畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1、超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）學(xué)院（系）： 專 業(yè)： 學(xué) 生： 指導(dǎo)教師： 完成日期 2010 年 5 月超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) the hardware design of ultrasonic ranging systerm學(xué) 院（系）： 專 業(yè)： 學(xué) 生 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 2010.05.10 nanyang institute of technology 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)測控技術(shù)與儀器 摘要超聲波測距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、

2、管道長度的測量等場合。在本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)的測量精度為1cm，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。在整個(gè)超聲波測距硬件電路模塊中主要的電路設(shè)計(jì)有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、溫度補(bǔ)償電路以及聲光報(bào)警電路構(gòu)成。其中接收電路主要采用的是cx20106a；發(fā)射電路采用的是反相器74hc04及超聲波發(fā)射換能器組成；另外，為了提高測量的精度在電路中又加入了溫度補(bǔ)償裝置，ds18b20就是用來測量當(dāng)前溫度從而來實(shí)現(xiàn)這一功能。通過實(shí)物驗(yàn)證這一設(shè)計(jì)方案是可行的。關(guān)鍵詞stc89c52；超聲波測距；74hc04；cx20106a;溫度補(bǔ)償the hardware design of ultra

3、sonic ranging systermtracking control technology and equipment abstract: ultrasonic range finder, can be applied to the car into reverse, the construction sites and industrial the position to monitor and may be used as the old, dark, the length of such occasions. in the design of system design, prec

4、ision measurement range of ultrasonic, the stability of 1cm clear that measurement. in the whole range of ultrasonic hardware circuit that the main circuit design has an ultrasonic the circuit, an ultrasound the circuit, show circuit, temperature compensate circuit and the audible and visible police

5、 made a circuit. one of the main circuits are cx20106a ;the circuit is the use of ultrasonic 74hc04 and in the launch of the change to another in order to improve ;the precision measurement in the circuit joined the compensation arrangement, ds18b20 is used to measure the temperature and to fulfil t

6、his function. in the design by the scheme is feasible.keywords: stc89c52;silent wavemeasuredistance；74hc04;cx20106a;temperature compensation超聲波測距硬件設(shè)計(jì)目錄1 序言11.1 課題研究的背景及意義12 超聲波測距的設(shè)計(jì)思路22.1 超聲波傳感器及其測距原理22.2 方案論證33 總體方案設(shè)計(jì)33.1 單片機(jī)測距原理43.2 單片機(jī)系統(tǒng)及其基本電路43.2.1 stc89c52的功能介紹53.2.2 單片機(jī)的基本連接電路63.3 超聲波發(fā)射部分電路73.

7、4 超聲波接收部分電路83.5 溫度補(bǔ)償電路103.5.1 溫度傳感器工作原理103.5.2 溫度補(bǔ)償電路113.6 數(shù)碼顯示電路123.6.1 數(shù)碼管基本知識(shí)123.7 鍵盤電路143.7 報(bào)警電路154 軟硬件調(diào)試16參考文獻(xiàn)16附錄16結(jié)束語19致謝201 序言1.1 課題研究的背景及意義 在我國，超聲學(xué)的研究開始于二十世紀(jì)五十年代，1959年至1964年間我國建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測量設(shè)備，對(duì)粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減的研究取得了令人興奮的成果。同時(shí)在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域取得了可

8、喜的成績。表面波換能器的研究我國開始于1965年，于1970年開始了高頻表面波的研究，1977年，我國研制成表面脈沖壓縮濾波器。在80年代以后，我國的超聲研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階斷，取得了一系列標(biāo)志性成果，壓電復(fù)合材料研制成功，窄脈沖短余振探頭問世，pvdf高分子壓電薄膜材料趕上并超過國際水平，高分子壓電pvdf型換能器和超聲顯微鏡的研究獲得了實(shí)用，高頻壓電材料linb03研制成功。在應(yīng)用方面，b超和a超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)和醫(yī)療應(yīng)用。超聲顯微鏡投入應(yīng)用。總的來說，我國在超聲方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。近年來超聲測試技術(shù)已明顯表現(xiàn)出下列趨向:1、由定性的判斷缺陷的有無而發(fā)展為對(duì)缺陷的

9、位置、大小、形狀、性質(zhì)進(jìn)行定量判斷，并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像;2、向在線自動(dòng)檢測和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測試技術(shù)取得突破進(jìn)展; 3、超聲測試技術(shù)和材料的物性評(píng)價(jià)相結(jié)合，材料的設(shè)計(jì)、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展1。因此超聲波在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用非常廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動(dòng)切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測量計(jì)，胎兒檢查儀，超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性。在軍事領(lǐng)域中，超聲波用于雷達(dá)目標(biāo)定位，武器制導(dǎo)等方面2。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)

10、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，在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 因此設(shè)計(jì)好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測距儀的目的及意義。2 超聲波測距的設(shè)計(jì)思路2.1 超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于20khz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置

11、就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45

12、米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用11.095m晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法tof（timeof flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離即s=vt/2。（其往返時(shí)間為t，v為超聲波在空氣中的傳播速度）根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，在本課題中采用stc89c52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波

13、驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖1所示： 圖1 超聲波測距系統(tǒng)原理框圖2.2 方案論證由于超聲波指向性強(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)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到使用要求。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)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。 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

14、，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、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。另外測距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器3。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用stc89c52單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器來驅(qū)動(dòng)。3 總體方案設(shè)計(jì)

15、由單片機(jī)stc89c52編程產(chǎn)生40khz的方波，由p3.3口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(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(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。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。該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和led顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖2所示。圖2 時(shí)序圖單片機(jī)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

16、，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)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。另外由于超聲波受溫度的影響比較大，因此為了提高測量的精度我在這里加入了溫度補(bǔ)償裝置，利用ds18b20測的當(dāng)前溫度值，在根據(jù)溫度與超聲波傳播的速度之間的關(guān)系計(jì)算出實(shí)際在空氣中傳播的速度，從而來計(jì)算實(shí)際的距離。在設(shè)計(jì)中還加入了報(bào)警裝置，當(dāng)測量的距離過長或過短報(bào)警器就會(huì)發(fā)出蜂鳴聲并有指示燈指示是過長還是過短。 3.1 單片機(jī)測距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，然后求出距離sct2，式中的c為

17、超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。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。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)即c=3314+0607t。因此在實(shí)現(xiàn)超聲波測距的過程中我們需要測出傳播時(shí)間及當(dāng)前溫度，這就需要軟硬件共同作用來實(shí)現(xiàn)。3.2 單片機(jī)系統(tǒng)及其基本電路3.2.1 stc89c52的功能介紹stc89c52rc是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾一種單片機(jī)，其指令代碼兼容

18、傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時(shí)鐘、機(jī)器周期和6時(shí)鐘、機(jī)器周期可以任意選擇。圖3 stc89c52rc實(shí)物圖(1)stc89c52芯片共40引腳: 18腳: 通用i/o接口p1.0p1.79腳:rst復(fù)位鍵10 11腳:rxd串口輸入 txd串口輸出1219:i/o p3接口 (12,13腳 int0中斷0 int1中斷11415 : 計(jì)數(shù)脈沖t0 t1 16,17: wr寫控制 rd讀控制輸出端)1819: 晶振諧振器 20 地線2128 p2 接口 高8位地址總線 29: psen 片外rom選通端 單片機(jī)對(duì)片外rom操作時(shí) 29腳(psen)輸出低電平30:ale/prog 地址鎖存器31:

19、ea/rom取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取3239:p0.7p0.0(注意此接口的順序與其他i/o接口不同 與引腳號(hào)的排列順序相反)40:電源+5v4(2)其主要特性有：工作電壓5.5v-3.3v用戶程序應(yīng)用空間：8k壽命：1000寫擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年工作頻率：0hz一40mhz，外部晶振20mhz以下可省復(fù)位電路三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定片上集成1280字節(jié)或512字節(jié)ram32可編程io線兩個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路有eeprom功能看門狗在空閑模式下，cpu保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式又軟件產(chǎn)生

20、。此時(shí)，片內(nèi)ram和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可由任何允許的中斷請(qǐng)求或復(fù)位終止。應(yīng)注意的是：在用硬件復(fù)位終止空閑模式時(shí)，at89c2051通常從程序停止一直到內(nèi)部復(fù)位獲得控制之前的兩個(gè)機(jī)器周期恢復(fù)程序執(zhí)行。在這種情況下片內(nèi)硬件禁止對(duì)內(nèi)部ram的讀寫，但允許對(duì)端口的訪問，要消除硬件復(fù)位終止空閑模式對(duì)端口意外寫入的可能，原則上進(jìn)入空閑模式指令的下一條指令不應(yīng)對(duì)端口引腳或外部存儲(chǔ)器進(jìn)行訪問。在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)ram和特殊功能寄存器的內(nèi)容終止掉電模式前被凍結(jié)。退出模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改

21、變r(jià)am中的內(nèi)容，在vcc恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重新啟動(dòng)并穩(wěn)定工作5。3.2.2 單片機(jī)的基本連接電路 單片機(jī)正常工作時(shí)，都需要一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路來構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號(hào)，其有兩種時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于多片單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。本設(shè)計(jì)只有一片單片機(jī)，采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。stc89c52內(nèi)部有一個(gè)可控制的負(fù)反饋反向大器，引腳xtal1和xtal2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體以及電容

22、c1和c2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小多少會(huì)影響振蕩器頻率的高低、蕩器的穩(wěn)定性、震的快速性和溫度穩(wěn)定性。外接晶體時(shí)，兩個(gè)電容通常選擇30pf左右，外接陶瓷諧振器時(shí)，典型值約為47pf.出于對(duì)測距精度的考慮，本設(shè)計(jì)采用12mhz的晶體振蕩器，c1和c2的電容值約為30pf3。復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要rst引腳出至少保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。在rst端出現(xiàn)高電平后的第二個(gè)周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個(gè)周期重復(fù)一次，直至rst端變低。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位3。本設(shè)計(jì)采用手動(dòng)復(fù)位方式。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，電

23、容迅速放電，使rst端迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使rst端恢復(fù)低電平。單片機(jī)的基本的連接電路如圖4所示：圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3 超聲波發(fā)射部分電路超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器tct4016t能向外界發(fā)出40 khz左右的方波脈沖信號(hào)。40 khz左右的方波脈沖信號(hào)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，為了節(jié)省成本，本次設(shè)計(jì)采用了后者。編程由單片機(jī)p3.3端口輸出40 khz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 khz方波脈沖信號(hào)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

24、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tct4016t以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如下圖所示。圖中輸出端上拉電阻r3，r4，一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。超聲波發(fā)射電路如圖5所示： 圖5 超聲波發(fā)射電路3.4 超聲波接收部分電路tct4016t發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會(huì)返回，返回的部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器tct4016r將接收到的反射波轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后得到一個(gè)負(fù)脈沖送給

25、單片機(jī)的3.2(int0)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。在這里我采用的是集成電路cx20106a，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38khz與測距超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變c4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。cx20106a 各引腳作用如圖6所示： 圖6 cx20106a管腳示意圖cx20106a的引腳注釋：l腳：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與gnd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

26、能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r或減小c，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c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r=4.7，c=3.3f。3腳：該腳與gnd之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，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3.3f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源端vcc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。例如，取r=200k時(shí)，fn42khz，若取r=220k，則中心頻率f038khz。6腳： 該腳與gnd之間接

27、入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf，如果該電容取得太大，會(huì)使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。8腳： 電源正極，4.5v5v。超聲波接收電路圖如圖7所示： 圖7 超聲波接收電路3.5 溫度補(bǔ)償電路3.5.1 溫度傳感器工作原理 ds18b20的測溫原理如下圖所示，圖中低溫系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1，高溫系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計(jì)數(shù)門，當(dāng)計(jì)數(shù)門打開

28、時(shí)，ds18b20就對(duì)低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量?；鶖?shù)門的開啟時(shí)間由高溫系數(shù)振蕩器來決定，每次測溫前，首先將-55所對(duì)應(yīng)的基數(shù)分別置在-55所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值降到0時(shí)溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，重新開始對(duì)低溫晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2到0時(shí)，停止溫度寄存器值得累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中振蕩溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測量。其輸出用于修正計(jì)數(shù)器的預(yù)置值，只要計(jì)數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直

29、至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，這就是ds18b20的測溫原理。測溫原理圖如圖8所示：預(yù)置低溫度系數(shù)振蕩器計(jì)數(shù)器1斜率累加器計(jì)數(shù)比較器預(yù)置溫度寄存器減到0高溫度系數(shù)振蕩圖計(jì)數(shù)器2減到0停止 圖8 ds18b20測溫原理圖3.5.2 溫度補(bǔ)償電路為提高測距精度，采用溫度檢測電路。溫度測量電路是基于ds18b20單線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡單，可直接將其dq端與單片機(jī)p3.7口相連。ds18b20是美國dalls公司推出的溫度傳感器芯片，具有912位的轉(zhuǎn)換精度，默認(rèn)值是12位辨率，本系統(tǒng)將它設(shè)置為9為分辨率，對(duì)應(yīng)的溫度值是0.5，滿足本系統(tǒng)的要求。利用溫度檢測電路實(shí)時(shí)的測量環(huán)境溫度t，再根據(jù)式子

30、c=3314+0607t計(jì)算超聲波的速度c。ds18b20引腳排列如圖9所示： 圖9 引腳排列圖ds18b20的引腳說明表如下表所示：表1 ds18b20引腳說明表gnd地dq數(shù)據(jù)i/o可選nc空腳ds18b20溫度補(bǔ)償電路圖如圖10所示： 圖10 溫度補(bǔ)償電路3.6 數(shù)碼顯示電路3.6.1 數(shù)碼管基本知識(shí)顯示的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到crt顯示器等，都可以與微機(jī)連接。其中單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器（簡稱led顯示器）。液晶顯示器簡lcd。led顯示器價(jià)廉，配置靈活，與單片接口方便，lcd可顯示圖形，但接口較復(fù)雜成本也較高6。led數(shù)碼根據(jù)led的接法的不同

31、分為共陰極和共陽極兩類，了解led的這些特性，對(duì)編程很是重要，因?yàn)椴煌愋偷臄?shù)碼管，除了他們的硬件電路有差異以外，編程的方法也是不同的。在本設(shè)計(jì)中我們采用的是共陰極數(shù)碼管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管教配置如圖11所示： 圖11 共陰極數(shù)碼管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)使用led顯示器時(shí)，要注意區(qū)分兩種不同的接法，為了顯示數(shù)字或字符，必須對(duì)數(shù)字或字符進(jìn)行編碼。七段數(shù)碼管加上小數(shù)點(diǎn)共計(jì)八段。因此為led提供編碼正好是一個(gè)字節(jié)。實(shí)際上要顯示各種數(shù)字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平，就可以得到不同的代碼。這些用來控制led顯示的不同電平代碼稱為字段碼（也稱段選碼）。 根據(jù)電路連接圖顯示16進(jìn)制數(shù)的編碼列表如下圖所示：

32、表2 共陰極數(shù)碼管表0x3f0x060x5b0x4f0x660x6d01 23450x7d0x070x7f0x6f0x770x7c6789 a b 0x390x5c0x790x710x00cdef無顯示本系統(tǒng)顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陰led數(shù)碼管，其中p0口接數(shù)碼管的段選部分，因?yàn)檫x用的是共陰極數(shù)碼管，因此只要是p0口輸出低電平即可驅(qū)動(dòng)位選，又因?yàn)閜0口內(nèi)部無上拉電阻故如果電路中不接上拉電阻那么p0口只可能輸出低電平，這正好適合我們這部分電路的需要。p2口接上拉電阻起到一個(gè)驅(qū)動(dòng)段選的作用然后再接到接數(shù)碼管。因此單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路如圖12所示： 圖12 數(shù)碼顯示電路3.7 鍵盤電路 圖13

33、鍵盤電路 在不同的系統(tǒng)中，鍵盤的數(shù)量有很大的差別。但是根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，采用獨(dú)立式鍵盤既能滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省i/o和鍵盤的數(shù)量。獨(dú)立式鍵盤的各個(gè)按鍵之間彼此是獨(dú)立的，每一個(gè)按鍵均連接單片機(jī)的一根i/o口。獨(dú)立式鍵盤的硬件接口電路簡單，軟件設(shè)計(jì)也比較方便，但由于每個(gè)按鍵均需要單片機(jī)的一根i/o口，因此，獨(dú)立式鍵盤值適合于按鍵較少的場合。獨(dú)立式按鍵是直接用i/o口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根i/o口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它i/o口線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根i/o口線，因此，在按鍵較多時(shí)，i/o口線浪費(fèi)較大，不宜采用。 3.8

34、 報(bào)警電路在本次設(shè)計(jì)中采用了光報(bào)警和聲報(bào)警。光報(bào)警采用的是不同顏色的發(fā)光二極管，聲報(bào)警采用的是一個(gè)蜂鳴器。在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管9 012的放大。報(bào)警部分的連線，如圖14所示。 圖14 報(bào)警電路以上即為超聲波測距的硬件電路部分。另外在制作硬件的過程中要注意以下幾點(diǎn)：1、焊接電路板時(shí)，要注意電源線和地線，兩者不能弄混，不可有短接的地方。倘若有短接的地方時(shí)，下載模塊上的紅燈、綠燈均熄滅。2、接晶振時(shí)，要使晶振與單片機(jī)的18、19管腳連接好，否則單片機(jī)無法下載程序，即使有程序也無法正常工作。3、接報(bào)警燈、蜂鳴器時(shí)要用到1k的限流電阻。4、接ds18b20時(shí)，要注意管腳的接法，dq要接4.

35、7k的上拉電阻。5、接數(shù)碼管時(shí)，要注意數(shù)碼管是共陰極型還是共陽極型，要弄清各個(gè)管腳的作用，可以用萬用表側(cè)量。數(shù)碼管顯示要用驅(qū)動(dòng)芯片或上拉電阻驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)時(shí)要驅(qū)動(dòng)段選。4 軟硬件調(diào)試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15的超聲波換能器tct40-10f1（t發(fā)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48cm，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。 在程序與硬件連調(diào)時(shí)：1、下載模塊紅

36、燈亮，綠燈不亮，說明沒有裝好下載模塊所配套的驅(qū)動(dòng)程序。 解決辦法：找到下載模塊配套的驅(qū)動(dòng)程序并安裝。2、下載時(shí)提示端口不存在，說明下載端口沒有設(shè)置好。 解決辦法：右擊“我的電腦”-“屬性”-“硬件”-“設(shè)備管理器”-“端口”，查看usbisp的端口號(hào)并在下載軟件中做相應(yīng)設(shè)置。3、下載時(shí)一直提示上電，可能電源線、地線沒有連接好，晶振沒有連接好，下載口沒有連接好（下載模塊上的txd接單片機(jī)上的rxd即第10管腳，下載模塊上的rxd接單片機(jī)上的txd即第11管腳）。 解決辦法：用萬用表檢查電源線、地線的連接，檢查晶振是否接好，檢查下載口連接是否正確。4、下載時(shí)提示下載失敗，可能是晶振頻率不對(duì)或單片機(jī)

37、沒有響應(yīng)。 解決辦法：檢查晶振頻率（一般使用11.0592mhz），多試幾次。5、顯示亂碼，可能是使用的數(shù)碼管類型與程序中的數(shù)碼管類型不符，比如，硬件上使用是是共陰極數(shù)碼管，但程序卻是按共陽極數(shù)碼管編寫的。 解決辦法：更改程序，使兩者配套。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(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0.071m，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。參考文獻(xiàn)1袁

38、易全. 近代超聲原理及應(yīng)用m. 南京：南京大學(xué)出版社，1996. 2劉升平,王劍,葛紅等.超聲波測距系統(tǒng)的開發(fā)與研究j.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)2009，45(25)：78-81. 3張健,李鋼等.超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)j.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，200427(6)：640-643. 4胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)m. 北京：清華大學(xué)出版社，1996. 5張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.高等教育出版社m，2003.12(1). 6王福瑞. 單片機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大全m. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.附錄（1）原理圖 圖15 原理圖（2）pcb圖圖16 pcb圖（3）protues仿真圖圖16 pro

39、teus仿真圖（4）元器件列表表4 元器件列表序號(hào)代號(hào)名稱序號(hào)代號(hào)名稱序號(hào)代號(hào)名稱1u174hc0410s212m晶振19r5/r6/r7/r910k2u2stc89c52rc11p1901220r10220k3u3cx20106a12c1、c810uf/50v21r1120k4u4ds18b2013c2、c330pf22r124.7k5l1黃色led14c4、c910423k1/k2/k3/k4按鍵6l2、l4綠色led15c51uf/50v24k5開關(guān)7l3藍(lán)色led16c63.3uf/50v25t1tct40-16t8l5紅色led17c733126t2tct40-16r9s1蜂鳴器18r1/r2/r3/r4/r8r13/r14/r5/r16/r17/r18/r19/r20r211k27dis四位共陰極數(shù)碼管結(jié)束語俗話說“好的開始是成功的一半”。通過這次實(shí)習(xí)，我們學(xué)到了很多東西。在進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時(shí)，我們應(yīng)該做到以下三點(diǎn)：首先，我認(rèn)為最重要的就是認(rèn)真的研究老師給的題目。其次，在老師講解的基礎(chǔ)上認(rèn)真研究硬件電路的設(shè)計(jì)，和軟件流程的設(shè)計(jì)。最后，重