基于51單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></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。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量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小?lt;/p&g

2、t;<p>　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機(jī)電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路和電源電路，另外還有復(fù)位電路和LED控制電路等。采用以STC89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由信號發(fā)射和接收、供電、溫度測量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波被發(fā)射后按原路返回,在經(jīng)過

3、放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機(jī)接收,計(jì)數(shù)器停止工作并得到時(shí)間。溫度測量后送到單片機(jī),通過程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正, 結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn)超聲波測距的功能。軟件程序主要由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對超聲波速度的校正，還有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LED上。另外程序控制單片機(jī)消除各探頭對發(fā)射和接收超聲波的影響。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。</p>&l

4、t;p>　　實(shí)際的環(huán)境對超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會(huì)使測量差生很大的誤差。再設(shè)計(jì)的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞 STC89C51 超聲波 測距</p><p><b>　　目 錄</b></p><

5、;p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1課題背景及重要意義2</p><p>　　1.2國內(nèi)超聲檢測發(fā)展綜述2</p><p>　　1.3超聲波測距存在的問題與課題的意義2</p><

6、;p>　　1.4本文主要研究內(nèi)容3</p><p>　　第2章 超聲波測距原理與方法4</p><p>　　2.1超聲波簡介4</p><p>　　2.1.1 超聲波的三種形式5</p><p>　　2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)5</p><p>　　2.1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用5</p&

7、gt;<p>　　2.2超聲波傳感器介紹6</p><p>　　2.2.1 超聲波測距原理及結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.2.2超聲波傳感器選擇8</p><p>　　2.2.3超聲波測距的原理9</p><p>　　2.2.4發(fā)射脈沖寬度10</p><p>　　2.2.5測量盲區(qū)10&l

8、t;/p><p>　　2.3本章小結(jié)11</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案13</p><p>　　3.1.2發(fā)射電路常用方案14</p><p>　　3.1.3 超聲波發(fā)射器的注意

9、事項(xiàng)14</p><p>　　3.2 接收電路設(shè)計(jì)15</p><p>　　3.3單片其他電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.3.1 LCD顯示部分17</p><p>　　3.3.2報(bào)警部分18</p><p>　　3.4本章小結(jié)18</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)和測量結(jié)

10、果分析18</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.2外部中斷子程序20</p><p>　　4.3定時(shí)器中斷子程序20</p><p>　　4.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析21</p><p>　　4.4.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能21</p><p>　　4.

11、4.2 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速21</p><p>　　4.4.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算22</p><p>　　4.5本章小結(jié)22</p><p><b>　　第5章 結(jié)論22</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)23</b></p><p><b>　　

12、第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及重要意義</p><p>　　近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，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

13、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量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。</p><p>　　由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，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

14、染、高可靠、長壽命等特點(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、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，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制

15、，并且在測量精度方面能達(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，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動(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>　　1.2國內(nèi)超聲檢測發(fā)展綜述</p><p>　　在基于傳統(tǒng)的測力距離存

16、在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些

17、傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。</p><p>　　1.3超聲波測距存在的問題與課題的意義</p><p>　　我就影響超聲測距誤差的幾個(gè)因素做了分析

18、，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCM-T40KI和一支接收探頭UCM-R40KI的收發(fā)分體式傳感器。本節(jié)在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測距，測試距離約為0.2m—3m米，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。</p><p>　　圖1-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖</p><p>　　發(fā)射電路采用單片機(jī)P1.0端口編程輸出40kHz左右的方波脈沖信號，同

19、時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為使測量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器UCM-40T發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，故在此電路上加功率放大電路。</p><p>　　從接收傳感器探頭UCM-40T傳來的超聲回波很微弱(幾十個(gè)mV級)，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級放大和帶通濾波電路，中心頻率40KHz左右，放大濾波電路均采用了高速精密運(yùn)算放大器

20、TL082，輸出信號大約在5V左右。</p><p>　　由于放大電路輸出的信號是連續(xù)的正弦波疊加信號，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號常為下降沿脈沖信號，故信號在放大電路后通過LM393構(gòu)成的比較電路，將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。</p><p>　　1.4本文主要研究內(nèi)容</p><p

21、>　　本系統(tǒng)硬件部分由STC89C51控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路、聲音報(bào)警電路和LCD顯示電路組成。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： </p><p>　　圖1-2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖</p><p>　　由單片機(jī)STC89C51編程產(chǎn)生10us以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭

22、發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來。</p><p>　　由時(shí)序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)

23、器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。</p><p><b>　　圖 1-3時(shí)序圖</b></p><p>　　第2章 超聲波測距原理與方法</p><p><b>　　2.1超聲波簡介</b></p><p>　　超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以

24、及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(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。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(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，我國對超聲波的研究特別活躍。</p><p>　　2.1.1 超聲波的三種形式</p><p>　　超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳

25、播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。</p><p>　　2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)</p><p>　　(1) 超聲波的反射和折射</p><p>　　當(dāng)超聲波傳播

26、到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。</p><p><b>　　(2)超聲波的衰減</b></p><p>　　超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。</p><p><b>　　(3)超聲波的干涉</

27、b></p><p>　　如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場。</p><p>　　2.1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用</p><p><b>　　(1) 機(jī)械作用</b></p><p>　　超聲波傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與

28、伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。</p><p><b>　　(2) 空化作用</b></p><p>　　在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣

29、泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為空化。</p><p><b>　　(3) 熱學(xué)作用</b></p><p>　　如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 </p><p>　　2.2超聲波傳感器

30、介紹</p><p>　　總體上講，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。他們所產(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><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工作的。它有兩個(gè)壓

31、電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，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，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　圖 2-1超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 2-2超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) </p>&l

32、t;p>　　2.2.1 超聲波測距原理及結(jié)構(gòu)</p><p>　　電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式　超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。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，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)，產(chǎn)生超聲波。反

33、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，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。</p><p>　　超聲波測距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測法測距。其原

34、理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測試傳輸時(shí)間可以得出距離。</p><p>　　假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時(shí)間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關(guān)系式(2-1)</p><p>　　s=vt／2

35、 (2-1)</p><p>　　在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(2-2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。</p><p>　　v=331．4+0．607T (2-2)</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>&

36、lt;p>　　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質(zhì)就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有:1.壓電傳感器;2.磁致伸縮傳感器;3.靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣

37、的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。</p><p>　　壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列

38、的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變;相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。</p><p>　　傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電

39、信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等

40、媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號。</p><p>　　圖2-3雙壓電晶片示意圖</p><p>　　雙壓電晶片如圖2-3所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，若A片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。</p

41、><p>　　圖2-4雙壓電晶片的等效電路圖</p><p>　　雙壓電晶片的等效電路如圖2-4所示，為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗,并聯(lián)電阻Cm和Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感，為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率?o。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸

42、，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。</p><p>　　超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有

43、圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波;接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。</p><p>　　2.2.2超聲波傳感器選擇</p><p>　　超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高

44、溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波;收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。</p><p>　　在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多;頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超

45、聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCM-T40KI和一支接收傳感器UCM-R4OKI組成，其特性參數(shù)如表2-5所示。</p><p>　　表2-5傳感器特性參數(shù)表</p><p>　　2.2.3超聲波測距的原理</p><p>　　超聲波測距方法主要有三種：1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；3）渡越時(shí)間法：工作方式簡單，直觀，在

46、硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離l。設(shè)l為測量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。</p><p>　　圖 2-6 測距原理</p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝

47、氏度，聲速增加0.6米／秒。表2-7列出了幾種溫度下的聲速：</p><p>　　表2-7 聲速與溫度的關(guān)系表</p><p>　　在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速c是基本不變的，計(jì)算時(shí)取c為340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。</p><p>　　

48、在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時(shí)器測量超聲波傳播時(shí)間，利用DS18B20測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　聲速確定后，只要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離：L=1/2(331.4+0.6T)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償）</p><p&g

49、t;　　如果為了進(jìn)一步提高測量精度，本設(shè)計(jì)中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)：。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補(bǔ)償）</p><p>　　2.2.4發(fā)射脈沖寬度</p><p>　　發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時(shí)與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)

50、驗(yàn)，過寬的脈沖寬度會(huì)增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25µs(l個(gè)40KHz方波脈沖)， 100µs(4個(gè)40KHz方波脈沖)，200µs(8個(gè)40KHz方波脈沖)， 800µs(32個(gè)40KHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射 200µs(8個(gè)40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長距離(2m外)發(fā)射

51、 800µs(32個(gè)40KHz脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。</p><p><b>　　2.2.5測量盲區(qū)</b></p><p>　　在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍

52、數(shù)會(huì)降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下: </p><p>　　圖2-8傳感器回波測距原理分析圖</p><p&g

53、t;　　如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機(jī)械慣性作用)。因此，在一段較長時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平Vm;另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時(shí)間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超

54、聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。由圖2-8可見，從b點(diǎn)以后，接收的信號低于閩值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中A點(diǎn)以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。從c點(diǎn)以后，發(fā)射信號低出閾值Vm，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時(shí)，把oc這段時(shí)間規(guī)定為

55、盲區(qū)時(shí)間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb為可測距范圍;b點(diǎn)就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域</p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減;通過詳細(xì)分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個(gè)重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器

56、的特性參數(shù);分析了超聲波測距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度和測量盲區(qū)對超聲測距精度的影響。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和溫度補(bǔ)償電路四部分組成。隨著超聲波測量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測量任何目標(biāo)物體，都存在著超聲波的

57、發(fā)射和接收問題。不論超聲波傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都有是一樣的（都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波），要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計(jì)超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。</p><p>　　發(fā)射電路采用單片機(jī)P1.0端口編程輸出40KHz左右的方波脈沖信號，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，在此電路上加功

58、率放大電路使測量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器UCM-40T1發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。</p><p>　　由于從接收傳感器探頭UCM40T傳來的超聲波回波很微弱（幾十個(gè)mV級），又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮。這里使用CX 20106A集成電路對接收探頭接受到的信號進(jìn)行放大、濾波，信號經(jīng)過P2.7端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。通過單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)

59、數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過三位LED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　3.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz左右的

60、方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖3-1所示。圖中輸出端上拉電阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。</p>&l

61、t;p>　　3.1.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案</p><p>　　一、發(fā)射電路輸出波形分析</p><p>　　1.發(fā)射波形的重復(fù)性</p><p>　　為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性;此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。為避免超聲

62、波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。</p><p>　　由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)時(shí)推動(dòng)附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。</p><p>　　通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方

63、法測試距離太近;本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。</p><p>　　2.發(fā)射波形電壓及功率</p><p>　　傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失;另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20Vp-p，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓5V，傳感器發(fā)射信號

64、的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。</p><p>　　3.1.2發(fā)射電路常用方案</p><p>　　由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及其功率。本系統(tǒng)用單片機(jī)P1.0發(fā)射一組方波脈沖信號，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號，

65、所以在此間加入一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.1.3 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，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

66、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)間差測距法。</p><p>　　存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：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>　　測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：</p><p>　?。?）超聲波波束

67、對探測目標(biāo)的入射角的影響；</p><p>　　（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；</p><p>　?。?）超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，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、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。</p><p

68、>　?。?）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(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>　　(3-1)</b></p><p>　　實(shí)際的調(diào)試過程中，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

69、都有一個(gè)有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45°。</p><p>　　接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，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>　　3.2 接收電路設(shè)計(jì)</p><p>　　接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因

70、諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信號，而不能提供電流信號。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大有用信號的同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。</p><p>　　前置放大電路單元的作用是對有用的信號進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于

71、后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖3-3前置放大電路圖</p><p>　　電路如圖3-3所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大(一般數(shù)百兆歐姆以上)，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗(Input Impedance));同時(shí)，換能器的輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。前置放大電路是由一

72、個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻R、和R構(gòu)成，組成反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。</p><p>　　由電路的基本知識(shí)，可列出:</p><p>　　I （3-2)</p><p>　　I

73、 (3-3)</p><p>　　根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念:</p><p>　　1.集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的凈輸入電壓U通常接近于零，即U=U-UO，若把它理想化，則有U=0，但不是短路，故常稱為虛短。</p><p>　　2.集成運(yùn)放兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流I0，如把它理想化，則有，但不是斷開，故常稱為虛斷。</p

74、><p>　　故可知本電路中:U，且I所以有</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號表示與反相。電路的電壓放大倍數(shù)為:</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　利用反相

75、比例放大器可實(shí)現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡單，只需要調(diào)節(jié)和阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接有電阻，參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即，靜態(tài)時(shí)使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對輸出端的影響，故又稱為平衡電阻。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏

76、)，故分別取;;，即放大電路將輸入信號放大200倍。</p><p>　　3.3單片其他電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.3.1 LCD顯示部分</p><p>　　本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測距離值。TC1602顯示的容量為2行16個(gè)字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用

77、時(shí)，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)線相連，P2口與LCD的控制線相連，如圖所示。</p><p>　　其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的D0～D7是接到LCD／602的D1～D0，正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。</p><p><b>　

78、　3.3.2報(bào)警部分</b></p><p>　　采用一個(gè)蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管9012的放大。報(bào)警部分的連線，如圖3-10所示。</p><p><b>　　圖3-10報(bào)警電路</b></p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p>

79、<p>　　本章主要介紹了基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)電路。對其中主要硬件單元:發(fā)射電路、接收電路、檢測電路以及顯示電路的設(shè)計(jì)給出原理圖并進(jìn)行了分析計(jì)算。</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)和測量結(jié)果分析</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)：</

80、b></p><p>　　(1)DS18B20溫度傳感器接口模塊，分為初始化程序、寫入命令以及讀取子程序等部分；</p><p>　　(2)基于YB1602的顯示模塊，分為初始化子程序、寫入子程序以及顯示子程序；</p><p>　　(3)溫度補(bǔ)償與距離計(jì)算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、溫度補(bǔ)償子程序等；</p><p>

81、　　(4)本次設(shè)計(jì)使用C語言編寫程序，C語言相比匯編有許多的優(yōu)勢；編譯器使用Keil Version2進(jìn)行程序編譯，Keil功能強(qiáng)大使用方便。</p><p>　　主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個(gè)子程序的調(diào)度管理等部分。</p><p>　　如圖4-1所示描述了各個(gè)模塊的關(guān)系：</p><p>　　圖 4-1系統(tǒng)軟件方框圖</p><p&

82、gt;<b>　　系統(tǒng)主程序：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)主程序的思想如下：</p><p>　　(1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為mm；</p><p>　　(2)溫度每隔900ms采樣一次，DS18B20在12位精度下轉(zhuǎn)換周期為750ms ,故900ms滿足該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次。</p>&l

83、t;p>　　(3)按鍵S為測量啟動(dòng)鍵；</p><p>　　(4)系統(tǒng)采用AT89S52的內(nèi)時(shí)鐘：12MHz；</p><p>　　(5)沒有使用看門狗功能；</p><p>　　(6)超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測，避免直達(dá)信號造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為112mm；</p><p>　　4.2外部中斷子程序</p>

84、<p>　　如圖所示，中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)主程序中，發(fā)射的4OKHz脈沖信號遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測電路產(chǎn)生外中斷信號至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中，首先進(jìn)行必要的現(xiàn)場保護(hù)，再把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并對該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，同時(shí)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后送到P2口顯示輸出。</p><p>　　4.3定時(shí)器中斷子程序</p><p>　

85、　定時(shí)器中斷子程序流程圖如圖4-2所示。由于51單片機(jī)是16位定時(shí)器，最大計(jì)時(shí)時(shí)間為65536us，當(dāng)測量的距離很遠(yuǎn)的時(shí)候，定時(shí)器就會(huì)發(fā)生溢出;所以必須對溢出中斷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能使得單片機(jī)正常工作。同時(shí)由于電路的測量距離有限最遠(yuǎn)為5米，當(dāng)測量距離超出5米時(shí)，接收探頭就不能檢測回波，即不能產(chǎn)出外部中斷更不可能關(guān)閉定時(shí)器。</p><p>　　圖4-2 定時(shí)中斷子程序流程</p><p>　

86、　4.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析</p><p>　　4.4.1 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;</b></

87、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><p>

88、　　write(0xCC); // 跳過多傳感器識(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(); //讀完兩個(gè)字節(jié)后復(fù)位</

89、p><p>　　write(0xCC); // 跳過多傳感器識(shí)別skio rom</p><p>　　write(0x44); // 發(fā)啟動(dòng)溫度變換指令</p><p>　　if(c>0x1000){c=c+1;tu=1;} //若溫度小于0,tu=1</p><p>　　c>>=4;

90、 //去掉低四位即為整數(shù)溫度值，無需*0.0625</p><p><b>　　return c;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{return r; } //返回0XFF表示未檢測到18B20芯片</p><

91、;p><b>　　}</b></p><p>　　4.4.2 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></p><p><b>　　uchar y;&l

92、t;/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><p>　　T_C=y; //溫度值＝變化后的

93、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></p><p>　　}else speed=346.5;

94、 //若1820不存在即無法讀取溫度，聲 </p><p>　　速＝346.5M/S（取25度）</p><p>　　return speed;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.4.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算</p><p>　　float Dis_count()//

95、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; //減去限制10M的初值+可調(diào)誤差值</p><p>　

96、　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><p><b>　　4.5本章小結(jié)</b></p>

97、;<p>　　本章主要結(jié)合超聲測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案，給出具體實(shí)現(xiàn)時(shí)單片機(jī)涉及到的軟件結(jié)構(gòu)及其相關(guān)編程。主要包括整個(gè)程序的算法思想，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用子程序設(shè)計(jì)的方法，大大縮短編程開發(fā)周期，方便程序閱讀以及程序查錯(cuò)。程序采用先在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行軟件仿真，后灌進(jìn)單片機(jī)中和硬件結(jié)合調(diào)試。</p><p><b>　　第5章 結(jié)論</b></p><p>　

98、　本設(shè)計(jì)是以AT89C51為核心，借助于模數(shù)電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測距的一些難題。靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測距的設(shè)計(jì)要求。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，利用超聲波的特性設(shè)計(jì)出的一種簡單的測距系統(tǒng)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的

99、應(yīng)用將越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(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。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 謝維成，楊加國.單片機(jī)原理與應(yīng)用及C51程序設(shè)計(jì).北京：清華大學(xué)出版社，2006</p><p>　　[2] 蔡菲娜.單片微型計(jì)算機(jī)原

100、理和應(yīng)用.杭州：杭州大學(xué)出版社，1995</p><p>　　[3] 李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002</p><p>　　[4] 張齊等.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)----基于C語言編程.北京：電子工業(yè)出版社，2004</p><p>　　[5] 吳延海.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù).重慶：重慶大學(xué)出版社，1997</p><

101、p>　　[6] 李麗霞.單片機(jī)在超聲波測距中的應(yīng)用[J].電子技術(shù),2002</p><p>　　[7] 姜道連,寧延一,袁世良.用AT89C2051設(shè)計(jì)超聲波測距儀[J].國外電子元器件,2000</p><p>　　[8] 張鵬,張有志.一種新型超生測距系統(tǒng)[J].山東:山東大學(xué)學(xué)報(bào),2003,33(1)</p><p>　　[9] 李學(xué)海.PIC單片機(jī)實(shí)

102、用教程－基礎(chǔ)篇（第1版）[M].北京航天航空大學(xué)出版社.北京：2002年2月</p><p>　　[10] 賈伯年. 傳感器技術(shù). 南京: 東南大學(xué)出版社,2000 </p><p>　　[11] 陳大新,胡學(xué)同,周杏鵬.利用FPGA改進(jìn)超聲波測距模塊設(shè)計(jì)[J].傳感器技術(shù),2005,24(2): 57～59</p><p>　　[12] 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).