基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：本文在超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于AT89S52單片機(jī)與超聲波傳感器為核心的超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)控制時(shí)間計(jì)數(shù)、控制超聲波的發(fā)射和接收，同時(shí)為了提高系統(tǒng)的精度，采取了溫度補(bǔ)償?shù)纫幌盗写胧?。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、溫度補(bǔ)償子程序等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測距儀的

2、各種功能。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。針對(duì)系統(tǒng)的發(fā)射、接收、檢測、顯示進(jìn)行了論證，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析。試驗(yàn)證明這套軟硬件設(shè)計(jì)合理，實(shí)時(shí)性良好。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；溫度補(bǔ)償；測距</p><p>　　Design of Ultrasonic Distance Measurement System</p><p>　　based

3、on SCM</p><p>　　Abstract ：This paper discussed ultrasonic distance ranging and designed a kind of the ultrasonic distance system based on AT89S52 MCU and ultrasonic sensors. The MCU is employed to achieve th

4、e function of controlling time counting and transmit or receive of ultrasonic. At the same time, in order to raise the device’s precision, it makes measures such as temperature compensation and so on. Modular design of t

5、he whole circuit from the main program, display subroutine modules form. SCM comprehensiv</p><p>　　Key Words：Ultrasonic; Micro Control Unit; Temperature compensation; Measuring distance</p><p>&

6、lt;b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 研究背景與課題來源</p><p>　　單片機(jī)技術(shù)作為計(jì)算機(jī)技術(shù)的一個(gè)分支，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。單片機(jī)可以構(gòu)成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線控制、電機(jī)控制、溫度控制等。一些儀器儀表如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等也用到單片機(jī)。計(jì)算機(jī)外部設(shè)備與智能接口如圖形終端機(jī)、傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、打印

7、機(jī)、繪圖儀、磁盤/磁帶機(jī)、智能終端機(jī)，商用產(chǎn)品如自動(dòng)售貨機(jī)，電子收款機(jī)，電子稱，家用電器如微波爐、電視機(jī)、空調(diào)、洗衣機(jī)、錄像機(jī)、音響設(shè)備等都離不開單片機(jī)。單片機(jī)在控制領(lǐng)域中，具有很多優(yōu)點(diǎn)，它體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便的組成各種智能化的控制設(shè)備；面向控制，能針對(duì)性的解決從簡單到復(fù)雜的各種控制任務(wù)。因而能獲得最佳的性能價(jià)格比；它抗干擾能力器，適用范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他類型的計(jì)算機(jī)無法比擬的；此

8、外，可以方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)和分布式控制，使整個(gè)控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提。</p><p>　　在國內(nèi)，單片機(jī)以其及其優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)受到人們的高度重視，并取得了一系列科研成果，成為傳統(tǒng)工業(yè)技術(shù)改造和新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機(jī)種，具有光控的發(fā)展前景。近幾年來，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，促成計(jì)算機(jī)朝三個(gè)方向發(fā)展：單片機(jī)、高性能微型計(jì)算機(jī)及專用微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)在微型計(jì)算機(jī)領(lǐng)域占據(jù)著十分重要的地位。如今，單片機(jī)的發(fā)展越來越迅速，國

9、內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)不斷涌現(xiàn)。目前，嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器發(fā)展度很快，和控制器MCU 結(jié)合在一起的最近期的點(diǎn)偏激發(fā)展的一個(gè)方向。嵌入式系統(tǒng)一般指把單片機(jī)嵌入有某種功能并有獨(dú)立形態(tài)的系統(tǒng)中作為智能控制核心。它是計(jì)算，通信與消費(fèi)結(jié)合的產(chǎn)品，主要用于信號(hào)處理和控制，應(yīng)用最多的是智能家用電器，是智能家電產(chǎn)品的核心。</p><p>　　利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)

10、射不被人們聽到的超聲波，借助空氣媒介質(zhì)傳播，由待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短與反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物的性質(zhì)或障礙位置的方法。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個(gè)參數(shù)，所以測距就成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問題。盡管測距有多種方式，比如：激光測距、微波測距、紅外線測距和超聲波測距等。但是，超聲波測距不失為一種簡單可行的方法。超聲波測距儀有造價(jià)底，省力，操作方便的優(yōu)點(diǎn)。雖然超聲波測距電路多種多樣,甚至已有專用超聲波測距集成

11、電路。但是，有的電路復(fù)雜，技術(shù)難度大，有的調(diào)試?yán)щy，有的元件不易購買。本文介紹的電路，成本低廉，性能可靠，所用元件易購，并且利用測距原理，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，使測量精度提高，電路實(shí)現(xiàn)容易，無須調(diào)試，工作穩(wěn)定可靠。</p><p>　　1.2 課題研究的意義和目的</p><p>　　MCS-51 系列單片機(jī)是INTEL 公司繼MCS-48 系列后推出的8 位高檔微型計(jì)算機(jī)系列，其性能，指

12、令功能，運(yùn)行速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出一般的通用處理器。國內(nèi)外計(jì)算機(jī)應(yīng)用部門競相用這種單片機(jī)構(gòu)成各種智能儀表，智能控制器，智能接口，通用測控單元，醫(yī)療器械等，標(biāo)志著單片機(jī)正式登上了計(jì)算機(jī)世界的舞臺(tái)。單片機(jī)的應(yīng)用為越來越多的科技人員所注目。在工業(yè)生產(chǎn)中，電流，電壓，溫度，壓力，流量，流速，流速和開關(guān)量是常用的主要被控參數(shù)。目前利用MCS-51 單片機(jī)控制超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)越來越多了，該系統(tǒng)也得到廣泛的應(yīng)用，如智能化汽車倒車系統(tǒng)，機(jī)器人的障礙行走，物位

13、測量，醫(yī)療，通訊，家電及其他方面都有廣泛的應(yīng)用。因此有必要研究出性能更能好精確度更高的應(yīng)用性超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　　在現(xiàn)實(shí)生活中，在一些傳統(tǒng)的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷，例如，液面測量就是一個(gè)距離測量，傳統(tǒng)的電極法采用差位分布電極，通過給電或脈沖檢測液面，電極長期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐蝕、電解，從而失去靈敏性。而利用超聲波測量距離可以很好地解決這一問題。目前市面上常見的超

14、聲波測距系統(tǒng)因價(jià)格昂貴，體積過大而且精度不高等種種因素，使得在一些中小規(guī)模領(lǐng)域中難以得到廣泛的應(yīng)用。為解決這一系列難題，本文設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52 單片機(jī)的低成本、高精度、微型化的超聲波測距系統(tǒng)。</p><p>　　1.3 課題研究的可行性</p><p>　　采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測

15、對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境(如含粉塵)具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波測量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測距儀低，省力、操作方便。</p><p>　　超聲測距儀在先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)上也有應(yīng)用，把超聲波源安裝在機(jī)器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時(shí)接收由障礙物反射回波來確定機(jī)器人的自身位

16、置，用它作為傳感器控制機(jī)器人的電腦等等。由于超聲波易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，它的應(yīng)用價(jià)值己被普遍重視。</p><p>　　如此廣泛的應(yīng)用使得提高人們對(duì)機(jī)器人的了解顯得尤為重要。機(jī)器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋線、測距等功能。超聲波測距相對(duì)其他測距技術(shù)而言成本低廉,測量精度較高,不受環(huán)境的限制,應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。超聲波由

17、于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測距儀、物位測量儀、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本課題的研究是非常有實(shí)用和有商業(yè)價(jià)值的。</p><p>　　從設(shè)計(jì)要求可知，本

18、課題研究的是利用超聲波傳感器來測量距離。要考慮其是否可行，首先必須了解超聲波具有哪些特性。所謂超聲波就是指頻率高于20kHz 的機(jī)械波，一般由壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生；沿直線傳播，當(dāng)頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)；強(qiáng)度大、方向性好等特點(diǎn)。因此，利用超聲波的這些特性就可制成超聲波傳感器。又由于超聲波在空氣中的傳播速度較慢，一般為340m/s 左右，這使得超聲波傳感器的應(yīng)用變得非常簡單，因此利用超聲波傳感器測量距離就不再困難了，由

19、此可見，基于STC89C52 的超聲波測距系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)是可行的。</p><p>　　總之，由以上分析可看出:利用超聲波測距，在許多方面有很多優(yōu)勢(shì)。因此，本課題的研究是非常有實(shí)用和商業(yè)價(jià)值。</p><p>　　1.4 課題設(shè)計(jì)的功能簡介</p><p>　　該測距系統(tǒng)由+5V 穩(wěn)壓電源提供驅(qū)動(dòng)，利用超聲波在空氣中傳播遇障礙物反射的原理，以超聲波探頭為接口部件，應(yīng)

20、用單片機(jī)技術(shù)計(jì)算超聲波在空氣中傳播的時(shí)間（超聲波的速度為聲速）并處理成相應(yīng)的距離，然后再通過四位七段數(shù)碼管顯示實(shí)測距離的數(shù)字儀表。其主要功能如下：</p><p>　　測距范圍為< 6m；</p><p>　　2） 顯示方式為數(shù)碼管顯示；</p><p>　　3） 具有較強(qiáng)的抗干擾能力，安裝簡單；</p><p>　　4） 體積小、功耗

21、低，能嵌入其它系統(tǒng)。</p><p><b>　　第2章 總體方案</b></p><p>　　2.1 超聲波測距的原理</p><p>　　超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國

22、對(duì)超聲波的研究特別活躍。超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動(dòng)輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。</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，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，如圖

23、2-1所示。超聲波在空氣中的傳播速度為v，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：</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　圖2-1 超聲波測距原理圖</p><p>　　這就是所謂的時(shí)間差測距法[7]，由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才

24、能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。</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，按式(2-2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。&l

25、t;/p><p>　　v=331.4+0.607T （2-2）</p><p>　　式中，T 為實(shí)際溫度單位為°C，v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。</p><p>　　表2-1 溫度對(duì)聲速的影響</p><p>　　2.2 總體方案確定</p><p>　　本設(shè)計(jì)是

26、在超聲波原理的基礎(chǔ)上，完成了基于時(shí)差測距原理的一種超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)。測距儀以AT89S52芯片為核心，74LS04組成的超聲波發(fā)射電路、并由超聲波處理模塊CX20106A、LED顯示模塊等器件組成，包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED顯示電路。依據(jù)實(shí)際的測量精度要求添加溫度補(bǔ)償電路，避免了環(huán)境誤差，能夠清晰穩(wěn)定的顯示結(jié)果。</p><p>　　由單片機(jī)發(fā)出40kHz的方波信號(hào)進(jìn)入超聲波發(fā)射電路

27、，經(jīng)功率放大芯片放大后進(jìn)入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時(shí)間后經(jīng)前方被檢測物體反射回來，由超聲波接收頭接收，超聲波電路中的接收芯片對(duì)信號(hào)放大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個(gè)下拉電平使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中，單片機(jī)從溫度檢測電路讀取數(shù)值并換算成當(dāng)前溫度下的聲速，應(yīng)用時(shí)差法計(jì)算所檢測的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在LED顯示電路上顯示。結(jié)構(gòu)圖如圖2-2所示。</p><p>　　圖2

28、-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　第3章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 單片機(jī)及顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用STC89C52 或其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的

29、40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡單實(shí)用的4 位共陽LED 數(shù)碼管，段碼用74LS245 驅(qū)動(dòng)，位碼用PNP 三極管驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。圖3-1示出了八段LED數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖3-1(a)為八段共陰極數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖3-1(b)是它的原理圖，圖3-1(c)為八段共陽LED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八

30、只發(fā)光二極管組成，編號(hào)是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別與同名管腳相連。</p><p>　　圖3-1 LED結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭的型號(hào)選用CSB40T（其中心頻率為40KHz）?？梢圆捎密浖a(chǎn)生40KHz的超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)

31、動(dòng)器，經(jīng)過動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為100mA以上的驅(qū)動(dòng)電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，非門可以選用74LS04，具體電路如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 發(fā)射電路圖</p&g

32、t;<p>　　從圖中可知，當(dāng)輸入的信號(hào)為高電平時(shí)，上面經(jīng)過兩級(jí)反向CSB40T的1引腳為高電平，下面經(jīng)過一級(jí)反向后為低電平；當(dāng)輸入信號(hào)為低電平時(shí)，正好相反，實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號(hào)驅(qū)動(dòng)CSB40T，只要控制信號(hào)接近40KHz，就能產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　3.2.1 40kHz 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射</p><p>　　測距系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器采用UCM40 的壓電陶

33、瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz 的脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可由單片機(jī)的P1.0 端口來產(chǎn)生，其40kHz 的脈沖信號(hào)產(chǎn)生程序如下：</p><p>　　for(i=0;i<8;i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　_nop_(); </p><p><b>　　TX!=

34、TX;</b></p><p><b>　　)</b></p><p>　　P1.0 輸出的40kHz 脈沖信號(hào)經(jīng)三極管T 放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz 的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200us。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2 端口，工作原理與前方測距電路相同。</p><p>　　3.3 超聲波

35、接收電路</p><p>　　超聲波接收包括接收探頭，信號(hào)放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號(hào)，否則可能導(dǎo)致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信號(hào)非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過波形變換。本次設(shè)計(jì)為了降低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機(jī)上面的一種紅外接收檢波芯片[10]CX20106，由于紅外遙控

36、的中心頻率在38KHz，和超聲波的40KHz很接近，所以可以用來做接收電路。接受電路如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-3 接收電路圖</p><p>　　使用CX20106A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋。</p><p>　?。?）1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。<

37、;/p><p>　?。?）2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R14或減小C5,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C5的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R14=10Ω，C5=1μf</p><p>　?。?）3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均

38、值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3μf。</p><p>　?。?）4腳：接地端。</p><p>　?。?）5腳：該引腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。</p><p>　　（6）6腳： 該引腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為

39、330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測距離變短。</p><p>　?。?）7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為22kΩ，沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。</p><p>　　（8）8腳：電源正極，4.5～5V</p><p><b>　　3.3.1距離計(jì)算</b>

40、;</p><p>　　在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0 或INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)示信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)示，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其部分源程序如下：</p><p>　　void Conut(void)</p>

41、<p><b>　　{</b></p><p>　　time=TH0*256+TL0;</p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　temp=readtemptaure(); </

42、p><p>　　delay1(10);</p><p>　　c=331.4+0.607*temp;</p><p><b>　　c=c/150;</b></p><p>　　S=(time*c)/100; </p><p>　　if((S>=200)||flag==1) </p>

43、<p><b>　　{ </b></p><p><b>　　SPEAK=0; </b></p><p>　　delay1(200);</p><p><b>　　flag=0;</b></p><p>　　disbuff[0]=10; //顯示“-”&l

44、t;/p><p>　　disbuff[1]=10; //顯示“-”</p><p>　　disbuff[2]=10; //顯示“-”</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{<

45、/b></p><p>　　disbuff[0]=S%1000/100;</p><p>　　disbuff[1]=S%1000%100/10;</p><p>　　disbuff[2]=S%1000%10 %10;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　Display

46、(); </p><p>　　3.4 RS232 串口通信電路設(shè)計(jì)</p><p>　　RS232 是單片機(jī)間，或單片機(jī)與上位機(jī)間通訊聯(lián)絡(luò)用。MAX232 作為RS232 的電平轉(zhuǎn)換芯片，完成TTL 電平到RS232 電平的轉(zhuǎn)換。MAX232 是一種雙組驅(qū)動(dòng)器／接收器，片內(nèi)含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器以便在單5V 電源供電時(shí)提供EIA／TIA-232-電平。典型的RS-232 信號(hào)在正負(fù)電平

47、之間擺動(dòng)，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V 電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL 電平到RS-232 電平再返回TTL 電平。電容可以取0.1uF 到10uF之間的電容，有極性無極性均可，但是使用有極性的電容一定注意正負(fù)方向。據(jù)查閱資料：由RS-232C 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定在碼元畸變小于4％的情況下，傳輸電纜長度應(yīng)為15m，在實(shí)際應(yīng)用中。約有99％的用戶是按碼元畸變

48、10-20％的范圍工作的，所以實(shí)際使用中最大距離會(huì)遠(yuǎn)超過15m，一般能滿足個(gè)人和近距離設(shè)備的需要。</p><p>　　為了能將編譯后的程序文件下載到單片機(jī)中，用到了MAX232 芯片。在最簡單的RS-232 直接傳送通信系統(tǒng)中，只要發(fā)送和接收雙方同時(shí)準(zhǔn)備好，僅用信號(hào)發(fā)送端(TXD) ，信號(hào)接收端(RXD) 和信號(hào)地(GND)3 根線即可進(jìn)行通信。在89C52 單片機(jī)系統(tǒng)中，分別從P3.0 和P3.1 引出串口線

49、RXD 和TXD 轉(zhuǎn)換成RS-232 接口標(biāo)準(zhǔn)的電平，這樣，二者之間就可以通過RS-232 接口進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的傳送，其電路圖如下圖3-4 所示。</p><p>　　3.4.1 PC機(jī)與單片機(jī)的硬件連接</p><p>　　串口是PC機(jī)上一種非常通用的設(shè)備通信協(xié)議。多數(shù)PC機(jī)提供兩個(gè)9針或25針的RS232標(biāo)準(zhǔn)串行口，簡稱為COM1和COM2。大多數(shù)計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與智能單元之間只要使用3到

50、5根信號(hào)線即可工作，需使用IXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接收數(shù)據(jù))、GND(地線)等信號(hào)線，但有時(shí)還需使用RTS(發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求)、CTS(清除發(fā)送)、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒)、DSR(數(shù)據(jù)發(fā)送就緒)等信號(hào)線。</p><p>　　3.4.2 串口通信的實(shí)現(xiàn)</p><p>　　單片機(jī)硬件系統(tǒng)是一個(gè)典型的信號(hào)采集系統(tǒng)，PC機(jī)控制端先給單片機(jī)發(fā)送“開始指令”和有關(guān)系統(tǒng)測量參數(shù)，單片機(jī)接收到后硬件系

51、統(tǒng)開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號(hào)經(jīng)放大和A/D變換后送入單片機(jī)，單片機(jī)把處理后的數(shù)據(jù)按每個(gè)180個(gè)字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過RS232接口傳到計(jì)算機(jī)[18]。計(jì)算機(jī)首先對(duì)單片機(jī)發(fā)過來的每一幀數(shù)據(jù)進(jìn)行正確的接收，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，然后再進(jìn)行必要的處理，以達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的。PC機(jī)也可以隨時(shí)向單片機(jī)發(fā)送指令，使單片機(jī)根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。</p><p>　　圖3-4 TTL轉(zhuǎn)RS232接口電路&

52、lt;/p><p><b>　　3.5 電源電路</b></p><p>　　電源電路提供系統(tǒng)運(yùn)行的能量，所以在進(jìn)行電源電路設(shè)計(jì)保證原理正確的前提下，考慮電源容量并保證一定的余量。</p><p>　　為獲得一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的電源電路，可通過降壓，整流，穩(wěn)壓，濾波四個(gè)環(huán)節(jié)得到5V的直流穩(wěn)壓電源：</p><p>　　降壓：可通過

53、變壓器將市電轉(zhuǎn)變后，選擇輸出電壓為7～9 伏之間電源。</p><p>　　2）整流：將變壓后的電源通過四個(gè)整流二極管4007 組成的整流橋，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，因此即使粗心電源接反單片機(jī)也不會(huì)燒掉，而電路也是正常工作的。</p><p>　　3）穩(wěn)壓：通過三端正穩(wěn)壓電路7805 穩(wěn)壓成5 伏直流電源提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用。</p><p>　　4）濾波：7805

54、左邊兩個(gè)是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低高頻內(nèi)阻，因?yàn)榇蟮碾娊怆娙菀话悴捎镁砝@工藝制造,所以等效電感較大,小電容可以提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道,降低電源全頻帶內(nèi)阻。7805 右邊兩個(gè)電容是5 伏電源的濾波電容。</p><p>　　通過以上四個(gè)環(huán)節(jié)即得到5V 的直流穩(wěn)壓電源。整個(gè)電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機(jī)提供安全且穩(wěn)定的電源了

55、，最后再并接一個(gè)高亮發(fā)光二極管來指示單片機(jī)的工作狀態(tài)。單片機(jī)系統(tǒng)的總電源電路圖如3-5：</p><p>　　圖3-5 電源電路圖</p><p>　　3.6 單片機(jī)復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)初始化操作，其作用是使CPU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位輸入端管腳RST 通過一個(gè)施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，主

56、要是用來抑制噪聲。</p><p>　　圖3-6 為按鈕復(fù)位電路。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復(fù)位端，引起內(nèi)部某些寄存器錯(cuò)誤復(fù)位，可在RST 端管腳上可接一個(gè)去藕電容。</p><p>　　圖3-6 單片機(jī)復(fù)位電路圖</p><p>　　3.7 聲光報(bào)警顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　此模塊主要為聲光顯示功能，以提示是否進(jìn)入或退出調(diào)

57、整電子時(shí)鐘界面，更具有人性化。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，P1 口的8 個(gè)發(fā)光二極管（除了P1.4）全部點(diǎn)亮；當(dāng)進(jìn)入時(shí)間調(diào)整的時(shí)候，P1 口的8 個(gè)發(fā)光二極管只有高四位點(diǎn)亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時(shí)即可開始調(diào)時(shí)；調(diào)時(shí)完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后8 位發(fā)光二極管回到正常工作時(shí)的點(diǎn)亮狀態(tài)。發(fā)光二極管電路中采用共陽法，即當(dāng)單片機(jī)I/O 口輸出低電平時(shí)，發(fā)光二極管亮；在蜂鳴器電路中，采用了PNP 三極管9012 來驅(qū)動(dòng)，，當(dāng)單片機(jī)該端

58、口輸出低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出響聲，其電路圖如下圖3-6，圖3-7：</p><p>　　圖3-7 P1 口二極管發(fā)光電路 圖3-8 蜂鳴器電路</p><p>　　3.8 鍵盤電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費(fèi)實(shí)現(xiàn)鍵盤功能，是人機(jī)接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。可選擇的方案有以下兩種：</p>

59、<p>　　方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。用較少的I/O 口就能夠連接很多按鍵，適宜于硬件資源緊張的情況。</p><p>　　方案二：采用獨(dú)立按鍵方式輸入。該方式的優(yōu)點(diǎn)是在軟件上對(duì)按鍵輸入的處理比較簡單、方便；在硬件上占用的I/O 口數(shù)比較多。</p><p>　　由于本設(shè)計(jì)中所需I/O 口不是很多，且I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。</p><p&g

60、t;　　本模塊電路占用了單片機(jī)的P3.2~3.5 四個(gè)I/O 口，主要是完成時(shí)鐘調(diào)整功能，單片機(jī)系統(tǒng)初始化后，I/O 端口輸出高電平，由于按鍵的另一端都接公共地，因此可根據(jù)這幾個(gè)I/O 口是否為低電平中可檢測是否有按鍵按下，是哪個(gè)鍵被按下，然后轉(zhuǎn)向該按鍵所指向的功能。其電路圖如下圖3-9 所示：</p><p>　　圖3-9 單片機(jī)與按鍵的接口電路</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

61、</p><p>　　4.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括主程序設(shè)計(jì)、T1 中斷服務(wù)子程序、INT0 外部中斷服務(wù)子程序、測溫子程序、距離計(jì)算子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序和報(bào)警子程序設(shè)計(jì)等。</p><p>　　系統(tǒng)軟件編制時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、寄存器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用

62、。主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時(shí)器T0 工作模式為16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA，并給西安市端口清零，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序發(fā)出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms（這也是測距器會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因）后，再打開外部中斷0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz 的晶振，機(jī)器周期為1us，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0 中的數(shù)（即超聲波來回所

63、用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可得到被測物體與測距儀之間的距離，當(dāng)然，我們計(jì)算的時(shí)候還要考慮溫度對(duì)聲速的影響。</p><p>　　測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD 碼方式LED，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。主程序框圖如下：</p><p>　　圖4-1 主程序框圖</p><p><b>　　主程序流程圖：</b></p><p

64、>　　圖4-2 主程序流程圖</p><p>　　4.2 系統(tǒng)中斷程序設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0 端口發(fā)送2 個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz 的方波，脈沖寬度為12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測距器主程序利用外中斷0 檢測返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0 引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序[11]。進(jìn)入該

65、中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0 停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值0 以表示此次測距不成功。</p><p>　　定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取，距離計(jì)算，結(jié)果的輸出等工作。</p><p>　　圖4-3 定時(shí)中斷服務(wù)子程序</p

66、><p>　　4.2.1超聲波測距子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波發(fā)射子程序在P3.7口產(chǎn)生40kHZ方波脈沖寬度約12us，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號(hào)。一旦接收到超聲波返回信號(hào)后，就立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉定時(shí)器，T0停止計(jì)時(shí)，并將接收到的標(biāo)志位為1,，然后在主函數(shù)里調(diào)用計(jì)算距離公式，在顯示出來，流程圖如圖4-4所示。</p><p>　　圖4

67、-4 超聲波測距流程圖</p><p>　　4.3超聲波溫度補(bǔ)償子程序設(shè)計(jì)</p><p>　　溫度補(bǔ)償流程圖如圖4-5所示。</p><p>　　圖4-5 溫度補(bǔ)償流程圖</p><p>　　第5 章系統(tǒng)電路調(diào)試及誤差分析</p><p>　　5.1 系統(tǒng)電路的調(diào)試</p><p>　　通

68、過多次的實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路各部分進(jìn)行了測量，調(diào)試和分析。首先測量發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz 真的方波信號(hào)，峰峰值為3.8V。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號(hào)峰峰值放大到10V 左右。40kHz 的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形復(fù)制較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信

69、號(hào)。</p><p>　　該測距電路的40kHz 方波由單片機(jī)的編程產(chǎn)生，方波的周期為1/40ms，即25μs，半周期為12.5μs。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生半周期為12μs或13μs 的方波信號(hào)，頻率分別為41.67kHz 和38.67kHz。</p><p>　　超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15 的超聲波換能器TCT40-10F1（T 發(fā)

70、射）和TCT40-10S1（R 接收），中心頻率為40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將單片機(jī)試運(yùn)行[15]。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次

71、發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為小于6m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)的誤差分析</p><p>　　5.2.1 聲速引起的誤差</p><p>　　聲波是媒質(zhì)中傳

72、播的質(zhì)點(diǎn)的位置、壓強(qiáng)和密度對(duì)相應(yīng)靜止值的擾動(dòng)。高于20kHz時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體，液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強(qiáng)波，對(duì)一般流體媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為</p><p>　　C=(E/ρ)² （5-1）</p><p>　　式（5-1）中E 為媒質(zhì)的彈性模量，單位為kg/mm²；ρ為媒質(zhì)

73、的密度，單位為kg/mm³；E 為復(fù)數(shù)，其虛數(shù)部分代表損耗；C 也是復(fù)數(shù)，其實(shí)數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)（每單位距離強(qiáng)度或幅度的衰減）有關(guān)，測量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。聲波的傳播和媒質(zhì)的彈性模量密度、內(nèi)耗以及形狀大小（產(chǎn)生折射、反射、衍射等）有關(guān)。</p><p>　　從（5-1）可知，聲波傳播速度與媒質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對(duì)聲速的影響。在氣體中，

74、壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)引起密度的變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會(huì)引起密度的變化，固體中彈性模量對(duì)聲速影響較密度影響更大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度影響最大。聲速受溫度的影響為：</p><p>　　Cθ=C0[1+（θ/273）] ² （5-2）</p><p>　　圖5

75、-1 根據(jù)上式測量的溫度-聲速圖</p><p>　　圖5-1 空氣中溫度-聲速圖</p><p>　　由式（5-2）和圖5-1 可見，當(dāng)溫度θ從0~40°C 變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生7%的聲速變化，因此，為了提高測量的準(zhǔn)確性，計(jì)算式必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速的修正。工業(yè)測量中，一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度，即</p><p>　　Cθ=331+0.6θ

76、 （5-3）</p><p>　　5.2.2 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響</p><p>　　不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機(jī)中斷再通過軟件啟停定時(shí)器，都需要一定的時(shí)候，中斷的方式誤差相對(duì)要小一些。相對(duì)而言，單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為12MHz 時(shí)，時(shí)間分辨率為1μs。隨即誤差由于測量過程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)的規(guī)律變化的，為了讓減少其影

77、響，可在同一位置處多次重復(fù)測量X，然后取平均值x 作為測量的真值。</p><p>　　5.3 提高測量精度的方法</p><p>　　上節(jié)分析了超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測量精度是超聲波測距的關(guān)鍵技術(shù)，其提高測距精度的措施如下：</p><p>　　1）合理選擇超波工作頻率、脈寬和脈沖發(fā)射周期。</p><p>　　據(jù)經(jīng)驗(yàn)，

78、超聲波測距的工作頻率選擇40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的10 倍以上，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，熟讀快，脈沖發(fā)射周期可選短些。</p><p>　　2）在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)（AGC）及增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。</p><p>　　因超聲波接收的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用AG

79、C 電路放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器的波形的幅值不隨測量距離的變化的大幅度的變化，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。</p><p>　　3）提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差</p><p>　　如采用芯片計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機(jī)內(nèi)置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率6MHz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為

80、0.5MHz，此時(shí)在空氣中的測距時(shí)間量化誤差為0.34mm。若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路，則計(jì)數(shù)頻率課直接引用單片機(jī)的晶振頻率，時(shí)間量化誤差更小。</p><p>　　4）補(bǔ)償溫度。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度和溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。</p><p>　　溫度傳感器DS18B20 的溫度測試分辨率為0.0625°C，-10°C 至+85&

81、#176;C 準(zhǔn)確度為±1.0°C，I²C 總線接口。用STC89C52 的通用I/O 端口能很容易的模擬I²C 總線的讀寫時(shí)序，DS18B20 高精度溫度測量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。</p><p>　　由于DS18B20 溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測距儀應(yīng)用在各種高精度測距場合，如自動(dòng)氣象站中水汽日蒸發(fā)量的測試，自動(dòng)任意形狀物體密度測試儀等，它

82、具有測試速度快，能達(dá)到毫米級(jí)的測量精度等優(yōu)點(diǎn)，它的開發(fā)與應(yīng)用前景廣泛。</p><p>　　5.4 系統(tǒng)性能改善和增大測量距離討論</p><p>　　接收放大電路，可加入帶通濾波或鎖相放大（LM567）以盡可能減少干擾信號(hào)引起誤觸發(fā)，另外為防止發(fā)射信號(hào)直接進(jìn)入接收端所以設(shè)置一定的延時(shí)。鎖相應(yīng)用電路，調(diào)整在40KHZ 上，但要考慮加入后對(duì)接收處理的延時(shí)，用軟件調(diào)整。另一方面可采用自動(dòng)增益補(bǔ)

83、償技術(shù),隨著時(shí)間的增加, AGC 的放大倍數(shù)呈指數(shù)規(guī)律變化,從而保證了超聲波接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅變化,使得每次在同一個(gè)波頭觸發(fā)計(jì)時(shí)電路,提高了系統(tǒng)測量準(zhǔn)確度。電路可以采用如下圖所示或者采用單片AD603 實(shí)現(xiàn)，在這里不具體討論。</p><p>　　發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路，為放大驅(qū)動(dòng)脈沖可以再加入一級(jí)三極管放大電路，三極管要選用高頻的如9018 以減少放大后波形的失真；另一方面還可以根據(jù)超聲波發(fā)生器的特

84、點(diǎn)合理設(shè)計(jì)阻抗匹配，功放效率和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率；為此可采用脈沖變壓器，脈沖變壓器是超聲換能器驅(qū)動(dòng)電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號(hào)，并使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負(fù)載阻抗匹配[9]。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號(hào)的幅值確定變壓器的尺寸和變比；而超聲換能器驅(qū)動(dòng)用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。缺點(diǎn)是制作和測量都比較麻煩。在大量程應(yīng)用場合還可以應(yīng)用電容瞬間放電或電感瞬間放電產(chǎn)生高壓激

85、勵(lì)脈沖。</p><p>　　其它可改善的地方，可采用超聲波測距專用芯片SB5027；也可以采用LM1812N單片超聲波收發(fā)集成電路。</p><p>　　另外可以采用時(shí)間放大技術(shù)提供測量精度，主要考慮單片機(jī)時(shí)鐘脈寬對(duì)測量精度的影響，因?yàn)楦鶕?jù)前面討論的超聲波的速度340M/S，當(dāng)單片機(jī)頻率較低時(shí)對(duì)測量精度的影響較大，不僅記數(shù)脈沖變少，而且回波到達(dá)時(shí)間點(diǎn)在一個(gè)時(shí)鐘周期中的位置將不確定，時(shí)差檢

86、測采用的方法是對(duì)普通的晶體振蕩器分頻后作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，探頭發(fā)射超聲波以后再開始計(jì)數(shù)。當(dāng)收到回波時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)時(shí)停止計(jì)數(shù)，對(duì)于剩余的不到一個(gè)時(shí)鐘周期的時(shí)間計(jì)量，可通過時(shí)間放大技術(shù)，然后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)。其克服了測量精度受時(shí)鐘頻率限制，測時(shí)誤差比較大的缺點(diǎn)，將數(shù)字法測時(shí)誤差減小到原來的1/K ，即將超聲波測距的測量精度提高了K 倍?；陔娙莩?、放電的時(shí)間放大技術(shù)成本低、難度小，用較低的時(shí)鐘頻率可將測量精度提高1～2 個(gè)數(shù)量級(jí)

87、，與直接計(jì)數(shù)測量法相結(jié)合，可用于中、遠(yuǎn)距離測量。</p><p>　　由于單片機(jī)處理速度快，所以可以采用測量多次取平均值的方法進(jìn)一步減小誤差，另外考慮到在測量的距離超過一定限度后誤差會(huì)變大，可以在大于一定距離后采用軟件修正，補(bǔ)償實(shí)際測的數(shù)據(jù)，當(dāng)然這要在調(diào)試中收集大量的實(shí)際測試數(shù)據(jù)后在單片機(jī)中設(shè)置，如果在5M 后的數(shù)據(jù)實(shí)行軟件修正，則5M—10M 的數(shù)據(jù)占用1K 左右的字節(jié)（每個(gè)數(shù)據(jù)占兩個(gè)字節(jié)，無符號(hào)整數(shù)500—1

88、000，單位為厘米），一般的單片機(jī)都能勝任。軟件算法可采用查表，如果要加快數(shù)據(jù)處理速度還可以在單片機(jī)外圍加上RAM 存儲(chǔ)修正數(shù)據(jù)，要減少數(shù)據(jù)量的話可以用曲線擬和或最小平方逼近。這些在增大測量距離和提高測量精度的應(yīng)用上都有實(shí)際意義。</p><p><b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平

89、來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是基于STC89C52 芯片為核心的超聲波測距儀，并有超聲波處理模塊CX20106A 組成的超聲波發(fā)射電路、數(shù)碼管顯示等器件組成，包括單

90、片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LED 顯示電路。主要實(shí)現(xiàn)超聲波測距并指示功能。依據(jù)實(shí)際的測量精度要求還可以添加溫度補(bǔ)償電路。由于時(shí)間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計(jì)沒有成功做出實(shí)物。但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)

91、算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。</p><p>　　本文所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性能好，若要滿足更高的精度要求，還須進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。在某些特殊場合的應(yīng)用中，還要考慮超聲波的人射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。

92、本系統(tǒng)不僅適用于距離的測量，還適用于水文液位測量和汽車間間距的測量，應(yīng)用范圍較廣。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王迎旭．單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.7.</p><p>　　[2] 何立明．單片機(jī)原理教程[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 1998.</p&

93、gt;<p>　　[3] 周向紅.51 單片機(jī)應(yīng)用與實(shí)踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2008.5.</p><p>　　[4] 梁森、歐陽三泰.自動(dòng)檢測技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京機(jī)械工業(yè)出版社2007.3.</p><p>　　[5] 胡錦等．單片機(jī)技術(shù)實(shí)用教程[M].北京.高等教育出版社，2003.</p><p>　　[6] 黃繼昌．傳

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96、t;　　[13] 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第四版)[M].北京：高等教育出版社，1998.</p><p>　　[14] 群芳等.單片微型計(jì)算機(jī)與接口技術(shù)（第二版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005</p><p>　　[15] 戴日章,吳志勇, 基于AT89C51 單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J] .計(jì)量與測試技術(shù)2005(02)</p><p>　　[16]

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99、componets[J].EDN,1999.</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的期間，我的指導(dǎo)老師**老師不辭辛苦，孜孜不倦的指導(dǎo)下完成的。他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。從課題的選擇到課題的最終完成，*老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持，為我們解答各項(xiàng)工作過程中遇到的難題。通過

100、*老師的督促和指導(dǎo)我才能得以順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，在此表示衷心的感謝！</p><p><b>　　附錄Ⅰ 系統(tǒng)電路圖</b></p><p>　　附錄Ⅱ 系統(tǒng)部分源程序</p><p>　　/******************************初始化程序*************************/ </p>

101、<p>　　#include <AT89x51.H>//器件配置文件</p><p>　　#include <intrins.h></p><p>　　#define TX P3_7</p><p>　　#define DQ P3_6</p><p>　　#define SPEAK P3_5

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

103、gt;<p>　　unsigned char posit=0;</p><p>　　unsigned long S=0;</p><p>　　bit flag =0;</p><p>　　bit recflag =0;</p><p>　　unsigned char const discode[] ={ 0x

104、C0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90,0xBF,0xff/*-*/};</p><p>　　unsigned char const positon[3]={ 0xfe,0xfd,0xfb};</p><p>　　unsigned char disbuff[4] ={ 0,0,0,0,};</p><p>

105、;　　void init_ds18b20(void); </p><p>　　void delay(uint t);</p><p>　　uchar read_byte(void);</p><p>　　void write_byte(uchar dat);</p><p>　　uchar readtemptaure(void); <

106、;/p><p>　　void delay_50us(uint t);</p><p>　　void delay1(uchar x);</p><p>　　/*****************************延時(shí)函數(shù)***************************/</p><p>　　void delay (uint t)</

107、p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(t--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay1(uchar x)</p><p><b>　　{</b></p><p&g

108、t;　　uchar j,k;</p><p>　　for(j=x;j>0;j--)</p><p>　　for(k=80;k>0;k--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*****************************顯示函數(shù)********************