超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)

1、西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iq260046902 專業(yè)做論文西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目名稱：超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)題目名稱：超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)年年 級(jí)：級(jí)： 2003 級(jí)級(jí) 本科本科 ?？茖？茖W(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)： 20035110學(xué)生姓名：方敏學(xué)生姓名：方敏 指導(dǎo)教師：張華指導(dǎo)教師：張華 邱波邱波 吳鍵吳鍵 學(xué)生單位：學(xué)生單位： 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 技術(shù)職稱：副教授技術(shù)職稱：副教授 學(xué)生專業(yè)：學(xué)生專業(yè)： 生物醫(yī)學(xué)工程生物醫(yī)學(xué)工程 教師單位：信息工程學(xué)院教師單位：信息工程學(xué)院 西西 南南 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 教教 務(wù)務(wù) 處處 制制西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文i超聲波

2、測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)摘要：超聲波測(cè)距應(yīng)用十分廣泛。論文在分析可行性、可靠性的基礎(chǔ)上，參照工程設(shè)計(jì)方法，確立了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思路。本文設(shè)計(jì)了一套超聲波檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于 at89c51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng),它根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理, 以超聲波傳感器為接口部件, 應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和超聲波在空氣中的時(shí)間差來測(cè)量距離。該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個(gè)模塊構(gòu)成。設(shè)計(jì)利用 51 單片機(jī)系統(tǒng)的 i/o 口，使超聲波傳感器發(fā)出 40khz 的超聲波，反射回來的超聲波信號(hào)，經(jīng)過放大和整形電路進(jìn)入單片機(jī)，比較調(diào)試后確定其對(duì)應(yīng)的距離，完成測(cè)距。可實(shí)現(xiàn) 3 米內(nèi)測(cè)距

3、，盲區(qū) 7 厘米，具有 lcd 顯示功能。關(guān)鍵詞：超聲波；超聲波傳感器；at89c51 單片機(jī)；lcd 顯示單元；測(cè)距儀西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iidesign of ultrasonic distance measurementabstract: the ultrasonic ranging application is extremely widespread. after the feasibility and reliability has been analysised, the structure design technique was established. this ar

4、ticle introduces an ultrasonic distance measurement based on the at89c51 single-chip computer, the system according to ultrasound in the air reflection principles of the dissemination. and it uses the ultrasound sensor as interface components for the application of the distance measure based by sing

5、le-chip computer technology and the margin of time that ultrasound transmit in air, thereby the systems of design of ultrasonic test comes into being. the system primarily composed by the four modules : the controller module,ultrasonic launch module, ultrasound receiving module and display modular.

6、the i/o ports of the 51 single-chip computer were used to cause the ultrasonic transducer to send out the 40khz ultrasonic wave. the reflected signal enter the 51 after the enlargement and feedback circuit, and the system will complete the range finder by debugging the corresponding distance. this d

7、esign can realize 3 meters in range finders, with the 7 centimeters blind spot, the system have the lcd demonstration.keywords: ultrasonic, ultrasonic sensor, at89c51 single-chip computer, lcd display unit, range finder西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iii目 錄第 1 章 緒 論.11.1 課題背景.11.2 論文研究?jī)?nèi)容.31.2.1 研究?jī)?nèi)容.31.2.2 各章節(jié)主要內(nèi)容.4第

8、2 章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì).52.1 超聲測(cè)距理論基礎(chǔ).52.1.1 超聲波介紹.52.1.2 超聲波傳感器.52.1.3 傳感器的指向角 .72.1.4 測(cè)量盲區(qū).82.2 超聲波測(cè)距原理.92.3 超聲測(cè)距系統(tǒng)組成.102.3.1 系統(tǒng)的收發(fā)過程.102.4 方案比較.112.4.1 超聲波頻率及探頭的選用.112.4.2 發(fā)射模塊.112.4.3 接收模塊.112.4.4 溫度補(bǔ)償.122.4.5 顯示模塊.132.4.6 電源模塊.142.4.7 通信接口選擇.142.5 系統(tǒng)的總體構(gòu)想.152.6 本章小結(jié).15第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).173.1 系統(tǒng)工作的過程.173.2 主控制

9、電路.173.2.1 at89c51 單片機(jī).18西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iv3.2.2 時(shí)鐘振蕩器.183.2.3 復(fù)位電路.193.3 串行通信接口.193.3.1 rs-232 電氣特性.203.3.2 rs-232 連接器機(jī)械特性.203.3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送電路.213.4 發(fā)射電路設(shè)計(jì).213.4.1 555 振蕩器.233.4.2 共射極放大電路.243.5 接收電路設(shè)計(jì).263.5.1 cx20106 工作原理分析.263.6 電源電路設(shè)計(jì).273.7 lcd 顯示電路.273.7.1 lcd 接口協(xié)議.283.8 溫度測(cè)量.283.9 本章小結(jié).29第 4 章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).3

10、04.1 軟件功能模塊的劃分.304.2 主程序的分析設(shè)計(jì).304.3 外部中斷程序.314.4 t0 中斷子程序.324.5 溫度校正.334.6 本章小結(jié).33第 5 章 調(diào)試過程.345.1 調(diào)試環(huán)境.345.1.1 lcd 程序調(diào)試過程.345.1.2 發(fā)送 40khz 脈沖信號(hào)子程序調(diào)試.345.1.3 溫度傳感器的調(diào)試.345.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果.355.3 本章小結(jié).35西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文v總 結(jié).36致 謝.37參考文獻(xiàn).38附錄 1 超聲測(cè)距源程序.39附錄 2 超聲測(cè)距原理圖.50附錄 3 硬件實(shí)物圖.51西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文1第 1 章 緒 論高速度，高效率是現(xiàn)代

11、工業(yè)的標(biāo)志，而這是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。設(shè)計(jì)和工藝人員理應(yīng)了解：非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機(jī)出現(xiàn)的微觀、宏觀缺陷，常常可以有時(shí)甚至是只能依靠無損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn)、評(píng)價(jià)。當(dāng)然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力，使無損檢測(cè)技術(shù)在這方面已具有一定的能力有關(guān)?，F(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，無損檢測(cè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用，1981 年美國(guó)前總統(tǒng)里根在給美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)成立 40 周年大會(huì)的賀信中就說過：“你們能夠給飛機(jī)、空間飛行器、發(fā)電廠、船舶、汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測(cè)，我們就不可能享有目前在這些領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。 ”無損檢測(cè)正在以迅猛

12、之勢(shì)向縱深發(fā)展，客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以發(fā)展的最大動(dòng)力。超聲技術(shù)就是一項(xiàng)典型的無損檢測(cè)技術(shù)。利用超聲波測(cè)量已知基準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法，稱為超聲波測(cè)距。可想而知，它的應(yīng)用，必將在未來展現(xiàn)出奪目的光輝。1.1 課題背景 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，也就是生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20khz以上的機(jī)械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物或障礙物位置的方法，根據(jù)這一原理，人們提出了超聲波測(cè)距，它是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流和無線電測(cè)距方法相比，具有

13、不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波傳播聲時(shí)難于精確捕捉，溫度對(duì)聲速的影響等原因，使得超聲波測(cè)距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求更高的場(chǎng)合下的應(yīng)用。距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，測(cè)距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問題。而由于超聲波的速度相對(duì)光速小的多，其傳播時(shí)間比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的

14、方法。因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以它就能夠在某些特西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文2定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測(cè)量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。我國(guó)超聲波檢測(cè)技術(shù)是從無到有，從低級(jí)階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國(guó)的 uct-2 超聲波檢測(cè)儀，重達(dá) 24kg，各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測(cè)中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出 cts-10 型非

15、金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約 20hg。該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因超聲波檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的 uct-2，cts-10 型儀器。1976 年，國(guó)家建委科技公司主持召開全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土超聲波檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國(guó) 6 個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此，超聲波檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于超聲波檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞 n2701 型超聲波測(cè)試儀，是由

16、晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重 10kg。七十年代，英國(guó) c.n.s 公司推出僅有 3.5kg 重的 pundit 便攜式超聲儀。1978 年 10 月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出 jc-2 型便攜式超聲波檢測(cè)儀。該儀器采用 ttl 線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5kg。同期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有 sc-2 型，cts-25 型，syc-2 型超聲波檢測(cè)儀。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣應(yīng)用超聲波檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)

17、帶有單片機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 2000a 型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)。與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。目前，計(jì)算

18、機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。高智能化檢測(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號(hào)已超過國(guó)外同類儀器水平。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。前 2 種方法由于技術(shù)難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低，且成本低廉,適于民用推廣。超聲測(cè)距在液

19、位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。例如。隨著汽車智能化的發(fā)展，中國(guó)城市汽車的保有量迅速增加。隨之而來的是交通事故與日俱增，城市里尤其突出。智能交通系統(tǒng)是二十一世紀(jì)交通運(yùn)輸?shù)闹匾l(fā)展方向，這里就可以用到超聲測(cè)距判斷汽車前方障礙物的情況，及時(shí)向司機(jī)傳達(dá)信息。還有在水中探測(cè)，軍事，醫(yī)療中的超聲診斷和治療等方面有重要作用，而且測(cè)量精度在不斷的提高，另外在移動(dòng)機(jī)器人研制也廣泛應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以

20、使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。目前這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，不斷提出新課題，具有廣闊的發(fā)展前景。1.2 論文研究?jī)?nèi)容 1.2.1 研究?jī)?nèi)容本設(shè)計(jì)要求我們先要掌握充足的理論知識(shí)，著重理論聯(lián)系實(shí)際，培養(yǎng)理論分析的能力，檢索資料的能力、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力、實(shí)際動(dòng)手的能力、分析排除故障的能力。通過該課題的設(shè)計(jì)，讓自己學(xué)習(xí)到超聲測(cè)距的相關(guān)知識(shí)，包括對(duì)超聲波，傳感器學(xué)習(xí)，超聲波傳感器的應(yīng)用，了解了超聲波與其他學(xué)科的關(guān)系，擴(kuò)大了知識(shí)面，培養(yǎng)了自己分析問題，解決問題，實(shí)際動(dòng)手的能力。本設(shè)計(jì)從 51 單片機(jī)、超聲波傳感器的原理和特性出發(fā)，對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù)中的控制、信息采集技術(shù)進(jìn)行了西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)

21、論文4較為詳盡的分析，參照工程設(shè)計(jì)的基本方法，分析系統(tǒng)可行性、可靠性后，確立結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基本思路。從各功能模塊一一設(shè)計(jì)。該儀器是由+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)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 lcd 顯示距離。1.2.2 各章節(jié)主要內(nèi)容論文第一章闡述了本課題的研究背景。第二章確立了系統(tǒng)的總體方案和系統(tǒng)各模塊的方案選擇比較，以及方案實(shí)施。第三章是對(duì)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。采用 51 單片機(jī)作為控制單元，設(shè)計(jì)超聲波收發(fā)電路，系統(tǒng)電源，顯示單元，溫度補(bǔ)償單元等。第四章介紹了系統(tǒng)軟件的

22、設(shè)計(jì)，利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，畫出了各部分的程序流程圖。第五章分析了本系統(tǒng)的調(diào)試過程。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文5第 2 章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)本課題要設(shè)計(jì)制作是一個(gè)數(shù)顯超聲波測(cè)距儀。對(duì)象是測(cè)距儀與被測(cè)物之間的距離，要求檢測(cè)時(shí)間小于 0.5s 情況下測(cè)量范圍在 0.073.00 m，測(cè)量精度為 5cm，并且測(cè)量時(shí)測(cè)距儀不能與被測(cè)物體直接接觸，以及用 lcd 顯示結(jié)果等要求。這一章主要介紹了超聲波測(cè)距原理，系統(tǒng)方案的選擇比較與實(shí)施，為后一章節(jié)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2.1 超聲測(cè)距理論基礎(chǔ)2.1.1 超聲波介紹與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。我們知道，電磁波的傳播

23、速度為3ms，常溫下，超聲波在空氣中的傳播速度810大約為340 ms，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里(大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的。 a = a(x)cos(t+ kx) (2-1) a(x) = (2-2)0 xa e式中，a(x)為振幅，為常數(shù),為圓頻率，t為時(shí)間，x為傳播距離，k=為波0a2 / 數(shù)，為波長(zhǎng)，為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 =a (2-3)2f式中，a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻

24、率。在空氣里，a=2/cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波13210s頻率f=40khz(超聲波)代入式(2-3)可得:=32，即1=31m；若f=30 4110 cmkhz，則1=56m。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。在(1)長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。考慮實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率f=40khz的超聲波5。2.1.2 超聲波傳感器傳感器行業(yè)是知識(shí)密集、技術(shù)密集的行業(yè)，它與許多學(xué)科有關(guān)，它的種類繁多。超聲傳感器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

25、為同西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文6頻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)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)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”。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(cè)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(cè)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

26、于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)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(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，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。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(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)的電信號(hào)，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

27、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交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，0f這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，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(hào)。雙壓電晶片如圖 2-1 所示，當(dāng)在 ab 間施加交流電壓時(shí)，若 a 片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因

28、此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。雙壓西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文7電晶片的等效電路如圖 2-2 所示，c 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，rm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。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要0f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，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12。圖圖 2-1 雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片示意圖圖圖 2-2 雙壓電晶片等效圖雙壓電晶片等效圖超聲波傳感器的內(nèi)部

29、結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超 聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。2.1.3 傳感器的指向角 傳感器的指向角是聲束半功率角的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測(cè)距的分辨率。對(duì)圓片傳感器來說，它的大小與工作波長(zhǎng)，傳感器半徑r有關(guān)。見公式（2-4）sin=1.615 （2-4）)2()2(選f =40khz時(shí)，=8.5mm。當(dāng)f 選定后，指向角近似于傳感器半徑成00fc0西南科技大

30、學(xué)本科生畢業(yè)論文8反比。指向角愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑r愈大。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本次設(shè)計(jì)成本，在不降低空間分辨率的情況下，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm，故=75 。)2615. 1arcsin(2ro2.1.4 測(cè)量盲區(qū)在傳感器以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(cè)儀器阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)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)射脈沖自身有一定的寬度

31、，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)，這段距離成為盲區(qū)，其具體分析如下：當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一段極短時(shí)間，但是停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定的余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平v；另外，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使m在離探頭較近的表面發(fā)射回來的信號(hào)，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(hào)相隔時(shí)間愈來愈長(zhǎng)，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測(cè)過程中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的

32、多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定閾值，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能mv使接收放大器由輸入信號(hào)9。減小盲區(qū)的方法有以下幾種措施：1、壓縮發(fā)射脈沖寬度發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個(gè)脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于短距離測(cè)量距離。2、采用自動(dòng)距離增益控制采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號(hào)的幅度增大，以提高測(cè)量的精度。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文93、信噪比問題超聲波測(cè)距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收

33、信號(hào)的幅值應(yīng)大于規(guī)定的閾值。這個(gè)閾值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對(duì)液介式超聲測(cè)距儀，工作頻率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測(cè)距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時(shí)要求對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。2.2 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。其原理為：檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)

34、間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x?？紤]實(shí)際情況，采用異地脈沖反射式來測(cè)距，即需測(cè)距離是聲波傳輸距離的一半。 l=1/2vt （2-5）式中，l為待測(cè)距離，v為超聲波的聲速，t為渡越時(shí)間。由下式計(jì)算測(cè)量誤差為 (2-6)ltvvt式中，為測(cè)距誤差，v為聲速，為時(shí)間測(cè)量誤差，為聲速誤差。若要求測(cè)ltv距誤差小于00lm，已知聲速v =344ms(c時(shí))，忽略聲速誤差，那么測(cè)量時(shí)間的020誤差為 (2-7)/0.01/3440.00003tlvs顯然，直接用秒表測(cè)時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)距必須避開直接測(cè)量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測(cè)長(zhǎng)精度。這里利用單片機(jī)計(jì)數(shù)的方法，間接測(cè)量時(shí)間，可以

35、把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需的準(zhǔn)確度。也就是對(duì)渡越時(shí)間的計(jì)算。超聲波測(cè)距原理圖如圖2-3所示。 發(fā)射換能器 a 障礙物 l西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文10障礙物超聲換能器超聲換能器接收電路發(fā)射電路主控制器顯示單元溫度測(cè)試rs232 電平轉(zhuǎn)換pc 機(jī) s接收換能器 圖圖 2-3 超聲測(cè)距原理圖超聲測(cè)距原理圖 從圖 2-3 中可以看出，由于本設(shè)計(jì)采用收發(fā)分體換能器，發(fā)射換能器和接收換能器存在一定夾角。我們實(shí)際得出的距離是 s，本設(shè)計(jì)近似 s=l，所以我們可以用上面的公式計(jì)算出 l，測(cè)出距離7。2.3 超聲測(cè)距系統(tǒng)組成超聲波測(cè)距儀整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)來控制，啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)去觸發(fā)發(fā)射

36、電路，使發(fā)射電路起振，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖(大約十幾個(gè)脈沖)，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，也就是開始測(cè)量渡越時(shí)間。當(dāng)這些脈沖到達(dá)被測(cè)目標(biāo)時(shí)，發(fā)生反射，經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進(jìn)行放大。接收到的第一個(gè)脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器，使計(jì)數(shù)停止。此時(shí)，計(jì)數(shù)器中的值，根據(jù)這個(gè)值就可以算出時(shí)間。超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理框圖如圖2-4所示。圖圖 2-4 超聲波測(cè)距原理框圖超聲波測(cè)距原理框圖2.3.1 系統(tǒng)的收發(fā)過程超聲波收發(fā)的一般過程是：發(fā)生器產(chǎn)生振蕩波，通過換能器，電能的振蕩波轉(zhuǎn)電源西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文11變成機(jī)械能的超聲波，遇到障礙物后，一部分超聲波反射回來，換能器

37、又將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電能信號(hào)，收發(fā)完成。超聲換能器是超聲測(cè)試系統(tǒng)中產(chǎn)生并接收超聲的部件,其驅(qū)動(dòng)電路和回波檢測(cè)電路的性能對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)有著至關(guān)重要的作用。在分析系統(tǒng)收發(fā)過程的同時(shí)，要注意分析系統(tǒng)各種誤差的影響。保證系統(tǒng)有比較高的測(cè)量精度和可靠性。2.4 方案比較2.4.1 超聲波頻率及探頭的選用由分析得出，超聲波在空氣中，頻率越高，功率越大，精度越高，但在空氣中衰減越快；相反，頻率越低，功率越小，空氣中衰減越慢，但誤差大。綜合考慮75khz、40 khz、25 khz ,取40 khz可以較好地解決這個(gè)矛盾。為了便于超聲波的發(fā)送和接收，本文采用共振頻率為40khz的超聲波探頭，其發(fā)射探頭選用tc

38、t40-10f1，其對(duì)應(yīng)的接收探頭選用tct40-10s1。為了降低調(diào)試的復(fù)雜性、高系統(tǒng)安裝的靈活性，超聲波發(fā)射與接收采用分離設(shè)計(jì)，即單獨(dú)采用發(fā)射器和接收器而不是發(fā)射接收一體化器件3。 表2-1 型號(hào)命名法 tc t 40 10 f 1 (1)(2) (3) (4) (5) (6)(1)壓力陶瓷超聲傳感器：tc(2)類型：t-通用型 f-防水型 u-耐溫型 k-寬帶型(3)中心頻率：(khz)(4)外徑：(mm)(5)使用方法：f-發(fā)射 s-接收(6)產(chǎn)品順序號(hào)：1、2、3、2.4.2 發(fā)射模塊方案一：利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生 40khz 的超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲

39、波。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。方案二：利用軟件產(chǎn)生超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)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。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文12本系統(tǒng)采用方案二，使用軟件編程的方法產(chǎn)生 40khz 的超聲波信號(hào)。2.4.3 接收模塊超聲波接收器包括超聲波接收探頭。信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。超聲波接受探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)(主要是頻率要求一致，否則會(huì)因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收)。由于經(jīng)接受探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。

40、正弦信號(hào)不能直接被處理器接收，因此最后必須進(jìn)行波形變換。常用的波形變換的方法有三種： 方案一：采用集成鎖相環(huán) ne567 對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行頻率監(jiān)視和控制。一旦探頭接到回波，若接收到的信號(hào)頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由 rc 值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?”（此時(shí)鎖相環(huán)已進(jìn)入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機(jī)對(duì)接收探頭的接收情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但鎖相環(huán)接收的頻帶較窄，不易鎖相。方案二：采用紅外線檢波接收的專用集成芯片 cx20106a，它常用于電視機(jī)紅外遙控接收器，由于紅外遙控常用的 38khz 載波與測(cè)距用的 40khz 超聲波接近，當(dāng)它沒

41、有接收到信號(hào)時(shí)輸出為高電平，當(dāng)它接收相近頻率的信號(hào)時(shí)輸出為低電平。因此它可以用來作為超聲波檢測(cè)接收電路。這種方法的特點(diǎn)是不僅靈敏度很高，抗干擾能力很強(qiáng)，而且還不需要放大電路，可使系統(tǒng)電路更為簡(jiǎn)潔。方案三：采用集成運(yùn)放芯片（lm324）作為比較器對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行波形變換。當(dāng)輸入信號(hào)的電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出為“1”；當(dāng)輸入信號(hào)的電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)，輸出為“0”；這樣就取到對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行變換的目的。這種方法的特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單（主要是與放大電路共用一塊芯片），但選擇比較電壓非常關(guān)鍵。本系統(tǒng)采用方案二，這種方法比其它方案電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)很方便。2.4.4 溫度補(bǔ)償超聲波測(cè)量距離的原理可用式（2-5）表示

42、。 l=1/2vt （2-8）式中 v 為超聲波在空氣中的傳播速度，0時(shí)為 331m/s, 25時(shí)為 347m/s其與環(huán)境溫度 t的關(guān)系如式（29）。 （2-9） 331.40.61vt西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文13 由此可見，聲速與溫度有著密切關(guān)系，在應(yīng)用中如果溫度變化不大并且無特殊要求，可認(rèn)為聲速基本不變的，否則必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。在硬件上，溫度補(bǔ)償主要采用測(cè)溫電路來實(shí)現(xiàn)。它一般是由 ds18b20 測(cè)溫專用芯片來測(cè)定。得到的數(shù)據(jù)送到串行口，單片機(jī)就會(huì)根據(jù)溫度變化將聲速作相應(yīng)得處理；在軟件上，溫度補(bǔ)償常有方法有以下兩種：方案一：每次先按照式（29）計(jì)算當(dāng)時(shí)的聲速 v，然后再按式（28）計(jì)算距

43、離。這種方法系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較大。方案二：根據(jù)當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度，查取特征溫度值（聲速表中最接近溫度對(duì)應(yīng)的聲速值）作為當(dāng)前聲速，然后按照式（28）進(jìn)行距離計(jì)算。其特點(diǎn)是可采用事先得到溫度聲速二維表(如圖 2-5)，將之固化到系統(tǒng)程序中，然后直接使用查表法得到聲速值，這樣程序?qū)崿F(xiàn)比較簡(jiǎn)單，但精度沒有方案一高。 另外，由于發(fā)射與反射之間存在一定的夾角 2a，如圖 2-5，當(dāng) a 很小時(shí)，可直接按式（28）計(jì)算距離；當(dāng)很 a 大時(shí)，則必須進(jìn)行距離修正，其修正公式為（2-10） 。 l=cos(a)vt/2 （2-10） 在式（210）中，傾角 a 與超聲波發(fā)射裝置和接收裝置的安裝位置有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)

44、注意適當(dāng)安裝?？紤]到對(duì)測(cè)量精度，所以本系統(tǒng)采用溫度補(bǔ)償?shù)霓k法,不考慮距離修正。 圖圖 2-5 溫度聲速二維表溫度聲速二維表 2.4.5 顯示模塊方案一: 采用 led 數(shù)碼管顯示.其優(yōu)點(diǎn)在于它能在低電壓,小電流的條件下發(fā)光,能與 cmos,ttl 電路兼容；發(fā)光響應(yīng)時(shí)間短( 0.1 秒),高頻特性好,單色性好,亮度高，t（）0cv（m/s）西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文14體積小,抗沖擊性能強(qiáng)等。以上優(yōu)勢(shì)使得 led 廣泛運(yùn)用于數(shù)字儀器、數(shù)控裝置、計(jì)算機(jī)等顯示部件中。方案二: 采用 lcd 液晶顯示。lcd 的工作電流比 led 小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，故功耗很低；尺寸小，厚度約為 led 的 1/3;字跡

45、清晰、美觀、使用方便；編程簡(jiǎn)單，信息量大,但價(jià)格較貴。在本設(shè)計(jì)中,考慮到要顯示距離和溫度，采用 lcd 顯示。2.4.6 電源模塊方案一: 采用電池(1.5v3)。這樣供電很簡(jiǎn)單,而且組成系統(tǒng)時(shí),占用的空間小;但供電的功率較低,內(nèi)阻較大。運(yùn)行單片機(jī)系統(tǒng)的時(shí)候，因?yàn)槠湟蟮碾娏鬏^大，可能會(huì)造成單片機(jī)程序跑飛，復(fù)位等異常現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成系統(tǒng)死機(jī)。 方案二: 采用主要由三端穩(wěn)壓片 78l05 構(gòu)成的電源。提供+5v 電壓。這種電源與前者相比較為復(fù)雜,但是其帶負(fù)載能力明顯強(qiáng)于前者,在單片機(jī)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)直接采用三端穩(wěn)壓片 78l05 構(gòu)成的電源。2.4.7 通信接口選擇為了將采集數(shù)據(jù)

46、傳遞到上位機(jī)或是將數(shù)據(jù)傳遞給其他設(shè)備，需要選擇通信接口，例如串行口、并行口、usb 等。并口占用的 i/o 資源較多，目前現(xiàn)在已經(jīng)不常用。usb 是目前比較常見的通訊協(xié)議，但是比較復(fù)雜，而且單片機(jī)一般沒有包含 usb接口，需要外加芯片，所以成本較高，且調(diào)試難度大。另外短距離的通信，可以采用 spi、i2c 等，但是調(diào)試一般難度比較大，而且不是所有的單片機(jī)都擁有硬件的spi 和 i2c，而一般的單片機(jī)的硬件資源里都有 uart 接口，而 uart 的調(diào)試是比較方便的，難度也相對(duì)較小。由于本采集模塊通信數(shù)據(jù)量不大，通信速率要求不高，再綜合考慮開發(fā)周期和開發(fā)難度，還有不需要外加額外太多的器件，故采用

47、 rs232串行接口傳輸數(shù)據(jù)。rs-232 是 eia 40 年前為公用電話網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，由于 rs232 的發(fā)送和接收是“對(duì)地”而言的，采用非平衡模式傳輸，存在共地噪聲，所以其最大傳輸距離和速率在標(biāo)準(zhǔn)中被限定為 15 米和 19200bit/s。rs232 有如下優(yōu)點(diǎn)：1、在微控制器中，接口芯片使得一個(gè) 5v 串口轉(zhuǎn)化為 rs232 變得非常容易。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文15障礙物tct40-10s1tct40-10f1cx20106a555 振蕩器at89c51lcdds18b20rs232 電平轉(zhuǎn)換pc 機(jī)2、連接距離可達(dá) 50-100 英尺，而 usb 連接最長(zhǎng)可達(dá) 16

48、 英尺。3、對(duì)于雙向連接，只需要 3 條導(dǎo)線，而并行連接一般需要 8 條數(shù)據(jù)線，兩條或者更多的控制信號(hào)線和接地線，這使得成本變高。本系統(tǒng)的與 pc 通信采用 rs-232 標(biāo)準(zhǔn)串口通信。2.5 系統(tǒng)的總體構(gòu)想經(jīng)過上一節(jié)的比較分析，經(jīng)綜合考慮，選擇合適的方案及器件，最終確立了系統(tǒng)的總體方案，其原理如圖 2-6 所示。由控制芯片 at89c51 產(chǎn)生控制信號(hào)，使 555振蕩產(chǎn)生超聲波，超聲波通過發(fā)射換能器發(fā)射出去，遇到障礙物返回，經(jīng)過接收換能器，接收電路，接收到超聲波信號(hào)，送入單片機(jī)分析。系統(tǒng)還使用 ds18b20 溫度傳感器對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試，把當(dāng)前溫度值測(cè)出并送入單片機(jī)，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確性。圖

49、圖 2-6 系統(tǒng)總體原理框圖系統(tǒng)總體原理框圖2.6 本章小結(jié) 本章根據(jù)超聲波測(cè)距原理和算法，分析了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、方案的比較，經(jīng)過各種對(duì)比考慮，確立了系統(tǒng)的方案選擇，并且確立了系統(tǒng)的原理圖。為后續(xù)的硬件設(shè)計(jì)做好了準(zhǔn)備。電源西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文16西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文17第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)在非接觸測(cè)量領(lǐng)域中，隨著傳感器技術(shù)水平的不斷提高，利用超聲波傳感器測(cè)量距離的技術(shù)也日趨成熟，基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀以其強(qiáng)抗干擾能力、高精度、低功耗、體積小等優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)控制、勘探測(cè)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，本章論述了以 51 單片機(jī)為控制核心的超聲波測(cè)距模塊的具體電路設(shè)計(jì)。

50、3.1 系統(tǒng)工作的過程本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀是一款非接觸的測(cè)量?jī)x器。它的工作原理是: 采用 555時(shí)基振蕩電路產(chǎn)生 40khz 的超聲波信號(hào)，超聲波傳感器的工作狀態(tài)由三極管工作情況決定。當(dāng)單片機(jī)給三極管一個(gè)高電平使其導(dǎo)通后，由 555 產(chǎn)生的超聲波就可以通過發(fā)射探頭可將其發(fā)射出去；此后經(jīng)過一段時(shí)間，超聲波遇到障礙物將發(fā)生反射，反射后將被接收探頭接收，由于探頭接收的信號(hào)很微弱，所以信號(hào)還要經(jīng)過放大電路進(jìn)行放大（采用專用集成檢波接收電路則不需要放大電路），最后再通過波形變換電路將信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能接收的信號(hào)。單片機(jī)接收信號(hào)后關(guān)閉計(jì)時(shí)器、禁止555 工作、處理有關(guān)信息，最后通過顯示電路顯示測(cè)量到的距

51、離。顯示一段時(shí)間后將進(jìn)入下一次的測(cè)量。在整個(gè)測(cè)量過程中由于電源電路提供能量才使得各模塊電路在單片機(jī)的控制下成功有序地完成一次距離測(cè)量?？梢婋娫措娐芬彩窃撓到y(tǒng)不可缺少的一部分。3.2 主控制電路主控制器主要由單片機(jī)at89c51、振蕩器和復(fù)位電路三部分組成。設(shè)計(jì)原理圖如3-1所示，由于它是單片機(jī)工作的必要組成部分，所以又稱為單片機(jī)最小系統(tǒng)。它是測(cè)距儀的控制中樞，也是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。它之所以這樣重要是因?yàn)樗跍y(cè)距儀中發(fā)揮了四個(gè)作用：1、控制超聲波的發(fā)射；2、負(fù)責(zé)處理接收電路發(fā)出的信號(hào)； 3、時(shí)間轉(zhuǎn)化成距離的數(shù)據(jù)處理；4、協(xié)調(diào)端口實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。由上可知，它的正常工作是保證測(cè)距儀成功測(cè)距的先決條件

52、，單片機(jī)最小系統(tǒng)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文18的設(shè)計(jì)雖簡(jiǎn)單但很關(guān)鍵。下面就其作一些簡(jiǎn)單的介紹。圖圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.2.1 at89c51 單片機(jī)單片機(jī)，又稱微處理器，是許多自動(dòng)控制系統(tǒng)中的核心部件?？紤]到顯示電路需要占用比較多的 i/o 口和需要處理較復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行速度的有較高的要求，本系統(tǒng)選用了 at89c51 單片機(jī)作為主控器件8。at89c51 是一種帶 4k 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能 cmos8 位微處理

53、器，俗稱單片機(jī)。該器件采用 atmel 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 mcs-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 cpu 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，atmel 的 at89c51 是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。 3.2.2 時(shí)鐘振蕩器單片機(jī)外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 c1、c2 接在放大器（at89c51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益的反相放大器）的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文19為便于 cpu 處理數(shù)據(jù)，讓計(jì)時(shí)器每計(jì)一次數(shù)就是 1us，振蕩器采用了 12mhz的石英晶體。對(duì)外接

54、電容 c1、c2 雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，這里電容使用 30pf10pf。本系統(tǒng)選用外部晶體作為時(shí)鐘頻率，晶體振蕩器xtal1與xtal2分別為用作片內(nèi)振蕩器的反向放大器的輸入和輸出。晶體振蕩器連接如下 圖圖3-2 晶體振蕩器連接晶體振蕩器連接3.2.3 復(fù)位電路本復(fù)位電路采用手動(dòng)復(fù)位，在vcc和rst端接一容量為22uf左右的電解電容，其兩端并接一個(gè)輕觸按鈕（為限制按鈕按下時(shí)電容瞬間釋放的電流，避免產(chǎn)生火花，在按鈕一側(cè)串聯(lián)一個(gè)電阻），利用rst內(nèi)部復(fù)位下拉電阻便構(gòu)成復(fù)位電路。其電路如圖3-1所示。手動(dòng)的好

55、處在于能避免死機(jī)時(shí)關(guān)機(jī)復(fù)位。其復(fù)位過程為：接通電源瞬間，電容上的電壓很小，rst端上的電壓接近電源電壓，在電容充電過程中，rst端電位逐漸下降，當(dāng)rst端電位小于某一數(shù)值后，cpu脫離復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)按鈕按下時(shí)，電容通過r1放電，當(dāng)電容放完電后，rst端的電位由r1、r2分壓比決定。由于r2 r1，因此rst為高電平，cpu進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，松手后，電容c3開始充電，rst端電位下降，cpu脫離復(fù)位狀態(tài)。3.3 串行通信接口本系統(tǒng)的與 pc 通信采用 rs-232 標(biāo)準(zhǔn)串口通信。rs-232 是 eia 40 年前為公用電話網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信而制定的標(biāo)準(zhǔn)，由于 rs232 的發(fā)送和接收是“對(duì)地”而言的，采用

56、非平衡模式傳輸，存在共地噪聲，所以其最大傳輸距離和速率在標(biāo)準(zhǔn)中被限定為 15 米和 19200bit/s。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文203.3.1 rs-232 電氣特性rs-232 對(duì)電氣特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都做了規(guī)定。在 txd 和 rxd 上：1、邏輯 1（mark）=-3v15v。2、邏輯 0（space）=+3v+15v。在 rts、cts、dsr、dtr 和 dcd 等控制線上：1、信號(hào)有效（接通，on 狀態(tài)，正電壓）=+3v+15v。2、信號(hào)無效（斷開，off 狀態(tài)，負(fù)電壓）=-3v-15v。以上規(guī)定說明了 rs-232 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)邏輯電平的定義。對(duì)于數(shù)據(jù)（信息碼）：邏輯“

57、1”（傳號(hào)）的電平低于-3v，邏輯“0”（空號(hào)）的電平高于+3v；對(duì)于控制信號(hào)：接通狀態(tài)（on）即信號(hào)有效的電平高于+3v，低于+15v，斷開狀態(tài)（off）即信號(hào)無效的電平高于-15v 低于-3v，也就是說當(dāng)傳輸電平的絕對(duì)值大于 3v 時(shí)，電路可以有效地檢查出來，介于-3+3v 之間和低于-15v 或高于+15v 的電壓無意義，因此，在實(shí)際工作時(shí)，應(yīng)保證電平在（35）v 范圍之間。rs-232 電平與 ttl 電平的轉(zhuǎn)換：前者用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，與后者以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。因此為了同計(jì)算機(jī)接口或終端的 ttl 器件相連，必須在兩者之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系的變換。實(shí)現(xiàn)這種變換的方

58、法可用分立元件，也可用集成電路芯片。目前教為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換元件，max232 芯片可完成兩者之間的轉(zhuǎn)換10。3.3.2 rs-232 連接器機(jī)械特性 由于 rs-232 并未定義連接器的物理特性，因此，出現(xiàn) db-25、db-15 和 db-9各種類型的連接器，其引腳的定義也各不相同。下面介紹本系統(tǒng)用到的 db-9 連接器。db-9 連接器可作為提供多功能 i/o 卡或主板 com1 和 com2 兩個(gè)串行接口的連接器。它只提供異步通信的 9 個(gè)信號(hào)。在通信速率低于 20kbit/s 時(shí)，rs232 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 db-9 連接器直接相連電纜長(zhǎng)度的最大物理距離為 15 米。表 3-1 顯示

59、了 db-9 各引腳的具體功能。其中 2、3 和 5 是最常用的三個(gè)腳。rs-232 串口通信基本接線方法：距離較近時(shí)（ 2/3 vcc 1/3 vcc低導(dǎo)通 1 1/3 vcc不變不變 1 2/3 vc 2/3 vcc 1/3 vcc高截止由式（4-1） 、 （42）可得輸出脈沖得頻率為 （3-3）為達(dá)到頻率為 40 khz 的超聲波，經(jīng)計(jì)算，c7 取 4700pf ，r9 取 510。 r10取 4k，為了調(diào)節(jié)信號(hào)頻率，r10 可改為 5k的可調(diào)電阻。為保證 555 時(shí)基具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，此處采用+5v 電源。3.4.2 共射極放大電路為了提高測(cè)量精度使單片機(jī)的計(jì)時(shí)精度更好，在 555

60、振蕩器后面外加一個(gè)共射極放大電路，其目的不是為了放大，而是用它作受控開關(guān)使用，主要是因?yàn)?555 振蕩器周期性振蕩之前有一個(gè)起振時(shí)間，為了防止出現(xiàn)單片機(jī)已經(jīng)開始計(jì)時(shí)了，而超聲波信號(hào)還沒有發(fā)出去所帶來的計(jì)時(shí)誤差這種情況的產(chǎn)生。 其工作過程是：當(dāng)三極管的發(fā)射極接收到單片機(jī)給的低電平時(shí)，不管發(fā)射極有沒有超聲波輸入，由于三極管都不導(dǎo)通，所以超聲波探頭兩端一直沒有壓差而無法工作；當(dāng)單片機(jī)給了三極管基極低電平時(shí)，三極管的能否工作，主要取決于三極管的發(fā)射極有沒有信號(hào)輸入，當(dāng)有40khz的方波信號(hào)輸入時(shí)，三極管根據(jù)信號(hào)高低電平?jīng)Q定導(dǎo)通與否，探頭兩端有了同頻率的壓差變化，這樣超聲波探頭將發(fā)生共振，完成發(fā)送超聲波