波超声自动探测门禁系统的设计 - 图文

毕业设计（论文）

题 目：

基于IOS的语音识别技术的研究与设计

学生姓名： 学 号： 所在学院： 专业班级： 届 别： 指导教师：

荣成 2012013981 信息工程学院 通信工程2班 2012届 张峰辉

皖西学院本科毕业设计（论文）创作诚信承诺书

1.本人郑重承诺：所提交的毕业设计（论文），题目《波超声自动探测门禁系统设计》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；

2.毕业设计（论文）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已标注说明来源；

3. 毕业设计（论文）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；

4.本人已被告知并清楚：学校对毕业设计（论文）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业设计（论文）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；

5.若在省教育厅、学校组织的毕业设计（论文）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学校按有关规定给予的处理，并承担相应责任。

学生（签名）：

日期： 年 月 日

目 录

前言.................................................................. 2 1 绪论................................................................ 2

1.1 课题研究现状 .................................................. 2 1.2 课题研究目的 .................................................. 2 1.3 课题研究内容 .................................................. 3 2 IOS系统的简介 ...................................................... 3

2.1 iOS的开发介绍................................................. 3

2.1.1 iOS开发硬件环境 ......................................... 3 2.1.2 iOS开发软件环境 ......................................... 4 2.2 开发语言Object—C简介 ........................................ 5

2.2.1 OC语言的发展史 .......................................... 5

3 系统方案设计........................................................ 6

3.1 设计要求 ..................................................... 7 3.2设计方案....................................................... 7

3.2.1设计思路 ................................................. 7 3.2.2 设计系统结构............................................. 7

4 主要元器件介绍...................................................... 8

4.1 AT89S52单片机................................................. 8

4.1.1 单片机特性............................................... 9 4.1.2 单片机管脚............................................... 9 4.2 温度传感器DS18B20............................................ 12

4.2.1 DS18B20简述 ............................................ 12 4.2.2 DS18B20工作原理 ........................................ 12 4.2.3 DS18B20主要特性 ........................................ 14 4.3 超声波传感器HC-SR04.......................................... 14

4.3.1 HC-SR04主要参数 ........................................ 15

4.3.2 HC-SR04原理图 .......................................... 15 4.3.3 HC-SR04工作原理 ........................................ 16 4.4 LCD1602液晶显示器............................................ 17

4.4.1 LCD1602简介 ............................................ 17 4.4.2 LCD1602管脚及特性 ...................................... 17 4.5 步进电机 ..................................................... 18

4.5.1 步进电机简介............................................ 18 4.5.2 步进电机工作原理和特点.................................. 19

5 硬件电路设计....................................................... 19

5.1 AT89S52单片机模块............................................ 20 5.2 DS18B20测温模块.............................................. 20 5.3 HC-SR04超声波集成模块........................................ 20 5.4 LCD显示模块.................................................. 21 5.5电机控制模块.................................................. 22 6软件设计 ........................................................... 22

6.1 主程序流程 ................................................... 23 6.2 子程序设计 ................................................... 23

6.2.1 DS18B20子程序 .......................................... 23 6.2.2 LCD1602子程序 .......................................... 24 6.2.3超声波发送和超声波接收程序 .............................. 24 6.2.4电机驱动子程序 .......................................... 25

7软硬件调试与PROTEUS仿真 ........................................... 26

7.1软件编译...................................................... 26 7.2 硬件设计 ..................................................... 26 7.3 软硬件仿真设计 ............................................... 27 7.4 仿真结果 ..................................................... 28 7.5 误差分析 ..................................................... 30 参考文献：........................................................... 31

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波超声自动探测门禁系统设计

学生：陈传涛（指导老师：张峰辉）

（皖西学院信息工程学院）

摘要：本文详细介绍了以AT89S52单片机为核心所设计波超声自动探测门禁系统，对超声波测距系统的发生电路和接收电路、电机控制及其DS18B20温度采集电路，LCD显示电路等进行硬件设计。软件设计采用模块化设计，有主程序、收发超声波子程序、LCD显示子程序、电机控制子程序和DS18B20温度采集子程序等模块组成。各模块之间通过单片机进行控制处理，实现测距、监控距离、控制电机等功能。

关键词：超声波，DS18B20温度采集，电机，LCD

Wave Ultrasonic Automatic Detection Entry Systems

Student: Chen Chuantao(Faculty Adviser：Zhang Fenghui) West Anhui University School of Information Engineering

Abstract:This paper describes the AT89S52 microcontroller as the core of the design wave ultrasonic automatic detection access control systems, ultrasonic ranging system generating circuit and a receiving circuit, motor control and DS18B20 temperature acquisition circuit, LCD display circuit hardware design. Software design is modular in design, there is the main program, send and receive ultrasonic subroutine, LCD display routines, subroutines, and motor control subroutine DS18B20 temperature acquisition module. Between the modules through the MCU control processing, ranging, monitoring distance, control motor functions.

Key words: ultrasonic, DS18B20 temperature acquisition, motors, LCD

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前言

在当今科学技术日新月异、飞速发展的信息时代，智能门禁系统也应运而生。

其中超声波控制门禁系统是一种综合性的多学科的高科技技术集合，它涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术、等诸多技术领域。

1 绪论

1.1 课题研究现状

智能门禁系统根据应用不同的技术可以分为多种门禁系统，如按键门禁系统、智能IC卡门禁系统、密码门禁系统、指纹识别门禁系统和超声波门禁系统等，本课题研究的就是超声波门禁系统。

随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、雷达测距和激光测距等。其中，雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有高方向性、高单色性、测量速度快等优势，尤其对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但成本价格太高，数据处理复杂。可是，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，使用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。因此波超声自动探测门禁系统尤其适合在办公楼、商场、酒店等场所使用，其独特的“见人就开，人走远才关”的特点，一直吸引着顾客以及学者对其进一步的优化。

1.2 课题研究目的

智能门禁安全管理系统是新型现代化安全管理系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。它是解决重要部门出入口实现安全防范管理的有效措施。适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等。

智能门禁系统是智能建筑楼宇自动化系统中的安全系统，它集微机自动识别技术和现代安全管理措施为一体，它涉及电子，机械，光学，计算机技术，通讯技术，生物技术等诸多新技术。作为一种新型现代化安全管理系统，门禁系统把自

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动识别技术和现代安全管理措施结合起来适用各种机要部门，如银行、宾馆、机房、军械库、机要室、办公间,智能化小区，工厂等，也适用于一些娱乐休闲场所。

在社会财富不断增长的今天，寻求更便捷智能的设施是当今人们热衷的，在一些建筑物内人流量大的通道口所使用的按键门禁系统、IC卡门禁系统和密码门禁系统等会非常的不适用，因为它们容易造成人群堵塞，在不注意的情况下容易夹着人，对人员造成伤害。在科技高速发展的今天，智能化已经融入于人们的正常生活中，因此，研究一种智能化的门禁系统是当今研究的主要方向。

1.3 课题研究内容

波超声自动探测门禁系统就是具有代表性的研究课题，首先了解超声波的基本概念、测距的原理、电机控制以及可用于设计自动门的便捷方法，掌握应对距离测距的相关补偿方法等。对波超声自动探测门禁系统进行软硬件设计，利用超声波探测门附近是否有人或物体靠近，门自动打开，检测人或物离开一段预置距离后，门自动关闭。完成软硬件的调试，并对设计进行优化和分析误差原因。

2 超声波测距的原理

2.1 超声波简介

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式，振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的一般上限（20000Hz），我们把这种听不见的声波成为超声波。

超声波是一门以物理、电子、机械以及材料科学为基础的，各行各业都要使用的通用技术之一。超声波在传播时，方向性强，能量易于集中，能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离；超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗；超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播；超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。超声波可传递很强的能量，而且能量消耗缓慢，环境污染小。 2.1.1 超声波传播速度

超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：（1）横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；（2）纵波，质点振动方向与传播方向一致的波；（3）表面波，质点

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振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。

横波只能在固体中传播，纵波能在固液气体中传播，表面波随深度的增加其衰减越快，一般为了测量各种状态下的物理量基本都采用纵波形式的超声波。 2.1.2 超声波的物理特性

当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射，叫做超声波的反射；另一部分被透射过界面，在相邻的介质内部继续传播，叫做超声波的折射。

图2.1超声波的发射和折射

如图2.1所示，当超声波传播到两种不同介质特性阻抗的平面分界面上时，一部分被反射，叫做超声波的反射；另一部分被透射过界面，在相邻的介质内部继续传播，叫做超声波的折射。

pccos??22cos?p1c1（1）声波反射系数：R?pccos??22cos?p1c12p2c2T?p1c1cos?

cos??p2c2p1c1注：?为声波的入射角，?为声波的反射角，p2c2、p1c1分别为两介质的特性阻抗，其中c1，c2为反射波和折射波的速度。反射角、折射角和声速c1，c2满足折射定律表达式：

csin??1

sin?c21?pcp2c2222p1c1p1c1当超声波垂直入射界面时，?=?= 0，即 R? T?。如

p2c2p2c21?1?p1c1p1c14

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果sin??c1，入射波完全被反射，在相邻两个的介质中没有折射波。 c2（2）声波的衰减

超声波在一种介质中传播，它的声压和声强按指数函数规律衰减。在平面波的情况下。距离声源x处的声压P和声强I的衰减规律如下：

P?P0e?Ax I?I0e?2Ax

注：x为超声波所处位置到声源的距离，P0,I0为距离声源x=0处的声压和声强；A为衰减系数，单位Np/cm(奈培/厘米)。 2.2 超声波测距原理

超声波测距是利用反射原理来测量距离的，一端为超声波传感器，另一端为能够反射的物体。

图2.2测距原理

如图2.2所示使用超声波测距系统测量距离时，将超声波传感器对准反射物体，开始发送超声波，并同时开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到反射物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时，根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离，测量距离L为

L?1ct2 （2.1）

注：c为超声波的传播速度，t为超声波从发射到接收返回波的时间。

2.2.1 测量距离与传播时间的关系

由2.3表达式可知，距离的测量值及其精度主要取决于超声波传播速度和计时

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精度两个方面。在传播速度准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用12MHz的晶体做时钟基准的AT89S52单片机定时器能方便的计数到1μs的精度，基本不会产生累计误差。

2.2.2 测量距离与温度的关系

超声波的传播速度c是随环境变化而改变的，如温度、空气密度和气体分子成份等，它们的关系式为

c??RTM?c01?T （2.2） 273K注：①γ为气体定压热容与定容热容的比值，空气为1.40；

② R为气体普适常数，为8.314kg/mol；

③ T为气体势力学温度，与摄氏温度的关系是T=273K+t； ④ M为气体相对分子质量，空气为28.8×10?3kg/mol; ⑤ c0为0℃时的声波速度，为331.4m/s。

由2.3表达式可知，c ≈ 331.5 + 0.61×T（T为摄氏温度），可以计算出超声波速度与温度的关系，如表2.1所示。超声波在空气中传播时，受温度的影响较为大，温度越高，空气分子的密集程度就越大，超声波的传送速度越快。

表2.3超声波传播速度与温度关系表

项目 温度 -30 -20 -10 0 数值 10 20 30 40 50 声速/( m?s) 313 319 325 332 338 344 350 356 361

3 系统方案设计

测量距离的方法很多，如红外线、激光、雷达和超声波等，但超声波传感器测距以其非接触式、携带方便、简单易用且超声波传感器价格低廉，易于小型化和集成化，可以实时控制等优点被人们广为应用。本章主要讲述本设计的设计要求和设计方案，对以AT89S52单片机为核心的主控制模块的波超声自动探测门禁系统进行结构分析和设计。

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3.1 设计要求

系统主要研究的是基于单片机的超声波测距和电机控制，其主要功能要求如下： （1）能实时显示测量距离；

（2）当测量距离小于等于预置值时（本设计预置值为200cm），系统通过控制电机将门打开（门用LED灯亮灭代替门的开关）；

（3）当测量距离大于预置值时，系统通过控制电机将门关上。 本设计拓展功能如下：

（1）能进行温度补偿并显示温度值；

（2）当距离大于600cm的时候LCD显示CCC； （3）通过按键可调整预置值的大小。

3.2设计方案 3.2.1设计思路

测量距离的方法很多，如红外线、激光、雷达和超声波等，超声波测距适用于高精度中长距离的测量，而且超声波测距以其非接触式、携带方便、简单易用且超声波传感器价格低廉，易于小型化和集成化，可以实时控制被人们广为应用。

超声波测距是通过单片机控制发射出40KHz频率的超声波，此时单片机计时器开始计时，超声波遇到障碍物反射回来由超声波接收探头接收信号并产生中断，此时定时器停止计时。单片机通过温度传感器进行温度补偿校正超声波在当时温度下的传播速度，并由路程L与超声波速度C和计时时间t的关系计算出传感器和障碍物的距离L。

根据设计要求，并通过查找大量的数据资料和考虑各种因素后，本设计采用AT89S52单片机作为主控制模块，使其控制40KHz脉冲的触发和超声波从发射到接收的时间差；选用HC-SR04超声波模块实现超声波的发射和接收；选用DS18B20进行温度补偿，校正超声波在不同温度下的传播速度；通过LCD显示传感器的与障碍物的实时距离和当时的温度；通过电机控制LED灯灭模拟门的开关。

3.2.2 设计系统结构

通过对系统功能设计要求的分析和论证，考虑实际应用、价格成本等因素，最终确定系统方案结构框图如图3.1所示，它主要由以下模块组成：

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(1) 控制模块：ATC89C51单片机；

(2) 超声波发射接收模块：HC-SR04超声波模块；

(3) 显示模块：LCD1602液晶显示温度、测量距离、距离预置值； (4) 驱动模块：电机驱动门（灯）模块； (5) 温度补偿模块：DS18B20温度传感器芯片； (6) 报警模块：蜂鸣器； (7) 按键模块：调整距离预置值；

图3.1系统设计整体框图

4 主要元器件介绍

4.1 AT89S52单片机

单片机即单片微型计算机SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把构成一台计算机的主要功能部、器件，如CPU（进行运算、控制）、RAM（数据存储）、ROM（程序存储）、输入/输出设备（例如：串行口、并行输出口等）、中断系统、定时/计数器等集中在一块芯片里，所以又称为微控制器MCU（Microcontroller Unit）。

本设计采用的微控制器是一种带8K字节可编程FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低功耗、高性能CMOS 8位微处理器的AT89S52单片机。它的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器

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件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪速存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89S52是一种高效微控制器，它为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

4.1.1 单片机特性

AT89 S52 提供以下标准功能：8k 字节Flash 闪速存储器，256字节内部RAM，32 个I/O 口线，三个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

4.1.2 单片机管脚

图4.1 AT89S52引脚图

如图4.1所示AT89S52单片机一共有40个引脚，可以概括为一下几类： (1)电源引脚

VSS——第20脚，电路接地电平。 VCC——第40脚，接 +5V电源。 (2)时钟源

XTAL1——第19脚，一般外接晶振的一个引脚，它是片内反相放大器的输

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入端口。当直接采用外部信号时，此引脚应接地。

XTAL2——第18脚，接外部晶振的另一个引脚，它是片内反相放大器的输出端口。当采用外部振荡信号源泉时，此引脚为外部振荡信号的输入端口，与信号源相连接。 (3）多功能I/O端口

P0口——第32~39脚，P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。

P1口——第1~8脚，P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收，P1口的第二功能如下表4.2所示：

表4.2 P1口第二功能

引脚 第二功能 P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MOSI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用） P2口——第21~28脚，P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口——第10~17脚，P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收

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输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可以做AT89S52的一些特殊端口，如下表4.2所示：

表4.2 P3口第二功能

端口引脚 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7

特殊功能 RXD （串行输入口） TXD （串行输出口） INT0 （外中断0） INT1 （外中断1） T0 （定时/计数器0） T1 （定时/计数器1） WR （外部数据存储器写选通） RD （外部数据存储器读选通） 4）控制、选通或复用

RST/VPD——第9脚：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG——第

30脚：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于

锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN——第

29脚：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期

间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA//VPP——第

31脚：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器

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（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

4.2 温度传感器DS18B20

DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。 4.2.1 DS18B20简述

温度传感器主要由热敏元件组成的，本设计所采用的是美国DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器和极小的温度延迟等优点，可直接将温度转化成数字信号处理。测量的温度范围是-55℃～+125℃，测量温差±0.5°C。 4.2.2 DS18B20工作原理

图4.3 DS18B20测温原理

如图4.3所示为DS18B20测温原理图，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存

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器中的数值即为所测温度。

图4.4 DSB18B20内部结构

如图4.4所示为DSB18B20内部结构图，主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

如下图4.5所示为DSB18B20引脚及不同封装图，1号引脚GND为电源地，2号引脚DQ为数字信号输入/输出端，3号引脚VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。实际电路连接如图4.6所示。

图4.5 DS18B20引脚及不同封装

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图4.6 DS18B20仿真连接图

4.2.3 DS18B20主要特性

（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电；

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器

与DS18B20的双向通讯；

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部 传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；

（5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；

（6）可编程 的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；

（7）在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以\一 线总线\串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。

4.3 超声波传感器HC-SR04

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm～5m的测距范围，具有非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm， HC-SR04模块包括超声波发射器、接收器和控制电路，价格便宜，也便于单片机控，实物图如下图4.7所示。

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图4.6 HC-SR04实物图

4.3.1 HC-SR04主要参数

表4.7 HC-SR04电气参数

电器参数 工作电压 工作电流 工作频率 最近射程 最远射程 测量角度 输入触发信号 输出回响信号 规格尺寸 4.3.2 HC-SR04原理图

HC-SR04超声波模块 DC5V 15mA 40KHz 2cm 4m 15° 10us的TTL脉冲 输出TTL电平信号，与射程成比例 45*20*15mm 如下图4.8所示，为HC-SR04的内部电路结构图，主要包括两部分，超声波发射电路和超声波接收电路，其中包括三个主要芯片:STC11芯片、MAX232芯片、TL074芯片，还有T40超声波发送探头和R40超声波接收探头等。

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图4.8 HC-SR04电路原理图

4.3.3 HC-SR04工作原理

如图4.8所示，HC-SR04模块中有4个外接引脚：VCC电源端、GND接地端、Trig触发控制信号输入端、Echo回响信号输出端，其中的各个芯片作用

STC11芯片为一个微控制器用于控制超声波信号的发送和探测超声波信号。MAX232芯片为单电源电平转换芯片，用来升压驱动超声波探头。TL074芯片是一个低噪声运放，用来放大接收信号。

收发一体化的超声波测距传感器HC-SR04的工作过程：当Tring收到一个宽度超过10us的高脉冲后，STC11芯片控制P53脚置低，通过P51和P52脚输出8个40KHz的脉冲信号，该信号通过MAX232芯片将TTL电平转换成可以驱动振荡器的高电压，放大后驱动超声波探头T40发出超声波，信号发送完成后将P67置高，P61置低，等待回波。当超声波接收探头R40接收到回波后，接收放大电路便输出放大后的接收信号到TL074芯片的第一通道同相输入口，此时Q2导通，P60此时变为低，STC11检测到这个变化便将Echo脚置低，表示接收到了回波。Echo的高电平持续时间即为超声波发送到接收回波的延迟时间，通过单片机定时器测量这个

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（3）绘制好原理图后，保存即可； （4）附录一为本设计整体原理图。

图7.2 AltiumDesigner绘图界面

7.3 软硬件仿真设计

如图7.3所示，打开Proteus后会出现绘图界面，通过按钮“P”选择元器件，在绘制工具栏里有各种器件模式选择。

图7.3 Proteus绘图界面

绘制好仿真原理图后，双击所选用的AT89C52芯片，会弹出一个界面，在Program File选项中，电机文件夹图形，加载Keil生成的.hex文件，再电机仿真开始按钮，即实现仿真，仿真图如图7.4所示。

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图7.4 Proteus系统仿真

7.4 仿真结果

如图7.5所示，系统上电后，LCD显示测距2.36m，温度21.0℃，预置值2.00m。

图7.5 LCD初始化显示

如图7.6所示，点击“增加距离”（通过改变滑动变阻器的大小，模拟HC-SR04测距距离变大），LCD显示测距为3.07m。

图7.6 模拟测距增加距离

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如图7.7所示，点击“减小距离”（模拟HC-SR04测距距离变小，表示人或者物体靠近），LCD显示测距为1.91m；

图7.7 模拟测距减小距离

如图7.7所示，测距值小于预置值2.00m，表示人活着物体靠近，电机正转，同时蜂鸣器响，绿灯亮红灯灭，表示打开门，如图7.8所示：

图7.8 电机正转

电机正转5圈后，停止转动，延迟一段时间，表示门开，让人或者物通过，延时时间到了，电机反转，红灯亮绿灯灭，表示关上门，如图7.9所示：

图7.9电机反转

之后调节距离，使测距大于2.00m，再使距离小于2.00m，电机重复图7.8、7.9步骤。

如图7.10所示，为DS18B20模拟器，点击两个红色按钮，可实现温度的加减，

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模拟实际温度的变化，温度在20℃时测距2.35m。如图7.11所示，改变温度为40℃，测距为2.44m，实现温度测距补偿计算。

图7.10 20℃测距值

图7.11 40℃测距值

如图7.12所示，为两个按键，第一次按下k1功能键，再按下k2调整键，可调整预置值的“米”位值，每按一次值加1。第二次按k1键，可调整“分米”位的值...,调整结果如图7.13所示：

图7.12 按键开关

图7.13 调整值

7.5 误差分析

通过Proteus仿真，因为不是实物，可避免一些实际应用中外物的干扰，但是还是会出现一些误差，如软件延迟的精度不高以及大量的延时程序对测距的实时性进行干扰，造成运行阻塞，软件的不流畅性以及不合适的计数等都会造成在仿真中出

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现一些误差。在实际应用中，系统的误差来源可能会有：启动发射和启动计时之间的偏差，收到回波到被检测出的滞后，收到中断到中断响应停止计时之间的滞后，温度对声波速度的影响和超声波强度在传输中的衰减等。

参考文献：

[1] 谭浩强 C语言程序设计[M]. 清华大学出版社 2005。 [2] 潘明 单片机原理及应用技术[M]. 清华大学出版社 2010。

[3] 谢亮，谢晖 例说51单片机（C语言版）[M]. 人民邮电出版社出版 2010 [4] 高飞燕 基于单片机的超声波测距系统的设计[J]. 信息技术 2005 [5] 吴炳胜 80C51单片机原理与应用技术[M]. 冶金工业出版社 2013 [6] 徐科军 传感器与检测技术[M]. 电子工艺出版社

[7] 雏应全 51系列单片机原理与实践教程. 西安电子科技大学出版社 [8] 王自强 步进电机应用技术[M]. 科学出版社 2010

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附录A

系统设计整体原理图：

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致谢

时间飞逝，一眨眼大学四年的时间已经接近尾声，回想以前大学生活的点点滴滴仍历历在目，那些开心的、难过的都记忆犹新，学校的生活也即将通过本次毕业设计画上一个完整的句号。

从选定论文到论文基本完成，经历了很长的时间，期间我复习了以前学过的知识，查阅了许多的资料，一点一点的累积，知识不断的冲击我的大脑，我很享受这么努力又艰辛的过程。

首先我要感谢我的指导老师张峰辉老师。去年12月，张老师在我对毕业设计还不知所措的时候给我讲解了设计的大致方向，对设计的整体思路进行了介绍，后来遇到的许多问题也在张老师和其他老师的指导和帮忙下顺利解决了，最后张老师还牺牲自己的休息时间，指出我的错误和瑕疵之处并帮忙修改，在此真诚的感谢张老师的指导！

其实还要感谢大学四年来带过我的所有任课老师，是他们孜孜不倦的教育指导我，让我学会了很多知识掌握了许多实用技能，使我对未来的挑战充满了信心!我也要感谢我的父母，不辞辛苦支持我上大学，鼓励我勇往直前，同时还要感谢陪我度过大学四年生活的同学，欢声笑语都有你们的身影！

大学改变了我，让我明确了人生的方向，给我留下了不可磨灭的美好记忆，祝愿我的大学越来越美丽！老师同学们身体健康，工作顺利！

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