畢業(yè)設計——基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　設計總說明</b></p><p>　　目前,超聲波測距技術已經(jīng)廣泛的應用于各領域,由于其具有非接觸式測量的特點,在工業(yè)領域液位、井深、管道長度以及建筑物測量、倒車雷達、智能機器人的控制系統(tǒng)中都發(fā)揮了重要的作用。但以我們當前的技術水平來說，對超聲波測距技術的應用是有限的，未來的發(fā)展方向應該是朝著高精度、低盲區(qū)、拓展功能更豐富以及成本價格更低的方向發(fā)展。</

2、p><p>　　和普通超聲波測距系統(tǒng)不同,高精度超聲波測距系統(tǒng)要求的盲區(qū)更小、精度更高。為了達到該標準，設計系統(tǒng)需包含溫度補償電路，雙比較器整形電路和時間增益補償電路等信號調理電路。最后，還需加入一些必須的外圍電路如顯示電路，用于顯示測量結果，還必須含有通訊接口，方便與上位機進行通訊且可將測量結果進行上傳。另外，該系統(tǒng)進行軟件化峰值檢測，使電路更加簡化，充分利用了軟件資源。</p><p>　

3、　通過對系統(tǒng)的需求分析，硬件電路的設計方案最終得以確定，主要由AT89C52單片機作為主控芯片。</p><p>　　為了達到高精度的要求，首先我們需要了解造成測量精度不高的原因，首先，聲波在空氣中的傳遞速度會隨著溫度而發(fā)生有規(guī)律的變化。用平均速度計算出的距離和實際距離可能會有一定的誤差。</p><p>　　其次，由于超聲波屬于波的一種，因此具有波的衍射特性。這會使得超聲波沒有經(jīng)過反射，

4、即不是由于碰到物體而返回的波，而是直接收到發(fā)射端由于衍射現(xiàn)象而改變了傳播方向的那部分超聲波。這就是會導致一個測量盲區(qū)，在測量近距離時產(chǎn)生錯誤讀取而造成測量失敗。因此，只要加入溫度補償電路，由一個溫度傳感器先測量環(huán)境溫度，以實際溫度帶入計算，就能有效避免第一類誤差的產(chǎn)生；</p><p>　　其次，加入雙比較器整形電路，就能有效避免第二類誤差的產(chǎn)生。本系統(tǒng)由AT89C52單片機控制時間長短的計數(shù)以及控制超聲波信號的

5、發(fā)射、接收。整個電路采用模塊化設計思想，主要包含顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補償電路等。顯示電路主要采用LED數(shù)碼管組成，采用動態(tài)顯示的方式。即所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，通過控制位選信號來控制數(shù)碼管的點亮。用于超聲波信號發(fā)射的發(fā)射電路，主要由非門和超聲波探頭組成。還有用于超聲波接收的接收電路，對回波進行濾波放大，整形，最后送入單片機。其他電路還包括用于測量環(huán)境溫度的測溫電路，主要由一個集成芯片直接讀取環(huán)境溫度，送入

6、單片機中，再通過查詢事先做好的溫度表，通過這個表即可得到當前測量環(huán)境中的實際聲速，代入公式計算距離。</p><p>　　程序設計主要包括：主要程序、溫度補償程序、發(fā)射子程序、接收子程序等組成。</p><p>　　主要程序在系統(tǒng)啟動時會進行初始化，接著馬上開始測量溫度，獲取溫度值并進行查表后同時啟動發(fā)射電路且開始計時，等待回波信號，并進行處理，軟件濾波開始工作，對峰值點進行查找并計算出距

7、離。測溫子程序主要是根據(jù)溫度與速度表進行查表的方式來獲取當前聲速，代入公式進行計算。</p><p>　　具體實現(xiàn)的流程包括復位程序、發(fā)送匹配ROM命令、溫度轉換命令等。測量距離子程序的實現(xiàn)即是時間的測量，這也是該系統(tǒng)的核心部分。對定時器初始化處理后，計時便開始。綜上，超聲波探頭的信號經(jīng)過AT89C52單片機的分析和一系列處理，最后實現(xiàn)本高精度超聲波測距系統(tǒng)的完整功能，也驗證了該系統(tǒng)的設計滿足實際需求，該課題的研

8、究也具有一定價值。值得注意的是，為了降低該系統(tǒng)的測量的盲區(qū)，采用了雙比較器整形電路來處理不同的距離的信號（分為3cm-50cm的近距離部分和50cm-400cm的遠距離部分），使得精度進一步提高。</p><p>　　本系統(tǒng)的設計精度較高，可以用于汽車的倒車雷達，也可以用于智能機器人的距離識別系統(tǒng)或者其他距離3cm-500cm之內，精度1cm的系統(tǒng)。</p><p>　　關鍵詞：單片機；高

9、精度；超聲波；測距</p><p>　　Introduction</p><p>　　At present, ultrasonic ranging technology has been widely applied in various fields, because of its non-contact measurement, in industrial field level, w

10、ell depth, pipeline length and the measurement of buildings, reversing radar, intelligent robot control system play an important role. But in our current level of technology, the application of ultrasonic ranging technol

11、ogy is limited, the future direction of development should be towards high precision, low area, develop the function more abund</p><p>　　And ordinary ultrasonic ranging system is different, high-precision ul

12、trasonic ranging system requirements of the blind area is smaller, higher accuracy. In order to achieve the standard, the design system contains the temperature compensation circuit, the Dual Comparator plastic circuit a

13、nd the time gain compensation circuit and other signal conditioning circuits. Finally, it is necessary to add some necessary peripheral circuits such as display circuit, used to display the measurement results </p>

14、<p>　　Through the analysis of the system needs, the hardware circuit design scheme is finally determined, and the main control chip is the main chip of AT89C52.</p><p>　　In order to achieve the high a

15、ccuracy, we need to understand the cause of the low accuracy of the measurement. Firstly, the transmission speed of the acoustic wave in the air will change with the temperature. The distance and the actual distance calc

16、ulated by the average velocity may have some error.</p><p>　　The second is because the ultrasonic belongs to one kind of wave, so the diffraction characteristic of wave is of the wave. This will make the ult

17、rasonic wave not reflected, that is not due to the wave of the object returned, but directly received the emitter due to diffraction phenomenon and changed the direction of the transmission of that part of the ultrasonic

18、. This is the result of a blind measurement of the blind, in the measurement of the error caused by the error read while the measureme</p><p>　　Secondly, adding dual comparator circuit, can effectively avoid

19、 the second type of error. The system is controlled by the AT89C52 microcontroller count as well as the transmitter and receiver of ultrasonic wave. The whole circuit uses the idea of modular design, including the displa

20、y circuit, ultrasonic circuit, ultrasonic receiving circuit, temperature compensation circuit, etc.. The display circuit is mainly composed of LED digital tube, and the dynamic display is adopted. That is, all the dig<

21、;/p><p>　　The program design mainly includes: the main program, the temperature compensation procedure, the launch subroutine, the receiving subroutine and so on. </p><p>　　Main program at system b

22、oot time will be initialized, then immediately began to temperature measurement, to obtain the temperature value and look-up table and start transmitting circuit and the beginning of time, waiting for the echo signal, an

23、d processing and filtering software began to work the peak search and calculate the distance. Temperature measurement child program is mainly according to the temperature and speed table look-up table to obtain the curre

24、nt velocity and substituted into the</p><p>　　The system has higher design precision, can be used in the reverse radar of the car, and can also be used in the intelligent robot distance identification system

25、 or other distance 3cm-500cm, the precision 1cm system.</p><p>　　Keywords: single chip microcomputer, high accuracy, ultrasonic, rangin</p><p><b>　　１　緒論</b></p><p>　　超聲波

26、測距系統(tǒng)作為一種經(jīng)典的非接觸式測量技術，包含了電子，材料，物理等學科的知識理論，其應用領域也十分的廣泛。超聲波作為聲波的一種，有著和聲波同樣的性質：它的產(chǎn)生來源于振動，另外，在不同物體中的傳的速度也是不一樣的。超聲波測距傳感器在粉塵多，光線暗或有其他電磁干擾的情況下，性能幾乎不受影響，所以，現(xiàn)代社會中，許多地方都可以用到。例如：建筑施工測量，智能機器人，汽車倒車雷達，油箱液位測量等。</p><p>　　1．1　

27、系統(tǒng)設計背景</p><p>　　在過去許多科學家的研究基礎之上，我們已經(jīng)知道用許多種不同的方法來測距，不再局限于傳統(tǒng)的簡單的接觸式測量器具，我們今天的電子技術正以飛一般的速度向前推動著大量非接觸式測距儀的發(fā)展。近幾十年以來，關于非接觸式測量系統(tǒng)的研究包含以下幾類：激光，微波，紅外線及超聲波。這其中，激光的測量精度較高，但其有個很大的缺點，就是極易受到周圍環(huán)境的影響，而且激光測距系統(tǒng)后期的檢測和維護成本較高，所以

28、會產(chǎn)生較高的費用，很難推廣到日常生活和工作中去，一般用于高端專業(yè)領域，如軍事類。而對于微波雷達測距來說，電路部分的制作成本就非常之高，也只用于專業(yè)領域，如軍事和工業(yè)類。紅外線測距雖然造價便宜，但其不能達到高精度，且方向性不好。另外，紅外線傳播速度為3×108米/秒，速度之快，相較于超聲波在普通情況下的速度來說，紅外線是超聲波的八十多萬倍。因此，利用超聲波測距能大大增加時間（同樣的距離下），使得測量更容易，誤差更小。</p

29、><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：</p><p>　　(1)可以用于空氣中，液面下和固體內等傳播介質中測量，應用靈活；</p><p>　　(2)不易受光影響，在黑暗及煙霧環(huán)境下都可使用，不易受電磁場影響，使人可以遠離這些惡劣工作環(huán)境；</p><p>　　(3)制作起來不復雜，該成品預計價格不貴，而且體積不大，還非常容易集成；</

30、p><p>　　由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上這些特點而被廣泛的應用。隨著現(xiàn)代電子技術的發(fā)展，超聲波測距技術在汽車制作，國防安全，工業(yè)制造及日常生活中都隨處可見。目前的系統(tǒng)主要采用單片機微核心，結合溫度補償電路等模塊組成，由于計時的精確度和電路的影響，現(xiàn)有超聲波的測量區(qū)間大致在0.2米到20米之內，誤差為毫米級，存在幾十厘米的盲區(qū)。綜上，超聲波測距系統(tǒng)應用廣泛，為了滿足未來技術參數(shù)的精度需求，我們需要在高精度方向做出深入

31、研究，解決這個技術難題以面對更加高的市場需求,因此這項技術的研究將有重大的意義。</p><p>　　1．2　國內外研究現(xiàn)狀</p><p>　　首先，從國外來看，最先的研究記錄是18世紀70年代的科學家高爾頓所做的氣哨實驗，這是我們人們有史以來的第一次通過實驗產(chǎn)生的高頻聲波，后來的30年內，超聲波的概念仍舊很少有人知道，再加上那時的技術方面的達不到要求，對超聲波的研究產(chǎn)生了難以逾越的鴻溝

32、。直到第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，期間關于超聲波的研究漸漸地被人們所看重。一個叫做朗之萬的德國科學家用了晶體傳感器對超聲波進行發(fā)射和接收，這項研究是在水下進行的，且只能接頻率相對較低的超聲波。這項研究可以用來進行水下通訊，另外，也可用于檢測水下物體，如水下潛艇，用于軍事領域。</p><p>　　而后，超聲波的應用領域的研究也在逐漸擴大，到了1928年，Sokolve首先提出了關于超聲波探傷的研究，即利用超聲波的特性來檢

33、查金屬器件是否存在裂痕或者缺損。又過了兩年，另外一個科學家穆爾豪瑟獲取了一個德國專利，這個專利是針對超聲波檢查方法的，這讓我們又看到超聲波的研究進了一步。1935年，Sokolve發(fā)表了一篇論文，詳細的介紹了他的研究結果。就是在液體的實驗槽里進行穿透測試，并記錄了穿過實驗物的超聲能量。因為在液體之中實驗會很容易得觀察到波紋。德國的貝格曼在他的書《超聲波》中，比較完整的介紹了大量的超聲波的資料。這是早期的比較系統(tǒng)的資料之一，一直被奉為經(jīng)典

34、。</p><p>　　關于探傷儀的研究，最早出現(xiàn)于Firsetone和Sprole的論文中。這是超聲波的應用最廣的一面。根據(jù)此研究基礎，衍生出大量超聲波儀器，目前，超聲波在無損檢測中發(fā)揮出無與倫比的作用。</p><p>　　從國內來看，目前超聲波在測試方面的研究成果比較多。如國內的測試研究所就在超聲波測距方向做出了較為系統(tǒng)的研究并發(fā)表了諸多相關論著。這些論著詳細的說明了超聲波測距的原理

35、。還留下諸多相關實驗的數(shù)據(jù)結論，如，超聲波的傳播速度（即聲速）的影響因素有哪些，波的特性在傳播過程中對測距系統(tǒng)的影響分析。詳細可見于國家測試研究所《超聲波原理及實踐技術》，作者李冒山。</p><p>　　廈大的同峰教授提出了一種針對高精度測距的改進方法。根據(jù)他的結論，測距之所以有誤差，是由于對回波的脈沖檢驗方式有問題。他根據(jù)實驗，驗證了回波的包絡方程，給出了軟硬件的設計方案。在智能機器人研究領域，超聲波測距也有

36、不可缺少的作用。一個高精度的超聲波測距系統(tǒng)不僅能準確的引導機器人的行動，而且還能迅速的反饋周圍的環(huán)境狀況，為機器人完成各種復雜工作提供必要的輔助。</p><p>　　我國的超聲波測距技術已經(jīng)趨于成熟，但與發(fā)達國家相比，在精度方面還是差一大截，我們想要進入現(xiàn)代化的建設中去，就要提高速度和效率，而這些都是建立在高科技水平，高質量的儀器之上的，所以我們還需加強研究，使得精度達到未來的需求，從而為工業(yè)的發(fā)展做出貢獻。通

37、過長時間的研究和發(fā)展，超聲波測距不僅僅是單一的技術了。而且不斷加入各個其他的領域的知識，結合了人類智慧的結晶。漸漸形成一個深入、實用、值得探討的專業(yè)的研究方向。</p><p>　　通過查詢相關資料了解到，我們國家使用的大多數(shù)高精度測距系統(tǒng)均來源于進口，這在很大程度上對我國的經(jīng)濟和現(xiàn)代化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的阻力，因此，我們需要增加在超聲波測距系統(tǒng)的研究經(jīng)費，使我國的測距裝置不僅能滿足自己本國的需要，還能出口到國外。&

38、lt;/p><p>　　２　超聲波測距原理和方案</p><p>　?。?１　超聲波測距的基本理論</p><p>　　２.１.１　超聲波簡介</p><p>　　所謂超聲波，跟普通聲波的區(qū)別是頻率范圍不同。物理學上將它規(guī)定為頻率在20000赫茲以上的波。它具有很好的方向性，并且有著非同一般的穿透力。屬于比較容易獲取的聲能中的一種。超聲波的使用范

39、圍也是很廣的，比如：測量，測量又分為速度的測量和距離的測量；各種需要殺滅細菌的環(huán)境；超聲波的能量還可用于破碎物體，用于分割等。因此不難看出，超聲波的應用領域不受限制，即可用于軍事也可用于日常生活，對工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療業(yè)也有著巨大作用。說道超聲波的命名來源，顧名思義，超過聲音的波，人類的聽力是無法接收如此高頻率的波的。雖然如此，但其本質還是聲波，因此能滿足聲波的各種特性，也就是說，聲波的規(guī)律對于超聲波也完全適用。</p><

40、p>　　聲波是一種傳遞了物體運動的能量，比如，桌子被拍打，桌面就會產(chǎn)生上下運動，從而傳播聲音。聲波的特性很多，首先，聲音在同一環(huán)境下的傳播速度是一個定值。其次，遇到障礙后一部分聲波會被反彈回來。第三，聲波傳出去以后，距離越大，衰減也就越大。最后，也是最重要的一點，超聲波傳播的方向是直的，這就使得超聲波用于測距有了一個很好的基礎條件。</p><p>　　２.１.２　超聲波與傳播介質的關系</p>

41、<p>　　當超聲波在通過幾種不同的媒介時,在這兩個介質交界的地方會發(fā)生折射和反射兩種現(xiàn)象。根據(jù)物理的反射、折射等定律可知，波的傳播遵守如圖2-1所示的規(guī)則。</p><p>　　超聲波沿x正向傳播的運動方程為：</p><p><b>　　（2-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b>&

42、lt;/p><p>　　其中，A(x)代表超聲波的振幅（質點位移的大小）、ω代表角頻率、t代表時間、A0則是常數(shù)、x代表傳播的距離、k=2π/λ代表波數(shù)，λ代表波長，α代表衰減的系數(shù)。且有如下關系：</p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　上式中a代表介質常數(shù)，f代表振動頻率。</p><p>　

43、　超聲波的衰減，波在傳播當中，由于外界因素的影響，其具有的能會逐漸減小。造成其減小的原因主要有波的發(fā)散、散射等。</p><p>　　其衰減的規(guī)律可由以下公式表示：</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　其中，P0代表聲音

44、在x=0時候的聲壓，I0代表聲音在x=0出的聲強。?代表系數(shù)，單位是：奈培/cm。</p><p>　　其衰減與距離的關系如表2-1所示：</p><p>　　表2-1 聲波衰減與距離的關系表</p><p>　　經(jīng)研究證明，在介質中，聲音傳播速度會受到環(huán)境溫度的影響。通常，超聲波在空氣中的向各個方向傳的速度約為340 m/s 。溫度變高后，一般情況下速度也會加快，

45、這兩者間的關系如表2-2所示：</p><p>　　表2-2 聲速與溫度關系</p><p><b>　　用公式可表示為：</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　其中，T代表溫度。</b></p><p>　

46、?。?１.３　超聲波換能器簡介</p><p>　　超聲波傳感器，別名超聲波換能器，是超聲波測距系統(tǒng)里不可或缺的一個重要元件。它的主要作用是完成電能和聲能的相互轉換。</p><p>　　超聲波傳感器的種類多樣化，可分為壓電、電磁、磁滯、電動等幾類。</p><p>　　以上分類依據(jù)是基于實現(xiàn)超聲波的傳感器聲能和電能轉換的物理方式。有一些特殊的材料在接受一定壓力是會

47、在其內部產(chǎn)生一個電場，這就是我們通常所說的壓電效應，而能達到這種效應的材料就是作為超聲波傳感器的核心部件。</p><p>　?。?２　超聲波測距系統(tǒng)總體設計</p><p>　　超聲波測距的具體方式有多種，可以采取檢測相位的方式，也可以采取檢測幅值的方式，最普遍的度量時間的方式。</p><p>　　具體來說就是，當聲波發(fā)射出去后，一旦遇到阻擋物就會被反彈回來，我

48、們知道，超聲波在空氣中相同溫度下是的速度是一個定值，所以距離的計算很簡單了，只要得到發(fā)出和接收到的時間差值，和通過查詢表格就能算出距離。具體計算公式如下：</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　其中，S為所求距離，T為波來回的時間，V為當前超聲波傳遞的速度。</p><p>　　該測距的原理可簡單的表示為圖2-2所

49、示： </p><p>　　圖2-2 超聲波測距原理圖</p><p>　　系統(tǒng)框圖如圖2-3所示：</p><p><b>　　圖2-3 系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　系統(tǒng)工作總流程說明：</p><p>　　

50、首先,系統(tǒng)初始化完成后，測溫電路開始工作，DS18B20芯片開始采集環(huán)境溫度并將最后采集到的數(shù)據(jù)送入單片機。</p><p>　　AT89C52單片機的一個I/O口發(fā)出一個40kHz的方波用于超聲波發(fā)射電路的輸入信號并同時開啟計時器并初始化所有子程序，該信號經(jīng)超聲波發(fā)射驅動電路的處理后輸送到超聲波的發(fā)射探頭。</p><p>　　當信號到達被測目標后，立即被反射回來，而超聲波接收探頭將接收

51、到的回波信號經(jīng)行適當?shù)姆糯?。?jīng)過一級放大的信號分兩路同時輸送到雙比較器整形電路中去，如圖的A和B即為雙比較器整形電路的兩個比較器。其中一路信號經(jīng)過TGC時間增益補償電路經(jīng)行增益處理，然后再次放大，通過雙比較器整形電路的A比較器送入單片機。另外一路信號直接進入雙比較器整形電路的B比較器送入單片機。</p><p>　　雙比較器設置了不同的閾值，A比較器用于測量遠距離的信號，B比較器用于測量近距離的信號，因此不符合的

52、信號會被完全屏蔽掉，系統(tǒng)的精度得到非常大的提升。單片機收到回波信號后立即經(jīng)行中斷處理，獲取時間差值，即可計算出測量的最后結果。該測量結果由顯示電路輸出，該顯示模塊主要由74LS245鎖存器來驅動4個LED數(shù)碼管，采用了動態(tài)顯示的方法，占用的I/O資源更少，充分發(fā)揮了軟件作用。具體電路及芯片選型將在下一章詳述。</p><p><b>　?。场∮布O計</b></p><p

53、><b>　　３.１　硬件的選型</b></p><p>　?。?１.１　主控單片機的選型</p><p>　　本系統(tǒng)中，單片機主要用于控制超聲波的發(fā)射和接收，與此同時，還要進行準確的時間的記錄，也就是說需要在發(fā)送的同時啟動計時器，并且在接收到回波的時候立刻停止計時并將時間長度值返回，用于計算目標距離。</p><p>　　其次，超聲波還

54、要負責控制其他外圍電路，比如，本設計中的溫度補償電路采用了一塊收發(fā)溫度信號的芯片，由單片機控制，將環(huán)境溫度采集后進行查溫度與速度表，用于確定當前環(huán)境下具體溫度，最終目的是獲取當前環(huán)境的聲波的準確傳播速度，使得測距結果更加準確。</p><p>　　此外，單片機還需要負責控制顯示電路，將測量出的距離的結果通過LED數(shù)碼管直觀的顯示出來。經(jīng)過研究，選用AT89C52單片機作為電路的主控芯片，AT89C52是Atmel

55、公司的一個經(jīng)典的MCU，它有著低電壓的特點。是一個八位的高性能CMOS芯片,片內有8K Bytes ISP的只讀程序存儲器,該存儲器可以多次的寫入和刪除數(shù)據(jù),反復使用的次數(shù)高達一千次。擁有可編程的Flash，這些特點表明AT89C52可以滿足多種系統(tǒng)的需要，使用的靈活性很高。</p><p>　　AT89C52芯片擁有40個引腳，充足的32個可編程雙向I/O口，在該超聲波測距系統(tǒng)中，這樣多的雙向I/O口可以使所有

56、需要的外設電路方便的與單片機連接起來，還有3個16位定時/計數(shù)器。詳細來說，P0口：8位漏極的開路雙向輸入/輸出口，作為輸出口時，每位可以驅動8個TTL邏輯電平。特別地，P0口作為低八位地址/數(shù)據(jù)口時內部沒有上拉電阻，使用時需要外接上拉電阻。不同于P0口的是，P1口是一個內部有上拉電阻的雙向輸入/輸出口，緩沖器輸出能驅動4個TTL邏輯電平。P1口的第二功能如表3-1所示：</p><p>　　表3-1 AT89C

57、52 第二功能說明表</p><p><b>　　續(xù)表3-1：</b></p><p>　　實物圖片如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 AT89C52芯片實物圖</p><p>　?。?１.２　超聲波傳感器的選型</p><p>　　本設計中選用的是型號為T/R40-18A的壓電式換能

58、器，具體參數(shù)如表3-2所示：</p><p>　　表3-2 T/R40-18A超聲波換能器相關參數(shù)</p><p>　　該超聲波換能器分為發(fā)出超聲波的部分和接收超聲波的部分，電磁的振蕩被發(fā)射端發(fā)出，接著轉換為超聲波然后發(fā)送到外界。收到的超聲波被接收器進行一定的處理，將聲音和電這兩種能量進行轉換，最后使得接收到的信號變?yōu)殡娒}沖信號。其中T為發(fā)出端，R為接收端，它們一般是在同一系統(tǒng)中共存。&l

59、t;/p><p>　　工作原理簡單總結如下，在輸入40kHz的頻率下，壓電陶瓷、諧振片會被轉變成機械的振動，接著就把超聲的這個信號的振動發(fā)到外界去。被發(fā)出的超聲波向空中各個方向不斷傳播，碰到物體后就立刻被反射回來。接收端隨即收到回來的這部分超聲波，對內部的諧振片產(chǎn)生一個諧振，將接收的聲波轉換為電脈沖信號，接著將轉換后的信號輸入到放大電路中，然后輸出最終信號。</p><p>　　其頻率特性為圖

60、3-2所示：</p><p>　　(a) 聲壓能級曲線 (b)靈敏度曲線</p><p>　　圖3-2超聲波換能器頻率特性</p><p>　　從圖中很容易看出，它的聲壓性能大約在40kHz時最優(yōu)，靈敏度也同樣。因此該測距系統(tǒng)選用該頻率作為傳感器的工作頻率。</p><p>　　圖3-3 T/R

61、40-18A實物圖</p><p>　?。?１.３　溫度傳感器的選型</p><p>　　本設計采用DS18B20單線數(shù)字溫度傳感器作為測量和向單片機輸入環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的核心元件。</p><p>　　DS18B20溫度傳感器是一個以9位數(shù)字信息反映溫度值的一個器件，通過一個單線口既可以用來接收也可以用來發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，因此，該芯片使用時只需和單片機用一根連接線即可

62、以達到讀取和傳送溫度值的目的，由于電源和信號是復合起來的，所以不需要另外加一個外界的電源就可以工作。</p><p>　　DS18B20是電子元器件中最早的一個支持“一跟總線”的有三個接口的測量和傳遞溫度的傳感器，該優(yōu)點可以靈活組建電路，而且更加經(jīng)濟，占用的體積更小。且每個DS18B20芯片都具有一個獨一無二的編碼，支持物聯(lián)網(wǎng)的尋址，DS18B20的引腳如圖3-4所示：</p><p>　

63、　圖3-4 DS18B20 管腳圖</p><p>　　圖3-5 DS18B20測溫芯片實物圖 </p><p>　　引腳說明如表3-3所示：</p><p>　　表3-3 DS18B20溫度傳感器引腳表</p><p>　　注：上表中沒有提到的引腳均為空腳，沒有連接。</p><p>　　３.２?。茫校漳K電路的設計

64、</p><p>　　CPU模塊主要用于控制各子電路的工作,電路原理圖如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 CPU模塊電路圖</p><p>　　P0、P2.4-P2.7口用于接顯示電路，P3.0（RXD）、P3.1（TXD）用于接串口通信電路，P3.2（INT0）、 P3.3（INT1）用于接雙比較整形電路的2路輸入信號，P1.4用于發(fā)送40kHz的脈沖

65、信號給超聲波發(fā)射電路，P1.6和P1.7用于接時間增益補償電路的數(shù)字電位器。另外AT89C52的VCC引腳需要外接一個5V直流電源，由電源模塊產(chǎn)生，GND引腳接地。在X1、X2接時鐘電路，本設計中，由于測距系統(tǒng)需要采集超聲波發(fā)送和接收的時間差，需要計時，故選用12 MHz的晶振，這樣分頻后就是整數(shù)，能使計時更加精確。此外，RESET用于接復位電路，當單片機需要復位時按下開關S1，外部復位電路產(chǎn)生2機周以上的高電平，是單片機完成復位。&l

66、t;/p><p>　　３.３　電源電路的設計</p><p>　　由于該系統(tǒng)需要用到5V的電源，為了保證系統(tǒng)的正常運行，設計如下電路，電路原理圖如圖3-7所示：</p><p>　　圖3-7 電源電路原理圖</p><p>　　該電路主要作用是通過將220V的交流電變?yōu)榉€(wěn)定的5V直流電，用于系統(tǒng)的供電。主要步驟如表3-4所示：</p>

67、<p>　　表3-4 標準電源電路工作流程</p><p><b>　　續(xù)表3-4：</b></p><p>　　直流穩(wěn)壓電源的工作流程如圖3-8所示：</p><p>　　圖3-8 直流穩(wěn)壓電源工作流程圖</p><p>　　通過以上步驟即可以得到系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的5伏直流電源，最后在該電源電路中并聯(lián)了一個

68、二極管，以便于觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)。</p><p>　　３.４　發(fā)射電路的設計</p><p>　　超聲波的發(fā)射器利用主要是利用超聲波發(fā)射探頭的壓電晶體振動從而帶動周圍空氣振動來工作。</p><p>　　超聲波發(fā)射包括兩部分的內容：首先是超聲波的發(fā)射電路，本設計中選用4069非門組成，當輸入口輸入的信號為高時，經(jīng)過反相器變?yōu)榈碗娖?；當輸入口輸入信號為低時，經(jīng)過反相

69、器后變?yōu)楦唠娖?，這樣就實現(xiàn)了振蕩的信號，以此來對發(fā)射探頭進行控制。其次是超聲波發(fā)射控制電路，采用軟件控制的方式，從單片機P1.4口發(fā)出40kHz的方波信號，通過以上驅動電路來使超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。</p><p>　　超聲波的發(fā)射電路設計如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 超聲波發(fā)射電路原理圖</p><p>　?。?５　接收電路的設計</p

70、><p>　　接收電路主要由三部分組成，用來接收反射回來的超聲波信號，超聲波換能器將超聲信號轉變?yōu)殡娦盘?，雖然完成了聲電轉換，但得到的這個信號并不能被單片機直接接收，需要通過一定的調理信號經(jīng)行處理，先將回波信號經(jīng)行一定的放大。然后，為了使反射回來的超聲波更加穩(wěn)定，需要設計一個時間增益補償處理。最后，為了減小盲區(qū)，需要采用雙比較器來對遠近信號經(jīng)行比較，接著就可以將處理過的回波信號傳入單片機，得到測量距離。</p&

71、gt;<p>　　３.５.１　回波接收及濾波放大電路</p><p>　　由于超聲波在傳遞的過程中能量會衰減，因此，首先我們需要將接收探頭接收到的信號進行一定的放大，該放大電路的核心元件為NE5532運放器，這是一個性能較高而噪聲較低的雙運放器，而且該器件占用的信號和電源的帶寬都不高，和大多數(shù)的普通運放相比顯示出較高的性能。</p><p>　　本設計采用的放大電路如圖3-1

72、0所示：</p><p>　　圖3-10回波放大濾波電路原理圖</p><p>　　通過選擇合適的基準參考電壓，該電路能較好的實現(xiàn)回波電路的放大要求，達到系統(tǒng)需求，在信號通過該電路后被放大和濾波，消除和過濾了因傳播而造成的噪聲和其他各種多余的信號干擾，使得信噪比達到最大，保證了測距結果的準確性。</p><p>　?。?５.２　時間增益補償（ＴＧＣ）電路</p

73、><p>　　超聲波的傳遞一段時間后的衰減特征，即在空中傳播時，聲波的強度會根據(jù)傳出的距離的變大而降低，這是由于多種因素造成。距離增的增加會導致回波信號的幅值衰減，并且衰減呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律。也就是說，近距離物體反射的回波幅度稍大，遠距離物體反射的回波幅度略小。</p><p>　　因此，我們如果要提高測量的精度，就需要對這部分產(chǎn)生衰減的信號作增益補償處理。本設計加入了有時間增益處理作用的放大器，這

74、樣一來，距離近的增益小，距離遠的增益比較大。既可以使發(fā)射信號的余振幅度降低，也可以同時使持續(xù)時問變短。用這樣的方法就能夠辨別出近處的信號，盲區(qū)也就變小了。除此之外，還能提高系統(tǒng)的精確度。根據(jù)以上系統(tǒng)要求，設計出如下電路。該電路主要通過數(shù)字電位器變化主化阻值來達到目的。</p><p>　　時間增益補償電路原理圖如圖3-11所示:</p><p>　　圖3-11 時間增益補償電路原理圖<

75、;/p><p>　　該電路中MAX5161芯片為一個數(shù)字電位器，有三十二級抽頭。該數(shù)字電位器包含三線串行口實現(xiàn)阻值的調節(jié)，阻值為50K。數(shù)字電位器的抽頭位置由實驗獲得的與距離對應的放大增益換算而成，并將此位置參數(shù)寫入程序存儲器中。</p><p>　　系統(tǒng)工作時，單片機通過查表法取得相應的增益，接著通過串行設置不同阻值，從而實現(xiàn)增益作用。數(shù)字電位器由單片機控制，實現(xiàn)起來相對容易，增益效果能按照

76、電路實際要求來做出調整。</p><p>　　時間增益補償電路效果如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 時間增益補償圖</p><p>　?。?５.３　雙比較器整形電路</p><p>　　該設計有兩個超聲波探頭，一個用于接收超聲波信號，另一個用于發(fā)射超聲波信號，由于超聲波的衍射特性，在測量的距離很近時，會有一個盲區(qū)。超聲波發(fā)射

77、探頭發(fā)出的超聲波角度在360度以下，而0度到60度最為常見，因為兩探頭之間有外殼包圍，故而超聲波是不會直接進入接收器的。但由于聲波特殊的性質，會有一部分聲波沒有經(jīng)過發(fā)射到反射這個過程，而是直接進入接收端，這是接收端子無法分辨是否為反射信號，從而會導致錯誤測量。這是一中無法避免的誤差源，因此需要設計一個雙比較器整形電路，用于比較兩段不同遠近的回波信號。 </p><p>　　實物測距系統(tǒng)的超聲波接收換能器和發(fā)射換能

78、器的距離較近，當測量的距離較近時，反射信號的幅值衰減較小，比起衍射產(chǎn)生的波的幅值小很多。因此只要設定一個恰當?shù)谋容^器臨界值，就能達到屏蔽衍射波的目的，這時反射波就能與衍射波成功的區(qū)分開來。近距離比較器用來處理3 cm-50cm的距離的反射波，遠距離比較器用來處理50cm-4 m的距離的反射波。具體電路如3-13所示：</p><p>　　圖3-13 雙比較器整形電路原理圖</p><p>

79、　　總的來說，經(jīng)發(fā)射回的超聲信號首先通過NE5532進行首次放大，其中一路信號進入近距離比較器，經(jīng)電路處理后進入單片機，這部分電路用來處理近距離（3cm-50cm）的超聲波信號。第二路進到時間增益補償及放大電路中，用來處理遠距離（50cm-4m）的超聲波信號。</p><p>　?。?６　溫度補償電路的設計</p><p>　　由第二章中表2-2 聲速與溫度關系可以看出溫度會造成超聲波測距

80、的精度降低。本設計使用數(shù)字溫度計DS18B20用于獲取環(huán)境溫度,最后通過查表法獲得聲音的速度。</p><p>　　在章節(jié)3.1.3中已經(jīng)詳述了該DS18B20芯片為單線的數(shù)字溫度傳感器，只有三個外接引腳,分別為GND、DQ、VDD。在-10攝氏度到+85攝氏度之間的測溫誤差小于0.5攝氏度。</p><p>　　溫度補償電路的具體設計如圖3-14所示:</p><p&

81、gt;　　圖3-14溫度補償電路原理圖</p><p>　?。?７　顯示電路的設計</p><p>　　顯示數(shù)字普遍用到的電子元件為七段數(shù)碼管，七段數(shù)碼管的七個亮段表示一個數(shù)字“8”，點亮不同亮段的組合就形成了數(shù)字0~9。在許多的電子產(chǎn)品中都采用了常見的七段數(shù)碼管來顯示所需信息。七個亮段實際上就是7個條形的發(fā)光二極管。按順時針方向，這七個亮段分別稱為a、b、c、d、e、f、g。</p

82、><p>　　七段數(shù)碼管如圖3-15所示:</p><p>　　圖3-15七段數(shù)碼管示意圖</p><p>　　七段數(shù)碼管的亮段和普通的發(fā)光二極管一致，我們可以把這7個亮段之間當做7個發(fā)光二極管來看待。按照其中7個發(fā)光二極管的接法的不同，可以將七段數(shù)碼管分為共陽（共陽極）和共陰（共陰極）兩種。顧名思義，所謂共陽極七段數(shù)碼管意思就是將所有發(fā)光二極管的額陽極連在一體，而共陰

83、極七段數(shù)碼管的意思就是將所有發(fā)光二極管的負極連在一起，由于單片機的輸出口不能夠提供足夠的電壓使二極管發(fā)光，所以在本設計中采用了共陽極的數(shù)碼管，將所用到的4個七段數(shù)碼管的陽極并接到一起。</p><p>　　共陽極和共陽極的七段數(shù)碼管示意圖如下圖3-16所示：</p><p>　　圖3-16 共陽極和共陽極七段數(shù)碼管示意圖</p><p>　　LED顯示不同數(shù)字的方式

84、如圖3-17所示：</p><p>　　圖3-17數(shù)碼管數(shù)字顯示圖</p><p>　　從上圖中我們很容易發(fā)現(xiàn),若要求顯示數(shù)字“1”，需要讓b、c兩個發(fā)光二極管點亮；若要求顯示數(shù)字“5”，需要讓a、f、g、c、d五個發(fā)光二極管點亮。</p><p>　　數(shù)碼管有不同的工作顯示方式,分為靜態(tài)和動態(tài)，這兩種不同的顯示方式有著各自不同的優(yōu)缺點，需要根據(jù)系統(tǒng)的實際需要來決定

85、用哪種方式。</p><p>　　靜態(tài)顯示要求數(shù)碼管的所有段選端都要接上8位的數(shù)據(jù)線，以此來顯示的字形碼。字形碼被送入數(shù)碼管后，可一直保持不變，直到下個字形碼替代原先的字形碼。這樣做的好處是不會長時間占用CPU資源，而且更加容易控制，但對硬件的要求會更高。</p><p>　　動態(tài)顯示要求數(shù)碼管的所有段選端并聯(lián)在一起，具體用到的那位數(shù)碼管的選擇是由位選線控制的，采用動態(tài)掃描顯示。</

86、p><p>　　動態(tài)掃描的意思是：電路依次往各個數(shù)碼管傳送字形碼、位選信號，由于發(fā)光管有余輝且肉眼有一個視覺暫留的效果，我們就會覺得所有的數(shù)碼管是同時顯示的。自然，動態(tài)顯示的亮度不如靜態(tài)顯示那么亮，其限流電阻的阻值比靜態(tài)顯示電路的值要小一點。結合實際考慮，本設計中選用了動態(tài)顯示的方式。</p><p>　　基于以上理論基礎，本設計的顯示電路設計的具體方案為：由P0口輸出的信號經(jīng)過74LS245

87、芯片送入4個數(shù)碼管，數(shù)碼管的位選分別接P2.4到P2.7的I/0口。</p><p>　　74LS245是一個常用的芯片，它的作用是驅動LED或別的設備。該芯片為8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，數(shù)據(jù)可以從A端傳到B端，也可以從B端傳到A端。另外，它還具有雙向三態(tài)功能，可以同時輸出和輸入數(shù)據(jù)。當AT89C52單片機的P0口總線負載大于等于P0口最大負載能力時，一般需要接入74LS245等總線驅動器。片選端/CE為低電平

88、有效。DIR=“0”，信號由 B 向 A 傳輸，即芯片為接收的作用。 DIR=“1”，信號由 A 向 B 傳輸，即芯片為發(fā)送作用。P0口與74LS245輸入端相連,/CE端接地，保證數(shù)據(jù)線暢通。位選信號由P2.4到P2.7送出。</p><p>　　具體電路如圖3-18所示：</p><p>　　圖3-18 顯示電路原理圖</p><p>　　３.８　通訊電路的設計

89、</p><p>　　計算機的功能比單片機更完善，單片機的計算能力受到硬件限制，很難完成復雜計算和數(shù)據(jù)的處理。利用計算機來控制和管理單片機，由計算機和單片機組成的系統(tǒng)能實現(xiàn)更多拓展功能，所以我們很有必要設計單片機和計算機的通訊電路。</p><p>　　通信方式有兩種，第一是并行通信，第二是串行通信，同樣地，這兩種通信方式各有其有點和缺點。</p><p>　　并行

90、通信就是將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的每一位用不同的數(shù)據(jù)線同時傳輸過去。優(yōu)點是容易控制且比串行的傳送速度快很多。缺點是因為傳輸線非常多，如果需要長距離傳送的話會用到許多路線，造成高額的成本，且給收發(fā)兩方的設備都帶來不小的挑戰(zhàn)，并行通信如圖3-19所示： </p><p>　　圖3-19并行通信示意圖</p><p>　　串行通信和并行通信不同的是，傳輸線只有一條，所有需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)逐位的向目標設備輸

91、送。</p><p>　　串行通信的優(yōu)點：用到的傳輸線少，長距離傳送也只用一條線，與并行通信比起來便宜很多。而且可以直接通過電話線等現(xiàn)有的線路經(jīng)行傳送。缺點是數(shù)據(jù)傳送控制起來較難，串行通信如圖3-20所示：</p><p>　　圖3-20串行通信示意圖</p><p>　　串行通信RS-232C接口是常用的串行接口標準，RS-232于1969年被美國電子工業(yè)協(xié)會所修

92、訂，它明確了數(shù)據(jù)終端設備與數(shù)據(jù)通信設備的物理接口標準。</p><p>　　該標準的機械特性為：RS-232C接口共有25個針連接器，另外還有具體尺寸規(guī)定，這25個插針的位置如下圖3-21所示，功能如下表3-5所示：</p><p>　　圖3-21 RS-232接口示意圖</p><p>　　相關插針的功能如下表3-5所示：</p><p>

93、　　表3-5 RS-232插針功能圖</p><p><b>　　續(xù)表3-5</b></p><p>　　注：表中括號內的標號對應的是九針非標準型接口</p><p>　　從硬件條件來看，該設計的主控芯片為AT89C52，該芯片的通訊電路可以用到RS-232標準接口進行串口通信。</p><p>　　在通訊系統(tǒng)中，上位機

94、（計算機）為主機，下位機（單片機）為從機。單片機主要是對數(shù)據(jù)進行收集和控制電路，計算機主要是對單片機收集到的數(shù)據(jù)進行一系列計算和處理以及對單片機進行控制。串口通信是逐位傳遞數(shù)據(jù)的，RS-232標準接口簡單，用到的線只有三根：TX、RX和GND。通信距離在二十米以內。</p><p>　　MAX202芯片的作用：把單片機輸出的TTL電平變成計算機能識別的232電平，也能將計算機發(fā)出的232電平變成單片機可以識別的T

95、TL電平。所謂232信號電平就是負10到正10伏的信號，單片機TTL電平就是0到正5伏的信號。該電路支持遠距離通信和多個計算機直接的通訊，屬于半雙工型，并且不需要外界電源就可工作。</p><p>　　主要電路圖如圖3-22所示：</p><p>　　圖3-22通訊電路原理圖</p><p>　　AT89C52單片機的P3.0和P3.1兩個異步接收發(fā)送端口,即RXD

96、和TXD,分別為串行數(shù)據(jù)接收端和串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。單片機到計算機的數(shù)據(jù)傳送過程為：單片機TXD數(shù)據(jù)發(fā)送端發(fā)出一個信號，經(jīng)光電耦合器發(fā)送至MAX202芯片的T1I口，MAX芯片將信號轉換為計算機可接收的信號再通過T1O口輸出給計算機的RS232串口進入計算機。計算機到單片機的數(shù)據(jù)傳輸過程為：計算機的數(shù)據(jù)通過RS232串口傳到MAX202芯片的R1I口，接著MAX202將信號轉換為單片機可接收的信號，通過R1O口輸出，再經(jīng)過一個光電耦合器，然

97、后進入單片機的RXD口。通過以上兩種方式即可實現(xiàn)單片機和計算機的通訊，實現(xiàn)計算機與單片機的成功連接，這樣計算機就能方便的獲取單片機的數(shù)據(jù)，進行復雜的計算或者為調控單片機做好準備。</p><p><b>　?。础≤浖O計</b></p><p><b>　　４.１　主程序</b></p><p>　　在本設計中，AT89C

98、52單片機是整個系統(tǒng)的核心，需要通過它來控制各個子系統(tǒng)的運行，主程序流程圖如圖4-1所示：</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　主程序的基本流程是：首先對單片機的時鐘和外圍電路進行初始化，接著，使用溫度補償電路來測量實際溫度，并且代入溫度計算公式中計算出該溫度條件下的超聲波傳播的速度值。接著產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，通過AT89C52單片機的P1.4口輸出并等

99、待接收回波。等經(jīng)過接收電路處理過的回波被單片機接收后，AT89C52收到回波的觸發(fā)信號，此時記錄下降沿產(chǎn)生的時間，經(jīng)過軟件計算找到峰值點作為接收到回波的時間，最后通過公式計算出測量結果。另外，還可通過串口將結果傳遞給計算機。</p><p>　　４.１.１　初始化子程序</p><p>　　系統(tǒng)工作時，軟件部分首先要進行初始化。</p><p>　　初始化包括時鐘的

100、設置，看門狗電路，各個輸入/輸出口的功能分配，定時、中斷的設置以及其他外圍電路的初始化。外圍電路的初始化包括：顯示電路初始化、RS-232通訊電路初始化、DS18B20溫度補償電路初始化、MAX5161時間增益補償電路初始化等。</p><p>　　初始化子程序代碼如下：</p><p>　　#include<AT89x51.H> //器件配置文件&

101、lt;/p><p>　　#include<intrins.h> //函數(shù)頭文件</p><p>　　#define DQ P3_7 //定義DS18B20測溫芯片的總線I/O口</p><p>　　#define uchar unsigned char //宏定義</p>

102、<p>　　#define uint unsigned int</p><p><b>　　uint i,c;</b></p><p>　　uchar temp;</p><p>　　unsigned int time=0;</p><p>　　unsigned char posit=0;</p>

103、<p>　　unsigned long S=0;</p><p>　　bit flag =0;</p><p>　　bit redflag=0;</p><p>　　unsigned char const discoed[]={0xc0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xBF,0xff}; /

104、/定義一個數(shù)組LED數(shù)碼管譯碼用的碼表</p><p>　　unsigned char const positon[3]={0xfe,0xfd,0xfb};</p><p>　　unsigned char disbuff[4]={0,0,0,0};</p><p>　　void init_DS18B20(void);</p><p>　　vo

105、id delay(unit t);</p><p>　　uchar read_byte(void);</p><p>　　void delay_50us(uint t);</p><p>　　void delay1(uchar x);</p><p>　?。?１.２　溫度測量子程序</p><p>　　測溫子程序是為了

106、控制DS18B20芯片，從而完成采集溫度并向單片機傳遞溫度數(shù)據(jù)。該芯片的最高分辨率在12位，表4-1表示DS18B20芯片在該分辨率下的溫度與二進制的關系。</p><p>　　本設計在程序部分用的方式是查表法，預先將不同溫度下對應的聲速通過公式（2-6）計算出來，并做成聲速/數(shù)據(jù)對應關系表。這樣一來，系統(tǒng)測距時就不用逐次計算聲速，而可由測得的溫度值直接從表中查到相應的溫度下的目標速度，就能省下很大一部分時間，使