè)計(jì)單

30、片機(jī)STC89C52內(nèi)部有兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，它們均是二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器，當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)后溢出時(shí)，CPU自行產(chǎn)生溢出中斷并且置位標(biāo)志位，用于標(biāo)示計(jì)時(shí)時(shí)間達(dá)到或計(jì)數(shù)已經(jīng)終止。兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器均可編程設(shè)置為定時(shí)模式和計(jì)數(shù)模式兩種，在這兩種模式下又均可設(shè)定4種工作方式。其各類控制字節(jié)和狀態(tài)標(biāo)示位都存儲(chǔ)在特定存儲(chǔ)器中，人為設(shè)定存儲(chǔ)器的初始值，就可改變工作方式和狀態(tài)。定時(shí)模式下的定時(shí)時(shí)間和計(jì)數(shù)模式下的計(jì)數(shù)值在程序運(yùn)行之處就可裝載相應(yīng)存儲(chǔ)器中。定時(shí)器和計(jì)數(shù)器主要由16位加法計(jì)數(shù)器，工作方式寄存器TMOD和控制寄存器TCON組成，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的工作方式，TCON用于控制T0,T1的啟動(dòng)/停止計(jì)數(shù)

31、。TCON寄存器的格式如表1所示。TCON的高四位用于定時(shí)器/計(jì)數(shù)器控制，并且可以進(jìn)行位尋址。TR0與TR1用于控制定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)和停止，1為啟動(dòng)，0為停止。TF0和TF1分別為T0與T1的溢出標(biāo)志位，當(dāng)定時(shí)或者計(jì)數(shù)溢出時(shí)，由單片機(jī)自動(dòng)置位為1。表1 控制寄存器TCON的格式位D7D6D5D4D3D2D1D0地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88HTCONTF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TMOD的格式如表2所示，TMOD寄存器不支持位尋址，高四位為T1方式字段，低四位為T0方式字段，GATE用于控制定時(shí)器邏輯輸入，C/T控制為定時(shí)模式還是計(jì)數(shù)模式，1為計(jì)數(shù)，0

32、為定時(shí)，M1，M0用于選擇定時(shí)器的工作方式，其工作方式如表3所示。表2 方式控制寄存器TMOD格式位D7D6D5D4D3D2D1D0TMODGATEC/TM1M0GATEC/TM1M0表3 定時(shí)器工作方式M1M0工作方式00方式0，為13位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器01方式1，為16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器10方式2，8位初始值自動(dòng)重載8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器11方式3，僅適用于T0，分成兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，T1停止計(jì)數(shù)由定時(shí)器的工作原理，我們發(fā)射超聲波之前配置好定時(shí)器工作方式，在單片機(jī)發(fā)出控制超聲波發(fā)射的同時(shí)開啟定時(shí)器，一直等到接收到反射回來(lái)的超聲波時(shí)再關(guān)閉定時(shí)器，就可得到超聲波的傳播時(shí)間。3.5 LCD1602液晶驅(qū)動(dòng)

33、程序設(shè)計(jì)VDD與VSS分別為電源正極和電源負(fù)極，VL為液晶顯示器的對(duì)比度調(diào)節(jié)端口，接VCC時(shí)對(duì)比度最弱，其對(duì)比度取決于VCC電壓值與VL接口電壓的差值，對(duì)比度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生影子。通常情況下VL端口外接一個(gè)電位器，用戶可根據(jù)需要調(diào)節(jié)電位器就可以調(diào)節(jié)對(duì)比度。RS為數(shù)據(jù)/命令選擇端，當(dāng)RS為高電平時(shí)，選擇為數(shù)據(jù)端口，當(dāng)RS為低電平，選擇為命令端口。RW為讀/寫選擇端，當(dāng)RW為高電平時(shí)寫，低電平時(shí)讀。E為使能信號(hào)，LCD1602正常工作時(shí)，E為高電平，當(dāng)E為低電平時(shí)，LCD1602停止工作。D0-D7為并行數(shù)據(jù)端口，一般情況下接單片機(jī)的一組I0口，BLA與BLK分別為背光電源的正極和負(fù)極，用于背光的供電。

34、LCD1602的接口信號(hào)說(shuō)明如表4所示。表4 LCD1602接口信號(hào)說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明編號(hào)符號(hào)引腳說(shuō)明1VSS電源地9D2Data I/02VDD電源正極10D3Data I/03VL液晶顯示偏壓信號(hào)11D4Data I/04RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5Data I/05R/W讀/寫選擇端（H/L）13D6Data I/06E使能信號(hào)14D7Data I/07D0Data I/015BLA背光源正極8D1Data I/016BLK背光源負(fù)極LCD1602可以一次顯示32個(gè)字符，每行顯示16個(gè)，其控制器內(nèi)部帶有80*8位（80字節(jié)）的RAM緩沖區(qū)，RAM地址與屏幕位置對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖8所

35、示。其中第一行有效的地址為00H-0FH，剩余的10H-27H為不可顯示的，主要用于移屏操作時(shí)使用。第二行的有效地址為40H-4FH，剩余的也為移屏操作時(shí)使用。圖8 LCD1602RAM地址映射圖LCD1602有四種工作方式分別為讀狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)，寫狀態(tài)，寫數(shù)據(jù)，讀狀態(tài)時(shí)RS=0，RW=1，E=1，主要用于檢測(cè)LCD1602此時(shí)的工作狀態(tài)。讀數(shù)據(jù)時(shí)RS=1，RW=1，E=1，用于讀取LCD1602中的數(shù)據(jù)，一般情況下不使用讀數(shù)據(jù)操作。寫狀態(tài)時(shí)RS=0，RW=0，E=1，用于控制LCD的工作狀態(tài)。寫數(shù)據(jù)時(shí)RS=1，RW=0，E=1，將要顯示的內(nèi)容寫入到LCD1602中去。LCD1602的指令說(shuō)明如

36、表5所示。其中指令碼38H為顯示模式設(shè)置，指令碼00001DCB為顯示開/關(guān)，以及光標(biāo)設(shè)置指令，其中B、C、D為可選擇的，可為1，也可為0.其中指令碼80H+RAM映射中的地址值為數(shù)據(jù)指針的物理位置，用于設(shè)置地址指針的位置，也就是字符要顯示的位置，指令碼01H為清屏指令，指令碼02H為顯示回車指令。表5LCD指令說(shuō)明指令碼功能00111000設(shè)置16*2顯示，5*7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口00001DCBD=1，開顯示 D=0，關(guān)顯示C=1，顯示光標(biāo) C=00，不顯示光標(biāo)B=1，光標(biāo)閃爍 B=0，光標(biāo)不閃爍000001NSN=1，當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1，且光標(biāo)加1N=0，當(dāng)讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地

37、址指針減1，且光標(biāo)減1000001NSS=1，當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示左移S=0，當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示不移動(dòng)80H加上地址碼（0-27H，40H-67H）設(shè)置數(shù)據(jù)指針指令00000001顯示清屏：1、數(shù)據(jù)指針清0 2、說(shuō)有顯示清000000002顯示回車：數(shù)據(jù)指針清0LCD1602的顯示程序包括初始化LCD1602，設(shè)置顯示位置，寫入要顯示的數(shù)據(jù)。在初始化過(guò)程中包括設(shè)置顯示模式，顯示關(guān)閉，顯示清屏，顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置和顯示開和顯示光標(biāo)設(shè)置。寫入的數(shù)據(jù)為ASCII碼值，在程序中用字符串形式定義要顯示的數(shù)據(jù)，編譯器在編譯后自動(dòng)譯為ASCII值。其顯示程序流程圖如圖9所示。圖9 LCD1602顯示

38、流程圖3.6 蜂鳴器報(bào)警模塊程序設(shè)計(jì)當(dāng)所測(cè)得的距離超過(guò)了人為設(shè)置的量程時(shí)，單片機(jī)STC89C52將驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，蜂鳴器的負(fù)端口通過(guò)一個(gè)100歐姆的電阻接地，蜂鳴器的正極接到了一個(gè)NPN型三極管的發(fā)射極，三極管的基極連接到單片機(jī)的I0口，因此我們只需要控制單片機(jī)的I0口的高低電平就可以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。在這里三極管只起到一個(gè)驅(qū)動(dòng)的作用，當(dāng)I0口為高電平時(shí)候，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器正端為高電平，當(dāng)I0口為低電平時(shí)候，三極管截止，蜂鳴器正端為低電平。而壓電式的蜂鳴器，只需要在其正端產(chǎn)生正負(fù)交替變化的方波，就能夠使得其發(fā)出聲音。4 系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果分析4.1 調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題及解決方法 4.1.1 回波

39、信號(hào)的誤接收由于超聲波發(fā)射探頭和接收探頭距離較近，當(dāng)發(fā)射探頭 發(fā)射超聲波后，有部分超聲波沒經(jīng)過(guò)障礙物反射就直接繞射到接收探頭上，這部分信號(hào)影響了系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果。設(shè)計(jì)中采用了兩個(gè)方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，一是略微增大發(fā)射探頭和接收探頭之間的距離，使影響降低；二是在發(fā)射完超聲波之后，開外部中斷之前增加10s的延時(shí)，接收電路對(duì)此期間接 收到的任何信號(hào)不予理睬，延時(shí)之后接收到的信號(hào)才是有效的回波信號(hào)。 4.1.2 外部中斷0的觸發(fā)方式?jīng)]有接收到超聲波信號(hào)時(shí)，INT0/P3.2引腳為高電平；接收到超聲波信號(hào)之后，該引腳變?yōu)榈碗娖健Ｒ虼死碚撋贤獠恐袛?的觸發(fā)方式采用下降沿觸發(fā)和低電平觸發(fā)均可。而在實(shí)際電路中，當(dāng)

40、采用下降沿觸發(fā)方式時(shí)，由于噪聲的影響，在沒有回波被接收的情況下，P3.2引腳的高電平經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)向下的毛刺信號(hào)，該信號(hào)引起外部中斷，造成了接收到回波信號(hào)的誤判。解決方法是采用低電平觸發(fā)，同時(shí)在進(jìn)入外部中斷之后判斷低電平的持續(xù)時(shí)間是否大于20s，只有當(dāng)滿足持續(xù)時(shí)間要求時(shí)，才判定接收到的信號(hào)為回波信號(hào)，而非噪聲。 4.2 測(cè)距結(jié)果及分析為了驗(yàn)證系統(tǒng)的性能，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了實(shí)地測(cè)量。將超聲波探頭正對(duì)平整的墻壁進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)距離不同記錄了12次實(shí)驗(yàn)結(jié)果，測(cè)距結(jié)果如表6所示。表中的實(shí)際距離是用塑料軟尺測(cè)量得到的，測(cè)量距離為測(cè)量5次結(jié)果之后的平均值。實(shí)際距離/cm測(cè)量距離/cm絕對(duì)誤差/cm88.11-0.1198.900.11010.09-0.091110.960.041212.12-0.121313.21-0.211413.900.11515.05-0.05表6 測(cè)距結(jié)果誤差產(chǎn)生及測(cè)量范圍有限的原因主要有：（1)超聲波能量的衰減。由于超聲波在傳播途中回波幅度 隨傳播距離成指數(shù)規(guī)律衰減，使得遠(yuǎn)距離回波很難檢測(cè)，即使系