課程設(shè)計(jì)（論文）數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄1. 引言12. 方案論證與比較22.1 超聲波測(cè)距的原理22.1.1 超聲波的基本理論22.1.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理22.2 超聲波發(fā)射電路42.3 超聲波接收電路52.4 溫度采集電路83. 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)93.1 系統(tǒng)整體框圖93.2 系統(tǒng)整體電路103.2.1 單片機(jī)電路113.2.2 復(fù)位電路113.2.3 時(shí)鐘電路123.2.4 按鍵電路123.2.5 蜂鳴器電路123.3 超聲波發(fā)送電路133.4 超聲波接收電路133.5 溫度采集ds18b20電路153.5.1 ds18b20簡介153.5.2 ds18b20使用163.6 lcd顯示電路163.6.1 1602液晶模塊

2、簡介163.6.2 1602液晶模塊初始化及設(shè)置184. 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)184.1 系統(tǒng)主程序模塊設(shè)計(jì)184.1.1 程序原理184.1.2 軟件流程圖194.1.3 程序代碼204.2 系統(tǒng)其他程序模塊設(shè)計(jì)224.2.1 超聲波發(fā)送程序224.2.2 超聲波的接收和處理234.2.3 距離計(jì)算程序244.2.4 ds18b20溫度采集程序244.2.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序284.2.6 lcd顯示程序295. 系統(tǒng)仿真326. 心得體會(huì)33參考文獻(xiàn)34數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要：基于傳統(tǒng)的方法在很多特殊場合：如帶腐蝕的液體，強(qiáng)電磁干擾，有毒等惡劣條件下，測(cè)量距離存在不可克服的缺陷，設(shè)計(jì)超聲

3、波測(cè)距能很好的解決此類的問題。本論文先介紹單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理，重點(diǎn)設(shè)計(jì)測(cè)量距離的超聲波的發(fā)生電路與接收電路系統(tǒng)和基于ds18b20溫度采集電路系統(tǒng)，再將采集結(jié)果顯示在lcd顯示屏上，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。 關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測(cè)距；ds18b20溫度；lcd顯示；軟件設(shè)計(jì)；誤差分析1. 引言在現(xiàn)代化的工業(yè)生產(chǎn)及日常生活中人們經(jīng)常需要用到一些數(shù)據(jù)，如：距離、溫度、濕度等等。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工具雖然也能得到這些數(shù)據(jù)但存在誤差比較大，導(dǎo)致工作質(zhì)量不高。采用單片機(jī)來采集數(shù)據(jù)系統(tǒng)能夠解決誤差大問題，提高采集數(shù)據(jù)的精確度，提高工作質(zhì)量。而且基于傳統(tǒng)的方法在很多特殊場合：如帶腐蝕的液體，強(qiáng)電磁干擾

4、，有毒等惡劣條件下，人不能直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)存在不可克服的缺陷。利用mcs-51單片機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠代替人在這些危險(xiǎn)的環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作。數(shù)據(jù)采集器的市場需求量大，以數(shù)據(jù)采集器為核心構(gòu)成的小系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，因此開發(fā)高性能的數(shù)據(jù)采集器具有良好的市場前景。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在多個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。如攝像頭，麥克風(fēng)，電子溫度計(jì)，數(shù)顯電子稱，電子血壓表都是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到的數(shù)據(jù)采集工具。數(shù)據(jù)采集是工、農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中至關(guān)重要的一環(huán)，在醫(yī)藥、化工、食品、等領(lǐng)域的生產(chǎn)過程中，往往需要隨時(shí)檢測(cè)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的溫度、濕度、流量及壓力等參數(shù)。將其在某一時(shí)間段內(nèi)檢測(cè)得

5、到的數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換提取出來，以便進(jìn)行比較，做出決策，調(diào)整控制方案，提高產(chǎn)品的合格率，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有廣闊的市場前景，在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中已越來越必不可小。數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯系統(tǒng)在社會(huì)生活中應(yīng)用廣泛。在各個(gè)領(lǐng)域中都有它的身影。它們具有測(cè)量精確、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。它們代替了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工具，成為人們工作生活中的主要工具。2. 方案論證與比較數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，輔助一定的外用設(shè)備就能夠用于采集到許多數(shù)據(jù)，但本文重點(diǎn)介紹距離和溫度的數(shù)據(jù)的采集。主要使用超聲波測(cè)距的方法來采集距離數(shù)據(jù)，在硬件上增加了溫度傳感器測(cè)溫電路，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測(cè)量相結(jié)合的辦法對(duì)

6、聲速進(jìn)行修正，降低了溫度變化對(duì)測(cè)距精度的影響，有利于提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。重點(diǎn)設(shè)計(jì)測(cè)量距離的超聲波的發(fā)生電路與接收電路系統(tǒng)和溫度采集電路系統(tǒng)，再將采集結(jié)果顯示在lcd顯示屏上，最后對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析。2.1 超聲波測(cè)距的原理2.1.1 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

7、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1。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（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，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。2.1.2 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

8、2。超聲測(cè)距大致有以下方法：(1)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；(2)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?。超聲波測(cè)距適用于高精度的中長距離測(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3

9、40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 2-1 測(cè)距原理2.2 超聲波發(fā)射電路(1) 分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路圖 2-2 分立元件構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖2-2是由兩只普通低頻小功率三極管c9013構(gòu)成的振蕩、驅(qū)動(dòng)電路，三極管q1、q2構(gòu)成兩級(jí)放大器，但是由于超聲波發(fā)射頭的正反饋?zhàn)饔?，這個(gè)原本是放大器的電路變成了振蕩器。超聲波發(fā)射器的壓電晶片可等效于一個(gè)串聯(lián)lc諧振電路，具有選頻作用，因此該振蕩器只能振蕩

10、在超聲波發(fā)射頭的固有諧振頻率f0。第二個(gè)圖中用電感l(wèi)替代r3這樣可以增大激勵(lì)電壓，使其具有較大的功率輸出3。(2) 由集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路圖2-3 555構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖2-3為由555集成芯片構(gòu)成的振蕩、調(diào)制、激勵(lì)電路。該電路應(yīng)使用雙極型555（內(nèi)部電路由普通三極管構(gòu)成），不宜使用單極型7555（內(nèi)部電路由cmos電路構(gòu)成，外部引腳與555相同），其原因是7555帶負(fù)載能力小。由555集成芯片構(gòu)成多諧振蕩器，該電路的震蕩周期為t=0.695（r19+2r22）c11，通過調(diào)節(jié)r22的阻值可以改變發(fā)射頻率4。(3) 由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖2-4 由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖2-4

11、是由非門構(gòu)成的一個(gè)振蕩器發(fā)送電路，用非門構(gòu)成的電路簡單，調(diào)試容易。很容易通過軟件控制。圖中把兩個(gè)非門的輸出接到一起的目的是為了提高其吸入電流，電路驅(qū)動(dòng)能力提高。(4)超聲波發(fā)射電路選擇結(jié)論 以上為常用的發(fā)射電路，分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路容易受到外界的干擾，體積、功耗也比較大。而集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路具有調(diào)試簡單，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，所以首先考慮采用集成電路來組成收發(fā)電路。 在由集成電路構(gòu)成的收發(fā)電路中，發(fā)射電路我們選用由非門構(gòu)成，主要是考慮到系統(tǒng)的調(diào)試簡單、成本低、可靠性好。2.3 超聲波接收電路(1) 由分立元件構(gòu)成的接收電路圖 2-5 為由三極管t1, t2和若干電

12、阻電容組成的兩級(jí)阻容耦合交流放大電路。第一級(jí)中rl為集電極負(fù)載電阻；r2為偏流電阻，同時(shí)引入了交直流并聯(lián)電壓負(fù)反饋，可以較有效的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，改善非線性失真以及增益的穩(wěn)定性；r4 是發(fā)射極負(fù)反饋電阻，引入直、交流串聯(lián)電流負(fù)反饋，具有穩(wěn)定工作點(diǎn)、增益、改善失真、提高輸入阻抗等作用。 圖 2-5 分立元件構(gòu)成的超聲波接收電路(2) 由運(yùn)算放大器構(gòu)成的接收電路 圖2-6是由運(yùn)放構(gòu)成的超聲波放大電路，該電路的形式在其他應(yīng)用中經(jīng)常遇到，特點(diǎn)如下： 1）一般用運(yùn)放組成的放大電路都要求對(duì)稱的正負(fù)電源供電，這里以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設(shè)置在1/2的電源電壓，這由同相輸入端的點(diǎn)的電位來確定，r15和

13、r17分壓取得1/2的電源電壓加到運(yùn)放的同相輸入端，使其電位1/2電源電壓。 2）采用同相端輸入方式其輸入阻抗高，超聲波接收傳感器的輸出信號(hào)接到放大器的同相端，有利于超聲波傳感器充分發(fā)揮接收靈敏度和自生的選頻作用。 3）反相端對(duì)地不提供直流通路，因此通過隔直電容c8提供直流通路。 圖 2-6 運(yùn)放構(gòu)成的超聲波接收電路(3) lm1812收發(fā)集成電路構(gòu)成 lm1812是一種專用于超聲波接收和發(fā)送的集成電路，它即可做發(fā)送電路，又可以做接收電路使用。如下圖2-7所示： 圖 2-7 由lm1812構(gòu)成的接收電路(4) cx20106構(gòu)成的接收電路圖 2-8 cx20106構(gòu)成的接收電路圖2-8是cx2

14、0106構(gòu)成的接收電路，內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)5。1腳是接收信號(hào)輸入端。2腳是調(diào)節(jié)接收信號(hào)靈敏度，電阻越小，靈敏度越高。電容越大，靈敏度越高。電容一般取1f，電阻50300 的，在干擾較大的場合增加電阻阻值可將靈敏度調(diào)低，干擾小的場合減小阻值將靈敏度調(diào)高。5腳主要用來調(diào)節(jié)中心頻率，這里取200 k，7腳接上拉電阻，這里取1 k左右。u4為超聲波接收頭

15、，當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷int0上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40khz 方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將此信號(hào)通過cx20106a 驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷0 口。單片機(jī)在得到外部中斷0 的中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0 的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。(5)超聲波接收電路選擇結(jié)論以上為常用的接收電路。集成電路cx20106a是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38khz與測(cè)距的超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明，用cx20106a接收超聲波（無信號(hào)時(shí)輸出高電平）具有很高的靈敏度和抗干擾能力。適當(dāng)?shù)母?/p>

16、改電容c4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。2.4 溫度采集電路 本系統(tǒng)中的溫度采集電路具有采集溫度并且對(duì)測(cè)距進(jìn)行補(bǔ)償?shù)淖饔?，選用ds18b20溫度傳感器作為溫度檢測(cè)元件能使該系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。 溫度傳感器ds18b20溫度范圍為-55125，最大分辨率在0.0625。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式?？梢苑謩e在 93.75 ms和 750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從ds18b20讀出的信息或?qū)懭雂s18b20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫,溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所

17、掛接的ds18b20供電，而無需額外電源。因而使用ds18b20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較ds1820有了很大的改進(jìn)，給用戶帶來了更方便的使用和更令人滿意的效果。其主要特點(diǎn)如下:(1)獨(dú)特的單線接口僅需要一個(gè)端口引腳進(jìn)行通信；(2)多個(gè)ds18b20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)組網(wǎng)功能；(3)無須外部器件；(4)可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.05.5；(5)零待機(jī)功耗；(6)溫度以或位數(shù)字；(7)用戶可定義報(bào)警設(shè)置；(8)報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件；(9)電源極性接反時(shí)，溫度計(jì)不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不

18、能正常工作；3. 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1 系統(tǒng)整體框圖數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，輔助一定的外用設(shè)備就能夠用于采集到許多數(shù)據(jù)，如：攝像頭、麥克風(fēng)、電子溫度計(jì)、數(shù)顯電子稱、電子血壓表都是我們?nèi)粘Ｉ钪薪?jīng)常用到以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯系統(tǒng)。但本文重點(diǎn)介紹距離和溫度的數(shù)據(jù)的采集，并將結(jié)果顯示在lcd上。本系統(tǒng)主要由以at89s52為核心、超聲波的發(fā)生電路和接收電路、ds18b20溫度采集電路、顯示電路等組成。首先，由溫度采集電路采集溫度在顯示電路上顯示出來，并且將采集到的溫度數(shù)送入單片機(jī)計(jì)算當(dāng)前溫度下的聲速確定后，然后通過超聲波的發(fā)生電路和接收電路測(cè)得超聲波往返的時(shí)間來測(cè)出距離并顯示。a

19、t89s52單片機(jī)控制器超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路lcd顯示電路溫度檢測(cè)電路圖 3-1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)顯系統(tǒng)整體框圖3.2 系統(tǒng)整體電路 圖 3-2 系統(tǒng)原理電路圖 圖3-2是系統(tǒng)原理電路圖。本次我們采用了atmel 公司的at89s52,該單片機(jī)主要特點(diǎn)如下：(1) at89s52系列單片機(jī)以8051為內(nèi)核，兼容mcs-51系列單片機(jī)。(2) at89s52系列單片機(jī)內(nèi)、內(nèi)部含有flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫。(3) at89s52采用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能。(4) at89s52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。(5) at89s52晶振頻率

20、高達(dá)24m，運(yùn)行速度更快。3.2.1 單片機(jī)電路 引腳功能：p0口用來送顯示信號(hào)給lcd的數(shù)據(jù)為，p20p22送命令到lcd控制lcd的顯示方式。p3.7為ds18b20溫度數(shù)據(jù)采集端。p1.0接測(cè)量按鍵6。 圖3-3 單片機(jī)主電路3.2.2 復(fù)位電路單片機(jī)在reset端加一個(gè)大于20ms正脈沖即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：1）上電復(fù)位在系統(tǒng)上電的瞬間，rst與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，rst電位下降，于是在rst形成一個(gè)正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即ms。一般取r1，c22uf7。 圖3-4復(fù)位電路2）手動(dòng)復(fù)位 當(dāng)人按下按鈕s1時(shí)，使電容c1通過r

21、1迅速放電，待s1彈起后，c再次充電，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。r1一般取200。3.2.3 時(shí)鐘電路當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，單片機(jī)的xatl1和xatl2用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3m24m，電容選擇30pf左右。我們選擇晶振為12mhz,電容33pf。 圖3-5 時(shí)鐘電路3.2.4 按鍵電路 我們通過p1.0來啟動(dòng)測(cè)量，程序中通過查詢p1.0的電平來檢測(cè)是否按鍵被按下，電路原理如下：當(dāng)按下按鍵時(shí)p1.0為低電平，單片機(jī)通過 查詢到低電平開始測(cè)量距離，當(dāng)松開按鍵，p1.0即為高電平。在軟件中通過軟件延時(shí)來消除按鍵的機(jī)械抖動(dòng)。 圖 3-6 按鍵電路3.2.5 蜂鳴器電路 本

22、次設(shè)計(jì)通過一只蜂鳴器來提示用戶按鍵按下了，現(xiàn)在單片機(jī)開始了測(cè)距。蜂鳴器時(shí)一塊壓電晶片，在其兩端加上35v的直流電壓，就能產(chǎn)生3khz的蜂鳴聲。電路如圖3-7通過單片機(jī)軟件產(chǎn)生3khz的信號(hào)從p3.7口送到三極管9.13的基極，控制著電壓加到蜂鳴器上，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音。 圖3-7 蜂鳴器電路3.3 超聲波發(fā)送電路超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭（“也稱為超聲波換能器”）的型號(hào)選用csb40t（其中心頻率為40khz）?？梢圆捎密浖a(chǎn)生40khz的超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好

23、，但是需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為100ma以上的驅(qū)動(dòng)電路8。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，非門可以選用74ls04，具體電路如圖： 圖 3-8 超聲波發(fā)送電路從圖中可知，當(dāng)輸入的信號(hào)為高電平時(shí)，上面經(jīng)過兩級(jí)反向csb40t的1引腳為高電平，下面經(jīng)過一級(jí)反向后為低電平；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，正好相反，實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號(hào)驅(qū)動(dòng)csb40t，只要控制信號(hào)接近40khz，就能產(chǎn)生超聲波。3.4 超聲波接收電路 超聲波接收包括接收探頭，信號(hào)放大以及波形變換電路三部分，

24、超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號(hào)，否則可能導(dǎo)致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信號(hào)非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過波形變換。本次設(shè)計(jì)為了降低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機(jī)上面的一種紅外接收檢波芯片cx20106，由于紅外遙控的中心頻率在38khz，和超聲波的40khz很接近，所以可以用來做接收電路。cx20106是日本索尼公司的產(chǎn)品，采用單列8引腳的直插式封裝，內(nèi)部包含自動(dòng)偏置控制電路、前置放大電路、帶通濾波、峰值檢波、積分比較器、斯密特整形輸出電路，配合少量外接元件就可以對(duì)38khz左右的信號(hào)的

25、接收與處理，該芯片內(nèi)部如下圖所示：圖3-9 cx20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)cx20106構(gòu)成本次設(shè)計(jì)接收電路如下圖：圖 3-10 超聲波接收電路使用cx20106a集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是cx20106a的引腳注釋9。1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與地之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r4或減小c4,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c4的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為r4=4.7，c4=1f。3

26、腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 3.3 f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取r=200k時(shí)，f042khz，若取r=220k，則中心頻率f038khz。6腳： 該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22 k，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有

27、信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳：電源正極，4.55v。3.5 溫度采集ds18b20電路本次我們考慮溫度補(bǔ)償所以需要對(duì)溫度進(jìn)行采集，以使我們的設(shè)計(jì)更加精確，溫度的采集通常使用ds18b20一線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡潔，具體電路圖如下圖3-11所示。圖3-11 溫度采集ds18b20電路3.5.1 ds18b20簡介 ds18b20是美國dalls公司推出的ds1820的替代產(chǎn)品，具有9、10、11、12位的轉(zhuǎn)換精度，未編程時(shí)默認(rèn)的精度是12位，測(cè)量精度一般為0.5c，軟件處理后可以達(dá)到0.1c，溫度輸出以16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制數(shù)形式提供，低位在先，以0.0625c/lsb形式表達(dá)。其中高五位為擴(kuò)

28、展符號(hào)位。轉(zhuǎn)換周期與轉(zhuǎn)換精度有關(guān)，9位轉(zhuǎn)換精度時(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為93.7 ms，12位轉(zhuǎn)換精度時(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為750ms。ds18b20引腳判斷方法是：字面朝人，從左到右依次是1（gnd）、2（輸入/輸出）、3（vcc）10。3.5.2 ds18b20使用 ds18b20可以直接讀出被測(cè)溫度值，而且采用了線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路。當(dāng)ds18b20處于寫存儲(chǔ)器操作和溫度a/d變換操作時(shí)，總線上必須有強(qiáng)的上拉，上拉開啟時(shí)間最大為10s。采用寄生電源供電方式是vcc和gnd端均接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接收口必須是三態(tài)的。主機(jī)控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個(gè)步驟：

29、初始化、rom操作指令、存儲(chǔ)器操作指令。假設(shè)單片機(jī)系統(tǒng)所用的晶振頻率為12mhz，根據(jù)ds18b20的初始化時(shí)序、寫時(shí)序和讀時(shí)序，分別編寫3個(gè)子程序：init為初始化子程序，write為寫（命令或數(shù)據(jù)）子程序，read為讀數(shù)據(jù)子程序，所有的數(shù)據(jù)讀寫均由最低位開始，實(shí)際在實(shí)驗(yàn)中不用這種方式，只要在數(shù)據(jù)線上加一個(gè)上拉電阻4.7 k（圖3-11中的r13為上拉電阻，阻值選5k左右）,另外2個(gè)腳分別接電源和地11。3.6 lcd顯示電路3.6.1 1602液晶模塊簡介 本設(shè)計(jì)采用lcd液晶顯示屏顯示。其具有體積小、功耗低、界面美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，這里使用yb1602液晶屏，1602顯示模塊用點(diǎn)陣圖形顯示字

30、符，顯示模式分為2行16個(gè)字符。它具有16個(gè)引腳，其正面左起為第一腳，如下圖所示：圖3-12 lcd顯示電路 第1腳gnd：接地。第2腳vcc：+5v電源。第3腳vo：對(duì)比度調(diào)整端。使用時(shí)接一個(gè)10k 的 電阻調(diào)節(jié)。第4腳rs:寄存器選擇信號(hào)線。第5腳rw:讀寫信號(hào)線。第6腳e：使能端，當(dāng)e由高電平跳變低電平時(shí) 執(zhí)行命令。 第714腳：8位數(shù)據(jù)線d0d7。 第15腳bla:背光電源正極輸入端。第16腳blk:背光電源負(fù)極輸入端。 1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（cgrom)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符

31、都有一個(gè)固定的代碼， 比如大寫的英文字母“a”的代碼是 01000001b（41h），顯示時(shí)模塊把地址41h中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“a”。 因?yàn)?602識(shí)別的是ascii碼，試驗(yàn)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，如a。1602通過d0d7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。操作控制表操作讀狀態(tài)寫指令讀數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入rs=0，rw=1，e=1rs=0，rw=0，d07=指令碼，e=h脈沖rs=1，rw=1，e=1rs=1，rw=0，d07=數(shù)據(jù)，e=h脈沖表3-1 lcd1602操作指令3.6.2 1602液晶模塊初始化及設(shè)置1）顯示模式設(shè)置：

32、0011 0000 0x38設(shè)置162顯示，57點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口； 2）顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： 0000 1dcb d顯示(1有效)、c光標(biāo)顯示(1有效)、b光標(biāo)閃爍(1有效)0000 01ns n=1(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1 &光標(biāo)加1)，n=0(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，s=1 且 n=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) 3）數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80h，所以數(shù)據(jù)地址為80h+地址碼(0-27h，40-67h) 4）其他設(shè)置：01h(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針=0，所有顯示=0)；02h(顯示回車，數(shù)據(jù)指針 =0)。4. 軟件系統(tǒng)

33、的設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)主程序模塊設(shè)計(jì)4.1.1 程序原理 本設(shè)計(jì)主程序的思想如下： (1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為mm； (2)溫度每隔900ms采樣一次，ds18b20在12位精度下轉(zhuǎn)換周期為750ms ,故900ms滿足該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次。 (3)按鍵s為測(cè)量啟動(dòng)鍵； (4)系統(tǒng)采用at89s52的內(nèi)時(shí)鐘：12mhz； (5)超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測(cè)，避免直達(dá)信號(hào)造成誤判。所以系統(tǒng)最小測(cè)量約為112mm； (6)沒有使用看門狗功能；4.1.2 軟件流程圖通過lcd顯示計(jì)算出距離值延時(shí)0.5s關(guān)閉計(jì)數(shù)器換算當(dāng)前溫度下的聲速讀取溫度值計(jì)算超聲波傳播時(shí)間發(fā)4

34、0khz方波3個(gè)周期，開啟計(jì)數(shù)器發(fā)射信號(hào)進(jìn)入中斷初始化開始 圖 4-1 主程序流程圖4.1.3 程序代碼void main(void) uchar i,j; for(i=0;i255;i+) for(j=0;j255;j+); /延時(shí)，等待系統(tǒng)外圍復(fù)位完成 sys_init(); /初始化 display(); /顯示 sta_flag=0; /標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位 waitforstarting: /檢測(cè)按鍵 while(start); for(i=0;i20;i+) delay1ms(); if(start) goto waitforstarting; buzzer=0; /蜂鳴器鳴音一次提示按鍵按下

35、 i=100000; while(i-); buzzer=1; i=100000; while(i-); tr0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器0 et0=1; testtemp(); /啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換 while(1) if(sta_flag) /60ms到了，超聲波已經(jīng)發(fā)送 while(0=csbin); /等待超聲波返回 tr1=0; jsh=th1; /停止計(jì)數(shù) jsl=tl1; if(15=count) /1s到，檢測(cè)溫度 temp=wd(); count=0; testtemp(); /重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換 display(); /刷新顯示 computer(); /計(jì)算距離 hextobcd(); /

36、轉(zhuǎn)化成bcd碼 sta_flag=0; /標(biāo)志清零 void sys_init(void) uchar i; for(i=0;i29;i+) /顯示清零 numi=0; tmod=0x11; th0=0x15; tl0=0xa0; p0=0; cnt=0; /超聲波發(fā)送關(guān)閉 csbin=1; ea=1; /開放總中斷 init_lcd(); 4.2 系統(tǒng)其他程序模塊設(shè)計(jì)4.2.1 超聲波發(fā)送程序 (1) 程序原理超聲波的每過 60ms發(fā)送一次，通過定時(shí)器t0中斷中發(fā)送超聲波，超聲波發(fā)送后延時(shí)一段時(shí)間后返回。由于超聲波的發(fā)射探頭t發(fā)出的超聲波一部分會(huì)直接傳送到超聲波的接收探頭r中，從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的

37、判斷；為了避免這一錯(cuò)誤的產(chǎn)生，在開始發(fā)出信號(hào)時(shí)，必須關(guān)閉外部中斷int0；當(dāng)發(fā)射完畢時(shí)，開啟外部中斷 int0 ，同時(shí)還要先清掉外部中斷的請(qǐng)求標(biāo)志ie0 ，這又是因?yàn)樵陉P(guān)閉了外部中斷的情況下，中斷信號(hào)還是會(huì)產(chǎn)生的，請(qǐng)求標(biāo)志仍然存在，只有清除了該標(biāo)志位，才能避免系統(tǒng)對(duì)該中斷請(qǐng)求的響應(yīng)12。(2) 軟件流程圖定時(shí)器初始 發(fā)射超聲波開計(jì)時(shí)器停止發(fā)射返回 圖 4-2 超聲波發(fā)送程序流程圖 (3) 程序代碼void timer0(void)interrupt 1 using 0 th0=0x15; tl0=0xa0; th1=0; tl1=0; sta_flag=1; /標(biāo)志置為1 count+; /計(jì)

38、次單元加1 _nop_(); /開始發(fā)送超聲波40khz _nop_(); _nop_(); cnt=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); cnt=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); tr1=1; /啟動(dòng)定時(shí)器1計(jì)數(shù) delay15(50); /延時(shí)避開直達(dá)信號(hào)4.2.2 超聲波的接收和處理 超聲波由超聲波接收頭接收，經(jīng)過cx20106檢波放大變換后送到單片機(jī)的p2.6腳

39、，程序中通過指令： while(0=csbin)；來查詢，接收到超聲波信號(hào)后往下面執(zhí)行，進(jìn)行計(jì)算處理，距離計(jì)算中，實(shí)行了溫度補(bǔ)償和夾角補(bǔ)償。本設(shè)計(jì)中需注意當(dāng)距離過遠(yuǎn)或者沒有返回信號(hào)時(shí)候，定時(shí)器t1的溢出必須處理13。4.2.3 距離計(jì)算程序 距離計(jì)算中，實(shí)行了溫度補(bǔ)償和夾角補(bǔ)償。程序代碼如下 void computer(void) /距離計(jì)算函數(shù) float c,d,s; uint t; if(temp 0; i-) dq = 0; dq = dat&0x01; /寫入命令 delay(5); dq = 1; dat=1; /移位為寫入下一位準(zhǔn)備/*字讀函數(shù)*/uchar readonecha

40、r(void)/讀一個(gè)字節(jié)uchar i = 0;uchar dat = 0; for (i = 8; i 0; i-) dq = 0; / 給脈沖信號(hào) dat = 1; dq = 1; / 給脈沖信號(hào) if(dq) dat |= 0x80; /拼裝處理 delay(15); return (dat);*讀取溫度函數(shù)*/ uint wd(void) unsigned int a = 0, b = 0, t = 0; init_18b20(); /初始化ds18b20 writeonechar(0xcc); /跳過讀序號(hào)列號(hào)的操作 writeonechar(0xbe); /讀取溫度寄存器 a =

41、 readonechar(); /讀取一個(gè)字節(jié) b = readonechar(); t = b; t = 8; t = t | a; /字節(jié)合并 return (t); /返回結(jié)果給調(diào)用 4.2.5 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序經(jīng)過求的數(shù)據(jù)原碼無法直接用于顯示，必須轉(zhuǎn)換為lcd所接受的bcd碼的形式，而且在溫度補(bǔ)償和距離計(jì)算中沒有考慮小數(shù)點(diǎn)的存在，而實(shí)際顯示必須考慮小數(shù)和有效位數(shù)，這樣就必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行取舍。*數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)* void hextobcd(void) /轉(zhuǎn)化成2進(jìn)制 float tp; unsigned long int tmp; fuhao=0; if(temp0x8000) tp=temp*

42、0.0625; else /溫度小于0，求補(bǔ)碼得到原碼 bm(); tp=temp*0.0625; fuhao=1; tp*=10; tmp=tp; num12=tmp/100; /數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后放到顯示數(shù)組 if(fuhao) num12=num12|0x80; /最高位加上負(fù)號(hào) num13=tmp/10-(tmp/100)*10; tmp=distance; num25=tmp/1000; tmp%=1000; num26=tmp/100; tmp%=100; num27=tmp/10; tmp%=10; num28=tmp/1; 4.2.6 lcd顯示程序 (1) 程序原理 lcd液晶顯示程

43、序分為液晶初始化、讀忙、寫指令和寫數(shù)據(jù)操作，液晶顯示器是一塊慢器件，所以在執(zhí)行每條指令之前必須確定模塊忙標(biāo)志為低電平（不忙），否側(cè)此指令無效。 (2) 軟件流程圖 圖 4-4 lcd顯示程序流程圖(3) 程序代碼 *lcd的初始化*void init_lcd(void) delay(); /稍微延時(shí)，等待lcd進(jìn)入工作狀態(tài)write_comm(0x01);/清顯示write_comm(0x02);/光標(biāo)歸位 write_comm(0x38);/8位2行5*8 write_comm(0x06);/文字不動(dòng)，光標(biāo)右移 write_comm(0x0c);/顯示開/關(guān)，光標(biāo)開閃爍開write_comm

44、(0x18);/左移*判讀lcd是否為忙狀態(tài)*void read_busy(void)/讀忙信號(hào)判斷dolcd_data = 0xff;rs = 0;rw = 1;e = 0;delay();e = 1; while(busy);*寫入指令函數(shù)*void write_comm(uchar lcdcomm) lcd_data = lcdcomm;rs = 0;rw = 0;e = 0;read_busy(); e = 1;*寫入數(shù)據(jù)函數(shù)*void write_data(uchar lcddata)lcd_data = lcddata;rs = 1;rw = 0;e = 0;read_busy();e = 1;*lcd顯示函數(shù)*void display(void) uchar a,b,d; /init_lcd(); write_comm(0x01);/清顯示 write_comm(0x80);/寫首地址 for(a=0;a11)&(a14) d=numcodenuma; /待顯示的結(jié)果 if(14=a) d=0xdf; write_data(d); /寫入要顯示的數(shù)據(jù) write_comm(0xc0); /換