摘要：超聲波是由壓電晶體產(chǎn)生的，并且它的頻率在超過(guò)20KHz的聲波范圍之內(nèi)。考慮到超聲波在傳播過(guò)程中具有明確的長(zhǎng)度、方向和低能量損失等優(yōu)點(diǎn)，因此超聲波測(cè)距技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于多種情境下的非觸摸式測(cè)量，以解決復(fù)雜環(huán)境下的測(cè)量問(wèn)題，并提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。本項(xiàng)研究成功開(kāi)發(fā)了一款基于STC89C52單片機(jī)技術(shù)的超聲波距離測(cè)量?jī)x器。我們通過(guò)記錄HC-SR04超聲波模塊從發(fā)送到接收的時(shí)間，并結(jié)合測(cè)距過(guò)程中的聲速數(shù)據(jù)，成功地計(jì)算出了被測(cè)物體與設(shè)備之間的實(shí)際距離。緊接著，語(yǔ)音模塊將負(fù)責(zé)播報(bào)測(cè)量的結(jié)果，并將這些信息展示在LCD1602顯示器上。此項(xiàng)研究選擇STC89C52型單片機(jī)作為中心控制部件，主要集中在超聲波距離測(cè)量上。在方案設(shè)計(jì)完畢之后，我們對(duì)軟件和硬件進(jìn)行了深入的設(shè)計(jì)，并對(duì)成品進(jìn)行了電性的調(diào)整，目的是為了最后能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)精確的距離測(cè)量?jī)x器。我們所制造的距離測(cè)量設(shè)備不只是輕便和便于攜帶，其制造成本也相當(dāng)合理。利用測(cè)距技術(shù)，我們成功地完成了從2cm至400cm的距離測(cè)量。經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償處理后，測(cè)量精度的偏差保持在大約1%的水平，這為該系統(tǒng)在實(shí)際測(cè)距任務(wù)中的應(yīng)用提供了可能性。關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；STC89C52單片機(jī)；HC-SR04DesignofmultifunctionalultrasonicrangefinderAbstract:Ultrasonicwaveisgeneratedbypiezoelectriccrystal,anditsfrequencyisinthesoundwaverangeofmorethan20KHz.Consideringthatultrasonicwavehastheadvantagesofdefinitelength,directionandlowenergyloss,ultrasonicrangingtechnologyhasbeenwidelyusedinnon-touchmeasurementinvarioussituationstosolvethemeasurementproblemsincomplexenvironmentsandimprovetheaccuracyofmeasurement.Inthisstudy,anultrasonicdistancemeasuringinstrumentbasedonSTC89C52singlechipmicrocomputertechnologyhasbeensuccessfullydeveloped.ByrecordingthetimefromsendingtoreceivingofHC-SR04ultrasonicmodule,andcombiningwiththesoundvelocitydataintherangingprocess,wesuccessfullycalculatedtheactualdistancebetweenthemeasuredobjectandtheequipment.Then,thevoicemodulewillberesponsibleforbroadcastingthemeasurementresultsanddisplayingtheseinformationontheLCD1602display.Inthisstudy,STC89C52singlechipmicrocomputerisselectedasthecentralcontrolcomponent,mainlyfocusingonultrasonicdistancemeasurement.Aftertheschemedesigniscompleted,wedeeplydesignthesoftwareandhardware,andadjusttheelectricalpropertiesofthefinishedproduct,inordertofinallydesignanaccuratedistancemeasuringinstrument.Thedistancemeasuringequipmentwemanufactureisnotonlylightandeasytocarry,butalsoitsmanufacturingcostisquitereasonable.Usingrangingtechnology,wesuccessfullycompletedthedistancemeasurementfrom2cmto400cm.Aftertemperaturecompensation,thedeviationofmeasurementaccuracyiskeptatabout1%,whichprovidesthepossibilityfortheapplicationofthissysteminpracticalrangingtasks.Keywords:UltrasonicRanging;STC8952MCU;HC-SR04頁(yè)共46頁(yè)第三章方案論證3.1設(shè)計(jì)思路在實(shí)際應(yīng)用中，有多種方法可以用來(lái)測(cè)量距離：對(duì)于靠近的目標(biāo)，可以使用較短的尺子進(jìn)行測(cè)量，而對(duì)于較遠(yuǎn)的目標(biāo)，可以采用激光技術(shù)進(jìn)行距離測(cè)量等。采用超聲波測(cè)距作為測(cè)量工具可以產(chǎn)生極小的測(cè)量誤差。在一個(gè)溫度為15攝氏度的環(huán)境中，超聲波的傳播速度約為340m/s，而MCU系統(tǒng)內(nèi)部配備了一個(gè)計(jì)時(shí)器。該設(shè)計(jì)使用12兆赫茲的頻率作為時(shí)鐘輸入，因此在測(cè)量結(jié)果方面的誤差極為微小，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度能夠超過(guò)1%。目前廣泛應(yīng)用的距離測(cè)量方法如下：首先釋放特定頻率的超聲波以估算目標(biāo)物與設(shè)備之間的實(shí)際距離，接著釋放該頻率的超聲波，然后接收其相應(yīng)頻率的反射波以計(jì)算距離間隔，最后通過(guò)聲波水位檢測(cè)器或超聲波探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備與目標(biāo)物之間的距離轉(zhuǎn)換。這臺(tái)設(shè)備非常適合在沒(méi)有物理接觸的環(huán)境中進(jìn)行測(cè)量，例如利用超聲波來(lái)確定厚度或使用超聲波進(jìn)行倒車(chē)碰撞警告等。隨著聲波測(cè)量的理論日益完善和深入，超聲波測(cè)距技術(shù)在問(wèn)題解決方面的能力也逐步提升，與此同時(shí)，其新的應(yīng)用場(chǎng)景也在不斷擴(kuò)大。當(dāng)超聲波被發(fā)射至其他介質(zhì)時(shí)，它的傳播方向會(huì)根據(jù)其最初的位置來(lái)確定，這使得它不易受到外部干擾。鑒于聲波在傳輸時(shí)的能量傳輸速度相對(duì)緩慢，它能夠達(dá)到的距離也相對(duì)較長(zhǎng)，因此，超聲波技術(shù)經(jīng)常被用于估算待測(cè)物體與預(yù)定目標(biāo)之間的實(shí)際距離。利用超聲波技術(shù)進(jìn)行范圍測(cè)量，這套設(shè)備具有相對(duì)較小的體積，其內(nèi)部模塊能夠快速處理數(shù)據(jù)，并且其測(cè)量精度也能達(dá)到預(yù)定的標(biāo)準(zhǔn)。超聲波因其合成過(guò)程簡(jiǎn)便、導(dǎo)向方向不容易受到外界干擾、信號(hào)接收簡(jiǎn)單以及目標(biāo)之間不需要接觸的多重優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是計(jì)算測(cè)試間隔的最佳選擇。在過(guò)去，生產(chǎn)商主要是為聲波距離的計(jì)算設(shè)計(jì)了特定的模塊，這通常會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的誤差達(dá)到厘米級(jí)別，但在實(shí)際應(yīng)用中，液位數(shù)據(jù)通常需要達(dá)到毫米級(jí)別。通常情況下，超聲波傳輸誤差的出現(xiàn)是由于計(jì)算超聲波往復(fù)動(dòng)作所需的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。出于這個(gè)考慮，為了提高計(jì)時(shí)的精確度并減少超聲波傳播時(shí)溫度對(duì)數(shù)據(jù)的影響，我們?cè)黾恿艘粋€(gè)測(cè)溫模塊以降低這種干擾。因此，我們制造的聲波測(cè)距儀完全達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，并且其測(cè)量結(jié)果更加貼近實(shí)際情況。目前，超聲波距離測(cè)量技術(shù)已在眾多行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在我國(guó)的實(shí)際環(huán)境中，人們普遍采用超聲波測(cè)距的基本原理，并將集成模塊設(shè)計(jì)為輕巧且便于攜帶的工具，以支持構(gòu)建各種獨(dú)特的測(cè)距系統(tǒng)。然而，由于需要處理的測(cè)距場(chǎng)景數(shù)量眾多且需求量龐大，這使得制造集成測(cè)距設(shè)備的資源需求增加，同時(shí)，單一電路的使用場(chǎng)景也顯得相對(duì)簡(jiǎn)潔和受限。采用MCU微處理器作為核心的測(cè)量工具，我們?cè)O(shè)計(jì)了一款測(cè)距儀器，該儀器具備關(guān)鍵監(jiān)控、大規(guī)模出口測(cè)量、可視化展示以及警告等功能。這種設(shè)計(jì)不僅節(jié)約了大量的資源，而且誤差相對(duì)較小，操作方便，并能穩(wěn)定地處理數(shù)據(jù)。以8052為核心的MCU微型計(jì)算機(jī)在其硬件架構(gòu)中展示了設(shè)備的全面功能和高效的操作性能。需要特別強(qiáng)調(diào)的是，這款MCU不僅配備了一個(gè)八位數(shù)的中央處理器，而且還配備了高性能的位處理器。這一結(jié)構(gòu)可以被看作是一個(gè)集成了所有必要關(guān)鍵組件的微型計(jì)算機(jī)，由全位核心處理器、位隨機(jī)檢索存儲(chǔ)器、非易損性存儲(chǔ)器、位定位寄存器、數(shù)據(jù)通道以及指令盒所組成。因此，8052可以被視為一臺(tái)配備雙重中央處理器的個(gè)人電腦。位計(jì)算在執(zhí)行化設(shè)置、常規(guī)電路調(diào)整和階段性監(jiān)控等方面表現(xiàn)出了明顯的優(yōu)越性，同時(shí)，八位中心處理器在信息提取和執(zhí)行方面也展示了顯著的優(yōu)越性。根據(jù)系統(tǒng)的特定功能和測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，我們可以選擇STC89C52型MCU作為核心控制中心，負(fù)責(zé)記錄接收和發(fā)送的超聲波信號(hào)的時(shí)間，實(shí)時(shí)跟蹤，并計(jì)算啟動(dòng)信號(hào)的持續(xù)時(shí)間與往返時(shí)間的偏差。控制器開(kāi)始時(shí)會(huì)發(fā)出超聲波的通知，然后通過(guò)輸出端將其發(fā)送給控制器，在控制器的指導(dǎo)下，啟動(dòng)壓電晶體來(lái)合成超聲波；超聲波產(chǎn)生的信號(hào)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的鎖相環(huán)調(diào)音解碼器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的，其主要功能是監(jiān)測(cè)并調(diào)整放大信號(hào)的頻率。當(dāng)譯碼器捕獲超聲波信號(hào)時(shí)，如果檢測(cè)到回波頻率與振蕩器自身的頻率相匹配，而這個(gè)頻率需要通過(guò)電容器和電阻來(lái)確定，這時(shí)輸出端的電位會(huì)從高電平變?yōu)榈碗娖剑ㄟ@時(shí)鎖相環(huán)已經(jīng)進(jìn)入鎖定狀態(tài)），這種電平轉(zhuǎn)換可以用于MCU實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超聲波探針的反應(yīng)模式。利用溫度數(shù)據(jù)的測(cè)量方法可以彌補(bǔ)環(huán)境溫度帶來(lái)的缺陷，更新測(cè)量數(shù)據(jù)，從而提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；STC89C52也具備驅(qū)動(dòng)顯示區(qū)域的功能；當(dāng)我們把芯片和模塊的8項(xiàng)雙向數(shù)據(jù)以及3項(xiàng)功能連接在一起時(shí)，就能夠展示出我們測(cè)量到的距離信息。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖1展示了超聲波距離測(cè)定的總體框架。這一系統(tǒng)的關(guān)鍵部分涵蓋了MCU、超聲波模塊、溫度調(diào)整模塊、按鈕設(shè)備、數(shù)據(jù)展示組件和語(yǔ)音播放電路。這個(gè)系統(tǒng)擁有若干關(guān)鍵功能:（1）超聲波信號(hào)在接收和發(fā)送后，會(huì)經(jīng)過(guò)時(shí)間的計(jì)算并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的距離數(shù)值；（2）通過(guò)對(duì)周邊環(huán)境溫度的測(cè)量，我們能夠?qū)嚯x數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行修正；（3）LCD顯示屏有能力呈現(xiàn)不同的距離和溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)信息；（4）這個(gè)語(yǔ)音系統(tǒng)能夠播放與距離有關(guān)的音頻數(shù)據(jù)集；（5）按鈕單元的主要職責(zé)是執(zhí)行用戶的操作功能。圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第四章硬件電路設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)STC89C52單片機(jī)被歸類(lèi)為集成電路的一種芯片類(lèi)型。在本次研究中，我們使用了超大規(guī)模集成電路技術(shù)，整合了中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、各種I/O端口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、多種功能（包括顯示控制電路和脈寬調(diào)制電路）、模擬多路復(fù)用器和A/D轉(zhuǎn)換器等，并將其安裝在硅片上，形成了一個(gè)完整的小型微機(jī)系統(tǒng)。這一微型系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域展現(xiàn)出了廣大的應(yīng)用潛力。相較于傳統(tǒng)的微型計(jì)算機(jī)，單片機(jī)在存儲(chǔ)空間上更為高效，因此它經(jīng)常被集成到其他執(zhí)行工具中，從而達(dá)到了主動(dòng)識(shí)別和管理的目的。因此，這一模塊也被命名為集成微控制器單元EMCU。如圖2所示，您可以查閱EmbeddedMicrocontrollerUnit的相關(guān)引腳圖：圖2STC89C52引腳圖STC89C52的構(gòu)造由40個(gè)獨(dú)特的引腳點(diǎn)組成。所展示的芯片上有一個(gè)半圓形的瑕疵，這個(gè)瑕疵的左側(cè)第一個(gè)引腳被命名為1號(hào)腳，并按照逆時(shí)針的方向被稱作2~40號(hào)引腳。這種雙排直插式的封裝方式被命名為將引腳放置在芯片的兩側(cè)。單片機(jī)的腳引布局是根據(jù)特定模式來(lái)設(shè)計(jì)的。從1號(hào)引腳擴(kuò)展到8號(hào)引腳的這一過(guò)程被標(biāo)注為P1.0~P1.7。實(shí)際上，9號(hào)引腳是一個(gè)復(fù)位接口，該接口允許在電解電容位置上并行使用按鍵復(fù)位芯片。從10號(hào)到17號(hào)的引腳數(shù)值應(yīng)該是P3.0到P3.7之間。緊隨其后，連接兩個(gè)引腳時(shí)需要考慮到晶振的影響，然后是電容式和地式的連接方式，其中電容可以選擇直接插入或者選擇貼片式連接。第20號(hào)引腳與接地保護(hù)芯片相連接，而從21號(hào)引腳到28號(hào)引腳的接口范圍是P2.0到P2.7，同時(shí)第31號(hào)引腳被確定為EA的接口。當(dāng)連接32號(hào)引腳到39號(hào)引腳的時(shí)候，P值的范圍是0.0到0.7。40號(hào)導(dǎo)線賦予了芯片通電的能力。下面介紹單片機(jī)引腳一些特殊之處。在特定的集成設(shè)計(jì)中，52單片機(jī)從P0的32號(hào)端到39號(hào)端都是處于開(kāi)漏狀態(tài)，并且在端口附近沒(méi)有額外添加拉電阻（只有P0的輸入輸出數(shù)據(jù)端口存在電阻）。當(dāng)MCU開(kāi)始供電時(shí)，32號(hào)到39號(hào)的引腳呈現(xiàn)了顯著的阻阻狀況，在此背景下，端口的電位介于高電位與低電位之間。眾所周知，芯片的端口電位僅分為高電位和低電位這兩類(lèi)。因此，一旦芯片接通電源，除了32號(hào)至39號(hào)引腳不會(huì)輸出5V電壓外，其他引腳的輸出電壓都是5V電壓。當(dāng)單片機(jī)被賦予管理外部連接部件的職責(zé)時(shí)，這些部件通常具有各自獨(dú)特的工作電壓，通常是5V和3.3V。為確保這批設(shè)備能夠正常工作，我們需要加入拉電阻來(lái)增強(qiáng)它們的功能性。當(dāng)芯片啟動(dòng)后，它的第一系列端口在高電壓環(huán)境下會(huì)顯示出5V的電壓變化。當(dāng)芯片輸出高電壓時(shí)，端口的電壓顯然代表了其高電壓等級(jí)；當(dāng)芯片產(chǎn)生低電壓輸出時(shí)，相應(yīng)地，端口的電位也會(huì)呈現(xiàn)為低電壓狀態(tài)。為了達(dá)到高電平與低電平的輸出效果，選擇適當(dāng)?shù)碾娮枳柚碉@得尤為重要。如果新加入的阻值不夠，那么它就等同于直接與端口之間建立了高電平連接。因此，當(dāng)計(jì)算芯片的輸出是低電平，并且其端口電位達(dá)到5伏時(shí)，這可能成為芯片損壞的一個(gè)潛在風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)電阻值出現(xiàn)超出范圍的情況時(shí)，單片機(jī)的端口電位會(huì)維持在較高的電平水平。我們可以根據(jù)單片機(jī)的引腳輸入與輸出電流的關(guān)系來(lái)選擇合適的阻值，這些阻值的范圍通常是從一千歐至五千歐。當(dāng)加入拉格截電阻后，第一組端口的輸出電平將與其他端口保持一致。從第三系列的10號(hào)到17號(hào)引腳，該系列還增添了其他獨(dú)特的功能特性。P3.0端口也被賦予了不同的名稱，RXD就是這樣一個(gè)額外的功能，能夠收集數(shù)據(jù)。P3.1具備TXD的特性，這意味著它可以輸出流的外部數(shù)據(jù)。RXD和TXD是成對(duì)出現(xiàn)的，并在串行通訊中被頻繁地采用。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)單片機(jī)燒錄程序需要通過(guò)其他途徑進(jìn)行通訊時(shí)，這兩個(gè)端口成為了不可或缺的執(zhí)行組件。P3.2代表那些外部中斷0的符號(hào)。為了激活外部中斷0的特性，我們不僅要將信號(hào)傳送至P3.2端口，還需在軟件中編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的外部中斷0子代碼。在P3.4版本里，外部中斷1扮演了至關(guān)重要的角色。P3.3代表定時(shí)器中出現(xiàn)的斷點(diǎn)0，而P3.5是指定時(shí)器被打斷的那一次。如果選擇使用由定時(shí)器中斷的功能，那么就無(wú)需監(jiān)控外部數(shù)據(jù)，時(shí)鐘功能也可以在芯片內(nèi)部得到實(shí)施。在這兩種情況下，P3.3和P3.5端口不僅擁有定時(shí)器中斷的能力，還能作為雙向數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕涌凇５?，?dāng)系統(tǒng)需要進(jìn)行計(jì)數(shù)器的操作時(shí)，它會(huì)接受來(lái)自外部的電位信號(hào)，因此，必須確保定時(shí)器和計(jì)數(shù)器的端口能夠與這些外部信號(hào)順利連接。通過(guò)所提供的圖表，我們可以清楚地看到單片機(jī)的P1.0和P1.1端口都帶有T2、T2EX的標(biāo)記。這意味著P1.0具有獨(dú)特的定時(shí)中斷特性，而P1.1則具備捕獲功能。在單片機(jī)芯片編程的過(guò)程當(dāng)中，某些特定功能需要通過(guò)具備相應(yīng)特性的引腳來(lái)進(jìn)行表示。4.2超聲波測(cè)距模塊HC-SR04HC-SR04是一臺(tái)專(zhuān)門(mén)用于各類(lèi)機(jī)電設(shè)備的超聲波測(cè)量?jī)x器。HC-SR04以及其他經(jīng)濟(jì)高效的超聲波傳感器已經(jīng)在多種物體的檢測(cè)、分析和分類(lèi)任務(wù)中得到了廣泛的應(yīng)用。這個(gè)設(shè)備搭載了一個(gè)控制電路、一個(gè)發(fā)射部件和一個(gè)超聲波接收器。4.2.1HC-SR04電氣參數(shù)關(guān)于HC-SAR4模塊的詳細(xì)參數(shù)，您可以在表2中找到詳盡的列表。表2模塊參數(shù)4.2.2基本工作原理HC-SR04超聲波距離傳感器的設(shè)計(jì)理念是基于回聲定位，正如下面的圖片展示的那樣。這款傳感器配備了以下四種接口：5v（供電）、0v（接地）、用于輸入觸發(fā)脈沖和輸出回波脈沖。當(dāng)信號(hào)被激活為5v時(shí)，它的持續(xù)時(shí)間應(yīng)不少于10us，這將使得傳感器能夠發(fā)出短暫的超聲波信號(hào)。當(dāng)由8束40千赫茲脈沖構(gòu)成的超聲波短信號(hào)被傳輸后，傳感器將有能力捕捉到回聲的聲音。在這段時(shí)間內(nèi)，回波引腳的數(shù)值依然維持在5v的水平。在接收端檢測(cè)到回波信號(hào)或在最短的等待時(shí)間為38ms后，回波引腳的復(fù)位狀態(tài)將變?yōu)?v。HC-SR04超聲波距離感應(yīng)器的工作范圍是2厘米到450厘米，并且它的分辨能力可以達(dá)到0.3厘米?？梢詤⒖紙D3來(lái)展示具體的實(shí)物照片：圖3HC-SR04實(shí)物圖4.2.3HC-SR04超聲波時(shí)序圖HC-SR04發(fā)射超聲波工作原理如圖4所示圖4HC-SR04工作原理圖如圖4.3所示，展示了傳感器驅(qū)動(dòng)信號(hào)的時(shí)間序列圖。為了啟動(dòng)測(cè)量流程，觸發(fā)器需要承受不少于10微米秒長(zhǎng)的5v脈沖，這樣模塊就能以40千赫茲的頻率進(jìn)行八次超聲波脈沖周期的發(fā)射，并等待其折疊信號(hào)。一旦接收到回波引腳，它會(huì)被置于高電平位置，而高電平所需的時(shí)間與所測(cè)量的距離是相對(duì)應(yīng)的。需要一段時(shí)間間隔來(lái)讀取、調(diào)用并發(fā)送高電流?？紤]到實(shí)際的聲速環(huán)境，我們可以采用特定的數(shù)學(xué)公式來(lái)估算所需測(cè)量的距離，這個(gè)距離是以厘米為單位來(lái)表示的:計(jì)算距離的方法是這樣的：高電平的持續(xù)時(shí)間與聲速的總和，它們的比率是2（聲速被設(shè)定為340m/s）為了減少數(shù)據(jù)誤差，通常會(huì)把循環(huán)周期控制在超過(guò)六十毫秒的范圍內(nèi)，這樣可以降低信號(hào)在同一時(shí)間段受到發(fā)射信號(hào)影響的可能性。4.2.4超聲波應(yīng)用電路圖超聲波應(yīng)用電路圖如圖5所示圖5超聲波應(yīng)用電路圖在應(yīng)用示意圖中，2號(hào)電平的輸入控制端與單片機(jī)的P21端相連，當(dāng)單片機(jī)輸入到適當(dāng)?shù)碾娖綍r(shí)，會(huì)激活相應(yīng)的控制端口。3號(hào)檢測(cè)電位的出口與單片機(jī)的20端接口相連接，一旦檢測(cè)到電位偏高，系統(tǒng)將激活計(jì)時(shí)器，直至電位發(fā)生明顯變化。4.3溫度傳感器DS18B20DS18B20是一臺(tái)精度高達(dá)0.5°C的精確溫度感應(yīng)儀器。如果你計(jì)劃在一個(gè)面積等成百平方米的廣闊平面上進(jìn)行溫度檢測(cè)，那么這項(xiàng)技術(shù)將變得尤為實(shí)用，因?yàn)榇罅康膫鞲衅骺梢员徽系揭粋€(gè)統(tǒng)一的電路系統(tǒng)里。DS18B20的主要特點(diǎn)是它具備轉(zhuǎn)化為數(shù)字化溫度傳感器的能力。這款傳感設(shè)備提供了九位、十位、十一位或十二位的四種不同分辨率供用戶選擇。與0.5°C、0.25°C、0.125°C和0.0625°C的精度進(jìn)行比較后，發(fā)現(xiàn)它的精確度得到了提升。當(dāng)傳感器被使用時(shí)，其默認(rèn)的分辨率設(shè)置為十二位。在能量消耗較少且沒(méi)有額外空間的前提下，溫度傳感器進(jìn)行供電操作。當(dāng)需要把溫度檢測(cè)和模擬的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式時(shí)，主機(jī)應(yīng)該輸出ConvertT[44h]命令作為其輸出信號(hào)。在經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換處理之后，生成的測(cè)量數(shù)據(jù)將被儲(chǔ)存在暫存器的雙字節(jié)溫度寄存器中，接著DS18B20將會(huì)恢復(fù)到其休眠狀態(tài)。如果這個(gè)模塊是通過(guò)外部接口供電的，并且在ConvertT命令下達(dá)后能夠執(zhí)行“讀時(shí)隙”，那么溫度感應(yīng)器在進(jìn)行溫度變化時(shí)將會(huì)達(dá)到零響應(yīng)狀態(tài)，而當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)，將會(huì)觸發(fā)1轉(zhuǎn)換流程。如果溫度傳感器因其自身的附著系統(tǒng)電源而供電，那么采用這種方法是不可行的，因?yàn)樵谡麄€(gè)溫度變化周期中，需要通過(guò)強(qiáng)制提升來(lái)增加總線的電位。溫度傳感器模塊輸出的溫度是以攝氏度作為測(cè)量的基準(zhǔn)。對(duì)于顯示為華氏度的溫度顯示系統(tǒng)，有必要進(jìn)行查詢記錄或者轉(zhuǎn)換。在這個(gè)模塊中，TH和TL寄存器都是核心的存儲(chǔ)芯片，它們?cè)跀嚯姇r(shí)不會(huì)丟失內(nèi)容，因此，當(dāng)系統(tǒng)停止供電時(shí)，這些芯片可以保存信息。在我們的模塊芯片設(shè)計(jì)中，我們采用了十六位字符作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)二進(jìn)制符號(hào)的位置和數(shù)字范圍進(jìn)行了統(tǒng)一處理。在溫度傳感器達(dá)到十二位精度的情況下，模塊芯片內(nèi)的每一位數(shù)據(jù)都將完整無(wú)損地保存，確保原始信息的完整性。在11位的分辨率上，零的位置尚未進(jìn)行標(biāo)定。在十位分辨率的范圍內(nèi)，位一和零還沒(méi)有被標(biāo)定，但對(duì)于九位的分辨率，位二和位一與零都還沒(méi)有被標(biāo)定。DS18B20的溫度傳感器能夠通過(guò)模塊頂端的電源端口獲取外部電源，同時(shí)也能從模塊連接的系統(tǒng)電源中獲取所需的電源，即從數(shù)據(jù)線中獲取所需的電源。因此，在沒(méi)有外部電源支持的情況下，溫度傳感器模塊能夠正常工作。這表明，這個(gè)設(shè)備可以被放置在沒(méi)有方便接入的電源設(shè)備的位置。當(dāng)面臨需要進(jìn)行遠(yuǎn)程溫度檢測(cè)或在狹小的環(huán)境中工作時(shí)，使用模塊系統(tǒng)中的電源變得更加方便和實(shí)用。但是，在這樣的場(chǎng)景中，我們可能需要額外增加一個(gè)五千歐的上拉電阻，這主要是由于設(shè)備可能存在漏電問(wèn)題，而在空閑狀態(tài)下，它可能會(huì)出現(xiàn)在總線的高電平環(huán)境中。然而，在某些特定的環(huán)境條件下，例如當(dāng)測(cè)試對(duì)象的溫度超出一百攝氏度時(shí)，建議避免使用模塊化的電源系統(tǒng)，因?yàn)闇囟葌鞲衅骺赡懿荒鼙ＷC數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，而在這些惡劣的環(huán)境條件下，泄露電流的風(fēng)險(xiǎn)會(huì)顯著增加。4.3.1DS18B20電氣參數(shù)DS18B20在這一設(shè)計(jì)方案中采用了3個(gè)引腳，并以TO-92格式進(jìn)行打包，詳見(jiàn)圖6。圖6DS18B20引腳圖關(guān)于溫度傳感器芯片DS18B20的詳細(xì)規(guī)格和參數(shù)，請(qǐng)參考下方的3個(gè)表格：表3DS18B20的規(guī)格參數(shù)4.3.2DS18B20應(yīng)用電路圖溫度傳感器應(yīng)用電路圖如圖7所示圖7溫度傳感器應(yīng)用電路4.4LCD1602液晶液晶顯示器（LCD）在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是一種常用的輸出器件，它具有空間占用少、電力消耗低、屏幕展示信息清晰、信息量大、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)，因此在輕量級(jí)、便利的電子產(chǎn)品中具有很大的應(yīng)用潛力。LCD與二極管發(fā)光顯示器在工作原理上存在明顯的差異。液晶顯示屏依賴其固有的物理特性，在電場(chǎng)的影響下，導(dǎo)致液晶分子發(fā)生形態(tài)改變。接著，在多色過(guò)濾設(shè)備和液晶過(guò)濾光源的支持下，液晶顯示屏上呈現(xiàn)了相關(guān)的數(shù)據(jù)。液晶的種類(lèi)繁多，我們挑選了LCD1602作為我們的設(shè)計(jì)型號(hào)。1602在眾多市場(chǎng)中的使用頻率極高，尤其在單片機(jī)操作系統(tǒng)里，它常被當(dāng)作一個(gè)字符液晶來(lái)看待。顯示屏的內(nèi)部融合了液晶顯示的技術(shù)，同時(shí)眾多的電阻、電容組件、動(dòng)力來(lái)源和控制單元都被集成在打印電路板內(nèi)部。在電路板的后側(cè)驅(qū)動(dòng)電路中，嵌入了顯示屏的內(nèi)存，這樣可以方便地在液晶屏幕上直接記錄信息，從而展示特定的字符標(biāo)記。4.4.1LCD1602電氣參數(shù)表4展示了LCD1602格式的技術(shù)數(shù)據(jù)表4LCD1602液晶主要參數(shù)4.4.2LCD1602控制指令1602液晶具有11個(gè)控制指令，單片機(jī)則負(fù)責(zé)將這些指令傳遞給相應(yīng)的模塊，以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶操作的精確控制。（1）清屏指令的目的是為了從液晶顯示屏和地址計(jì)數(shù)器中移除特定的數(shù)值信息；（2）歸零指令被用來(lái)初始化1602屏幕上當(dāng)前的字符顯示點(diǎn)（3）用戶有權(quán)限接收輸入選項(xiàng)的命令，并可以對(duì)1602光標(biāo)和用戶界面的顯示進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整；（4）屏幕開(kāi)關(guān)的指令功能涵蓋了調(diào)節(jié)屏幕閃爍、控制光標(biāo)以及調(diào)整顯示開(kāi)關(guān)的工作狀態(tài)；（5）當(dāng)光標(biāo)開(kāi)始移動(dòng)，屏幕上便能觀察到光標(biāo)或顯示位置發(fā)生了偏移；（6）CGRAM的配置指南：請(qǐng)確定其當(dāng)前的位置；（7）DDRAM的配置指令：它的主要職責(zé)是確定用戶的具體地址；（8）功能設(shè)置手冊(cè)：提供運(yùn)行模式的配置建議；（9）當(dāng)BF的數(shù)值達(dá)到1時(shí)，這意味著它處于忙碌狀態(tài)；而當(dāng)BF的數(shù)值為0時(shí)，這意味著它正處于待機(jī)模式，此時(shí)CF的讀數(shù)代表最接近的地址；（10）關(guān)于數(shù)據(jù)內(nèi)容的指令編寫(xiě)：在液晶顯示屏上呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的圖像標(biāo)識(shí)；（11）讀取數(shù)據(jù)的命令：當(dāng)8個(gè)雙向數(shù)據(jù)端不是數(shù)據(jù)，而是處于狀態(tài)時(shí)，它們被設(shè)置為讀的狀態(tài)。4.4.3LCD1602引腳功能LCD1602引腳如圖8所示圖8LCD1602引腳圖圖示顯示，1602具備16個(gè)供端口，其中8個(gè)引腳用于雙向數(shù)據(jù)I/O，4個(gè)用于電源，以及1個(gè)用于顯示偏壓信號(hào)（這個(gè)過(guò)程不需要單片機(jī)的指導(dǎo)）。其他三個(gè)RS端口在R/S=1的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；當(dāng)R/S的數(shù)值為0時(shí)，開(kāi)始執(zhí)行指令操作。當(dāng)R/W的值為1時(shí)，RW端口會(huì)激活讀取命令；在R/W=0的情況下，開(kāi)始了寫(xiě)入操作。E端口主要扮演著驅(qū)動(dòng)信號(hào)端子E的角色，在執(zhí)行讀取或?qū)懭朊顣r(shí)，必須確保E端口處于高電位狀態(tài)以進(jìn)行操作。V0（也就是屏幕的電源驅(qū)動(dòng)器，它通過(guò)調(diào)節(jié)偏壓端口的大小來(lái)表示屏幕顯示信息的對(duì)比結(jié)果，通常會(huì)連接一個(gè)10千歐洲的可調(diào)電阻器。通過(guò)使用旋轉(zhuǎn)電位器來(lái)調(diào)節(jié)電路電壓，我們可以更好地平衡屏幕顯示的光線與陰影的比例，從而更好地適應(yīng)周?chē)h(huán)境的顯示需求。序列中的最后兩個(gè)接觸點(diǎn)作為背光的電源來(lái)源。第15號(hào)引腳作為背光電源的正極，如果在實(shí)際操作中不想持續(xù)顯示背光，可以在引腳上額外添加一款三極管電路，以實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)控制，并在需要背光的情況下打開(kāi)。4.4.4LCD1602應(yīng)用電路圖LCD1602應(yīng)用電路圖如圖9所示圖9LCD1602應(yīng)用電路圖從圖中我們可以看到，在這個(gè)應(yīng)用電路系統(tǒng)里，兩個(gè)與VCC相連的電源被連接到芯片上，同時(shí)兩個(gè)GND端子也與接地保護(hù)芯片相連。第三號(hào)接口配備了一個(gè)10千歐的可調(diào)電壓開(kāi)關(guān)，也被稱為電位器。MCU的P0口連接了8個(gè)雙向數(shù)據(jù)傳輸接口，除此之外，還配備了讀寫(xiě)接口和與P3口相連的三個(gè)使能接口。4.5OTP語(yǔ)音芯片在我們的周?chē)泻芏嘁淮涡缘奈锲?，例如一次性的筷子和杯子是最常?jiàn)的。然而，在這一次的設(shè)計(jì)中，用于播放測(cè)試數(shù)據(jù)的一次性語(yǔ)音芯片卻很少被人們所了解。一旦一次性語(yǔ)音芯片的加工過(guò)程完成，其核心內(nèi)容便被認(rèn)為是一片未被填充的空白區(qū)域，這也是OTP語(yǔ)音芯片的另一種稱呼。從這款芯片的名稱中，我們可以清晰地看出其含義，即它只被允許進(jìn)行一次編程。一旦這個(gè)程序被成功地編寫(xiě)并傳送到這款芯片上，該芯片將僅能執(zhí)行所有相關(guān)的編程任務(wù)，無(wú)法再執(zhí)行燒寫(xiě)操作。這次使用的距離測(cè)量設(shè)備是基于JQ6500型號(hào)的OTP語(yǔ)音芯片技術(shù)。JQ6500是一款單晶級(jí)的CMOS語(yǔ)音合成IC系列產(chǎn)品，由中國(guó)臺(tái)灣的九齊科技公司專(zhuān)門(mén)為NY3（A）（B）和其他Mask語(yǔ)音系列產(chǎn)品進(jìn)行研發(fā)。該產(chǎn)品還采用了嵌入式ERROM作為其OTPIC架構(gòu)。這一系列的產(chǎn)品涵蓋了7種不同的型號(hào)，而在I/O數(shù)據(jù)接口的數(shù)量上，五種型號(hào)的數(shù)量是最多的。這一系列OTP芯片內(nèi)部具有高度精確的內(nèi)阻振動(dòng)特性，因此在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，無(wú)需在其外部添加額外的震蕩電阻。輸出部分采用了脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，因此不需要加入任何額外的電路部件。在芯片的語(yǔ)音合成技術(shù)上，它與Mask的產(chǎn)品存在許多相似點(diǎn)。在OTP燒錄過(guò)程中，如果需要更改Code文件，用戶可以選擇燒錄不同的語(yǔ)音內(nèi)容，并且可以直接在可擦寫(xiě)、可編程的只讀內(nèi)存中進(jìn)行燒錄。這為用戶提供了一個(gè)更加方便的軟件工具，以開(kāi)發(fā)和執(zhí)行這些燒錄功能。4.5.1語(yǔ)音芯片特點(diǎn)（1）該設(shè)備的工作電壓波動(dòng)幅度相當(dāng)大，范圍在1.5V到6.4V之間；（2）有三個(gè)獨(dú)特的雙向數(shù)據(jù)端口，它們被命名為BUSY端口、Data端口以及Rst端口；（3）這款芯片能夠最大限度地將音頻內(nèi)容劃分為超過(guò)七百個(gè)子音頻單元，并且這些子音頻單元的尺寸應(yīng)當(dāng)存在一定的差異。在短音頻片段中，不管是其最大或最小的可分割容量，每段語(yǔ)音的最大或最短長(zhǎng)度都沒(méi)有明確的限制；（4）這款芯片在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面具有高達(dá)1536個(gè)音頻格的能力，并且這些音頻格子能夠被細(xì)分為128組不同的音頻組合。每一個(gè)語(yǔ)音格都提供了選擇特定音頻帶并與其數(shù)據(jù)輸出相匹配的機(jī)會(huì)；（5）這款芯片配備了一個(gè)非常精確的頻率振蕩器（誤差極小），并且該芯片沒(méi)有端口，可以用來(lái)附加設(shè)置電阻和接入電路。它能夠?yàn)橥幌盗械钠渌a(chǎn)品提供不同速度的播放體驗(yàn)。NY3B系列為用戶提供了27個(gè)獨(dú)特的播放速度選項(xiàng)。4.5.2語(yǔ)音芯片引腳關(guān)于如何選擇輸入引腳：每個(gè)輸入項(xiàng)都有權(quán)決定是否維持、撤銷(xiāo)或重新啟動(dòng)/或選擇不采用某一特定模式。在每一條輸入路徑中，都可以選擇使用CDS+1.5M、CDS或1.5M來(lái)減小電阻值，或者選擇浮選方式進(jìn)行輸入。每一個(gè)輸入動(dòng)作都允許用戶選擇何時(shí)退出：如果是長(zhǎng)脫，可以選擇按下按鈕；如果是短脫，可以選擇按鈕扣和快捷切換方式。只有一個(gè)獨(dú)立的輸入腳條能夠觸發(fā)開(kāi)關(guān)的功能。輸出引腳具有四種獨(dú)特的輸出電流模式：一種是通用的灌注方式，其輸出結(jié)果與一個(gè)配備VDD的LED顯示屏相連接。在大輸入電流的輸出部分，其輸出端與LED及VDD相連接。輸出電流是通過(guò)定灌方式實(shí)現(xiàn)的：該輸出線路與一個(gè)LED和VDD相連接。在驅(qū)動(dòng)電流的輸出方面，它的輸出端與LED衛(wèi)星和GND衛(wèi)星建立了連接。輸出引腳為用戶提供了眾多的輸出選項(xiàng)，如StopLow脈沖是為了避免模塊播放音頻，而芯片的引腳則需要接受低電勢(shì)信號(hào)的輸入。StopHighpulse:如果想要中斷模塊的音頻播放，就必須從芯片的導(dǎo)向位置接收高電壓信號(hào)。BusyHighactive:當(dāng)一個(gè)芯片在播放音頻時(shí)，它的引腳會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高電位的信號(hào)。（驅(qū)動(dòng)輸出）BusyLowactive:在芯片進(jìn)行錄音播放的過(guò)程中，其引腳具有產(chǎn)生低電位信號(hào)的能力。芯片使用手冊(cè)：預(yù)設(shè)該系統(tǒng)將播放第七段內(nèi)容?？刂菩酒到y(tǒng)的操作流程如下：首先向REST端口發(fā)送一個(gè)初始信號(hào)，然后向DATA端口發(fā)送7個(gè)電信號(hào)。一旦語(yǔ)言系統(tǒng)被激活，它將播放第七部分的相關(guān)內(nèi)容；如果需要播放第九段描述的內(nèi)容，控制器首先會(huì)向REST端口發(fā)送一個(gè)初步的啟動(dòng)信號(hào)，然后再將9個(gè)電信號(hào)發(fā)送到DATA端口。音頻系統(tǒng)將立即啟動(dòng)，以展示第九段的相關(guān)信息。設(shè)想連續(xù)播放第七段和第九段的內(nèi)容：首先向REST端口發(fā)送一個(gè)初始信號(hào)，然后向DATA端口發(fā)送7個(gè)電信號(hào)。語(yǔ)音系統(tǒng)會(huì)立刻激活，播放第七段的視頻內(nèi)容，并確認(rèn)OTP的BUSY接口是否具有高電勢(shì)；在沒(méi)有高電位的情況下，它會(huì)進(jìn)入休眠模式。如果電位沒(méi)有達(dá)到高水平，該系統(tǒng)會(huì)首先啟動(dòng)一個(gè)初級(jí)信號(hào)，并將其傳送至RST端口，然后再向DATA端口發(fā)送九個(gè)電子信號(hào)。一旦語(yǔ)音系統(tǒng)被激活，第九段的信息將會(huì)被呈現(xiàn)出來(lái)，并繼續(xù)進(jìn)行。4.5.3語(yǔ)音芯片應(yīng)用電路圖語(yǔ)音芯片應(yīng)用圖如圖10所示：圖10語(yǔ)音芯片應(yīng)用圖BUSY端口的定義是：當(dāng)模塊正在運(yùn)行時(shí)，它用于播放內(nèi)容，這個(gè)端口具有低電平時(shí)，但當(dāng)模塊結(jié)束或進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，這個(gè)端口會(huì)顯示出高電平的特性；PinK1代表音頻1的播放設(shè)備PinK2是音頻2的播放接口PinK3是音頻3的播放接口PinK4是音頻4的播放接口PinK5是音頻5的播放引腳SGND，并且具有接地功能所謂的引腳ADKEY，其實(shí)是一個(gè)連接到Pin的AD端播放顯示裝置RXUART被定義為串行數(shù)據(jù)的輸入方式，而UART是串行數(shù)據(jù)的輸出方式，它的引腳名為GND，主要用于接地操作VCC5V的引腳被設(shè)計(jì)用于供電引腳ADC_R是指位于右聲道的放大器或耳機(jī)的ADC_LD，而引I腳則是指放大器或耳機(jī)（也位于左聲道）的SPK—引腳，作為揚(yáng)聲器的負(fù)極元件SPK+的引腳是揚(yáng)聲器正極化的代表第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)前述的硬件規(guī)格描述，我們開(kāi)發(fā)了測(cè)距儀的軟件部分。這個(gè)系統(tǒng)是由主程序控制電路、超聲波信號(hào)的執(zhí)行、用戶按鍵子程序、數(shù)據(jù)展示顯示子程序、環(huán)境誤差的測(cè)溫修正數(shù)據(jù)換運(yùn)算子程序，以及警告模塊子程序共同組成的。除上述內(nèi)容外，每一個(gè)模塊都內(nèi)置了帶有延遲功能的子程序命令。5.1系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)為了有效地獲得距離數(shù)據(jù)，首先要激活相關(guān)的設(shè)備，接收用戶的命令，執(zhí)行核心程序，并同時(shí)操作子程序。圖11展示了各個(gè)模塊之間的互動(dòng)關(guān)系：圖11軟件部分方框圖DS18B20的溫度傳感器接口部分是通過(guò)初始化以及讀寫(xiě)編程技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體的操作步驟如下所示:（1）DS18B20目前正處于初始設(shè)置階段。首先，我們對(duì)DQ進(jìn)行了拉伸處理，接著降低了DQ（當(dāng)其延遲超過(guò)480us時(shí)），然后對(duì)DQ（如果延遲超過(guò)480us，模塊在此期間會(huì)產(chǎn)生低電平）進(jìn)行了拉高處理，最終對(duì)DQ進(jìn)行了優(yōu)化，從而完成了初始化過(guò)程；（2）我們從DS18B20設(shè)備中抽取了與1字節(jié)大小有關(guān)的數(shù)據(jù)。首先要減少DQ，接著提高它（這可能導(dǎo)致延遲，確保數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定），然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入；（3）請(qǐng)將1字節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容傳輸至DS18B20。在減少DSP的數(shù)值后，我們進(jìn)行了數(shù)據(jù)的寫(xiě)入操作，并對(duì)DQ進(jìn)行了進(jìn)一步的提升，其中的延遲時(shí)間超出了60us；（4）讀取溫度的具體數(shù)值。首先，我們對(duì)溫度監(jiān)測(cè)單元進(jìn)行了初始化，接著發(fā)送了一個(gè)0xCC的命令來(lái)啟動(dòng)溫度的切換流程，之后我們也初始化并發(fā)送了0xCC和0xBE的命令，目的是為了獲取相關(guān)的溫度讀數(shù)信息。在以液晶LCD1602為核心的顯示模塊里，軟件的啟動(dòng)、寫(xiě)入以及顯示的具體步驟如下所示:（1）為了配置LCD1602的相關(guān)功能，請(qǐng)先將指令0x38記錄下來(lái)，然后執(zhí)行大概5ms的延時(shí)操作（2）再一次發(fā)布了0x38指令，并存在時(shí)間上的延誤；（3）重新配置指令0x38并設(shè)置延遲，這需要連續(xù)進(jìn)行三次操作，以確保最初的設(shè)置是正確的；（4）0x01指令的編寫(xiě)主要目的是為了消除現(xiàn)有的液晶顯示，并降低顯示的延遲時(shí)間；（5）0x06號(hào)指令的目的是為了選擇多種輸入策略，從而達(dá)到延遲的效果；（6）0x0c的指令主要用于展示與開(kāi)關(guān)相關(guān)的控制和延遲信息。超聲波模塊的關(guān)鍵操作步驟主要聚焦于聲波信號(hào)的接收和發(fā)送，以及距離的轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)，更具體地說(shuō)，這些都是一些簡(jiǎn)化的操作流程:（1）單片機(jī)端口中的觸發(fā)模塊Trig主要負(fù)責(zé)進(jìn)行距離測(cè)量，并產(chǎn)生高電位，該信號(hào)的持續(xù)時(shí)間可以達(dá)到10微秒；（2）該設(shè)備能夠自動(dòng)檢測(cè)是否有回折的數(shù)據(jù)，如果有，計(jì)時(shí)器將會(huì)被激活；（3）定時(shí)器具備計(jì)算高電位持續(xù)時(shí)間的能力，并基于此進(jìn)行測(cè)距數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化；在軟件編譯的過(guò)程中，我們采用的是C語(yǔ)言，并將開(kāi)發(fā)環(huán)境設(shè)置為Keil2和Keil2，這樣做有助于提高開(kāi)發(fā)效率。5.2程序流程圖設(shè)計(jì)（1）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如下圖12所示：圖12主程序流程圖通過(guò)主程序的流程圖，我們可以看到，程序在啟動(dòng)后首先被啟動(dòng)，而初始的初始化過(guò)程包括了中斷和程序開(kāi)始的展示。緊接著，超聲波模塊將生成超聲波信號(hào)，測(cè)溫子程序?qū)y(cè)量環(huán)境溫度，并通過(guò)公式計(jì)算聲波的傳播速度。與此同時(shí)，單片機(jī)將負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，計(jì)算待測(cè)距離，然后將這些數(shù)據(jù)展示在LCD1602模塊上，OTP語(yǔ)音模塊將播報(bào)測(cè)量距離。（2）超聲波測(cè)距模塊所采用的軟件融合了超聲波的信號(hào)接收傳輸和距離估計(jì)的多個(gè)維度。單片機(jī)的定時(shí)器負(fù)責(zé)記錄超聲波傳播的持續(xù)時(shí)間。如圖13所示，這是一個(gè)超聲波距離量子測(cè)量的流程圖：圖13超聲波測(cè)距子程序流程圖在系統(tǒng)主程序開(kāi)始初始化的時(shí)候，它會(huì)調(diào)用來(lái)自超聲波子程序的P1.7端口，并為測(cè)距模塊設(shè)置一個(gè)10us的高電平時(shí)。接下來(lái)，該系統(tǒng)將對(duì)P1.6端口的電壓進(jìn)行監(jiān)控，一旦電位下降到較高的水平，系統(tǒng)便會(huì)啟動(dòng)定時(shí)器。同時(shí)，P1.6端口的電壓也將持續(xù)受到監(jiān)控。一旦檢測(cè)到電平降低，定時(shí)器會(huì)自動(dòng)停止工作。利用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)的時(shí)間測(cè)量，并與聲音的速度相結(jié)合，我們能夠計(jì)算出預(yù)設(shè)的距離，并進(jìn)行初步的距離測(cè)量。（3）具體的溫度測(cè)定流程。我們采用DS18B20傳感器來(lái)測(cè)定溫度，然后這個(gè)傳感器會(huì)將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為具體的溫度值進(jìn)行分析，接著輸出數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理，我們得到了一個(gè)十進(jìn)制的溫度，并最后將其傳送到顯示模塊以供用戶查看。如圖14所示，溫度計(jì)的軟件流程圖已經(jīng)呈現(xiàn)出來(lái)：圖13測(cè)溫子程序流程圖在單片機(jī)的推動(dòng)下，測(cè)溫子程序開(kāi)始執(zhí)行，首先啟動(dòng)了DS18B20的初始化程序，接著傳遞了指令0xCC，然后跳過(guò)了讀取的序號(hào)序列。一旦啟動(dòng)了溫度轉(zhuǎn)換，并且延遲超過(guò)480us，系統(tǒng)便開(kāi)始發(fā)出命令，跳過(guò)了讀取序號(hào)序列的步驟，并從溫度寄存器等文件中（總共可以讀取9個(gè)寄存器）讀取前兩個(gè)文件，即溫度，并讀取16位的溫度。系統(tǒng)在首先讀取較小的字節(jié)之后，會(huì)向用戶發(fā)送溫度相關(guān)的數(shù)據(jù)。5.3程序設(shè)計(jì)特點(diǎn)（1）在顯示的距離方面，它的三個(gè)單位均為cm；設(shè)定的溫度是基于°C來(lái)確定的；（2）建議每隔60毫秒定期發(fā)送超聲波一次。（3）當(dāng)你按下S鍵時(shí)，它成為了測(cè)量操作的起始按鈕；（4）我們使用STC89C52來(lái)構(gòu)建的內(nèi)部時(shí)鐘，其頻率定為12MHz；（5）實(shí)際上，這個(gè)系統(tǒng)并沒(méi)有加入看門(mén)狗這一新功能；（6）只有在超聲波單元發(fā)出特定的信號(hào)周期之后，它才被授權(quán)去檢測(cè)返回的信號(hào)，這樣做是為了確保接收到的信號(hào)無(wú)法被明確區(qū)分。因此，測(cè)距器規(guī)定的最小測(cè)量范圍約為1.1cm；第六章系統(tǒng)調(diào)試分析6.1程序編譯這一次的設(shè)計(jì)選擇了C語(yǔ)言作為編譯語(yǔ)言，這種C語(yǔ)言的編程方式既直觀又簡(jiǎn)潔，編程效率非常高，并且可以直接在控制芯片上執(zhí)行計(jì)算，同時(shí)它處理數(shù)據(jù)指令的能力也非常出色。在過(guò)去的幾十年里，德國(guó)的Keil軟件公司一直在不斷地研究單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)的相關(guān)背景。他們特地研發(fā)了KeilCx51這款為8051單片機(jī)設(shè)計(jì)的C語(yǔ)言編輯工具。利用這款軟件編寫(xiě)的代碼不僅執(zhí)行速度快，而且內(nèi)存需求也非常小，與匯編語(yǔ)言在性能上堪稱旗鼓相當(dāng)。C程序的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)主要是在經(jīng)典的uVision2開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成的。Keil2具備卓越的項(xiàng)目管理能力，這使得設(shè)計(jì)一個(gè)包含多個(gè)子程序的復(fù)雜程序變得更加簡(jiǎn)單。對(duì)于開(kāi)發(fā)流程進(jìn)行了簡(jiǎn)明扼要的解釋:（1）在Keil2的集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，我們啟動(dòng)了一個(gè)全新的項(xiàng)目，并挑選了與之匹配的處理器型號(hào)來(lái)進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用；（2）利用軟件編輯工具進(jìn)行源代碼的編寫(xiě)，并在前一步操作中加入相應(yīng)的項(xiàng)目，同時(shí)提供簡(jiǎn)潔的解釋性說(shuō)明；（3）我們已經(jīng)為編譯器、調(diào)試工具以及功能進(jìn)行了設(shè)定；（4）利用Keil2提供的創(chuàng)建工具，我們可以創(chuàng)建并保存HTE文件；在uVision2的開(kāi)發(fā)環(huán)境里，我們首先生成HEX文件，然后可以使用單片機(jī)燒錄軟件將這些程序傳輸?shù)叫酒瑑?nèi)部來(lái)實(shí)現(xiàn)。6.2硬件搭建焊接的超聲波測(cè)距儀成品如圖14所示：圖14單片機(jī)超聲波測(cè)距儀實(shí)物圖依據(jù)之前文章的理論框架，我們選擇了購(gòu)買(mǎi)系統(tǒng)所需的各種模塊、電阻部件和電容器等關(guān)鍵元器件。下一步，我們將使用電烙鐵來(lái)確保所有部件都能按照空間模式焊接到萬(wàn)用板子上。鑒于系統(tǒng)內(nèi)部缺乏預(yù)定的程序燒錄端口，焊接過(guò)程中，為了簡(jiǎn)化單片機(jī)芯片的安裝和調(diào)試，我們選擇了將單片機(jī)芯片和語(yǔ)音芯片安裝到插座上，并將它們焊接到板子上。此外，這一技術(shù)也確保了芯片不會(huì)被直接焊接在板材上，并避免了因焊槍溫度過(guò)高而對(duì)芯片造成的損傷。在實(shí)際焊接任務(wù)完成后，需要仔細(xì)檢查萬(wàn)用板上的所有焊接點(diǎn)是否連接得非常緊密，并對(duì)焊接路徑進(jìn)行細(xì)致的檢查，以避免焊接間距過(guò)小導(dǎo)致的短路情況。在確認(rèn)一切正常后，將進(jìn)行電力測(cè)試以驗(yàn)證系統(tǒng)是否擁有所需的各項(xiàng)功能。實(shí)物通電之后，測(cè)距調(diào)整的具體步驟如圖所示：圖15測(cè)距儀運(yùn)行調(diào)試圖通過(guò)觀察這幅圖像，我們能夠確認(rèn)所要測(cè)量的距離是從超聲波元件到墻壁的實(shí)際距離。在測(cè)量過(guò)程中，環(huán)境的溫度上升到了27.5，與此同時(shí)，聲波的速度趨近于c=331加上0.6×27.5，整體速度達(dá)到了347.5m/s。利用尺子測(cè)量得出，模塊與墻壁之間的實(shí)際距離約為22cm，這代表實(shí)際的距離大概是21cm。顯示器上展示的數(shù)據(jù)顯示，使用單片機(jī)測(cè)距儀測(cè)得的距離也達(dá)到了21cm。目前，顯示組件已經(jīng)設(shè)定了最低報(bào)警距離為15cm，但測(cè)試距離已經(jīng)超過(guò)了15cm，因此蜂鳴器能夠保持穩(wěn)定，而語(yǔ)音模式會(huì)迅速播報(bào)“21厘米”。在進(jìn)行長(zhǎng)度測(cè)量時(shí)，尺子的測(cè)量結(jié)果與系統(tǒng)給出的數(shù)據(jù)高度一致，這證明了新開(kāi)發(fā)的測(cè)距工具能夠在實(shí)際應(yīng)用中完成距離的測(cè)定，完全達(dá)到了預(yù)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)。6.3誤差分析（1）環(huán)境所帶來(lái)的影響狀況。在你進(jìn)行測(cè)量的過(guò)程中，你所處的環(huán)境將不可避免地發(fā)生一次變化。聲速會(huì)受到大氣壓力、環(huán)境溫濕度條件以及介質(zhì)成分的綜合影響，這些因素進(jìn)一步可能導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)的變動(dòng)。（2）涉及到機(jī)械方面的誤差問(wèn)題。在執(zhí)行超聲波距離測(cè)量的過(guò)程中，確保發(fā)射的超聲波方向與預(yù)定目標(biāo)的表面完全垂直是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)，如果角度設(shè)置不恰當(dāng)，有可能會(huì)引發(fā)回波的偏差。除了這些，還有許多其他因素可能會(huì)對(duì)測(cè)量得到的數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。雖然超聲波在傳輸過(guò)程中所消耗的能量相對(duì)較少，但由于擴(kuò)散等多重因素的影響，其能量也會(huì)有一定程度的下降。當(dāng)外部噪聲源的頻率與超聲波的頻率相匹配時(shí)，這也會(huì)對(duì)返回的回波質(zhì)量產(chǎn)生影響。最后，測(cè)量設(shè)備也有可能出現(xiàn)內(nèi)在的誤差。我們?cè)O(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀具有在2cm到400cm范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量的能力。然而，由于該系統(tǒng)的屏幕與顯示的距離設(shè)計(jì)為3位，這可能導(dǎo)致顯示的精確度降低，從而可能出現(xiàn)誤差?？偨Y(jié)本項(xiàng)研究精心搭建并成功部署了一個(gè)基于單片機(jī)平臺(tái)的簡(jiǎn)單易用超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)，為相關(guān)研究領(lǐng)域提供了一種實(shí)用的解決策略。這篇論文深入探討了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行了系列的優(yōu)化和調(diào)整，以展示其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在全方位的設(shè)計(jì)階段，我們以超聲波測(cè)距的核心理念為基礎(chǔ)，并結(jié)合其在日常生活中的廣泛應(yīng)用，提出了一個(gè)以MCU為控制中心的超聲波測(cè)距設(shè)備的完整操作策略。該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)距功能是依賴于高精度的HC-SR04傳感器來(lái)完成的，并且這些測(cè)距數(shù)據(jù)是儲(chǔ)存在LCD1602液晶顯示模塊里的。這個(gè)組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)制設(shè)計(jì)得非常簡(jiǎn)潔，能夠有效地展示大量的信息內(nèi)容，從而滿足預(yù)定的設(shè)計(jì)要求。為了更接近實(shí)際的操作需求，我們還整合了OTP語(yǔ)音廣播功能，并加入了蜂鳴器