超声波测距系统的设计

页共31页1绪论1.1研究的目的和意义超声波在测距方面具备以下突出的优点：(1)环境介质可以是气体、液态或固态等。应用领域广；(2)适用于黑暗、粉尘密布或烟雾缭绕以及强电磁干扰等严峻环境，能够在这些条件下提升作业效能。(3)超声波传感器以其结构简洁、体积小巧、成本低廉的特性著称，易于实现高效的信息管理与可靠的运行，特别适合微型化和集成化设计。依靠其特别属性，此技术普遍应用于精确检测物体间的距离、厚度以及液体的高度。超声波探测技术在超声波检测与汽车自动泊车及倒车雷达系统中起到了核心作用，占据核心效能。雷达探测与激光、电子信息技术的演进步伐，超声波原理的发展进程以创新和进步为显著标志。广泛采纳的非接触检测技术群，诸如激光测距仪、超声波检测和红外激光测距技术等非接触检测技术。不管怎样，激光测距技术显现出其高精度性能，然而其明显缺陷表现为易受周边环境因素的干扰。考虑到激光测距系统软件在后期维护检测方面的费用不菲，经济压力明显上升，因此其在日常及职业领域的应用受到一定程度的约束。多见于高端专业范围。对比分析超声波测距与红外感应技术的比较情况，显著提高测量效能等级，极大地缩减了测量工序，误差显著降低。操作简单，计算轻松，实时跟踪，精度与工业生产具体标准相吻合。围绕此主题来作为我的设计方案。1.2国内外研究现状世界舞台上20世纪70年代，高尔顿实施了哨声测试，这一成就为高频声波制造领域树立了新的历史标杆。未来三十年，非单一走向。超声波的界限，鲜有人能全面把握其本质，在那个阶段，专业素养未能满足专业标准，这导致了超声波研究领域的显著分歧。直到一战爆发，标志着，超声技术探讨成为焦点。朗之万在德国成功应用晶体感应器技术，实现了技术革新。释放并采集声波波峰。研究在水域实施过程，采集到的超声波频率相对较低。研究成果在水下通信的实际应用中展现出实用价值。除此,此技术擅长于水下物体的探测，辨别水下的潜艇活动，极其紧要性。工业生产领域对超声波技术的应用研究正逐步增长,逐步推进。1928年，Sokolff首次显现了超声探伤检测技术研究的深远意义。金属检测技术范畴，印度在金属检测上，超声波技术展现出明显特色。此设备是否存在裂缝或缺陷。两年时光流逝，Murhauser的研究者专利申请已获得德国官方的认可，该专利技术集中研究超声波检测技术。

这一成就标志着超声波研究领域的重大突破期。1935年，索科尔夫递交了毕业论文一份，全面揭示了其研究业绩。执行实验槽溶液的穿透性检测，对实验目标所要求的超声波能量数值进行了细致的记录。位于溶液状态，溶液状态下波浪纹路容易察觉。德国贝格曼的《超声波》论文集，对众多超声波资料进行了深入的剖析。此类资料也在系统软件初始阶段收集之列。

从1956年开始，我国对超声波的系统研究正式实施，我国对超声波实施系统性研究计划。截至目前，我国检测技术研究领域硕果累累，已实现显著的进展阶段。

众多领域均实现了显著的成长步伐，若干新项目在国际舞台上崭露头角。我国检测研究在超声波激光测距方位领域的研究成果显著，表现卓越。经过细致入微的考察，产出了众多研究产出，研究焦点锁定在社区论坛。本论坛对超声波激光测距技术的操作原理进行了全面分析。成功的研究成果揭示了超声波的快速特性迹象。提炼波速传播的核心决定要素，整合了波特性对激光测距系统传播风险的评估资料及实验数据。

在全球超声研究范围内，我国的研究进程正逐步走向成熟阶段，精度层面需提升。同步推进现代化与超声波技术至高级标准层面,研究强度迫切需要提升研究力度，维持效率与速度与既定规范相符合。1.3本课题主要研究内容本研究论述了采用单片机技术进行超声波距离测量的理论与实践方法，全文结构共分为五个章节进行探讨。（1）第一章对超声波测距的来历及其价值进行了介绍，对超声波研究领域的进步线索进行了梳理。（2）第二章介绍了此次设计的总体方案。（3）第三章对硬件组成部分进行了全面阐述，本装置集成了单片机控制核心、超声波测距模块、温度监测模块、警报模块及电源系统。对每个模块的功能与电路连接的细节进行了全面说明。（4）第四章介绍了此次设计的软件部分，详细阐述了此次设计程序的编写思路以及程序的流程图，还介绍了各个模块端口与单片机的连接，也就是头文件中对端口的声明。（5）第五章详尽归纳了本设计的实验成效与误差探讨，涵盖了实物装置的图像展示，以及在未触发起警阈值与超过起警阈值条件下的测试图像对比分析。列出了测试的实验结果和当时的温度以及测试的误差，并分析了误差的来源。2系统总体设计2.1超声波测距的基本理论2.1.1超声波简介微电子技术界别，在微电子行业，频率超出20000赫兹的波动现象即定义为超声波。该物质的活性表现优异，其透光表现同样引人称赞。这无疑是极其简易的。作为回响样本之一，该声音样本被采集。超声波技术被多个领域所应用，精确计量鉴定领域，可具体分为对速度的精确评估与距离的测定。各种彻底消除病原体的生存环境；利用超声波能量源，物体破碎及切割作业能够高效进行。超声波的运用范畴相当宽广，潜力无限大，前景无限大。技术进步对国防安全及日常生活产生了深远效应，在多个行业领域中起到核心作用。追溯超声波术语的起源历史,简言之，声波之上的高频波动已越出人耳听觉极限。其本质属性，表现为声波，故此可行。声波特性的多变面貌。超声波的动态模式与声波模式相一致。物体所吸纳的能量是声波传递的机械能形态，敲击水后声波随即形成，涟漪在河面泛起，这足以引起鱼儿的惊恐。声波的性质多到令人咋舌，特点鲜明。最初在相仿的自然环境里，声速恒定无任何波动。遇到障碍后，某些声波会反射回原出发点。第三波声波向四周散布开去间距拉大，损耗逐步扩大。本质上讲，超声波的移动路径几乎保持直线，激光测距中标定应用中，该技术表现突出。2.1.2超声波与传播介质的关系当超声波穿过不同媒介时，在媒介交界的地方会产生折射和反射，根据定律可知波的传播规则。超声波沿x正向传播的运动方程为：A=Axcosωt+kxAx=A其中，A(x)代表超声波的振幅（质点位移的大小）、ω代表角频率、t代表时间、A0则是常数、x代表传播的距离、k=2π/λ代表波数，λ代表波长，α代表衰减的系数。且有如下关系：α=af2（上式中f代表振动频率，a代表介质常数。在超声波的传播过程中，能量损耗现象显著，主要归因于外部条件的干扰，导致波的能量逐渐递减。这一能量衰减的现象可追溯至波的发散效应以及散射机制。其衰减的规律可由以下公式表示：P=P0e−∂x（（2-5）其中，P0代表声音在x=0时候的声压，I0代表声音在x=0出的声强。∂代表系数，单位是：奈培/cm。其衰减与距离的关系如表2-1所示：表2-1声波衰减与距离的关系表L(cm)12510204080160200幅值（mv）141112867452413183早已证实，声音传播的速度会遭受物质中自然环境温度的危害。超声波在空气中每个角度的速度一般在340m/s上下，当温度上升时，速度一般会扩大。他们相互关系如表2-2所显示：表2-2声速与温度关系温度（℃）-30-20-100102030100波速（m/s）313319325323338344349386用公式可表示为：C=331.4×1+T/273（其中，T代表温度。2.2基于单片机的超声波测距系统设计方案本研究开展的系统设计涉及硬件与软件方面，其架构可细分成四大功能模块，分别是数据获取模块、预警模块、管控模块以及信息展示模块，从硬件电路构成来看，主要包含单片机基础系统、超声波探测器、能源供应单元、音频警示装置、温度感应器以及显示电路等关键部分。其系统总体设计框图如图2.1所示。图2.1超声波测距总体框图在本设计里，单片机作为核心处理器发挥作用，由三节5号干电池来提供电力支持，一开始，借助单片机驱动DS18B20型温度传感器获取实时的温度，依据这个温度来计算超声波在当下空气状况下的传播速度，接着在控制端口P2.0施加一个持续时间超过10μs的高电平脉冲，以此启动超声波发射。超声波经过反射物体反射之后，被传感器的接收端捕捉到，系统对超声波接收口P2.1进行监控，一旦检测到有高电平输出，就立刻启动定时器开始计时，当Echo端口恢复到低电平时，计时停止，所记录下来的时间差就是距离测量值，依据这个时间差计算出实际的距离，并且同步在显示器上显示出该距离以及对应的温度。要是处于安全距离范围之内，系统就不会触发警报，维持正常的显示状态，可是当检测到的距离低于预设的阈值或者超出测量上限时，报警机制就会启动，有源蜂鸣器会发出警告的声音，显示屏上会替换显示"distance--"作为警示的信息。3系统硬件部分的设计3.1单片机控制模块3.1.1单片机简介片微型计算机，一般也称作单片微控制器，实际上是集成电路里的一块芯片，集成了带有数据处理功能的微处理器CPU，像算术逻辑运算、逻辑操作、数据传输以及中断管理等功能都包含在内，它还整合了随机存取内存RAM、只读存储器ROM以及输入输出I/O端口，构成一个紧凑且完整的计算机系统。在软件指令的驱动之下，这个系统可精准高效地执行预先设定好的任务，不过单片机芯片自身没办法独立承担工程应用，得结合配套的外围电路才可以发挥出它的功能，图3.1展示的是单片机的实物图像，其芯片标识是STC89C52。（1）采用STC作为前缀的芯片，与STC公司生产的产品线相匹配。（2）数字8揭示了该芯片的核心设计，即8051架构的采纳。（3）此标识表明设备内部集成了FlashE2PROM存储模块。（4）此商品经C符号鉴定，归属CMOS类别。（5）数字5的书写格式未变动。（6）该芯片的程序存储量以二为记数单位，其内存大小为8000字节。（7）某些芯片上带有“RC”标签，此标识揭示了STC单片机的RAM大小为512字节。（8）该产品采纳双列直插封装方案。（9）在最高频域，该设备支持接入的晶振频率达到40MHz。图3.1单片机实物图3.1.2STC89C52内部组成STC89C2单片机与袖珍电脑相仿，内部结构齐全，具体列举其组成部分。（1）一个8位CPU;（2）该设备搭载了8000KB的Flash程序存储介质。（3）配备256字节容量的随机存取存储器（RAM）的数据存储装置；（4）内置振荡器及计时器组合体；（5）集成双向全通道的串行数据传输端口实现；（6）配置了64KB寻址架构的独立外部数据存储单元，含有一个64KB独立的外部程序存储管理单元；（7）安装了32条可编程的输入输出线路模块；（8）中断管理采用了双级优先级设计，八个中断触发点均被整合进配置的架构中。STC89C52的内部框图如图3.2所示。图3.2单片机内部框图3.1.3STC89C52外部结构及功能STC89C52单片机的设计方案中，重点集成了P0、P1、P2及P3端口，所提及的端口有接收、发送、电源、时钟及复位。P0端口采用了八位双向三态的I/O特性设计，每个引脚均可自主操作，数据与地址时分复用得以实现，也可用作普遍的输入输出接口。P0端子内部未装设上拉电阻，所以，表现为高阻抗状态，电平输出不够稳定，应当连接外部上拉电阻，恢复其正常作业状态。P1端子实现了八位双向输入输出功能，功能全面，每个引脚均能独立实施，集成了上拉电阻特性。在使用P1口之前，要先执行写1操作，这样能保证单片机能准确读取外部信号，这个预备步骤让P1口被称作准双向。展开来说，P1.0的辅助功能是作为T2定时器/计数器的外部输入，而P1.1则用于T2EX的捕捉和重装触发，也就是T2的外部控制接口，如图3.3展示的，是STC89C52的外部引脚布局。。图3.3单片机引脚图STC89C52引脚功能说明如表3.1所示。表3.1STC89C52引脚功能表标号引脚种类引脚说明1电源引脚VCC（40引脚）工作电压为5V2电源引脚VSS（20引脚）接地端3时钟引脚XTAL1（19引脚）片内反相放大器的输入端4时钟引脚XTAL2（18引脚）片内反相放大器的输出端5复位引脚RST（9引脚）完成单片机的复位初始化操作6I/O引脚P0口（39～32脚）双向八位三态I/O口，内部没有上拉电阻7I/O引脚P1口（1～8引脚）准双向八位I/O口，内带上拉电阻8I/O引脚P2口（21～28脚）与P1口相似9I/O引脚P3口（10～17脚）准双向八位I/O口，内带上拉电阻10扩展引脚ALE/PROG(30引脚)进行扩展外部RAM时使用11PSEN（29引脚）程序存储器允许输出控制端，低电平有效12EA/VPP(31引脚)EA接高电平时，单片机读取内部程序存储器在读取外部存储器，EA为低电平时，单片机直接读取外部ROM。P3口作为第二功能使用时各个引脚功能如表3.2所示。表3.2P3口各引脚第二功能定义标号引脚第二功能说明P3.010RXD串行输入口P3.111TXD串行输出口P3.212INT0(0)外部中断0P3.313INT1(0)外部中断1P3.414T0定时器/计数器0外部端P3.515T1定时器/计数器1外部端P3.616WR(0)外部数据存储器写脉冲P3.717RD(0)外部数据存储器读脉冲 3.2发射系统的设计3.2.1超声波发射器通常，超声波的制作技术主要可归纳为两大类：采用电气设备引发形成，设备直接制造此类超声波。所涉及技术为压电、磁致伸缩等电气设备技术；也涉及加尔顿哨、液态哨及气体哨等机械操作途径。鉴于超声波特性的差异性，故而采用了多形式的运用方式。本调频发射器向检测物体发射超声波，以实现检测功能。在重要应用区域，超声波射线具有高聚焦性、扇形扩散和无角度的属性，这些传感器装备了与介质声阻抗相一致的调节部件。该装置的核心运作原理是压电晶体的共振。该装置由一块共振面板及两颗智能处理核心芯片拼接而成。输入特定频率的差分波形至双极，当该频率与芯片自激振荡频率共鸣，导致共振板振动，声波随即生成。超声波发射器如图3-4所示图3-4超声波发射器以下列举了HC-SR04传感器的几个关键特性：（1）微型化设计体积紧凑，其面积总和与两个发射头面积相加结果相同；（2）盲区范围极窄，几乎无盲区存在，几乎可以忽略不计，只需10毫米实现了无盲区境界。（3）测速表现非凡，测速周期为10毫秒之短，有效保障目标不被丢失。（4）发射源与接收源同一直线对齐。本节将介绍HC-SR04传感器与单片机引脚对接的技巧：（1）VCC：供电电压采用5伏特；（2）GND：接地（3）三角控制器输出端口：与单片机的I/O模块实现连接；（4）Echo（接收端）：集成了输入输出功能的单片机端口群。构建超声波传感器系统期间，要保证信号传输稳定，Trig和Echo端口与单片机接口时需预先接入上拉电阻，因为STC89C52型号单片机的P2端口有内建上拉电阻功能，把Trig接口对应连到P2.0端口，Echo接口相应连到P2.1端口，这样能优化硬件资源利用。HC-SR04的电气参数如图表3.3所示。图3.3HC-SR04电气参数表电气参数HC-SR04工作电压DC5V工作电流小于2mA工作频率40HZ感应角度不大于15度探测距离2cm～450cm精度可达3mm输入触发信号10μs的TTL脉冲输出回响信号输出TTL脉冲，与距离成正比尺寸大小45×20×15mm3.3.3超声波测距原理超声波是被定义为频率超出20KHZ的机械波，它在实践当中的测距技术主要是依靠回声定位原理来实现的，该方法具体的操作过程是这样的：超声波发射装置会沿着特定的方向释放出超声波，同时会同步启动计时器，当超声波在大气当中进行传播的时候遇到物体，就会产生反射现象，这个时候超声波接收器捕获到反射信号后就会立刻终止计时。在实施超声波发射之前，需要先测定当前的空气温度，以此来获取超声波在空气中的确切传播速度V，凭借借助计时器测定的时间差t，可精确地估算出发射源与目标物体之间的距离S，关于这一超声波发射机制的示意图展示在图3.5当中。图3.5超声波发射原理图超声波探头与障碍物之间的垂直距离为：H=S×cosθθ=arctanLH式3.3中：L-两探头中心之间距离的一半。在使用超声波测距之前，要先测量环境温度，进而求出当前温度下的超声波传播速度V。由表3.3温度与速度的对照关系可以得出：V=331.5+0.067T（3.4）式3.4中：T-当前环境的温度。超声波传播的距离为：S=Vt2（3.5）式3.5中：v-超声波在空气中的传播速度；t-超声波从发射到接受所用的时间。将以上式子联立得：2H=vtcos[arcH=Vt式3.7就是测量与障碍物之间距离的公式。3.3单片机最小系统单片机STC89C52成为了主控板的核心部分，在其设计里有晶振电路以及延时电路这两个不可缺少的组件，这三个部分一起构建起了单片机的基本框架，一般被称作单片机的最小系统配置。3.3.1时钟电路该电路的主要作用是将内外部产生的时钟数据信号转化为单片机运行必须的时钟信号，有两种时钟信号获取渠道：内外时钟信号的输入渠道。系统通过外部震荡差分信号实现时钟同步，增强同步精度，双片单片机和姿态控制系统普遍运用了这一特性。本系统采用了12MHz频率的晶振来构成电路，运用了外部时钟手段。坐落于STC89C52单片机内部构造内，装备了可控负反馈机制的反相放大器，XTAL1是信号接收的部件，输出部分由XTAL2完成。此配置的反向放大器与单片机外部的紫水晶谐振器和电容C1、C2相联，构建了共振电源回路。虽说对外接电容的具体数值允许有一定的宽容范围，然而电容值的不同确实会在一定程度上对振荡器的工作频率稳定性、可靠性能、高速响应以及温度稳定性产生影响。考虑到对激光测距精度有着较高的要求，本设计选择了12MHz的晶体振荡器电路，其中C1和C2的电容值被设定为大约30PF，具体如图3-5所示。图3-5时钟电路原理图3.4.2复位电路执行51单片机的初始配置动作，保证RST引脚的高电平持续不少于两个时钟周期，即可启动重置操作。RST端口若变为高电位，RST端电位升高系统将实施内部结构的重置动作。循环中动作持续上演，RST端电平下降至低电位，当前阶段即告完成。进行电路设计时，单片机技术被采纳，电源复位模块主要实施两种复位手段：电源接入复位与人工复位方法。本计划采用了人工激活的恢复步骤。复位键激活，电容器快速完成充放电过程，RST端子迅速上升至高电平状态；复位键已从被按下的状态中恢复，电阻与电池协同工作，使电容器充电，RST端子逐渐恢复至低电平状态。图3-6中展现。图3-6复位电路原理图3.5温度检测电路3.5.1数字温度传感器DS18B20简介当超声波于大气环境里传播之时，它的速度会受到像气温、气压以及湿度等多种因素的作用，在这些因素里，气温所起的作用最为突出，要消除因环境温度而致使的测量误差，实时监测并校正环境温度十分关键，此设计选用DS18B20温度传感器模块来开展温度探测，该传感器凭借其接线简单、体积小巧以及使用便捷的特性，广泛适用于各类环境的温度测量，特别适宜在有限空间内施行。DS18B20可直接把测得的温度转换为串行数字信号，以便供处理器做处理，它采用单总线协议，只需一条信号线便可同时传递时钟和数据，并且数据传输有双向性，与微控制器的接口设计相当简洁，只需一个微控制器的I/O口就能达成对DS18B20的控制，执行温度采集任务。DS18B20的工作原理示意如同图3.7，其实物图像则如图3.8所示。图3.7DS18B20电路原理图DS18B20温度检测集成模块的实物图如图3.8所示。图3.8温度检测集成模块实物图3.5.2DS18B20的工作原理DS18B20的ROM内部包含着一个独特的64位序列号，可被看作是传感器的唯一标识，这个光刻序列号保证了每个温度传感器都有个体差异性，使得一台主机可串联多个传感器来构建多点测温网络，在执行与温度有关的操作时，如果主机需要同时处理多个DS18B20，那就要依次连接每个传感器来读取其序列号，之后再把所有设备并入总线。要是仅对单一DS18B20进行操作，那么可以省略这个步骤以及ROM匹配过程，随后开展温度转换与读取工作，该传感器的温度精度提供9至12位的选项，其中12位精度是最高的，按照0.0625℃的增量递增，并且在上电的时候默认采用12位模式，想要启动测温或者转换，控制器需要发送44H指令，紧接着开始测量，等到转换完成之后，结果将会以双字节的形式暂时存储在高速缓存当中。每个字节包含8位数据，高字节的前五位指示温度符号：正值显示为'0'，负值则是'1'，对于正温度，直接乘以0.0625就能得到实际温度，要是为负值，那就需要减1之后再取反，然后乘以0.0625，图3.9展示了DS18B20温度传感器的内部构造概貌。图3.9DS18B20内部结构图3.5.3温度对超声波速度的影响超声波测距技术持续捕捉超声波射出后遇到障碍物所反射的回声，运用回声发射与接收的时间差进行数值量算，成功计算出超声波探头与障碍物间的实际距离S。计算距离的公式如下：S=VT式3.1中的V为超声波在空气中的传播速度。超声波在空气中传播会受到很多因素的影响，其中影响最大的是空气温度，表3.4列出了几种温度下的波速。表3.4声速与温度的关系温度（°C）-30-20-100102030100声速（m/s）313319325331338344349386由此可以推导出，温度和波速大概有V=331.5+0.607T的关系，波速确定后只要得到超声波往返时间，就可以得到与障碍物之间的距离S。3.4LCD1602液晶显示模块3.4.1LCD1602液晶显示模块简介1602型液晶点阵设备，特别为字母、数字及符号的显示而制作，该模块字符排列采用5×7或5×阵列设计。每个独立点展示字符，字符间距清晰可见，行间间距适宜。该模块的显示区域为16列宽2行高布局，模块的显示区域为两行，每行最多可展示16个字符。在称呼液晶显示器名称时，一般按照字符排列形式来命名，通过“1602”标记，LCD1602显示屏的显示模式为双行，一行显示16个字符信息。这款液晶屏正是本产品所采用的型号，本显示界面能够展示数字、大小写字母及多种符号，中文字符与图像在此设计中无法得到有效展示。LCD1602液晶显示器主要技术参数如表3.5所示。表3.5LCD1602液晶显示器主要技术参数技术参数LCD1602显示容量16×2个字符工作电压4.5～5.5V工作电流2.0mA最佳工作电压5.0V字符尺寸2.95×4.35mm3.4.2LCD1602液晶显示模块电路的连接图3.10所呈现的LCD1602液晶显示器原理中，其对比度调控的关键之处在于CV端，该端口若直接连接到VCC，有可能致使对比度过强，造成内容无法显示，一般情况下，会采用串联电阻的方式来适度调整对比度，不过在此次设计里，CV端被直接接地，使得对比度降至最低限度，即便如此，显示器依然可维持正常的显示功能。E端作为使能端，也就是允许/禁止端，它只有在高电平时才会生效，RS端用于数据指令的选择，而R/W端则决定操作是读取还是写入，数据交互借助D0至D7这8位数据线来进行，总体而言，LCD1602液晶显示器配置有16个引脚，各引脚的具体功能在表3.6中有详细罗列。表3.6LCD1602液晶显示器引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3CV液晶显示对比度调节4RS(H/L）数据/命令选择端，高电平选择数据，低电平选择命令，接单片机P2.6口5R/W(H/L)读写选择端，高电平选择读，低电平选择写，接单片机的P2.5口6E使能端，接单片机的P2.7口7～14DO～D7数据端，接单片机的P0口15BLA背光电源正极16BLK背光电源负极图3.10LCD1602原理图3.4.3LCD1602液晶显示模块的主要操作（1）在进行LCD1602显示器的应用操作时，首先要做的就是开展初始化配置工作，在本设计里，将其设置成双行显示模式，并且配备5×7像素的点阵结构，采用的是八位数据接口，初始化的时候，发送指令0x38来开启显示功能，同时把光标设置为不可见状态，而且不让其闪烁。紧接着，运用0x0c指令来优化显示效果，这样在字符读写之后，指针和光标可自动增加1，然后借助0x06指令保证在写入字符时屏幕内容不会出现移动的情况，说到清除屏幕操作，可以借助输入0x01指令来重置数据指针，清空屏幕内容。（2）LCD1602型液晶显示屏内部设置了80字节的显示随机存取存储器，该存储器最初的设计来用来存放传输过来的数据，不过在静态显示模式下，其中只有32字节被加以利用，剩下的48字节是专门为实现动态显示功能而预留的，在进行字符显示的时候，需要提前确定字符的位置，液晶屏的显示地址和实际屏幕坐标之间的映射关系在表3.7中有详细说明。表3.7液晶显示屏的显示位置与屏幕位置对应关系表显示位置12345678910111213141516第一行00H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH第二行40H41H42H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH然而，这并非仅限于在字符输出前直接设定该存储位置，在设置显示地址之际，应当留心首位数字需设为1。从表3.7的地址资料出发，实施80H的加法实施步骤，地址显示最终完成形成。（3）液晶显示器状态检测方面，会设定一个临时变量temp来存储液晶显示器的状态字，这个状态字由八位组成，其中最高位被用作液晶的忙状态标志，对最高位的值加以分析，就能知道显示器的运行状况，要是最高位的值是0，那就说明液晶屏处于非忙状态，在这个时候可以安全地执行读写操作。相反如果最高位是1，那就意味着液晶正忙，需要持续对其状态进行监控，不过为了避免无休止的等待让系统陷入死循环，需要设置超时机制，以此来保证操作的可行性以及系统的稳定性。（4）写命令：首先确认液晶是否正忙，若正忙需等待其空闲期间，即时触发写入指令。此刻将E端设定为低电平，RS端是数据与指令选择的关键端口，写入信号表现为低电平，读写选择端已达到就绪状态，写入信号也为低电平所控制。本设计采用了8位的数据端口，指令直接输入到P0数据端口。紧接其后，E使能端命令已成功写入P0端口。最终调整使能端E的强度，降低对其他读写活动序列的干扰程度。（5）写数据：与写命令的操作基本一致，只是在RS端选择写数据为高电平。3.5蜂鸣器和指示灯报警电路电子讯响器，其中以蜂鸣器最为典型，按照其内部有没有搭载振荡源来划分，可分成两类，分别是有源蜂鸣器和无源蜂鸣器，有源的意思是器件内部有振荡源，无源器件则不是这样，有源蜂鸣器有自驱动的能力，只要施加合适的电压就能开始发声，而无源蜂鸣器要依靠外部驱动电路才能发出声音，它最理想的工作条件是接收一定频率的方波驱动信号。本设计选用有源蜂鸣器，它的I/O端口和单片机的I/O端口直接相连，功能设置为：当检测到的距离小于20cm或者超出了预设的测距范围时，蜂鸣器就会启动报警，来提示可能存在的风险，相反，在安全范围内，蜂鸣器保持安静，以没有声音的状态表示环境处于安全界限之内。如图3.11所示，清楚地展示了蜂鸣器与指示灯的报警电路配置情况。图3.11报警电路原理图4.测距系统软件程序设计4.1keil开发环境及开发语言选择4.1.1编程语言的选择本项目选用C语言作为编程工具，C语言是一种广泛应用的计算机语言，有着较大影响力和实用价值，C语言语法结构简洁明了，逻辑流程清晰，与机器语言相比，易读性更高，编译效率也更高，C语言的强移植性可让程序在不同计算机系统上顺利运行，而汇编语言的指令集往往紧密依赖特定操作系统和微处理器，限制了其跨平台的适应性。4.1.2Keil开发环境本产品所采用的集成开发系统为KeilμVision5，此平台系KeilSoftware公司在美国所推出，特别设计的C语言开发环境，特别针对51系列微处理器。Keil公司推出了一个综合性的开发工具群，整合了C语言编译器、宏指令编译器、链接器、库管理工具以及仿真调试功能，这些工具在μVision集成开发环境中实现整合。本设计所依赖的KeilμVision5集成开发平台在图4.1中呈现。图4.1KeilμVision5开发环境4.2系统软件设计本研究运用模块化设计策略开展构建与编程工作，程序结构涉及主体程序模块、温度测量模块、距离测量模块、液晶显示模块、头文件模块以及警报模块，主体程序主要承担函数调用以及定时器管理工作，其余各模块分别独立执行自身任务，图4.2展示了系统的整体运行流程。图4.2超声波测距系统总体流程图4.2.1主程序模块在程序主体当中，最先要做的事情是启动各个模块的系统环境配置函数，把定时器T0设置成16位定时器模式，使其运行在方式0下，紧接着，开启全局中断许可位EA，设置定时器工作模式寄存器TMOD，同时还要开启T0的溢出中断许可位ET0，之后激活定时器TR0并把它的初值设定为0。随后调用超声波发射功能，在Echo引脚检测到高电平时启动计时，当Echo引脚返回低电平时，中断结束，此时调用温度计算函数来获取温度读数，再调用超声波测距函数进行处理，最后调用液晶显示函数，把温度数据呈现出来，这一流程的概述如图4.3所示。图4.3主函数流程图4.2.2超声波测距模块超声波测距系统有超声波发射以及距离估算这两个功能组件，其中，核心程序承担着计算往返于超声波传感器与目标物体之间飞行时间的任务，在发射环节，微控制器向Trig引脚施加高电平脉冲，借助C语言库中的空循环函数实现精确的10μs延迟，这是因为微控制器的晶体振荡器频率为12MHz，每个指令周期为1μs。该特定指令定义在头文件intrins.h中，应用时要引入此头文件，这样一来，超声波可发射，10μs之后，Trig引脚切换为低电平，发射过程结束，之后计时器捕获的时间在计算模块中进行处理，结合温度补偿对超声波速度给予校正，最终依据预设公式计算出实际距离。该超声波测距系统的流程示意如图4.4所示。图4.4超声波模块流程图4.2.3显示模块本研究运用LCD1602显示器来展示温度以及测量得到的距离，在LCD1602刚开始应用的时候，要声明相应的端口并且执行初始化配置，这个过程包含设定显示模式、光标显示状态以及清除屏幕等功能，因为主要任务是利用LCD1602显示距离和温度，它的读写操作只涉及写操作，不需要读操作，于是设定Lcd_rw为0，用低电平来执行写操作，而高电平则是用来读取。LCD1602的写操作有发送指令和写入数据，其中指令是用来定义操作类型的，比如滚动、闪烁、隐藏光标以及指定显示数据的地址等等，写入数据一般指的是要显示的字符，在执行写操作之前，要借助软件里的do_while循环不断检测液晶状态，防止设备持续忙碌，避免进入循环，当前液晶屏正忙碌显示，检测阶段完成，返回结果为1。应持续进行监控活动。一旦返回结果为零点零，液晶屏目前无占用状态，流程迅速中断，紧随其后实施数据写入步骤。进行字符录入到LCD1602液晶显示屏，确保精确锁定字符的显示坐标，通常借助坐标定位系统进行定位，若Y坐标值为0字符将位于第一行,Y值为1则是指向第二行，X值为0代表从行首开始，每行最多能容纳16个字符，超出这个限制的字符如果没有换行，将会被存储但不会显示，在使用LCD1602的时候，首要的步骤是进行初始化，它的详细流程如图4.5所示。图4.5LCD1602初始化流程图LCD1602显示器的写入操作包含数据与命令的书写内容，写命令是向总线传输初始化指令以及字符或字符串的位置信息，写数据则是把待显示的字符或字符串输入进去，本设计在处理字符串写入时，运用了独立的函数来对字符串进行操作，直接把字符串起始地址传入写数据函数，借助指针递增的办法逐个将字符串元素送入。LCD1602的整体写操作流程示意如图4.6，其具体写字符串的步骤详细示于图4.7。图4.6LCD1602写操作流程图图4.7LCD1602写字符串流程图4.2.4温度检测模块DS18B20单总线协议蕴含着严谨的时间序列特性，在软件实现时要严格按照时序图来精准实施延迟控制，要是不这样做的话就有可能出现像初始化错误这类异常情况，该温度测量模块包括DS18B20的初始化过程、读取操作、写入操作、转换过程以及温度评估功能。温度检测初始化流程图如图4.8所示，写时序流程图如图4.9所示，温度测试模块总体流程图如图4.10所示，读时序流程如图4.11所示：图4.8DS18B20初始化流程图图4.9写时序流程图图4.10测温模块总体流程图图4.11读时序流程图4.2.5头文件声明模块头文件主要是用来进行函数的声明和端口声明，部分代码如下：sbitFeng=P3^7;sbitK1=P1^1;sbitK2=P1^2;sbitK3=P1^3;sbitLCDRS=P2^7;sbitLCDEN=P2^6;5实验调试及误差分析5.1实物测试图如图5.1为基于单片机的超声波设计实物正面图。图5.1设计实物正面图在进行测试时未超过报警限定距离时的测试结果如图5.2所示。图5.2未超出报警距离测试结果图在进行测试时超过报警限定距离时的测试结果如图5.3所示。图5.3超出报警距离测试结果图5.2实验结果表5.1是利用本课题设计的硬件电路进行测量的结果。表5.1超声波测距实验结果次数实际距离（cm）测量