畢業(yè)設(shè)計(jì)--超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、<p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　1 概 述 </p><p>　　從技術(shù)上看，超聲波測(cè)距系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)70年代已經(jīng)實(shí)用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易

2、于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　2 課題研究背景與意義</p><p>　　2.1 課題研究背景</p><p>　　超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲

3、波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。</

4、p><p>　　2.2 課題研究意義</p><p>　　由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行

5、業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差</p><p>　　值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和

6、方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　3方案設(shè)計(jì)和選擇</b></p><p>　　根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，方案的選擇應(yīng)力求實(shí)用性強(qiáng)，性價(jià)比高，使用簡(jiǎn)單。</p><p>　　3.1 超聲波測(cè)距的基本原理&l

7、t;/p><p>　　諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。</p><p>　

8、　3.1.1 超聲波發(fā)生器 </p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 </p>

9、<p>　　3.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 </p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信 號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波 時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，

10、這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 </p><p>　　3.1.3超聲波測(cè)距原理 </p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2</p>

11、<p>　　最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 </p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速V

12、與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，</p><p>　　只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖3-1所示：</p><p>　　超聲波發(fā)射 障礙物&l

13、t;/p><p><b>　　S</b></p><p><b>　　H</b></p><p><b>　　θ</b></p><p><b>　　超聲波接收</b></p><p>　　圖3-1 超聲波的測(cè)距原理</p>

14、<p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　式中:L---兩探頭之間中心距離的一半.</p><p>　　又知道超聲波傳播的距離為:</p><p><b>　　( 3-3)</b></p>

15、;<p>　　式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;</p><p>　　t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.</p><p>　　將（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：</p><p><b>　　( 3-4)</b></p><p>　　其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T

16、=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)?</p><p><b>　　( 3-5) </b></p><p>　　所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H.</p><p>　　3.2單片機(jī)AT89S52</p><p>　　單片機(jī)一詞最初源于“Single

17、-Chip Microcomputer”，簡(jiǎn)稱“SCM”。單片機(jī)也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片（芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在Robert Noyce的領(lǐng)導(dǎo)下，科研小組發(fā)明集成電路后開始出現(xiàn)的一個(gè)名稱），而是把一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。近年來(lái)，微處理器已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)

18、域，尤其是在智能儀器儀表中的應(yīng)用更是如此，這不僅引起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計(jì)的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器。基于微處理器的智能系統(tǒng)設(shè)計(jì)，已成為目前電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。智能系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機(jī)界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等基本功能部件，同時(shí)也包含與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的其他特殊部件。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長(zhǎng)期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的基礎(chǔ)上，其可靠性也是設(shè)計(jì)

19、時(shí)需要考慮的一個(gè)方面，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于通信、雷達(dá)、遙控和自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域中。在本次畢</p><p>　　AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8

20、位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。</p><p>　　3.2.1 一般說(shuō)明</p><p>　　AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中

21、斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。</p><p>　　AT89S52的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)包括256字節(jié)的內(nèi)部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字節(jié)的片內(nèi)EEPROM和可擴(kuò)展至64K的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。</p><p>　　此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)

22、數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。</p><p>　　3.2.2 極限參數(shù) </p><p>　　表3-1 AT89S52極限參數(shù)</p><p>　　3.3 超聲波傳感器<

23、;/p><p>　　3.3.1超聲波的特性</p><p>　　聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過(guò)人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為20000赫茲)時(shí)，人們就會(huì)覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽覺范圍如圖2-5所示。</p><p>　　圖3-5 人的聽覺范圍 </p><p>&

24、lt;b>　　超聲波的特性有：</b></p><p><b>　?。?）束射特性</b></p><p>　　由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過(guò)一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向

25、，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。</p><p><b>　?。?）吸收特性</b></p><p>　　聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對(duì)于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。&l

26、t;/p><p>　?。?）超聲波的能量傳遞特性</p><p>　　超聲波之所以能在各個(gè)工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢?因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率—樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分

27、子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來(lái)說(shuō)，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 </p><p>　?。?）超聲波的聲壓特性</p><p>　　當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時(shí),由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起

28、附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。</p><p>　　3.3.2 超聲波換能器</p><p>　　完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測(cè)方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（

29、一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。</p><p>　　超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。</p><p>　　超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：</p><p>　?。?）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共

30、振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高?！　。?）工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備?！　。?）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。</p><p>　　人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz

31、，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)

32、換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。</p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不

33、相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 </p><p>　　共振板gon </p><p>　　電極 電極</p><p>　　圖3-6超聲波傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　壓電式

34、超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。如圖4-4所示。</p><p><b>　　3.4 CA

35、D簡(jiǎn)介</b></p><p>　　CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計(jì)算機(jī)輔助繪圖)的縮寫，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步的認(rèn)識(shí)到單純使用計(jì)算機(jī)繪圖還不能稱之為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)；真正的設(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計(jì)只是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的一小部分；于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting

36、 改為 Computer Aided Design（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)），CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個(gè)產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)。早在20世紀(jì)70年代軍工部門就是利用計(jì)算機(jī)來(lái)完成飛機(jī)，火箭等航空，航天器的設(shè)計(jì)工作。電子線路CAD的基本含義是使用計(jì)算機(jī)來(lái)完成電子線路的設(shè)計(jì)過(guò)程，包含電路原理圖的編輯，電路功能的仿真，工作環(huán)境的模擬，印制板的設(shè)計(jì)（自動(dòng)布局，自動(dòng)布線）與檢測(cè)等等。電子線路CAD軟件還能迅速形成各種各樣的報(bào)表文件，如元件清單報(bào)表，為元器

37、件的采購(gòu)及工程欲算等提供了方便，便于新型電子器件和集成電路的應(yīng)用。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的飛速用日趨廣泛，電子電路也變得越來(lái)越復(fù)雜，這給電路的設(shè)計(jì)工作帶來(lái)更的難度。因此通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行電子電路的輔助設(shè)計(jì)成為設(shè)計(jì)制作電路板的一個(gè)基本手段。Protel99SE是澳大利亞Protel Technology公司于2000年推出的一款基于Windows 95/98以上環(huán)境下的全32位EDA（Electronic

38、Design Automation 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）道路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，是一個(gè)客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序。而且Protel99SE包含眾多的服務(wù)器程序，總體上可以分為5種，分別為：原理圖設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)（包含信號(hào)完整性分析）、自動(dòng)布線器、原理圖混合信號(hào)仿真、PLD設(shè)計(jì)。由于其性能優(yōu)越，Protel99SE已經(jīng)成為電路設(shè)計(jì)不可缺少的理想輔助設(shè)計(jì)工具。</p><p><b>　　4 硬件電路設(shè)計(jì)</b&

39、gt;</p><p>　　介紹了本設(shè)計(jì)方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計(jì)方案來(lái)完成具體的電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　4.1 整體電路設(shè)計(jì)</p><p>　　整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大，以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量

40、當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與溫度測(cè)量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號(hào)放大，接收前也要把還再次放大。</p><p>　　整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。</p><p>　　圖4-1超聲波測(cè)距原理圖</p>

41、;<p>　　單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。</p><p>　　圖4-2 超聲波發(fā)送原理圖</p><p>　　4.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.

42、1 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)</p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)</p><p><b>　　間

43、差測(cè)距法。</b></p><p>　　存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。</p><p>　　測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；</p><p>　?。?）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)

44、近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)；</p><p>　?。?）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。</p><p>　　（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小

45、為2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)量夾角為45°。</p><

46、;p>　　接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　4.2.2 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　超聲波測(cè)距技術(shù)經(jīng)過(guò)幾年的研究和發(fā)展，已經(jīng)有了很多比較成熟的技術(shù)和設(shè)計(jì)方案，使本次設(shè)計(jì)能有很多可借鑒的資料，從中學(xué)到了很多寶貴的知識(shí)。對(duì)自己設(shè)

47、計(jì)電路有很大幫助。</p><p>　　超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，發(fā)射距離大于1.5米，電路力求簡(jiǎn)單實(shí)用。我參考電路圖如圖4-3,4-4,4-5,4-6。吸取幾個(gè)圖的優(yōu)點(diǎn)而避免他們的缺點(diǎn)，然后結(jié)合分析設(shè)計(jì)超聲波的發(fā)射與接收電路。</p><p>　　40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管VT1、VT2組成強(qiáng)反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-

48、16是反饋耦合元件，對(duì)于電路來(lái)說(shuō)又是輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關(guān)，按一下S，便能驅(qū)動(dòng)T40-16發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號(hào)。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。這樣電路很簡(jiǎn)單與實(shí)用。</p><p>　　圖4-3 40khz超聲波發(fā)射電路</p><p>　　40kHZ超聲波發(fā)射電

49、路之二，由VT1、VT2組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T40-16，其諧振頻率為40kHZ±2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T40-16作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號(hào)。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬（3~12V），且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機(jī)工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。</p><p>　　

50、圖4-4 40khz超聲波發(fā)射電路</p><p>　　40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅(qū)動(dòng)功能，通過(guò)超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機(jī)。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時(shí)，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應(yīng)為40kHZ。振蕩信號(hào)分別控制由YF4、YF3組成的差相驅(qū)動(dòng)器工作，當(dāng)YF3輸出高電平時(shí)，YF4一定輸出低電平；YF3輸出低電平時(shí)，YF4輸出高電平。

51、此電平控制T40-16換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1~YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，該電路特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電流大（大于15mA），效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號(hào)大于10m。</p><p>　　圖4-5 40khz超聲波發(fā)射電路</p><p>　　40kHZ超聲波發(fā)射電路之四，由LM555時(shí)基電路及外圍元件構(gòu)成40kHZ多

52、諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動(dòng)超聲波換能器T40-16，使之發(fā)射出超聲波信號(hào)。電路簡(jiǎn)單易制。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。 </p><p>　　經(jīng)過(guò)認(rèn)真仔細(xì)的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，再經(jīng)過(guò)整形放大后來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出

53、超聲波。 </p><p>　　NE555是一種用途很廣的時(shí)基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，可在4.5～18V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)200mA。NE555的內(nèi)部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過(guò)比較器A1，復(fù)位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。利用NE555可以組成

54、相當(dāng)多的應(yīng)用電路，甚至多達(dá)數(shù)百種應(yīng)用電路，在各類書刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門鈴、報(bào)警器、信號(hào)發(fā)生器、電路檢測(cè)儀器、元器件測(cè)量?jī)x、定時(shí)器、壓頻轉(zhuǎn)換電路、電源應(yīng)用電路、自動(dòng)控制裝置及其它應(yīng)用電路都有著廣泛的應(yīng)用，這是因?yàn)镹E555巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的緣故。</p><p>　　圖4-6 40khz超聲波發(fā)射電路</p><p>　　圖4-7 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳

55、</p><p>　　本次設(shè)計(jì)中NE555電路的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)TXD口發(fā)出低電平，三極管Q5為PNP管所以導(dǎo)通，C極向外輸出高電平。555芯片8腳接到高電平開始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當(dāng)接到單片機(jī)的低電平信號(hào)后振蕩器開始工作。 Vcc經(jīng)外接電阻R1和R2向電容C充電，當(dāng)C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時(shí)，反相比較器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，即V＝0，3腳輸出為“0”，則三極管導(dǎo)通，C經(jīng)

56、三極管和P1放電，當(dāng)Vc下降到Vcc/3時(shí)，同相比較器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S＝0，RS觸發(fā)器置位，3腳輸出變?yōu)椤?”，三極管又截止，C又開始充電，如此周而復(fù)始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波，NE555的內(nèi)部電路。由電路可知電容C的放電時(shí)間t1＝R2Cln2，充電時(shí)間t2＝（R1+R2）Cln2，即可得出輸出脈沖的頻率為：f＝1/t1+t2。所以調(diào)節(jié)R1和R2即可改變脈沖頻率使之等于40KHz。如圖4-6所示。</p>

57、<p>　　圖4-8 方波產(chǎn)生電路</p><p>　　為了使40KHz的方波信號(hào)更為可靠，要對(duì)其進(jìn)行整形及放大。信號(hào)由NE555的3腳向外輸出，經(jīng)過(guò)二極管D2整形，濾去低于低電平 的部分，只保留零電平以上部分。整形后的信號(hào)經(jīng)由三極管Q1、Q2放大，此時(shí)的信號(hào)已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設(shè)計(jì)的需要。信號(hào)由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。此外在超聲波發(fā)射電路中還加入了消除余振部分以保證電路可以更好的為超聲波

58、發(fā)射器提供信號(hào)，也使測(cè)量結(jié)果更為精確。因?yàn)槌暡ㄌ筋^是一個(gè)感性元件，在一定程度上會(huì)表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。所以當(dāng)發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號(hào)后，如果沒有合適的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會(huì)持續(xù)一段時(shí)間，仍然發(fā)射超聲波，會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。加入這個(gè)電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時(shí)候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機(jī)控制發(fā)送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個(gè)

59、管腳輸出相同的電平。在TXD口為高電平時(shí)停止發(fā)射超聲波，此時(shí)INT0口也為高電平，使得三極管Q3導(dǎo)通，即打開消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個(gè)動(dòng)作幾乎是同時(shí)的，可以提高此后計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性。電路如圖4-9所示。</p><p>　　圖4-9方波消除余波電路</p><p>　　圖4-10 發(fā)射電路模塊</p><p>　　4.2.3 超聲波接收電路</p>

60、<p>　　在本次設(shè)計(jì)中選擇了前置放大電路＋帶通濾波電路＋后級(jí)放大電路的類似電路。通過(guò)波形整形，積分器，檢波器，帶通濾波，限幅放大和前置放大等實(shí)現(xiàn)接收超聲波的功能。如圖4-11所示：</p><p>　　由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也較小，為此要求將信號(hào)放大60萬(wàn)倍左右。如圖4-11所示電路有三級(jí)放大：前兩級(jí)種放大100倍，采用高速精密放大器LM318， 其帶寬為

61、15MHz，放大倍數(shù)為100倍時(shí)，能充分滿足要求；第三級(jí)采用LF353運(yùn)算放大器，帶寬為4MHz，對(duì)于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件。放大后的交流信號(hào)經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號(hào)整形輸出一個(gè)方波信號(hào)，此方波信號(hào)上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請(qǐng)。在中斷服務(wù)程序中，讀取時(shí)間計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，并結(jié)合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離如圖4-12所示：</p><p>　　圖4-11 40KH

62、z超聲波接收電路</p><p>　　圖4-12 40KHz超聲波接收電路</p><p>　　圖4-12所示電路為雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機(jī)電路，由VT5、VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次（發(fā)射機(jī)工作一次），觸發(fā)信號(hào)經(jīng)C7、C8向雙穩(wěn)電路送進(jìn)一個(gè)觸發(fā)脈沖，VT5、VT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放； 當(dāng)再來(lái)一個(gè)觸發(fā)信

63、號(hào)時(shí)，VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，VD5導(dǎo)通，VT7導(dǎo)通，繼電器K吸合......由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實(shí)。調(diào)試時(shí)，在a點(diǎn)與+16V（電源）之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無(wú)反應(yīng)，請(qǐng)檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。再加上設(shè)計(jì)中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。</p>&

64、lt;p>　　為了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對(duì)于超聲波探頭接收到的信號(hào)同樣需要進(jìn)行處理。探頭收到的回波信號(hào)經(jīng)OUT口回到電路中，經(jīng)過(guò)電容C10耦合，只保留測(cè)距需要的交流信號(hào)。電路中加入二極管D1同樣是因?yàn)樯厦嫣岬降奶筋^的感性。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，即電位低于地電位。這樣，如果沒有二極管保護(hù)，這個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)將會(huì)全部加在三極管Q4的b-e結(jié)上，如果探頭的感性比較強(qiáng)，其反向電動(dòng)勢(shì)足以將b-e結(jié)擊

65、穿。二極管D1提供了一個(gè)電流的瀉放電路，也可以說(shuō)是將反向電動(dòng)勢(shì)降到最?。?.7V左右），保護(hù)三極管及其他電路。電容C9對(duì)經(jīng)過(guò)三極管的信號(hào)進(jìn)一步整形，去掉信號(hào)波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個(gè)上拉電阻的作用，因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)濾波后很可能會(huì)衰減的很嚴(yán)重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機(jī)更好的檢測(cè)回波信號(hào)。</p><p>　　CX20106是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)

66、越、外圍接口簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz比較接近，而且CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。CX20106內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。</p><p>　　圖4-13超聲波回波信號(hào)整形電路</p>

67、;<p>　　圖4-14 40KHz超聲波接收電路</p><p>　　4.3 顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí),再發(fā)送新的字形碼

68、，因此，使用這種方法較為簡(jiǎn)單與便利?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的I／O接口電路很多，常用的就是通過(guò)串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的I／O口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)通過(guò)串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。</p><p>　　在顯示電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī)的P0～P2口來(lái)控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比

69、較浪費(fèi)管腳資源，但是對(duì)單片機(jī)的理論知識(shí)要求相對(duì)比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來(lái)支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陽(yáng)極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到低電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動(dòng)電路的原理圖見圖4-15。</p><p>　　圖4-15 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　4.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)</p><p>　　因?yàn)楸?/p>

70、次設(shè)計(jì)的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，所以我制作了一個(gè)穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來(lái)設(shè)計(jì)。通過(guò)變壓器的直流電通過(guò)由二極管組成的橋式整流電路進(jìn)入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。極性電容起濾波電容的作用，非極性電容則可以改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖4-16所示：</p><p><b>　　圖4-16

71、穩(wěn)壓電源</b></p><p>　　圖4-17 單片機(jī)電路</p><p>　　4.5硬件電路設(shè)計(jì)優(yōu)化</p><p>　　4.5.1 提高測(cè)距的范圍</p><p>　　由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率不能很高。另一方面，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)量的絕對(duì)誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻

72、測(cè)距的范圍只有5～6米，無(wú)法滿足我們的要求。為了解決測(cè)量范圍和測(cè)量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測(cè)距的方法。其測(cè)距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長(zhǎng)度可以有10～16個(gè)完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時(shí)域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。由于高頻聲波先發(fā)出，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對(duì)于較近的目標(biāo)，首先用高頻超

73、聲波探測(cè)。當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測(cè)。如圖4-17所示：</p><p>　　圖4-17 雙頻超聲波測(cè)距工作時(shí)序圖</p><p>　　t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時(shí)間，t2、t3為高、低超聲波回波到達(dá)的時(shí)間，所測(cè)得的距離分別為：</p>

74、<p>　　D1=c(t2-t0)/2 (4-1) </p><p>　　D2=c(t3-t1)/2 (4-2) </p><p>　　經(jīng)試驗(yàn)可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達(dá)到25m。 </p>

75、<p>　　4.5.2 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 </p><p>　　超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問(wèn)題。這一干擾問(wèn)題可通過(guò)軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到"虛假反射波"結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面

76、也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。 </p><p>　　4.5.3 超聲波的衰減</p><p>　　超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有：

77、 </p><p>　?。?）擴(kuò)散衰減:超聲波在傳播過(guò)程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 </p><p>　?。?）散射衰減:當(dāng)聲

78、波要傳播過(guò)程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋?（3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的

79、損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。</p><p>　　超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來(lái)表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對(duì)同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說(shuō)明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來(lái)表示聲波的衰減。</p><p&g

80、t;　　4.5.4 系統(tǒng)干擾因素</p><p>　　測(cè)量裝置的干擾來(lái)自多方面。機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾;溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測(cè)量裝置有三條主要途徑，如圖4-18：</p><p>　　圖4-18 產(chǎn)生誤差的途徑</p><p><b>　?。?）電磁干擾

81、</b></p><p>　　干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測(cè)量裝置。信道干擾。信號(hào)在傳播過(guò)程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。</p><p><b>　?。?）電源干擾</b></p><p>　　這是由于電源波動(dòng)、市電電網(wǎng)干擾信號(hào)的竄入以及裝置供電電源電內(nèi)阻引起各單元電路相互禍合造成的干擾。一般情況下，電

82、磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)干擾主要由發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、大功率繼電器、電臺(tái)等的感應(yīng)引起，其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電源接地系統(tǒng)和U0系統(tǒng)的干擾，這種干擾可采用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以抑制。因此，在微機(jī)系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)與v0通道的干擾是問(wèn)題的主要方面。</p><p>　　（3）供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾</p><p>　　由于供電電網(wǎng)面對(duì)各種用戶，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。用電器在開關(guān)機(jī)時(shí)都會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)

83、強(qiáng)度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時(shí)間很短，人們稱之為尖峰電壓。它會(huì)影響測(cè)量裝置的正常工作。</p><p><b>　?。?）電網(wǎng)電源噪聲</b></p><p>　　把供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間At> ls者稱為過(guò)壓和欠壓噪聲。供電電網(wǎng)內(nèi)阻過(guò)大或網(wǎng)內(nèi)用電器過(guò)多會(huì)造欠壓器聲。供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間lms<At<ls ，稱為浪涌和下陷噪聲。它主要產(chǎn)生于感

84、性用電器(如電機(jī))在開關(guān)機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。供電電壓跳變時(shí)間的持續(xù)時(shí)間At< lm s的被稱為尖峰噪聲。</p><p>　?。?）供電系統(tǒng)的抗干擾</p><p>　　供電系統(tǒng)常采用下列幾種抗干擾措施:</p><p>　?、?交流穩(wěn)壓器。它可消除過(guò)壓、欠壓所造的影響，保證供電的穩(wěn)定。</p><p>　?、?隔離穩(wěn)壓器。由于浪涌

85、和尖峰噪聲主要成份是高頻分量，它們不通過(guò)變壓器級(jí)線圈之間的互感禍合，而是通過(guò)線圈寄生電容禍合。隔離穩(wěn)壓器初次級(jí)間用屏蔽層隔離，減少級(jí)間禍合電容，從而減少高頻噪聲的竄入。</p><p>　?、?低通濾波器。它可濾去大于50Hz市電基波的高頻干擾。對(duì)于50HZ市電基波 ， 則通過(guò)整流濾波后也能夠完全濾除。</p><p>　?、?獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，有意識(shí)地把各種不同功能塊的電

86、路單獨(dú)設(shè)置供電系統(tǒng)電源。這樣做基本可消除各單元電路因共用電源而引起相互耦合所造成的干擾.在本系統(tǒng)中就采用了這種電源的配置。接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測(cè)量裝置中的地線是所有電路公共的零電平參考點(diǎn)。理論上，地線上所有的位置的電平應(yīng)該相同。然而，由于各個(gè)地點(diǎn)之間必須用具有一定電阻的導(dǎo)線連接，一量有地電流流過(guò)時(shí)，就有可能使各個(gè)地點(diǎn)的電位產(chǎn)生差異。同時(shí)，地線是所有信號(hào)的公共點(diǎn)所有信號(hào)電流都要經(jīng)過(guò)地線。這就可能產(chǎn)生公共地電阻的禍合干擾。地線的多點(diǎn)相也會(huì)產(chǎn)生環(huán)電

87、流.環(huán)路電流會(huì)與其它電路產(chǎn)生禍合。所以，認(rèn)真設(shè)計(jì)地線和接地點(diǎn)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定是十分重要的。</p><p>　　4.5.5 溫度對(duì)超聲波測(cè)距的影響</p><p>　　在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。下面公式是超聲波傳播速度與空氣溫度的關(guān)系。</p><p>　　V = 331．4 + 0．607T &

88、lt;/p><p>　　式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。</p><p>　　表 4-1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表</p><p>　　由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。這里采用的主要元器件是是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、

89、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P1.1口相連，就可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，如圖5-3</p><p>　　圖4-19 溫度測(cè)量芯片</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)部分十分的重要，距離的換算與顯示，就連部分硬件電路不能完成的濾波也要靠程序來(lái)完成。而且程序的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。&l

90、t;/p><p>　　5.1 程序完成的功能</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的程序需要完成的功能有：</p><p>　?。?）超聲波的發(fā)射和接受控制</p><p><b>　?。?）消除余振</b></p><p>　?。?）對(duì)回波信號(hào)的檢測(cè)</p><p>　?。?）測(cè)距時(shí)

91、間到距離的換算</p><p><b>　?。?）距離的顯示</b></p><p>　?。?）對(duì)距離進(jìn)行判斷</p><p>　　5.2 編程語(yǔ)言的選擇</p><p>　　在編程語(yǔ)言的選擇上，我主要考慮使用我所學(xué)過(guò)的匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。下面將對(duì)匯編語(yǔ)言與C語(yǔ)言的特點(diǎn)進(jìn)行比較。</p><p>　

92、　匯編語(yǔ)言是一種面向機(jī)器的低級(jí)的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。它直接利用機(jī)器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機(jī)器語(yǔ)言程序的指令一一對(duì)應(yīng)的。匯編語(yǔ)言由于是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，與具體的計(jì)算機(jī)硬件有著密切的關(guān)系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機(jī)器語(yǔ)言指令一一對(duì)應(yīng)，即一條匯編語(yǔ)言的可執(zhí)行指令對(duì)應(yīng)著一條機(jī)器語(yǔ)言指令，反之亦然。因此，匯編語(yǔ)言可直接利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性，如寄存器、標(biāo)志位以及一些特殊指令等，具有執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少等優(yōu)

93、點(diǎn)。匯編語(yǔ)言的缺點(diǎn)是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比較龐大，運(yùn)行速度慢。</p><p>　　C語(yǔ)言是一種編譯型的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它兼顧了多種高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，并具備匯編語(yǔ)言的功能。C語(yǔ)言有功能豐富的庫(kù)函數(shù)，運(yùn)算速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。C語(yǔ)言是一種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言，支持支持由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。C語(yǔ)言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實(shí)現(xiàn)共享

94、。在C語(yǔ)言的可讀性方面更容易借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提高程序的開發(fā)水平。</p><p>　　C語(yǔ)言應(yīng)用于單片機(jī)編程出了上述特點(diǎn)外，還有以下突出特點(diǎn)：編譯器可以自動(dòng)完成變量存儲(chǔ)單元的分配，省去了分配和紀(jì)錄存儲(chǔ)單元的繁瑣；不必對(duì)單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，省去了單片機(jī)漫長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間；具有良好的可移植性，只要將程序略加改動(dòng)就可以將其應(yīng)用與其他類型的單片機(jī)，省去了更改單片機(jī)型號(hào)時(shí)重新編寫程序的無(wú)奈。因此利用C語(yǔ)言

95、編寫程序可以大大縮短目標(biāo)系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期，程序的可讀性明顯增加，便于改進(jìn)、擴(kuò)充、研制規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。C語(yǔ)言的缺點(diǎn)是生成目標(biāo)代碼比較大，但隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，片內(nèi)ROM的空間做到16/32 KB的已經(jīng)很多，所以代碼較大已經(jīng)不是重要的問(wèn)題了。目前，支持硬斷點(diǎn)的單片機(jī)仿真器已能很好的進(jìn)行C語(yǔ)言程序調(diào)試，為使用C語(yǔ)言進(jìn)行單片機(jī)編程提供了便利條件。因此，利用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)已成為單片機(jī)開發(fā)、應(yīng)用的必然趨勢(shì)。</p&

96、gt;<p>　　綜合以上對(duì)兩種編程語(yǔ)言特點(diǎn)的比較，并考慮到單片機(jī)之間采用串行數(shù)據(jù)傳送，采用C語(yǔ)言編寫的話又可以簡(jiǎn)化許多使用匯編語(yǔ)言時(shí)進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的不便。再加上本人對(duì)C語(yǔ)言程序更加熟悉一點(diǎn)，所以最終決定使用C語(yǔ)言為本次設(shè)計(jì)的編程語(yǔ)言。</p><p>　　5.3 主要部分程序流程圖</p><p><b>　　如圖5-1所示</b></p>

97、<p>　　5.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序的分析</p><p>　　5.4.1實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能</p><p>　　uint Read_Temperature(void) //讀取溫度,返回整數(shù)值</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint c;<

98、/b></p><p>　　reset(); //復(fù)位18b20芯片</p><p>　　tu=0; //先置位溫度正負(fù)標(biāo)示為正</p><p><b>　　if(r)</b></p><p><b>　　{</b></p>

99、<p>　　write(0xCC); // 跳過(guò)多傳感器識(shí)別skio rom</p><p>　　write(0xBE); //發(fā)讀內(nèi)部9字節(jié)內(nèi)容指令</p><p>　　c=read(); //讀兩個(gè)字</p><p>　　reset(); //讀完兩

100、個(gè)字節(jié)后復(fù)位</p><p>　　write(0xCC); // 跳過(guò)多傳感器識(shí)別skio rom</p><p>　　write(0x44); // 發(fā)啟動(dòng)溫度變換指令</p><p>　　圖5-1 程序流程框圖</p><p>　　if(c>0x1000){c=c+1;tu=1;} //若

101、溫度小于0,tu=1</p><p>　　c>>=4; //去掉低四位即為整數(shù)溫度值，無(wú)需*0.0625</p><p><b>　　return c;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{return r; }

102、 //返回0XFF表示未檢測(cè)到18B20芯片</p><p><b>　　}</b></p><p>　　5.4.2實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速</p><p>　　int C_speed(void) //根據(jù)溫度查算聲速值</p><p><b>　　{</b&g

103、t;</p><p><b>　　uchar y;</b></p><p>　　y=Read_Temperature(); //采溫度</p><p>　　if(r){ //若溫度有變化則按溫度值取聲速</p><p><b>　　{</b></p>

104、;<p>　　T_C=y; //溫度值＝變化后的溫度值</p><p>　　if(tu==0)speed=332+T_C*0.607; //溫度為正則+聲速</p><p>　　else speed=332-T_C*0.607; //溫度為負(fù)則-聲速</p><p><b>　　}</b>&l

105、t;/p><p>　　}else speed=346.5; //若1820不存在即無(wú)法讀取溫度，聲 </p><p>　　速＝346.5M/S（取25度）</p><p>　　return speed;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　5.4.3實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算&l

106、t;/p><p>　　float Dis_count()//距離計(jì)算函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　float cm;</b></p><p>　　cm=TH1*256+TL1;</p><p>　　cm-=7610;

107、 //減去限制10M的初值+可調(diào)誤差值</p><p>　　cm*=speed; //計(jì)算距離uS*34650m</p><p>　　cm/=20000; //轉(zhuǎn)換為s 單程</p><p>　　return cm;</p><p><b>　　}</b></p><

108、;p>　　5.4.4 主函數(shù)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容</p><p>　　void main(void) //主函數(shù)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar w;</b></p><p>　　Read_Temperature();

109、 //先采一次溫度</p><p>　　for(w=11;w<255;w--) //啟動(dòng)顯示9~0，H~A，-</p><p><b>　　{</b></p><p>　　LED_Data=LED0[w];</p><p>　　led_1H=0;led_2H=0;led_3H=0;</p>