基于单片机的超声波测距系统设计.docx

郑州大学毕业设计（论文）题 目：基于单片机的超声波测距系统设计 指导教师：马旭东 职称： 讲师 学生姓名： 郭浩泉 学号： 20102410105 专 业： 电子信息工程 院（系）： 信息工程学院 完成时间： 2014年5月18日 2014年 5月 18日毕业设计（论文）任务书附表一 题目来源：课题名称基于单片机的超声波测距系统设计设计人姓名郭浩泉学号20102410105指导教师姓名、职称马旭东 讲师指导时间/地点院办公室专业班级电子信息工程一班1、 设计（论文）内容1.了解超声波测距的特点；2.熟悉proteus设计软件的应用；3.设计一种以单片机为核心的低成本、高精度、LCD数字显示、DS18B20温度补偿、蜂鸣器报警超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法（最好做出实物）；二、设计（论文）的主要技术指标1.测量范围：2-450cm；2.测量精度：1cm；3.工作电压：DC 5V；4.工作频率：40kHz；三、进度安排1-2周：初步了解毕业设计课题的实际意义，课题在国内外的发展概况；3-4周：编写开题报告；5-6周：完成硬件结构设计、进行硬件型号选择，完成系统的构建；7-8周：画电路图，方框图，程序流程图；9-10周：设计软件部分；11-12周：进行综合调试；13-14周：撰写毕业论文，准备毕业答辩。四、毕业设计（论文）提交的文档及基本要求1毕业论文一本（包含封面、毕业设计任务书、开题报告、毕业设计中期检查I、II、目录、中英文摘要、论文内容及参考文献、成绩评价意见等文件按上述顺序一块装订成册）2不少于5000汉字的科技翻译资料一份3、毕业论文简介（A4纸12页）（包含题目、专业、年级、姓名、指导教师、毕业论文所做的工作、解决的问题、创新之处等）4专业学习总结一份（不少于5000字）此表指导教师填后、复印，指导教师、学生各保存一份，交院教学办一份毕业设计（论文）开题报告附表二课题名称基于单片机的超声波测距系统设计学生姓名郭浩泉学号20102410105专业班级电子信息工程一班一、选题的目的意义目的：伴随着高效高频空气换能器的研制和电子技术的发展，使得空气中的超声检测技术显示出新的活力，并取得到了广泛应用。利用空气中超声回波检测技术可实现距离的非接触式测量。除超声方法外，其它物理方法也可用于物体的非接触式检测，如电磁或光学的方法。但它们均对样品性质有一定要求，或需要样品导电，可需要其表面具有较高的光学反射率。而且，采用光学方法有时代价很高（如三角关系法或回波法）。有时所需处理的信息量很大（如摄像法）。空气耦合超声换能器系统简单，性能价格高。由于空气中声波速度慢，其回波信号中包含的沿声传播方向上的结构信息很容易被检测出来，具有很高的分辨率。意义：在工业自动化领域，机械手得到越来越广泛的应用。在装配线上，要求机械手能准确抓起工件，这首先要求机械手能识别工件，判断其位置、取向等，这就是所谓的“机器”视觉问题。可将距离传感器直接安装于机械手上，这样机器人的动作可根据实际任务自动控制。另外，超声波测距在液位测量、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。二、国内外研究综述国际上目前采用较多的测距方法有脉冲回波法、连续波调频法、相位法和脉冲响应-低通变换法等。超声回波经常采用检测第一个回波周期的办法来测量回波时间。但由于噪声的存在，第一个回波周期经常会被漏测或误测。这时一般可采用增加测量次数的办法来提高测量精度，即多次平均法。为了提高时间测量的精度，也可以采用脉冲重叠法、回波激发法等技术来进一步提高精度。另一种测量回波时间的方法是检测回波包络的最大值。Figueroa等的测量表明，得用包络法结合相位法测量40KHz回波信号，测距精度可达0.025mm，测距范围2m。Lee等提出了采用调幅波来激发的三频率相位比较法，对于500mm的测距范围，测距精度可达0.3mm。Homberg等建立了一套采用白噪声激发、利用带通至低通变换脉冲响应的包络来求回波时间的方法，对于300mm的测距范围，测距精度可达0.25mm。三、毕业设计（论文）所用的方法本设计拟采用模块化设计方法。本设计拟采用AT89S52单片机作为主控芯片，采用HY_SRF05超声波传感器作为超声波发射、接收模块，采用LCD1602液晶显示器作为显示模块，采用DS18B20温度传感器作为温度补偿模块，5V有源蜂鸣器作为报警模块，S8550PNP型三极管作为开关电源模块。四、主要参考文献与资料获得情况1郭天祥.新概念51单片机C语言教程入门、提高、开发、拓展全攻略.电子工业出版社，20092袁易全.近代超声原理及应用.南京大学出版社，1996.3冯若.超声手册.南京大学出版社，1999.4彭伟.单片机C语言程序设计实训100例基于8051Proteus仿真.电子工业出版社，2009.5何希才.常用传感器应用电路的设计与实践.科学出版社，2011. 设计所需资料主要从图书馆借阅。五、指导教师审批意见 该选题切合实际需要，超声波测距日常应用广泛，其专用的传感器模块前景广阔，且目前研究较为成熟，合适的芯片便于查找。该生设计方法得当，步骤合理，选题难度适中，应该能达到预期的目标，完成毕业设计任务。签字： 2014 年 2 月 26 日毕业设计工作中期检查附表三 2014年 3 月 20日课题名称基于单片机的超声波测距系统设计姓 名郭浩泉专业和班级电子信息工程一班指导教师马旭东一、毕业设计具体内容、目标和可能遇到的问题内容：设计一个包含超声波发射/接收模块、温度补偿模块、报警模块、显示模块的超声波测距系统。由单片机作为主控芯片，协调各模块有条不紊的工作，达到测距的目的。目标：本设计应能够提供2cm_450cm的非接触式距离感测功能，测距精度应达到1cm。可能遇到的问题：本设计可能遇到的最大问题就是超声波的接收问题，由于超声波接收探头所接收到的信号往往比较弱，且附带着噪声，因此对接收信号的处理就成为本设计最大的难题。另外,第一次操作DS18B20温度传感器，对其总线协议和时序操作也不太熟悉。二、采取的研究方法、技术路线、实验方案及可行性分析研究方法：首先通过大量阅读文献了解选题背景、意义、国内外发展现状，通过参考文献和所学知识，了解选题的所需模块和各模块的工作原理。最后运用模块化设计方法，逐个进行软硬件设计。技术路线：本设计采用40KHz的超声波作为测量媒介。整个系统包括主控电路、超声波发射、接收电路、温度补偿电路、报警电路、显示电路。 实验方案：通过阅读文献、查找资料，选定系统各模块所需芯片，根据芯片要求设计外围电路，进行系统整体软硬件设计。最后进行硬件焊接，进行软硬件调试。可行性分析：声波声强与频率的平方成正比，本设计采用40KHz的超声波在空气中的衰减缓慢。DS18B20测温范围广，测温精度可达到0.065，可以精确地对声速进行补偿，达到精确测量目的。 三、指导教师对学生出勤、文献阅读等方面的评语 该生积极出勤，能够自主学习，刻苦钻研，并且严格按照拟定的设计步骤，完成设定的任务。积极查找超声波测距方面的文献资料，在课题研究的相关问题上，积极询问老师，课题设计进展良好。 签字： 2014 年 3 月 20日此表学生填写，指导教师给出评语后，复印件于第五周交院教学办公室。毕业设计工作中期检查附表四 2014 年 4 月 20日课题名称基于单片机的超声波测距系统设计姓 名郭浩泉专业和班级电子信息工程一班指导教师马旭东一、阶段性结果经过几周查阅书籍、文献工作，对超声换能器的基本原理有一定程度的认知，同时对超声波的发射和接收有了一定程度的理解，尤其是超声波的发射过程，学会了MAX232电平转换芯片的电路和操作。另外，通过查阅相关资料，逐步理解了对液晶和温度传感器的时序操作。同时也学会了S8550 PNP型三极管开关设计和操作方法。现在已经初步画出整个系统的电路图。二、存在的问题现在存在的最大问题还是对超声波接收模块的理解。现在对于信号的放大电路、滤波电路、比较输出电路都没有很深的理解，还有就是比较电路阈值电平的选择过程比较困难。另外，单片机程序设计也是目前存在的很大的问题，包括液晶和温度传感器读/写操作的时间延时问题，实时性测距的问题等。三、后一步工作设想 以后要认真翻阅模拟电子技术方面的书籍，特别是由集成运放构成的各种电路，如，同/反相放大电路、加减运算电路、积分电路、微分电路、各种滤波电路等，同时还要学习LM324的单电源操作方法。另外也要多查阅单片机程序设计方面的书籍，尽快学会液晶和温度传感器的时序操作。四、指导教师对学生出勤、论文进展方面的评语 该生积极出勤，刻苦学习课题相关内容，能够按步骤完成拟定的设计目标。在毕业设计相关问题上，如芯片外围电路功能，能发现问题并且及时询问老师。现在正在进行元器件购买和硬件焊接任务。 签字： 2014 年 4 月 20日指导教师组织学生口头汇报后，学生填写该表，教师给出评语后，于第十周交院教学办公室。基于单片机的超声波测距系统设计摘要 距离是在不同场合中经常需要检测的一个参数，人们一直都在研究和探讨实现距离测量的最佳方法。介绍了超声波测距的原理，利用超声波传感器作为核心器件，采用温度补偿的方法实现了对5cm360cm距离的准确测量。该测距系统由AT89S52单片机、HY_SRF05超声波传感器、DS18B20温度补偿电路、LCD1602显示电路、报警电路等组成。此系统具有易控制、工作可靠、测距准确度高等优点。测量结果表明，该系统误差不超过3cm。该系统具有结构简单、成本低、性能可靠，精度高，实时显示障碍距离等优点，有一定的实用价值。关键词：AT89S52；HY_SRF05；超声波测距；温度补偿Abstract: The distance is a parameter that needs to be detected in different occasions. People have been studying and discussing the best way to realize the distance measurement. The principle of ultrasonic distance measurement is presented. Ultrasonic sensors are used as the core device and method of temperature compensation is introduced to realize the accurate measurement of distance from 5 centimeters to 360 centimeters. The system includes AT89S52 single chip, HY_SRF05 ultrasonic sensor, DS18B20 temperature compensation circuit, LCD1602 display circuit and alarm circuit. Test results show that the measurement error of the system is less than 3 centimeters. Because of the characteristics of simple structure, lost cost, reliable performance, high accuracy and real-time distance display of obstacles. The system has certain practical value. Keywords: AT89S52; HY_SRF05; Ultrasonic Ranging; Temperature Compensation目录1 绪论11.1 课题背景及意义11.2 国内外现状12 超声波测距系统原理22.1 超声波及其特征量22.1.1 超声波22.1.2 超声波基本波形32.1.3 声速32.1.4 声强32.2 超声波传感器32.3 超声波测距原理52.4 系统整体结构设计53 系统硬件设计53.1 单片机最小应用系统53.1.1 AT89S52单片机简介63.1.2 时钟电路73.1.3 复位电路83.2 超声波发射电路93.3 超声波接收电路113.4 HY_SRF05传感器模块电路123.5 LCD1602液晶显示电路123.5.1 LCD1602液晶显示器简介123.5.2 显示电路133.6 温度补偿电路143.6.1 DS18B20温度传感器简介143.6.2 测温电路153.7 蜂鸣器报警电路154 系统软件设计164.1 流程图164.2 程序设计184.2.1 按键子程序设计184.2.2 DS18B20测温子程序设计184.2.3 LCD1602显示子程序设计195 软件编译及系统仿真195.1 软件编译195.2系统仿真205.2.1 仿真环境205.2.2 仿真206 实验结果分析237 总结与展望247.1 总结247.2 展望24致谢25参考文献26附录127附录228 1 绪论1.1 课题背景及意义传统的测距方法在某些特殊条件下存在着很多不易解决的问题。例如，传统的接触式液位测量，由于电极长期浸泡在液体中，所以存在易腐蚀、不便检修和维护、失去灵敏性等问题。而应用超声波的液位测量具有非接触、检修和维护方便、结构简单、性能稳定等优点，彻底解决了传统的接触式测量存在的问题。另外，超声测距分辨率高、方向性强、适用范围广，并且几乎不受光线、烟雾、电磁干扰等因素的影响。超声波测距在移动机器人避障、工业控制、三维精确定位、倒车雷达、曲面形仿检测等领域得到了广泛的应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息容易检测出来，具有较高的分辨力，因而其准确度也较其它方法高。超声波测距电路既可以由分立元器件搭建，但此种方法搭建的电路往往结构庞大、可靠性差、调试困难、不易扩展。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射和接收超声波，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，其测量电路小巧、精度高、反映速度快、可靠性好。在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。1.2 国内外现状 超声换能器：以气体为耦合介质，在空气中发射和接收超声波进行超声检测的检测技术是检测声学的一个重要领域。气介超声检测技术主要具有两个方面的优点：一是因为气体在空气中的波速较慢，所以气体中声波波长短，在气体中进行测距具有更高的精度和分辨率；二是其非接触式检测方式，适合于无法使用其它耦合剂的其他应用领域。超声检测技术在距离测量、室内报警、导盲等方面得到了广泛应用。但气介超声检测技术很久时间以来都没有得到很好的展，其最主要的原因是，超声波在气体界面上的声透射非常低，气体的声阻抗高达4000瑞利。另外，空气中声波频率越高衰减越强、空气中声波波速随温度变化、空气中检测声波易受环境噪声影响等原因也制约了气介超声检测技术的发展，但长期以来限制气介超声检测技术应用的恰巧是超声换能器本身。由于空气的声阻抗和换能器材料的声阻抗不同，导致严重的阻抗不匹配，从而空气换能器的效率很低，频带也很窄，从而不能满足一般超声检测系统的信噪比、分辨率、灵敏度的要求。但最近一段时间以来，空气换能器的研究伴随着纳米加工技术和材料科学的发展也有了很大的发展。新型的采用多层匹配技术的压电陶瓷空气换能器和采用半导体硅工艺制成的电容式换能器在中心频率、带宽、插入损耗等特性都有非常大的改善，也促进了气介超声检测技术的发展。目前常用的气体耦合超声换能器有静电式空气超声换能器和压电式超声换能器，它们都具有效率高、频带宽的特点。气体耦合超声换能器件的发展，使空气中超声检测技术得到了广泛应用利用脉冲回波检测技术可实现距离的非接触测量。 超声波回波信号处理方法：超声波测距中，超声波回波处理方法的优劣，直接关系到回波前沿的定位精度和渡越时间的测量精度，进而决定着超声探测定位系统的精度和反应速度。近年来，童峰、Yang Yichun、程晓亮、Figueroa、Lee、Homberg等先后在该方面做了大量研究。童峰等提出最小均方自适应时延估计（LMSTDE）的算法。该算法消去了实际换能器与理想换能器的频率特性差，消除了信道由于斜向入射产生的传递特性对输出信号产生的影响，使整个系统保持平坦的频率响应，且输出均方误差最小。但该算法计算量太大，特别在自适应滤波器的阶数高时，计算量明显增加。Yang Yichun等针对传统相关计算法在信号的采样频率很低时计算得出的相关函数分辨率低这一不足，提出了基于修正的线性调频变换和相关峰细化原理的精确时延估计快速算法，精确计算相关函数的峰，使得低采样信号的时延估计精度得以提高，并且不受采样率的限制。 程晓畅等针对常规相关峰插值方法在多倍插值的情况下，计算复杂、时延估计精度差等缺陷，结合超声回波信号的窄带通特性和相关峰细化原理，提出了直接提取相关函数包络和包络峰细化的算法，并分析了计算复杂度; 并且还针对超声波换能器的带宽特性和单脉冲回波特性，对 M 序列参数设计方法进行分析，他们借鉴雷达信号处理中的脉冲压缩技术，提出了基于 FFT 的伪随机码包络相关快速时延估计的算法，将信号解调与匹配相关融合，减少了计算量这三种算法均属于互相关函数算法，与传统互相关函数算法相比，它们均在提高时延估计精度的同时，避免了计算量的大幅增加。 卜英勇等根据回波信号的传输特征，利用小波分析法对回波信号进行运算处理，提出了基于小波包络原理的峰值监测方法 小波分析法是一种针对信号的时间-尺度（时间-频率）进行分析的方法，可以获得平滑、有效的回波包络曲线，进而利用峰值检测法确定回波前沿的到达时刻，具有高分辨率的优点。 付华等尝试利用 Elman 反馈神经网络逼近真实函数，以期望提高避障系统的测量精确度，降低避障系统的误判率。Elman 网络隐层采用了“tansig” 激活函数，输出层选用了“pureline” 激活函数，从而只要有足够的隐层神经元个数，网络就能够以任意精度逼近任意函数。试验证明，该方法在对超声波测距传感器进行温度、湿度补偿后，其测量精度提高了两个数量级。 陈先中等基于能量重心校正法和最小二乘法的原理，提出了一种改进型椭圆中心超声回波寻峰的算法，即通过曲线拟合搜索回波信号能量集中点椭圆中心点，进而找到回波信号的峰值点。与包络线法和三次多项式法相比，此算法相对误差稳定在 0. 2%，适用于高精度工业测量。目前，国内学者对超声波回波信号处理算法的研究已经日渐成熟，但其作为超声波探测定位的关键技术，仍将是一个重要的研究方向。2 超声波测距系统原理2.1 超声波及其特征量2.1.1 超声波 通常将频率高于人耳能听到的声波称为超声波，频率为20-20000Hz的声波能为我们的耳朵所听到，所以频率低于20Hz的声波叫做次声波，频率高于20000Hz的声波叫做超声波。超声波因其具有方向性好、穿透能力强、传播距离远等特性，在工业、农业、日常生活、军事等领域得到广泛应用。这项被学术界、工程界所公认的未来产业和高新技术之一的超声技术，随着物理、机械、电子、材料学的长足进步及许多边缘或交叉工业领域的需求，近二十年来，这项高新技术得到迅速发展。2.1.2 超声波基本波形波是物体的粒子仅在其位置附近振动，而不移动到远方。波向远方传播，只是粒子的振动引起邻近粒子的振动。超声波有三种不同的波形：横波，质点位移矢量垂直于波的传播方向；纵波，质点位移方向平行于波的传播方向；表面波，质点位移矢量由既不垂直于也不平等于波的传播方向，沿介质表面传播。横波可以在空气、液体、固体中传播，而纵波只能在气体中传播。本超声测距系统使用的就是纵波。2.1.3 声速声速即声音在介质中传播的速度。由于气体没有切向弹性，只有体积弹性，因而在气体中只能传播纵波。对于任何气体，即使是在线性声学的条件下，给出声波的传播速度也比较复杂。因此我只能给出理想气体声速表达式： 由泰勒公式展开可近似为： 将根据此声速公式对超声测距的声速进行温度补偿。 式中：-气体绝热体积压缩系数； P-周围环境压力 R-摩尔常数T-开尔文温度 M-气体分子量 C-摄氏温度 -气体定压比热和定容比热比2.1.4 声强声强即声音的强度，是指声波每秒每平方厘米在波的传播方向上所传播的能量，声强表达式为： 从声强公式中可以看出，声强和声波振幅的平方成正比，和声波频率的平方也成正比，因而根据此声强公式，为了使测量距离更远选择频率为40KHz的超声波。2.2 超声波传感器超声波传感器是利用压电效应的原理，所谓压电效应就是在压电陶瓷上加电压就会产生机械应变，这种效应称为压电逆效应；相反，在压电陶瓷上施加机械应力就会产生电荷，这种效应称为压电顺效应。图2.1示出了超声波产生的机理（图中示出的压电振子的截面图，它是超声波传感器的核心元件），这是将一枚陶瓷片与金属片黏合在一起的一种结构。若在其上加交流电压，则产生机械振动而发送超声波；相反，若这种传感器接收到超声波就会产生电信号。一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。但是，当交变电场的频率为某一值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称为谐振频率。图2.1超声波产生机理图2.2示出了压电陶瓷振子的等效电路与阻抗特性。当压电陶瓷不振动时，可等效为一个平板电容C0，称为静态电容；其值决定于压电陶瓷的几何尺寸和电极面积，一般约为几到几十pF。当压电陶瓷产生振动时，机械振动的惯性等效为电感L，其值为几到几十mH。压电陶瓷的弹性等效为电容C，其值仅为0.01到0.1pF，因此CC0。压电陶瓷的摩擦损耗等效为电阻R，其值约为100，理想情况下R=0。等效电路的串联谐振频率和并联谐振频率可表示为： 由于CC0，所以fpfs。只有在fsffp的情况下，压电陶瓷才呈感性；并且C和C0的容量相差愈悬殊，fs和fp愈接近，压电陶瓷呈感性的频带愈狭窄。根据品质因数的表达式 由于C和R的数值很小，L的数值很大，所以Q值高达100001000000。而且，因为振荡频率几乎仅决定于压电陶瓷的尺寸，所以其稳定度f/f0可达0.0000010.00000001。因此，压电陶瓷的选频特性是其它选频网络不能比拟的。图2.2 压电陶瓷振子等效电路超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收超声波的双重作用，即为可逆元件。市售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器（接收器）既可发送超声波（接收超声波），又可接收超声波（发送超声波）。市售超声波传感器的谐振频率为23kHz、40kHz、75kHz等。谐振频率变高，则检测距离变短，分辨率也变高。2.3 超声波测距原理超声波测距的方法有很多种，例如，脉冲回波法、相位法、脉冲响应-低通变换法和连续波调频法。其中脉冲回波法即超声波由超声波发送模块发出，在空气中向前传播，遇上障碍物后反射，反射回来后由超声波接收模块的接收端接收，通过控制电路计算超声波从发送开始到接收停止之间的时间差t，根据超声波在空气中的传播速度c即可求出前方障碍物的距离s=ct/2。这里c是与环境摄氏温度C有关的函数，在测量精度要求高的场合需对超声波速度c进行温度补偿如图2.3所示：图2.3超声波测距原理2.4 系统整体结构设计该系统共由五部分组成，如图2.4所示。单片机控制系统选用AT89S52单片机作为控制核心，超声波传感器HY_SRF05用于超声波的发送以及回波信号的接收，温度传感器DS18B20用于对外界环境温度的采集，LCD用于对目标与障碍物的距离进行显示，蜂鸣器用于当距离小于一定值时报警。图2.4系统框图3 系统硬件设计3.1 单片机最小应用系统单片机最小系统是单片机应用系统的基础，在最小系统基础上进行外围设备和外设接口扩展，即可组成复杂多变的单片机应用系统，以满足各种设计需求。单片机最小系统中，最基本的组成部分是时钟电路和复位电路3.1.1 AT89S52单片机简介AT89S52是一款增强型51系列单片机。AT表示此芯片为Atmel公司生产的产品，8表示此芯片为8051内核芯片，9表示此芯片内部有Flash EEPROM（带电可擦写可编程只读存储器）存储器，S表示此芯片具有ISP在线编程功能（拥有可串行下载功能的Flash存储器），2表示此芯片拥有8K内部程序存储器。AT89S52还拥有256B的多功能复用型数据存储器，4个8位I/O端口（分别为P0、P1、P2、P3），3个16位加计数器/定时器（T0、T1、T2），6个中断源（2个外部中断源，可选择低电平有效或下降沿有效；3个定时器/定时器溢出中断源；一个串行口发送/接收中断源），看门狗定时器，片内晶振和时钟电路。AT89S52 双列直插式封装（DIP）如图3.1所示：图3.1AT89S52引脚图引脚介绍：VCC：电源GND：地RST：复位端，高电平有效复位，要想进行复位操作，需要在复位端上持续两个机器周期高电平XTAL1：谐振器端口1XTAL2：谐振器端口2 EA/VPP：内外ROM选择/编程写入电源输入端 PSEN：外部ROM选通信号ALE/PROG ：地址锁存允许/编程脉冲输入端P0口：可独立控制的8位双向I/O口，不能正常的输出高/低电平（内部没有上拉电阻，为高阻态），所以在做输入/输出端口时，要串接上拉电阻P1口：内部带上拉电阻，可独立控制的8位双向准I/O口（输入不能锁存，输出也没有高阻状态），因为向此端口输入数据时，必须首先向端口进行写1操作，然后单片机才能正常读取外部信号，此外此端口的前两位还有复用功能P2口：内部带上拉电阻，可独立控制的8位双向准I/O口（输入不能锁存，输出也没有高阻状态），因为向此端口输入数据时，必须首先向端口进行写1操作，然后单片机才能正常读取外部信号，与端口1相似P3口：内部带上拉电阻，可独立控制的8位双向准I/O口（输入不能锁存，输出也没有高阻状态），因为向此端口输入数据时，必须首先向端口进行写1操作，然后单片机才能正常读取外部信号，与端口1相似，另外，端口3的每一位都有复用功能。如下表所示：端口引脚复用功能备注P3.010RXD串行输入P3.111TXD串行输出P3.212外部中断0P3.313外部中断1P3.414T0对外部事件脉冲进行计数端0P3.515T1对外部事件脉冲进行计数端1P3.616外部RAM写脉冲P3.717外部RAM读脉冲3.1.2 时钟电路单片机的工作过程是：从Flash ROM中取指令、译码、执行指令过程中的各种微操作，这样自动地、一步一步地有序工作。而这一切工作都需要时钟信号为单片机芯片内部提供时间基准。AT89S52单片机的时钟信号一般有两种方式：一是AT89S52片内高增益反相放大器构成的振荡器与外部谐振电路方式，即内部时钟方式，二是外部时钟方式。内部时钟方式是由跨接在XTAL1端和XTAL2端之间的晶振和两个负载电容组成。晶振和两个负载电容构成一个自激荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。负载电容一般取530pF，晶振一般取024M，经典值取电容30pF，晶振值取12M。电路如图3.2所示：图3.2时钟电路外部时钟方式是直接把外部时钟信号通过XTAL1端引入单片机，XTAL2端悬空。本设计采用内部时钟方式。3.1.3 复位电路复位是使单片机恢复初始状态的初始化操作。对AT89S52单片机而言，只需复位端RST出现两个机器周期的高电平即可完成复位操作。复位方式有上电复位、手动复位、信号复位、程序监视复位（看门狗）、电源监测复位。上电复位即单片机上电时，复位端RST出现高电平，但随着电容充电，RST端电平逐渐下降，但只要选择合适的电容、电阻，使高电平持续两个机器周期，即可完成复位操作。手动复位即单片机运行过程中，通过手动按键来完成复位。本设计采用手动复位和上电自动复位组合方式。电路如图3.3所示：图3.3复位电路3.2 超声波发射电路超声波发射电路主要由振荡电路与驱动电路组成。振荡电路产生超声波传感器工作需要的40kHz频率。由于超声波振子也有约2000pF的电容，有充电电流流通，因此，采用驱动电路增大驱动电流，有效驱动超声波振子发送超声波。即使用方波进行驱动，由于超声波发射器的Q值很高，仅基波信号起作用，高次谐波无影响，发射器上可以得到交流正弦波。图3.4为采用施密特触发器（74HC14）构成的超声波发射电路，电路简单。74HC14中的G1与C1和（R1+RP1）构成振荡电路，振荡频率f0=1/C1（R1+RP1）。电路中，采取2.2k固定电阻R1与1k可调电阻RP1，对振荡频率进行调整。74HC14中G2G6构成驱动电路，从而增大驱动电流。电容C2用于减小发射信号的频带，使得整个发射信号抗干扰能力更强。图3.4采用施密特触发器构成的超声波发射电路图3.5（a）为采用四与非门（CD4011）构成的超声波发送电路。G1和G2等构成多谐振荡电路，振荡频率f0=1/C1（R1+RP1）。CD4011的工作电压为318V，若电源电压为15V，则可得到峰-峰值为15V的传感器驱动电压。电路中，采取4.7k固定电阻R1与10k可调电阻RP1，对振荡频率进行调整。G3与G4构成驱动电路，为了增大驱动电流，可以采用CD4096中三个反相器并联，如图3.5（b）所示。对G3的一个输入端进行控制，可以控制40kHz的输出，因此，晶体管VT1的基极加控制信号，就可对振荡进行控制。控制信号为低电平时，发射超声波；高电平时停止发射超声波。图3.5（a）采用四与非门构成的超声波发送电路图3.5（b）增大驱动电流的电路实际上，本系统是由单片机产生两路相位相反的40kHz方波，两路同时通过MAX232泵放大后叠加在超声波发射两端，得到的电压幅值在10V以上。如图3.6所示图3.6本设计采用单片机和MAX232组合方式。3.3 超声波接收电路超声波接收电路主要是完成对发送电路发出的超声波回波信号的接收、放大、滤波、整形以及实现对单片机进行外部中断触发。超声波接收传感器收到的回波是微软的mV的电压信号，所以要把这个mV级的微弱信号放大。另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。为了减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号的放大和变换采用了一片LM324通用运算放大器，第一、三级为放大器设计，第二级为多重反馈有源带通滤波器设计，为满足交流信号的需要，每一级均采用阻容电路进行电平偏移。第四级电压比较得到方波信号经反相后给单片机接收处理。如图3.7所示图3.7超声波接收电路3.4 HY_SRF05传感器模块电路超声波的发射和接收采用HY_SRF05 模块，模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。其具有测量范围广（2450cm）、测量精度高（3mm）、操作简单等优点。采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少10s的高电平信号，模块自动发送8个40kHz 的方波，并自动检测是否有信号返回，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算出距离。测量周期应为60ms以上，以防止发射信号对回响信号产生影响。模块中ECHO是信号接收引脚，有信号返回时，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。HY_SRF05模块引脚如图所示。用P3.2接HY_SRF05模块的ECHO引脚，P3.7接模块的TRIG引脚。电路如图3.8所示图3.8HY_SRF05传感器模块电路3.5 LCD1602液晶显示电路显示器是单片机应用系统与外界重要的交互设备。常用的显示器有发光二极管显示器（LED）、液晶显示器（LCD）。液晶是一种高分子材料，是由有机化合物构成，因为其具有一般物质不具有的一些物理性质（在通电的条件下，液晶分子进行有规则的运动），而在显示器领域得到广泛应用。液晶具有功耗低、显示操作简单、体积小、性能可靠等优点。3.5.1 LCD1602液晶显示器简介LCD1602是工业上最常使用的一款液晶显示器。LCD即Liquid Crystal Display（液晶显示器），16表示此液晶显示器每行可以显示16个字符，02表示此液晶显示器可以显示两行。LCD1602可以显示英文字母、阿拉伯数字、标点符号、日文假名等160个字符，这些字符存储在字符存储器中，其中每一个字符和唯一的一个代码相对应。另外还有8个供用户自定义的字符。 引脚介绍：GND：地VCC：电源VL：用以调节液晶对比度的液晶偏压信号RS：数据/指令控制端（高电平时执行数据操作，低电平时执行指令操作）RW ：读写控制端（高电平时执行读操作，低电平时执行写操作）E：使能端D0_D7：双向数据端口BLA：背光电源正极BLK：背光电源负极显示原理：液晶显示器的每个字符由MN的点阵构成（通常通过程序设置为57点阵），而一个字符的显示过程就是点阵的相应点被点亮的过程。LCD1602液晶显示器内部的字符发生存储器（CGROM）已经预置了160个字符的点阵信息。另外还有8个字节的CGRAM供用户存储自定义字符的点阵信息。LCD1602内部有一个80字节的RAM缓冲区（地址为00H27H，40H67H），其中00H0FH、40H4FH地址分别映射到液晶显示器的第一行的116个位置、第二行的116个位置。若想在液晶显示器某一位置上显示一个字符，只需把存储在字符发生器的点阵信息写进液晶显示器的RAM地址即可。液晶显示器控制指令如下表所示：指令指令代码功能RSRWD7D0复位0000000001显示器清屏，数据指针清零输入模式设置0000000110写入一个字符后，地址指针自动递增显示设置0000001100开显示器，不显示光标显示设置0000111000设置162显示方式，每个字符有57个点阵组成显示设置0010000000定位数据指针3.5.2 显示电路如图3.9所示，LCD1602液晶第1、2引脚接驱动电源；第3引脚VL通过一个10k电位器接地来调节液晶显示对比度；第4引脚接单片机的P1.0口；第5引脚接P1.1口，其实我们不从液晶读取任何数据，只向其写入命令和显示，因此此端始终选择为写状态，即低电平接地；第6引脚接P1.2口；第714引脚接P0口，AT89S52单片机的P0口内部没有上拉电阻，为高阻态，因而不能正常地输出高低电平，是以单片机在和液晶显示器连接时，需在P0口加上10k的上拉电阻。第15、16接驱动电源。图3.9显示电路3.6 温度补偿电路3.6.1 DS18B20温度传感器简介温度传感器是我们日常生活中最常用的传感器之一。随着科学技术的发展，温度传感器也从传统的模拟传感器逐步向数字化、微型化、集成化发展。目前，特别是由美国DALLAS半导体公司设计的采用单总线协议的数字化温度传感器DS18B20，因其独特的特性，在工程设计中被广泛应用。DS18B20具有如下优点：1.采用单总线协议，仅需一线即可实现主机和从机间的双向通信2.测温范围宽 3.编程可实现高精度测温4.可实现组网多点测温（每个DS18B20有一个惟一的64位光该ROM，包括8位产品类型号，每个DS18B20唯一拥有的48位序列号，8位前面56位的CRC循环冗余校验码）5.温度转换速度快6.抗干抗能力强引脚介绍：GND：地DQ：总线VDD：电源测温原理：DS18B20内部包含一个对温度变化不敏感的低温度系数振荡器和一个对温度变化敏感的高温度系数振荡器，每个振荡器都有一个减计数器相对应，还有一个用来补偿振荡器非线性的斜坡式累加器和一用来保存温度值的温度寄存器。每次温度测量前，首先会将温度寄存器和低温度系数振荡器预置-55所对应的基数值，而高温度系数振荡器会根据环境温度确定一个振荡周期。然后低温度系数振荡器开始开始振荡，而对应的计数器对振荡脉冲进行减计数，至到计数器中被预置的值减为0，此时温度寄存器的值加1，而低温度系数振荡器的值重新被预置到55所对应的基数值，如此重复至到高温度系数振荡器停振，此时温度寄存器的值就是所要测的温度值。DS18B20控制指令如下表所示：指令指令代码功能读ROM33H读取DS18B20温度传感器的ROM序列号匹配ROM55H与总线上ROM序列号相同的传感器建立连接搜索ROMF0H确定总线上DS18B20传感器的数目跳过ROMCCH总线上只有一个DS18B20传感器，可以忽略ROM温度转换44H把测量温度值转换成2进制数存储在高速缓存器RAM读温度寄存器BEH读取存储在高速缓存器RAM的温度值3.6.2 测温电路DS18B20温度传感器有两种供电方式：一是寄生电源方式，二是VDD电源引脚供电方式。寄生电源方式即DS18B20温度传感器不需要通过电源供电，而是当I/O、VDD电源引脚为高电平时，从I/O、VDD电源引脚“偷”能量。寄生电源方式有很多好处，例如，进行距离测温时，不需要本地电源供电，很大程度上解决了功耗和布线问题，另外，可以在没有常规电源的条件下读ROM。不过寄生电源方式也有很多缺点，例如，当I/O口供电不足时，温度转换的精度将受到影响。本设计采用第二种供电方式。测温电路如图3.10所示，第1、3引脚接驱动电源；第2引脚接P3.1口，由于所有的设备通过漏极开路端连在总线上，需要一个4.7k上拉电阻。图3.10测温电路3.7 蜂鸣器报警电路蜂鸣器分为有源蜂鸣器和无源蜂鸣器。有源型蜂鸣器内部有振荡源，只要通以直流信号，其就会发出声音。而无源型蜂鸣器则不能用直流电驱动，必须用220KHz的方波信号驱动。报警电路如图3.11所示，当单片机输出高电平时，发射极反偏、集电极反偏，三极管失去了放大作用而工作在截止状态，蜂鸣器不工作；当输出低电平时，发射极正偏、集电极反偏，三极管工作在导通状态，蜂鸣器报警。图3.11报警电路4 系统软件设计单片机应用系统开发过程中，汇编语言具有时间、空间效率高等优点。而使用汇编语言编程也会遇到很多问题，例如，移植性差、可读性差、难维护。高级语言C编程相于对汇编语言具有如下优点：1.用C语编写的程序可读性强，2.在不了解单片机指令系统而仅熟悉单片机存储结构时就可以开发单片机程序，3.寄存器分配和不同存储器寻址及数据类型等细节可由编译器管理，4.程序可分为多个不同函数，这使程序设计结构化，5.函数库丰富，数据处理能力强，6.程序编写及调试时间大大缩短，开发效率远