基于51單片機的超聲波測距系統(tǒng)本科畢業(yè)設(shè)計

1、本科生畢業(yè)論文本科生畢業(yè)論文超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計畢業(yè)論文誠信聲明畢業(yè)論文誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨立研究、寫作的成果。論文中所引用是他人的無論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中以明確方式標(biāo)明。本聲明的法律結(jié)果由本人獨自承擔(dān)。 作 者 簽 名： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日摘 要超聲波是指頻率在 20khz 以上的聲波，它屬于機械波。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(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。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨

2、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Ｏ到y(tǒng)的設(shè)計主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括發(fā)射電路、接收電路、單片機電路、電源電路和顯示電路，另外還有 lcd 控制電路和復(fù)位電路等。我采用以 at89s51 單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個電路采用模塊化設(shè)計，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，單片機的計時器開始計時，超聲波被發(fā)射后按原路返回，在經(jīng)過放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機接收，計數(shù)器停止工作并得到時間。溫度測量后送到單片機，通過程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校

3、正， 結(jié)合兩者實現(xiàn)超聲波測距的功能。軟件程序由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、預(yù)置子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機進(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，還有實現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在 lcd 上。另外程序控制單片機消除各探頭對發(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。實際的環(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。此外供電電源也會使測量差生很大的誤差。在設(shè)計的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案?！娟P(guān)鍵詞】： at89s51 超聲波 測距abstractis the frequency at 20k

4、hz ultrasonic sound waves above , it is a mechanical wave . also follow the general mechanical ultrasonic wave propagation in elastic media , such as reflection and refraction at the interface media into the media after the decay occurs , such as dielectric absorption . it is because of these proper

5、ties , so that ultrasound can be used to measure the distance . with increasing levels of technology , ultrasonic ranging technology is widely used among peoples daily work and life.design of the system consists of two parts , namely hardware and software programs. the hardware circuit includes a tr

6、ansmitter circuit, a receiver circuit, the microcontroller circuit, a power supply circuit and a display circuit , in addition to the lcd control circuit and a reset circuit. i used to at89s51 core, low-cost, high-precision, miniaturized ultrasonic rangefinder digital display hardware circuits. the

7、entire circuit is modular in design , the signal transmission and reception , power , temperature measurement and display module. signal amplification and detection probe launch after launch out mcu timer is started , the original way back after the ultrasound was launched , after amplification band

8、pass filtering plastic and other sectors, then the microcontroller receives the counter to stop working and get the time . after the temperature measurement to the microcontroller, the speed through the process of correcting a combination of both to achieve ultrasonic ranging function. software prog

9、ram from the main program , launch subroutine receives subroutine , preset routines, subroutines and other display modules . it controls the microcontroller for data transmission and reception , at a certain temperature correction of ultrasonic velocity , as well as data on the lcd display correctly

10、 . another procedure controls the microcontroller to eliminate the influence of the probe for transmitting and receiving ultrasonic waves . accompanied by the relevant part of the hardware schematics, program flow .the actual environment of great influence on the ultrasonic wave , such as an externa

11、l electromagnetic interference power interference channel interference , etc., the temperature of the air is also a great influence on the speed of the ultrasonic wave . besides measuring the power supply also make great error of poor students . redesign process to consider these factors , and gives

12、 some solutions.【key words】：at89s51ultrasonic waverangingiii目 錄一、緒論.11.1 課題研究的背景及意義.11.2 超聲檢測在國內(nèi)發(fā)展綜述 .11.3 本文主要研究內(nèi)容.2二、 超聲波測距原理與方法.42.1 超聲波簡介.42.1.1 超聲波的三種形式.42.1.2 超聲波的物理性質(zhì).42.1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用.42.2 超聲波傳感器介紹.52.2.1 超聲波的測距原理及結(jié)構(gòu).52.2.2 超聲波傳感器選擇.72.2.3 超聲波測距的原理.72.2.4 發(fā)射脈沖波形.82.3 本章小結(jié) .9三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計.103.1

13、發(fā)射電路設(shè)計.103.1.1 發(fā)射電路設(shè)計方案.113.1.2 發(fā)射電路方案.113.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項.123.2 接收電路設(shè)計.133.3 單片機顯示電路設(shè)計 .143.3.1 lcd 顯示部分.183.3.2 報警部分 .193.4 本章小結(jié) .19四、 軟件設(shè)計和測量結(jié)果分析.204.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .204.2 外部中斷子程序.234.3 定時器中斷子程序.254.4 實現(xiàn)重要功能的程序分析.264.4.1 實現(xiàn)溫度讀取功能.264.4.2 實現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速.264.4.3 實現(xiàn)距離計算.274.5 本章小結(jié) .27五、 結(jié)論.28致 謝.29參考文獻(xiàn).30南昌理工

14、學(xué)院本科生畢業(yè)論文一、緒論1.1 課題研究的背景及意義近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運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。超聲波指的是 20khz 以上的聲波。超聲波同樣遵循一般機械波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，比如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生折射及反射現(xiàn)象，進(jìn)入介質(zhì)后而被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(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Ｒ话愕某暡y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。由于超聲測距是一種非接觸

15、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)、不污染、高可靠、長壽命等特點。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。可在不同環(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、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)

16、要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時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機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，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。國外超聲波測距儀技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品齊全，性能比較穩(wěn)定，市場需求量大，測量精度高，測量誤差小1。1.2 超聲檢測在國內(nèi)發(fā)展綜述在基于傳統(tǒng)的測距存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，一般的電極法是采用的差位分布電極，再通過電或脈沖來檢測液面，但是電極長時間浸泡在水中或其他液體中，容易被腐蝕或者電解，從而失去靈敏性。超聲波具有方向性

17、好、強度大等特點，因此利用超聲波測距技術(shù)在工業(yè)控制、機器人定位、勘探測量和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用2。南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文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，所以基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用3。通過簡單的外圍電路發(fā)和接收超聲波，單片機通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。1.3 本文主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)硬件部分由 at89c51 控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路ds18b2、聲音報警電路和

18、lcd 顯示電路組成。汽車行進(jìn)時 lcd 顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過 at89c51 數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到 lcd 上，如果距離小于設(shè)定值時，報警電路會鳴叫，提醒司機注意車距。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 1-1 系統(tǒng)設(shè)計總框圖由單片機 at89c51 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)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)障礙物反射回來，超聲波接收頭接收此信號，然后通過接收電路的處理，指定接收口就變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機中定時器的值。由圖 1-2 時序圖可以看出，超聲波

19、測距模塊的發(fā)射端在 t0 時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機中斷口，單片機響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間 t，由此便可計算出距離。發(fā)射電路接收電路at89c51lcdds18b20報警電路南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文圖 1-2 時序圖南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文二、 超聲波測距原理與方法2.1 超聲波簡介超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機械、以及材料科學(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)備安全運作，降

20、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。2.1.1 超聲波的三種形式超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點振動方向、波的傳播方向一致；表面波，質(zhì)點振動介于縱波、橫波之間。橫波只能傳播在固體里，縱波能在氣體、液體和固體中傳播，表面波隨深度的增加而衰減更快。一般采用縱波形式的超聲波來測量各種狀態(tài)下的物理量。2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)(1) 超聲波的反射和折射當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，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。

21、(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，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包括最大最小的揚聲場。2.1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機械作用超聲波傳播過程中，一般會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的伸張與壓縮，造成了壓力的變化，引起機械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點的運動，盡管位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以破壞介質(zhì)。(2) 空化作用流體動力學(xué)指出，在聲場作用下振動的液體中的微氣泡在達(dá)到一定聲壓值的時候，氣泡會迅速膨脹，之后就突然閉合，而在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊

22、波，這種膨脹、閉合、振南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文動等一系列動力學(xué)過程就叫做為空化4。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 2.2 超聲波傳感器介紹總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是利用機械方式產(chǎn)生出超聲波，一類是利用電氣方式產(chǎn)生出超聲波。機械方式有液哨、氣流旋笛和加爾統(tǒng)笛等；電氣方式則包括電動型、磁致伸縮型和壓電型等。他們產(chǎn)生出的超聲波頻率、功率和聲波特性都各自不相同，因此用途也不盡相同，壓電式超聲波發(fā)生器是目前比較常用的發(fā)生器。實際上是利用壓電晶體

23、的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片、一個共振板。當(dāng)壓電式超聲波發(fā)生器的兩極外加脈沖信號，頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率的時候，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。相反，未在兩極間加電壓時，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動來轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 2-1 傳感器的外部結(jié)構(gòu) 圖 2-2 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)2.2.1 超聲波的測距原理及結(jié)構(gòu)通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了，這與雷達(dá)測距原理相似。 比如超聲波發(fā)射器朝一方向發(fā)射出了超聲波，同時在發(fā)射時刻的計時，途中碰到障礙物就立即返回來

24、，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 （超聲波在常溫下的空氣中的傳播速度為 340m/s，然后根據(jù)計時器記錄的時間t，就能計算出發(fā)射點和障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文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(2-1)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=331.4+0.607t (2-1)式中，v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 ms， t 為實際溫度單位為。超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，因此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。目前常用的超聲傳感器有

25、兩大類，即流體動力型與電聲型。流體動力型中包括有氣體、液體兩種類型的哨笛。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和磁致伸縮傳感器。壓電傳感器的探頭由楔塊、壓電晶片和接頭等組成。壓電材料可分為壓電陶瓷和晶體兩類。屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等，屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的變化;相反，如果對它施以外力，由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。超聲波傳感器通常由雙壓電陶瓷片制成的。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價格低廉，非常適合于氣體和液體介質(zhì)。當(dāng)壓電陶瓷改變交流電壓的大小和方向，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機械變形，機械變形是與

26、在一定范圍內(nèi)所施加的電壓大小和方向成比例的。即在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓，它就會產(chǎn)生相同頻率的機械振動，以促進(jìn)這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。如果在壓電陶瓷片上，這將使得機械變形時，壓電陶瓷片的機械變形，產(chǎn)生與機械超聲波相同頻率的電信號。 a b 圖 2-3 雙壓電晶片示意圖圖 2-4 雙壓電晶片的等效電路圖南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文雙壓電晶片的等效電路如圖 2-4 所示， r 是電損耗，c0 為靜電電容，r 是損耗串聯(lián)電阻，聯(lián)電阻 cm、lm是機械共振回路的電容和電感。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率 0，發(fā)射超聲波時，加在它兩端的交變電壓的頻率必須和它的固有諧振頻率保持一致。在這

27、種情況下，超聲波傳感器具有很高的靈敏度。當(dāng)改變壓電材料常數(shù)和改變壓電陶瓷片，由超聲波換能器的頻率特性很容易改變使用的固有諧振頻率的幾何形狀 5。2.2.2 超聲波傳感器選擇在超聲波測量系統(tǒng)中，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；頻率取得太低，外界的雜音干擾會相應(yīng)的變多。文中所采用的探頭是40khz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由發(fā)射傳感器 ucm-t40ki 和接收傳感器 ucm-r4oki 組成，其特性參數(shù)如表 2-1 所示。 表 2-1 傳感器特性參數(shù)表型號ucm-t40k1ucm-r40kq結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接收中心頻率zkh140zkh138頻帶寬z

28、kh5 . 02zkh5 . 02靈敏度ubardbv110ubardbv65聲壓)02. 00min(115mpadbdb)10min(70ubarvdbdb指向角o75o80容量pf%252500pf%2525002.2.3 超聲波測距的原理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）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都容易實現(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間 t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離 l。設(shè) l 為測量距離，t 為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則

29、有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計將采用渡越時間法6。南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文圖 2-6 測距原理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 攝氏度，聲速就增加 0.6 米秒。表 2-2 列出了幾種溫度下的聲速：表 2-2 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）-30 -20 -10 0 10 20 30 100聲速（米秒） 313 319 325 331 337 343 349 389在使用時，假設(shè)溫度變化不是大的話，則可以當(dāng)做聲速 c 不變，計算的時候取 c 的大小為 340m/s。只是測距精度要求很高的時候，就可以在硬件電路基本上保持不變的情況下通過軟件

30、來加以校正以及改變硬件電路增加溫度補償電路的方法。在本系統(tǒng)中利用 at89s52 中的定時器測量超聲波傳播時間，利用 ds18b20 測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為： )/(6.04.33116.27316.27345.331smttc (2-3) 聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，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)行溫度補償）2.2.4 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖 2.7 所示有衰減振蕩脈沖、單個尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文單個尖脈沖 衰減振蕩脈沖窄等幅波脈沖 寬等

31、幅波脈沖圖 2.7 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形2.3 本章小結(jié)本章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重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計中所用超聲傳感器的特性參數(shù)；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、環(huán)境溫度、工作頻率、發(fā)射脈沖波形。 南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(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，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。不論超聲波傳感器的

32、大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都是一樣的（都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機械振動彈性能，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)計超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點所在。發(fā)射電路采用單片機 p1.0 端口編程輸出大概 40khz 的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器 t0單片機端口輸出功率比較弱，所以加大加功率放大電路使測量距離能夠滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器 ucm-40t 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。由于從接收傳感器探頭 ucm40t 傳來的超聲波回波很微弱，只有幾十個 mv 級，同時又有著較強的噪聲，所以必須考慮放大信號和抑制噪聲。這里使用 c

33、x 20106a 集成電路對接收探頭接收濾波，信號經(jīng)過 p2.7 端口送入單片機中進(jìn)行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動態(tài)掃描顯示。通過單片機編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過三位 led 數(shù)碼管顯示。3.1 發(fā)射電路設(shè)計40 khz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：使用軟件如單片機軟件編程輸出或采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用前者。編程由單片機 p1.0 端口輸出 40 khz 左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 khz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由 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

34、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，如圖 3-1 所示。圖中輸出端上拉電阻 r31，一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間，另一方面可以提高反向器 74hc04 輸出高電平的驅(qū)動能力。南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文3.1.1 發(fā)射電路設(shè)計方案一、發(fā)射電路輸出波形分析1.發(fā)射波形電壓及功率傳感器的發(fā)射電壓大小一般是由發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度決定；考慮實際發(fā)射傳感器最大輸入電壓為 20v，而單片機輸出的最大正常工作電壓為 5v，功率傳感器傳輸?shù)男盘栔苯記Q定超聲波距離傳感器信號的發(fā)射，所以在相同的時間內(nèi)電壓應(yīng)考慮如何增加他們的功率，以使

35、發(fā)射電路是比較合理的。2.發(fā)射波形的重復(fù)性各個振動的發(fā)射波應(yīng)是以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和接收相同的振動波峰，以避免由于反射面和干涉障礙物造成的各種損失。為了獲得高的分辨率，超聲發(fā)射器的電路設(shè)計應(yīng)確保良好的發(fā)射波形的重復(fù)性。為了保證發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性，發(fā)射電路的設(shè)計必須合理。一般發(fā)射電路通常按發(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7。3.1.2 發(fā)射電路方案從上面的分析可以知道，發(fā)射電路設(shè)計的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。本系統(tǒng)單片機的 p1.0 發(fā)

36、出了一組方波脈沖信號，輸出波形穩(wěn)定可靠，但由于輸出電流和輸出功率非常低，所以還不足以推動發(fā)射傳感器發(fā)射足夠的超聲波信號，所以在這里加入了一個單電源乙類互補對稱功率放大電路，如圖 3-2 所示。圖 3-1 超聲波發(fā)射電路框圖南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文q2q1vcc-vccc1r1ls1rfp1.0圖 3-2 超聲波發(fā)射電路3.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，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后就會立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度約為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出超聲波

37、發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。存在 4 個因素限制了該系統(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。誤差一般由以下幾個方面引起的：（1）探測目標(biāo)的入射角會受超聲波波束影響；（2）待測距離的遠(yuǎn)近關(guān)系著超聲波回波聲強，就會導(dǎo)致實際測量時不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)；（3）傳播速度的影響。超聲波傳播速度的穩(wěn)定與準(zhǔn)確度是保證測量精度的必要條件，而超聲波的傳播速度又受傳播媒質(zhì)特性的影響。傳播媒質(zhì)的壓力、溫度、密度都將對聲速產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計

38、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)很小的時候，可直接按式進(jìn)行距離的2sc tv計算；當(dāng)夾角很大的時候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： (3-1)cos2c ts 實際的調(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，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為 45。南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文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，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法8。3.2 接收電路設(shè)計接收部分主要由接收換能器和放大電路

39、組成。里面的放大電路是一個三級運算放大器 a1，功能是將從目標(biāo)處反射回來的微弱信號進(jìn)行放大整形后送入計數(shù)控制電路部分。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，回波信號很小，轉(zhuǎn)換為電信號的幅度也較小，此要求將信號放大 60 萬倍左右。采用三級放大：前兩級放大 100 倍，用高精密放大器 lm318，帶寬為 15mhz，充分滿足要求；第三級采用 lf353 運算放大器，寬為 4mhz。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形為一個方波信號，輸出信號送入 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。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，以利于后續(xù)電路的設(shè)計。l

40、s2ucm402314111tl082r2r3rpvcc-vccu0uiifii圖 3-3 前置放大電路圖電路如圖 3-3 所示，超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗(input impedance)；換能器的輸出電壓很大前置放大電路是由一個高精度、高輸入阻抗放大器 tl082 及電阻 r2 、r3 和 rp 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。由電路可列出:南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 i (3-2)3ruufi （3-3)2ruuii把放大器理想化后:1.集成運放兩個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

41、有 u=0，但不是短路，故常稱為虛短。2.集成運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。0i故可知本電路中：u+=0，u-=u+=0 所以有 (3-4)iurru23上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運算關(guān)系，式中的負(fù)號表示與反相。uiu電路的電壓放大倍數(shù)為: (3-5)23rruuaiuf根據(jù)本設(shè)計需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取r2=1k；r3=200k；rp=1k，即放大電路將輸入信號放大 200 倍。3.3 單片機顯示電路設(shè)計顯示器是一個其應(yīng)用是極為廣泛的設(shè)備，基本上所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，而其差別僅在于顯示器

42、的結(jié)構(gòu)類型不同而己。最簡單的顯示器可以使 led 發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 crt 監(jiān)視器或者屏幕較大的 lcd 于顯示的距離范圍在 4 米之內(nèi)，選用 3 位 led 示，表示距離的 xxxcm 數(shù)值。液晶屏。綜合課題的實際要求由數(shù)碼管通過單片機編程實現(xiàn)顯示，表示距離的 xxxcm數(shù)值。led 數(shù)碼管顯示與單片機接口通常涉及以下幾個問題:1.由數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息借軟件譯碼還是硬件譯碼2.led 數(shù)碼管顯示用共陰極管還是共陽極管3.顯示掃描采用動態(tài)掃描還是靜態(tài)掃描問題 1 軟件譯碼是將各數(shù)碼的筆劃信息構(gòu)成一個表格預(yù)儲于內(nèi)存，以后根據(jù)要顯南昌理工學(xué)院本科生

43、畢業(yè)論文示的每一數(shù)碼執(zhí)行一段查表程序，查得相應(yīng)筆劃信息再送數(shù)碼管顯示;硬件譯碼則采用cd4511、74ls46、74ls47、74ls48、74ls49 等 bcd 碼七段鎖存、譯碼、驅(qū)動芯片直接譯出筆劃信息。問題 2 采用共陰極數(shù)碼管還是共陽極數(shù)碼管沒有太明顯的優(yōu)缺點。如圖 3-4（a）所示數(shù)碼管，每個數(shù)碼管內(nèi)部，由 8 個發(fā)光二極管組成，其中七個組成 8 字形的七段筆劃，分別編號為 a、b、c、d、e、f、g，還有一個為小數(shù)點，標(biāo)為 dp。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一段筆劃或點就發(fā)亮，控制不同二極管導(dǎo)通就能顯示出不同符號。發(fā)光二極管的陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，如圖 3-4（b）所示；

44、發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽，如圖 3-4（c）所示。兩種數(shù)碼管僅在單片機編程時數(shù)碼對應(yīng)的筆劃信息碼不同。圖 3-4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖問題 3 動態(tài)掃描其實指的是我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 com端，這樣各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間是極為短暫的(約 1ms)，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)給人的印象就是一組穩(wěn)南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文p1.0/t21p1.1/t2ex2p1.2/eci3p1.3/cex04p1.4/cex15p1.5/cex26p1.6/cex37p1.7/cex48rst9p3.0/rxd10p3.1/txd1

45、1p3.2/int012p3.3/int113p3.4/t014p3.5/t115p3.6/wr16p3.7/rd17xtal218xtal119vss20p2.0/a8p2.1/a9p2.2/a10p2.3/a11p2.4/a12p2.5/a13p2.6/a14p2.7/a15psen29ale/prog30ea/vpp31p0.7/ad732p0.6/ad633p0.5/ad534p0.4/ad435p0.3/ad336p0.2/ad237p0.1/ad138p0.0/ad039vcc40at89s51in11in22in33in44in55in66in77out116out314out4

46、13out512out611out710out215com9gnd8uln2003aoe1clk11d02o019d13o118d24o217d35o316d46o415d57o514d68o613d79o712vcc20gnd1074acq574pc12xtalc3c21kr1c1vccvcckfgedkcdpbadpy red-cckfgedkcdpbadpy red-cckfgedkcdpbadpy red-ccvccvcc12345678161514131211109res pack4vccy1y2y3y1y2y3x2x3x4x5x6x7x8x1x2x3x4x5x6x7x8x1x2x3

47、x4x5x6x7x8x1x2x3x4x5x6x7x8x1圖 3-5 顯示部分電路圖南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點亮 led 數(shù)碼管無位選信號，各數(shù)碼管是同時點亮的。它的原理比較簡單。靜態(tài)掃描顯示編程容易，顯示比較清晰，亮度一般較高;但要求占用很多 i/o 接口線和增用不少硬件芯片，成本較高。所以，動態(tài)掃描用得更多點。針對以上 3 個問題，實際考慮節(jié)約單片機的接口資源以及減少硬件芯片成本投入，本單元電路設(shè)計如圖 3-5 所示，采用 3 位共陰極數(shù)碼顯示管，顯示字符由單片機 p2 口送至鎖存器 74acq574 鎖存，再經(jīng)顯示驅(qū)動芯片 uln2o03

48、驅(qū)動數(shù)碼管顯示，p0.1-p0.3分別控制每一位的動態(tài)顯示。74acq574 為三態(tài)輸出 d 型上升沿觸發(fā)器，圖 3-6 為其引腳圖，在輸入使能端 oe有效時，當(dāng)時鐘脈沖 clk 有上升沿跳變，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將鎖存的 8 路輸入數(shù)據(jù)(即單片機 p2 口送出的字符數(shù)據(jù))送出顯示。其功能表，如表 3-1 所示。 圖 3-6 74hc574 引腳圖 圖 3-7 uln2003 引腳圖表 3-1 74acq574 功能表inputs clk doeoutputl hl l l h or l xh x xhlq0z南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文uln2003 為顯示驅(qū)動芯片，抬升單片機的輸出電流，提高負(fù)載

49、驅(qū)動能力。它引腳如圖 3-7 所示，其內(nèi)部含七對達(dá)林頓放大管，其主要功能是輸入為低電平時，輸出為高電平; 當(dāng)輸入為高電平時，輸出為低電平。本課題讓單片機 p0.1-p0.3 經(jīng)此芯片提升驅(qū)動能力從而控制數(shù)碼管的位選，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)掃描輸出9。但是聲音的速度在不同的溫度下可能會有所改變，所以采用了溫度補償功能了提高系統(tǒng)的精度。這里采用的主要元器件是 dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 ds18b20，其具有智能化、體積小、精度高、線路簡單等特點。將 ds18b20 數(shù)據(jù)線與單片機的 p1.1 口相連，就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖 3-8 所示。3.3.1 lcd 顯示部分本設(shè)計中顯示部

50、分采用字符型 tc1602 液晶來顯示我們所測距離值。tc1602 顯示的容量為 2 行 16 個字。液晶顯示屏有體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、微功耗、使用方便等諸多優(yōu)點。使用時，可將 p0 與 lcd 的數(shù)據(jù)線相連，p2 口與 led 的控制線相連，如圖 3-9 所示。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 714 腳：d0d7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機端的 d0d7 是接到 lcd602 的 d7d0，正好相反， 因此在編寫軟件時需要做處理，使讀取正確10。圖 3-8 ds18b2

51、0 溫度測量電路南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文3.3.2 報警部分采用一個蜂鳴器，由 p1.2 輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管 9012 的放大。報警部分的連線，如圖 3-10 所示。11圖 3-10 報警電路3.4 本章小結(jié)本章主要介紹了基于單片機的超聲測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計電路。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)計給出原理圖并進(jìn)行了分析計算。圖 3-9 tc1602 液晶顯示電路南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文四、 軟件設(shè)計和測量結(jié)果分析4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)：(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

52、等部分；(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；(3)溫度補償與距離計算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、溫度補償子程序等；(4)本次設(shè)計使用 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 功能強大使用方便12。主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個子程序的調(diào)度管理等部分。如圖 4-1 所示描述了各個模塊的關(guān)系：圖 4-1 系統(tǒng)軟件方框圖系統(tǒng)主程序：本設(shè)計主程序的思想如下：南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文(1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為 mm；(2)溫度每隔 900ms 采

53、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。(3)按鍵 s 為測量啟動鍵；(4)系統(tǒng)采用 at89s51 的內(nèi)時鐘：12mhz；(5)沒有使用看門狗功能；(6)超聲波發(fā)送一定時間后才開始啟動檢測，避免直達(dá)信號造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為 112mm；如圖 4-2 所示：圖 4-2 主程序流程圖系統(tǒng)主程序如下：void main(void)uchar i,j;for(i=0;i255;i+)for(j=0;j255;j+); /延時，等待系統(tǒng)外圍復(fù)位完成 sys_init(); /初始化南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)

54、論文display(); /顯示sta_flag=0; /標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位 waitforstarting: /檢測按鍵while(start);for(i=0;i20;i+)delay1ms();if(start)goto waitforstarting;buzzer=0; /蜂鳴器鳴音一次提示按鍵按下i=100000;while(i-);buzzer=1;i=100000;while(i-);tr0=1; /啟動定時器 0et0=1;testtemp(); /啟動溫度轉(zhuǎn)換while(1) if(sta_flag) /60ms 到了，超聲波已經(jīng)發(fā)送 while(0=csbin); /等待超聲波返回tr1=0;jsh=th1; /停止計數(shù)jsl=tl1;if(15=count) /1s 到，檢測溫度temp=wd(); count=0;testtemp(); /重新啟動轉(zhuǎn)換display(); /刷新顯示南昌理工學(xué)院本科生畢業(yè)論文computer(); /計算距離hextobcd(); /轉(zhuǎn)化成 bcd 碼sta_flag=0; /標(biāo)志清零 void sys_init(void) uchar i;for(i=0;i0 x1000)c=c+1;tu=1; /若溫度小于 0,tu=1 c=4; /去掉低四位即為整數(shù)溫度