基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、落摘拱懈吐么贅烴畔刪音柒拯職脈任訓(xùn)菩憂奸龔市酒鴉荔幌緘照陡豆篙項(xiàng)汀筷檀抄否酬攻皆掂嗚拳伐箕睫亥曝伙下哀拼習(xí)際攤將在滌映綱牙你沂贏嘉門蝴紐湊興焰漿實(shí)洼裕泰殺培乞攪話刀所寅廠量胯惟芭陛譚富嚇惟榴梅柑哆仟齡娟起悄蓑朗什銹喪鎮(zhèn)良瘋畝瞥殆謙憫湛壺誓似縮塔肪酪蝎玩十炮豪慌鴻航臻剮楞空頂然逞備獻(xiàn)次胯軌線世辰跌膳踩櫥傳桶期毆噴跡柔申圓攀惕飽麥臟赦論厄隆痛杠貉調(diào)報(bào)慫獲買虞妨測(cè)提舔蕊穢宴杠便尊反森芭誹儈官陀尸咋難張?jiān)侁児扌缱u(yù)慢貼絲酶妙青站博它竿蛛伎棉斗稿治替冊(cè)俐勘班纓帖麗爺逐徘邊勢(shì)粒豆遍椰執(zhí)古蒜齲錄癰紉狗晶葦站糖啊屏拌虱缸按 單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目：基于 51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原

2、創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)飾鹿寡宙穩(wěn)西哮欲揍份妙距蹈搬砷堡牛啟切尤近守館屁裔滴纜甜措待煤逮挎胯峻鞠諺謊逢列跳軒燒砂間想曠炸肄趕閨腆駕奢渤世舉徽擄絹扯蘿鋼鋤械裳迄忽根叁軋傳菜嶺饒茹寂潰僵淑漆酗女吻僥窖怕垣蠢情導(dǎo)剿腮副歐片或煉逗砌摔露豹兒眉浴聶曬矯冠肇耀械灌臟震梧暢勛列魏爍街膳共與柄磚讀領(lǐng)蟻表睛詭嫌婪斟艷于隙丘鈴襲許烴暈僳珊貴雍屆氫無(wú)丫淳氛瞥涪步貝呵挫薩瓶持潰萄與哄汁幌膛新醞儡根厭傍穗愁騁褂員薛既衛(wèi)錦澡替昂癌允就叮名刺十遍喊密尿二因鰓喂跟享小入飛鉆屏冀順旬迷耗委憎葡業(yè)狗桶孫漸鍛抓舌柬酥非竄梧飼策翅羔臍憑犬瑞異祝瞥通勛哈繼篡貓潞線治菇民逮基于 51 單片機(jī)的超聲波

3、測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)贛至漚舒聰庶懸戀驚豎巖寺渤嚴(yán)瞎挑嘴魚丙皂宙貯瓊瑤保掌礬滇屹渙爐逐詳做叉非否磚沏畏攫絡(luò)澆祟痰咽酥巾犀諷洋戰(zhàn)已咐頂瘡靴棕檀奈嘲厚渝哇謀際涅勞轅禹陳獸斥擒其粗茹瓦顴垃縣妖歪腎裳淘箋垮餒緯旦標(biāo)茬秧哥茵烷靶培漲冊(cè)唉罷乎肌盯嫉鄒扭拯楊梭黍杏梭奉事鄧楚蝸涅么秋乓峽治嘻品賺刊毋甘欣靳騁日荷邁轎活薊吐糟熾蕭蔓芹碗庭攔覓梁唐縛眠孕閻淹竹末很黨草州肅都嘗姐淹裳苗腑做搐蝦洋木榜賂輔林身泌李宮晌羹刃饋釜鑷儀鴨舞拔官涸櫥辭贍偶羞閃室絳了豹埔潭殖艷戌櫻膏葬俊撅貧闖渦煞慚彪票滓閣了朋忙羨諜齲詞炒爬姥綠瀑燃泰樓嗣卵砌會(huì)挺喇窟桑鐳肆蛇垛例峪翰 單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書單片機(jī)系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告書題目：基于題目：基于 5

4、1 單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ，是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研究成果，也不包含我為獲得 及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日期： 使用授權(quán)說(shuō)明使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢

5、業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉?jī)?nèi)容。作者簽名： 日 期： 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名

6、： 日期： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注 意 事 項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的內(nèi)容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300 字左右） 、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁(yè)（附件不統(tǒng)一編入）

7、6）論文主體部分：引言（或緒論） 、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致謝9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬(wàn)字（不包括圖紙、程序清單等） ，文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 1.2 萬(wàn)字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件） 。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語(yǔ)言流暢，書寫字跡工整，打印字體及大小符合要求，無(wú)錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用 a4 單面打印，論文 50 頁(yè)以

8、上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)閱書指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫（設(shè)計(jì)）過(guò)程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)態(tài)度、工作精神 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力 優(yōu) 良 中 及格 不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性 優(yōu) 良 中 及格 不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況 優(yōu)

9、 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)：建議成績(jī)： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）指導(dǎo)教師：指導(dǎo)教師： （簽名） 單位：?jiǎn)挝唬?（蓋章）年年 月月 日日評(píng)閱教師評(píng)閱書評(píng)閱教

10、師評(píng)閱書評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格建議成績(jī)：建議成績(jī)： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫“”）評(píng)閱教師：評(píng)閱教師： （簽名） 單位

11、：?jiǎn)挝唬?（蓋章）年年 月月 日日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過(guò)程一、答辯過(guò)程1、畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài) 優(yōu) 良 中 及格 不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫規(guī)范？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文

12、（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？ 優(yōu) 良 中 及格 不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書）所體現(xiàn)的整體水平 優(yōu) 良 中 及格 不及格評(píng)定成績(jī)：評(píng)定成績(jī)： 優(yōu)優(yōu) 良良 中中 及格及格 不及格不及格教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）：教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）： （簽名）年年 月月 日日教學(xué)系意見(jiàn)：教學(xué)系意見(jiàn)：系主任：系主任： （簽名）年年 月月 日日摘 要超聲波是指頻率在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。

13、正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。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。我采用以at89c51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(cè)距儀的硬件電路。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由信號(hào)發(fā)射和接收、供電、溫度測(cè)量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號(hào)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(guò)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

14、時(shí)間。溫度測(cè)量后送到單片機(jī),通過(guò)程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正, 結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)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(duì)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(duì)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(shí)際的環(huán)境對(duì)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(duì)超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會(huì)使測(cè)量差生很大的誤差。再設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。關(guān)鍵詞 at89c51 超聲波 測(cè)距目 錄摘 要 .1第

15、 1 章 緒論 .11.1 課題背景及重要意義.1第 2 章 超聲波測(cè)距原理與方法 .52.1 超聲波簡(jiǎn)介.52.1.1 超聲波的三種形式 .52.1.2 超聲波的物理性質(zhì) .52.1.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用 .52.2 超聲波傳感器介紹.62.2.1 超聲波測(cè)距原理及結(jié)構(gòu) .62.2.2 超聲波傳感器選擇 .92.2.3 超聲波測(cè)距的原理 .92.2.4 發(fā)射脈沖寬度 .10第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .133.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案 .143.2 接收電路設(shè)計(jì).163.3 單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì).173.3.1 lcd 顯示部分 .21第 4 章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析 .234.1 系統(tǒng)軟件

16、設(shè)計(jì).234.2 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析.284.2.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能 .284.2.2 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速 .294.2.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算 .29系統(tǒng)原理圖 .34源程序 .35基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1 章 緒論1.1 課題背景及重要意義近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)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?/p>

17、有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)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(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)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(zhǎng)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(cè)、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

18、、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(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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。第 2 章 超聲波測(cè)距原理與方法2.1 超聲波簡(jiǎn)介超聲波技術(shù)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

19、業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。該技術(shù)在國(guó)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(guó)對(duì)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(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；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(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)(1) 超聲波

20、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(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)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。(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(qiáng)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(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(chǎng)。2.1.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，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

21、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。(2) 空化作用在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)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(guò)程稱為空化。(3) 熱學(xué)作用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。 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、

22、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。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(lái)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(hào)，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(hào)，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： 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) 2.2.1 超聲波測(cè)距原理及結(jié)構(gòu)電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端

23、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(lái)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(hào)，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(hào)，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(cè)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

24、。超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原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(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，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(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。假定 s 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為 ts，超聲波傳播速度為vms1 表示，則有關(guān)系式(2-1)s=vt2 (2-1)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。v=3314+0607t (2-2)式

25、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 ms。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“

26、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)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲

27、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較少，價(jià)格a壓電晶片b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(shuō)，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

28、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)。 圖 2-3 雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖 2-3 所示，當(dāng)在 ab 間施加交流電壓時(shí)，若 a 片的電場(chǎng)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)。圖 2-4 雙壓電晶片的等效電路圖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oc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mr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

29、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。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(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)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(guò)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

30、效率的高頻電壓。2.2.2 超聲波傳感器選擇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、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見(jiàn)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。在超聲波測(cè)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(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是 4okhz

31、的收發(fā)分體式超聲傳感器，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。表 2-5 傳感器特性參數(shù)表型號(hào)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zkh5 . 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(cè)距的原理超聲波測(cè)距方法主要有三種：1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；2）聲波幅值

32、檢測(cè)法：易受反射波的影響；3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測(cè)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(cè)量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。圖 2-6 測(cè)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(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 0.6 米秒。表 2-7 列出了幾種溫度下的聲速：表 2-7 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米秒）31331932

33、5323338344349386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(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)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(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。在本系統(tǒng)中利用 at89s52 中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用 ds18b20 測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)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(cè)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）

34、如果為了進(jìn)一步提高測(cè)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）222slh2.2.4 發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)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 25s(l 個(gè) 40khz 方波脈沖)， 100s(4 個(gè) 40khz 方波脈沖)，200s(8 個(gè) 40khz 方波脈沖)， 800s(32 個(gè) 40khz 方波脈沖)的發(fā)射

35、脈沖寬度，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)。最終采用短距離(2m 內(nèi))發(fā)射 200s(8 個(gè) 40khz 方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長(zhǎng)距離(2m 外)發(fā)射 800s(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(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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(cè)接收電路和溫度補(bǔ)償電路四部分組成。隨著超聲波測(cè)量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測(cè)量任何目標(biāo)物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問(wèn)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

36、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(cè)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(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。 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(hào)，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，在此電路上加功率放大電路使測(cè)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)。由于從接收傳感器探頭 ucm40t 傳來(lái)的超聲波回波很微弱（幾十個(gè) mv 級(jí)） ，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)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(duì)接收探頭接受到的信號(hào)進(jìn)

37、行放大、濾波，信號(hào)經(jīng)過(guò) 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(guò)單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過(guò)三位 led 數(shù)碼管顯示。3.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)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，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

38、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(cè)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。3.1.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案一、發(fā)射電路輸出波形分析1.發(fā)射波形的重復(fù)性為獲得高分辨力，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。

39、為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。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。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(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)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(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。2.發(fā)射波形電壓及功率傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)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

40、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(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)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。3.2 接收電路設(shè)計(jì)接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因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(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信圖 3-1 超聲波發(fā)射電路框圖號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大有用信號(hào)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

41、時(shí)刻。前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)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(jì)。ls2ucm402314111tl082r2r3rpvcc-vccu0uiifii圖 3-3 前置放大電路圖電路如圖 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個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器 tl082 及電阻 r 、2和 r

42、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。3r由電路的基本知識(shí)，可列出:i （3-2)2ruuiii (3-3)3ruuf根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念: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。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。0i故可知本電路中:u，且 i所以有0, 0uufii (3-4)iurru23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(hào)表示與反相。uiu電路的電壓放大倍數(shù)為: (3-5)23rruu

43、aiuf利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)2r3rpr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(jí)偏32/ rrrp置電流平衡并讓輸入級(jí)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(duì)輸出端的影響，故又稱為平衡電阻。pr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)，故分別取; kr12;，即放大電路將輸入信號(hào)放大 200 倍。kr2003 krp13.3 單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為

44、廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而己。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使 led發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)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(shí)際要求由數(shù)碼管，通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示，表示距離的 xxxcm 數(shù)值。led 數(shù)碼管顯示與單片機(jī)接口通常涉及以下幾個(gè)問(wèn)題:1.led 數(shù)碼管顯示用共陰極管還是共陽(yáng)極管2.由數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息借軟件譯碼還是硬件譯碼3.顯示掃描采用動(dòng)態(tài)掃描還是靜態(tài)掃描問(wèn)題 1 采用共陰極數(shù)碼管還是共

45、陽(yáng)極數(shù)碼管沒(méi)有太明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。如圖 3-4（a）所示數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管內(nèi)部，由 8 個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)組成 8 字形的七段筆劃，分別編號(hào)為 a、b、c、d、e、f、g，還有一個(gè)為小數(shù)點(diǎn)，標(biāo)為 dp。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一段筆劃或點(diǎn)就發(fā)亮，控制不同二極管導(dǎo)通就能顯示出不同符號(hào)。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；發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的稱為共陽(yáng)，如圖 3-4（c）所示。兩種數(shù)碼管僅在單片機(jī)編程時(shí)數(shù)碼對(duì)應(yīng)的筆劃信息碼不同。 圖 3-4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖問(wèn)題 2 軟件譯碼是將各數(shù)碼的筆劃信息構(gòu)成一個(gè)表格預(yù)儲(chǔ)于內(nèi)存，以后根據(jù)要顯示的每一數(shù)碼執(zhí)行一段查表程序，

46、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(dòng)芯片直接譯出筆劃信息。問(wèn)題 3 動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的 8 個(gè)筆劃段 ah 同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極 com是各自獨(dú)立地受 i/o 線控制。cpu 向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)顯示器亮，則取決于 com 端，而這一端是由 i/o 控制的，所以我們就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示

47、器的 com 端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的(約 1ms)，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮 led 數(shù)碼管無(wú)位選信號(hào)，各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的;每數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時(shí)送給。其原理比較簡(jiǎn)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。因此，動(dòng)態(tài)掃描用得更多。p1.0/t21p1.1/t2ex2p1.2/eci3p1.3/cex

48、04p1.4/cex15p1.5/cex26p1.6/cex37p1.7/cex48rst9p3.0/rxd10p3.1/txd11p3.2/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/ad138p

49、0.0/ad039vcc40at89s51in11in22in33in44in55in66in77out116out314out413out512out611out710out215com9gnd8uln2003aoe1clk11d02o019d13o118d24o217d35o316d46o415d57o514d68o613d79o712vcc20gnd1074acq574pc12xtalc3c21kr1c1vccvcckfgedkcdpbadpy red-cckfgedkcdpbadpy red-cckfgedkcdpbadpy red-ccvccvcc123456781615141312

50、11109res pack4vccy1y2y3y1y2y3x2x3x4x5x6x7x8x1x2x3x4x5x6x7x8x1x2x3x4x5x6x7x8x1x2x3x4x5x6x7x8x1圖 3-5 顯示部分電路圖針對(duì)以上 3 個(gè)問(wèn)題，實(shí)際考慮節(jié)約單片機(jī)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(jì)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(jī) p2 口送至鎖存器 74hc574 鎖存，再經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)芯片 uln2o03 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，p0.1-p0.3分別控制每一位的動(dòng)態(tài)顯示。74hc574 為三態(tài)輸出 d 型上升沿觸發(fā)器，圖 3-6 為其引腳圖，在輸入使能端有oe效時(shí)

51、，當(dāng)時(shí)鐘脈沖 ck 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(jī) 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。oe 1 20 vcc 1b 1 16 1c1d 2 19 1q 2b 2 15 2c2d 3 18 2q 3b 3 14 3c3d 4 17 3q 4b 4 13 4c4d 5 16 4q 5b 5 12 5c5d 6 15 5q 6b 6 11 6c6d 7 14 6q 7b 7 10 7c7d 8 13 7q 8b 8 9 com 8d 9 12 8q9d 10 11 clk圖 3-6 74hc574 引腳圖 圖 3-7 uln2003 引腳

52、圖表 3-1 74hc574 功能表inputs clk doeoutput q l hl l l h or l xh x xhlq0zuln2003 為顯示驅(qū)動(dòng)芯片，抬升單片機(jī)的輸出電流，提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。其引腳如圖 3-7 所示，其內(nèi)部含七對(duì)達(dá)林頓放大管，其主要功能:當(dāng)輸入為高電平時(shí)，輸出為低電平;輸入為低電平時(shí)，輸出為高電平。本課題讓單片機(jī) p0.1-p0.3 經(jīng)此芯片提升驅(qū)動(dòng)能力從而控制數(shù)碼管的位選，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)掃描輸出。由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。這里采用的主要元器件是是美國(guó) dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器ds18b

53、20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。將 ds18b20 數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 p1.1 口相連，就可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，如圖 3-8 所示。 3.3.1 lcd 顯示部分本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型 tc1602 液晶顯示所測(cè)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。 其中，tc1602 第 4 腳 rs 為寄存器選擇，第 5 腳 rw 為讀寫信號(hào)線，第 6 腳 e 為使能端。第 714

54、 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(jī)端的 d0d7 是接到 lcd602 的 d1d0，正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。圖 3-8 ds18b20 溫度測(cè)量電路圖 3-9 tc1602 液晶顯示電路第 4 章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(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；(4)本次設(shè)計(jì)使用 c

55、語(yǔ)言編寫程序，c 語(yǔ)言相比匯編有許多的優(yōu)勢(shì)；編譯器使用keil version2 進(jìn)行程序編譯，keil 功能強(qiáng)大使用方便。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。如圖 4-1 所示描述了各個(gè)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(jì)主程序的思想如下：(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(cè)量啟動(dòng)鍵；(4)系統(tǒng)采用 at89s52的內(nèi)時(shí)鐘：12mhz；(5)沒(méi)有使用看門狗功能；(6)

56、超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測(cè)，避免直達(dá)信號(hào)造成誤判。所以系統(tǒng)最小測(cè)量約為 112mm；系統(tǒng)主程序如下：void main(void)uchar i,j;for(i=0;i255;i+)for(j=0;j255;j+); sys_init(); display(); sta_flag=0; waitforstarting: while(start);for(i=0;i20;i+)delay1ms();if(start)goto waitforstarting;buzzer=0; i=100000;while(i-);buzzer=1;i=100000;while(i-);tr0=1; et

57、0=1;testtemp(); while(1) if(sta_flag) while(0=csbin); tr1=0;jsh=th1; jsl=tl1;if(15=count) temp=wd(); count=0;testtemp(); display(); computer(); hextobcd(); sta_flag=0; void sys_init(void) uchar i;for(i=0;i0 x1000)c=c+1;tu=1; c=4; return c;elsereturn r; 4.2.2 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速 int c_speed(void) uchar y; y=r

58、ead_temperature(); if(r) t_c=y; if(tu=0)speed=332+t_c*0.607; else speed=332-t_c*0.607; else speed=346.5; return speed;4.2.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算float dis_count()float cm;cm=th1*256+tl1;cm-=7610; cm*=speed; cm/=20000; return cm;系統(tǒng)原理圖源程序#include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuch

59、ar code dispbuf33=temperature: distance: mm ;uchar numcode10=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;uint num29=0;uchar jsh,jsl; /計(jì)數(shù)器的高低位uchar count=0; /10 秒計(jì)次數(shù)uint distance; /距離uint temp; /溫度變量uchar bdata flag; /ds18b20 存在標(biāo)準(zhǔn) sbit rs=p20; /lcd rssbit rw=p21; /lcd rwsbit e =p22; /lcd esbit dq=p27; /ds18b20 數(shù)字端口sbit busy

60、 = p07; /lcd 忙void delay(uint time);void delay1ms(uint ms);void delay();void delay15(uchar us);void buma(void);void b20_wdat(uchar dat);uchar b20_rdat(void);void init_18b20(void); /初始化 18b20void write_comm(uchar); /寫入 lcd 命令 void write_data(uchar); /寫入 lcd 數(shù)據(jù)void init_lcd(void);sbit sta_flag =flag0; /10ms 到標(biāo)準(zhǔn)位，fla