基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的畢業(yè)設計

1、基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設計基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設計摘要：本文在超聲波測距原理的基礎上，設計基于AT89S52單片機與超聲波傳感器為核心的超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機控制時間計數(shù)、控制超聲波的發(fā)射和接收，同時為了提高系統(tǒng)的精度，采取了溫度補償?shù)纫幌盗写胧?。整個電路采用模塊化設計，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、溫度補償子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。針對系統(tǒng)的發(fā)射、接收、檢測、顯示進行了論證，對試驗結果進行了誤差分析。試驗證明這套軟硬件設計合理，實時性良好。關鍵詞：超聲波；單片機；溫度補償；測距D

2、esign of Ultrasonic Distance Measurement Systembased on SCMAbstract ：This paper discussed ultrasonic distance ranging and designed a kind of the ultrasonic distance system based on AT89S52 MCU and ultrasonic sensors. The MCU is employed to achieve the function of controlling time counting and transm

3、it or receive of ultrasonic. At the same time, in order to raise the devices precision, it makes measures such as temperature compensation and so on. Modular design of the whole circuit from the main program, display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing,

4、 and the ultrasonic range finder function. According to the transmissions receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out and analyzes the experimental result. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-distu

5、rbance competence is powerful.Key Words：Ultrasonic; Micro Control Unit; Temperature compensation; Measuring distance第1章 緒論1.1 研究背景與課題來源單片機技術作為計算機技術的一個分支，廣泛應用于各個領域。單片機可以構成各種工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如數(shù)控機床、自動生產(chǎn)線控制、電機控制、溫度控制等。一些儀器儀表如智能儀器、醫(yī)療器械、數(shù)字示波器等也用到單片機。計算機外部設備與智能接口如圖形終端機、傳真機、復印機、打印機、繪圖儀、磁盤/磁帶機、智能終端機，商用產(chǎn)品如自動售貨機，

6、電子收款機，電子稱，家用電器如微波爐、電視機、空調、洗衣機、錄像機、音響設備等都離不開單片機。單片機在控制領域中，具有很多優(yōu)點，它體積小，成本低，運用靈活，易于產(chǎn)品化，它能方便的組成各種智能化的控制設備；面向控制，能針對性的解決從簡單到復雜的各種控制任務。因而能獲得最佳的性能價格比；它抗干擾能力器，適用范圍寬，在各種惡劣的環(huán)境下都能可靠地工作，這是其他類型的計算機無法比擬的；此外，可以方便的實現(xiàn)多機和分布式控制，使整個控制系統(tǒng)的效率和可靠性大為提。在國內，單片機以其及其優(yōu)越的優(yōu)點受到人們的高度重視，并取得了一系列科研成果，成為傳統(tǒng)工業(yè)技術改造和新產(chǎn)品更新?lián)Q代的理想機種，具有光控的發(fā)展前景。近幾

7、年來，超大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)，促成計算機朝三個方向發(fā)展：單片機、高性能微型計算機及專用微型計算機。單片機在微型計算機領域占據(jù)著十分重要的地位。如今，單片機的發(fā)展越來越迅速，國內外先進技術不斷涌現(xiàn)。目前，嵌入式數(shù)字信號處理器發(fā)展度很快，和控制器MCU 結合在一起的最近期的點偏激發(fā)展的一個方向。嵌入式系統(tǒng)一般指把單片機嵌入有某種功能并有獨立形態(tài)的系統(tǒng)中作為智能控制核心。它是計算，通信與消費結合的產(chǎn)品，主要用于信號處理和控制，應用最多的是智能家用電器，是智能家電產(chǎn)品的核心。利用超聲波作為定位技術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，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波，借助空氣

8、媒介質傳播，由待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與反射的超聲波的強弱判斷獵物的性質或障礙位置的方法。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，所以測距就成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。盡管測距有多種方式，比如：激光測距、微波測距、紅外線測距和超聲波測距等。但是，超聲波測距不失為一種簡單可行的方法。超聲波測距儀有造價底，省力，操作方便的優(yōu)點。雖然超聲波測距電路多種多樣,甚至已有專用超聲波測距集成電路。但是，有的電路復雜，技術難度大，有的調試困難，有的元件不易購買。本文介紹的電路，成本低廉，性能可靠，所用元件易購，并且利用測距原理，結合單片機的數(shù)據(jù)處理，使測量精度提高，電路實現(xiàn)容易，無

9、須調試，工作穩(wěn)定可靠。1.2 課題研究的意義和目的MCS-51 系列單片機是INTEL 公司繼MCS-48 系列后推出的8 位高檔微型計算機系列，其性能，指令功能，運行速度遠遠超出一般的通用處理器。國內外計算機應用部門競相用這種單片機構成各種智能儀表，智能控制器，智能接口，通用測控單元，醫(yī)療器械等，標志著單片機正式登上了計算機世界的舞臺。單片機的應用為越來越多的科技人員所注目。在工業(yè)生產(chǎn)中，電流，電壓，溫度，壓力，流量，流速，流速和開關量是常用的主要被控參數(shù)。目前利用MCS-51 單片機控制超聲波測距系統(tǒng)的設計越來越多了，該系統(tǒng)也得到廣泛的應用，如智能化汽車倒車系統(tǒng)，機器人的障礙行走，物位測量

10、，醫(yī)療，通訊，家電及其他方面都有廣泛的應用。因此有必要研究出性能更能好精確度更高的應用性超聲波測距系統(tǒng)。在現(xiàn)實生活中，在一些傳統(tǒng)的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷，例如，液面測量就是一個距離測量，傳統(tǒng)的電極法采用差位分布電極，通過給電或脈沖檢測液面，電極長期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐蝕、電解，從而失去靈敏性。而利用超聲波測量距離可以很好地解決這一問題。目前市面上常見的超聲波測距系統(tǒng)因價格昂貴，體積過大而且精度不高等種種因素，使得在一些中小規(guī)模領域中難以得到廣泛的應用。為解決這一系列難題，本文設計了一款基于STC89C52 單片機的低成本、高精度、微型化的超聲波測距系統(tǒng)。1.3

11、 課題研究的可行性采用超聲波測量大氣中的地面距離，是近代電子技術發(fā)展才獲得正式應用的技術，由于超聲測距是一種非接觸檢測技術，不受光線、被測對象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境(如含粉塵)具有一定的適應能力。因此，用途極度廣泛。例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波測量地面距離的方法，是利用光電技術實現(xiàn)的，超聲測距儀的優(yōu)點是:儀器造價比光波測距儀低，省力、操作方便。超聲測距儀在先進的機器人技術上也有應用，把超聲波源安裝在機器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時接收由障礙物反射回波來確定機器人的自身位置，用它作為傳感器控制機器人的電腦等等。由于超聲波易于定向發(fā)射，方向

12、性好，強度好控制，它的應用價值己被普遍重視。如此廣泛的應用使得提高人們對機器人的了解顯得尤為重要。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術而言成本低廉,測量精度較高,不受環(huán)境的限制,應用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結合共同實現(xiàn)機器人尋線和繞障功能。超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制

13、，在測量精度方面也能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應用。本課題的研究是非常有實用和有商業(yè)價值的。從設計要求可知，本課題研究的是利用超聲波傳感器來測量距離。要考慮其是否可行，首先必須了解超聲波具有哪些特性。所謂超聲波就是指頻率高于20kHz 的機械波，一般由壓電效應或磁致伸縮效應產(chǎn)生；沿直線傳播，當頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強；強度大、方向性好等特點。因此，利用超聲波的這些特性就可制成超聲波傳感器。又由于超聲波在空氣中的傳播速度較慢，一般為340m/s 左右，這使得超聲波傳感器的應用變得非常簡單，因此利用超聲波傳感器測量距離就不再困難了，由此可見，基于STC89C52 的超聲波測

14、距系統(tǒng)的研究設計是可行的?？傊梢陨戏治隹煽闯?利用超聲波測距，在許多方面有很多優(yōu)勢。因此，本課題的研究是非常有實用和商業(yè)價值。1.4 課題設計的功能簡介該測距系統(tǒng)由+5V 穩(wěn)壓電源提供驅動，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，應用單片機技術計算超聲波在空氣中傳播的時間（超聲波的速度為聲速）并處理成相應的距離，然后再通過四位七段數(shù)碼管顯示實測距離的數(shù)字儀表。其主要功能如下：1） 測距范圍為< 6m；2） 顯示方式為數(shù)碼管顯示；3） 具有較強的抗干擾能力，安裝簡單；4） 體積小、功耗低，能嵌入其它系統(tǒng)。第2章 總體方案2.1 超聲波測距的原理超聲波是一門以物

15、理、電子、機械、以及材料科學為基礎的、各行各業(yè)都要使用的通用技術之一。該技術在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質量，保障生產(chǎn)安全和設備安全運作，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。超聲技術是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時，如圖2-1所示。超聲波

16、在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即： （2-1）圖2-1 超聲波測距原理圖這就是所謂的時間差測距法7，由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調制成具有一定間隔的調制脈沖波信號。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

17、波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=331.4+0.607T （2-2）式中，T 為實際溫度單位為°C，v 為超聲波在介質中的傳播速度單位為ms。表2-1 溫度對聲速的影響2.2 總體方案確定本設計是在超聲波原理的基礎上，完成了基于時差測距原理的一種超聲波測距系統(tǒng)設計。測距儀以AT89S52芯片為核心，74LS04組成的超聲波發(fā)射電路、并由超聲波處理模塊CX20106A、LED顯示模塊等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED顯示電路。依據(jù)實際的測量精度要求添加溫度補償電路，避免了環(huán)境誤差，能夠清晰穩(wěn)定的顯示結果。由單片機發(fā)出40kHz的方波信號進入超聲波發(fā)射

18、電路，經(jīng)功率放大芯片放大后進入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時間后經(jīng)前方被檢測物體反射回來，由超聲波接收頭接收，超聲波電路中的接收芯片對信號放大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個下拉電平使單片機進入中斷程序，在中斷程序中，單片機從溫度檢測電路讀取數(shù)值并換算成當前溫度下的聲速，應用時差法計算所檢測的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在LED顯示電路上顯示。結構圖如圖2-2所示。圖2-2 系統(tǒng)結構圖第3章 硬件電路設計3.1 單片機及顯示電路設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用STC89C52 或其兼容系列。采用12M

19、Hz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0 端口輸出超聲波換能器所需的40kHz 的方波信號，利用外中斷0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4 位共陽LED 數(shù)碼管，段碼用74LS245 驅動，位碼用PNP 三極管驅動。LED數(shù)碼管結構簡單，價格便宜。圖3-1示出了八段LED數(shù)碼顯示管的結構和原理圖。圖3-1(a)為八段共陰極數(shù)碼顯示管結構圖，圖3-1(b)是它的原理圖，圖3-1(c)為八段共陽LED顯示管原理圖。八段LED顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和SP，分別與同名管腳相連。圖3-1 LED結構圖3.2

20、 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭的型號選用CSB40T（其中心頻率為40KHz）?？梢圆捎密浖a(chǎn)生40KHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經(jīng)過動器驅動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設計一個驅動電流為100mA以上的驅動電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是無需驅動電路，但缺乏靈活性。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，非門可以選用74LS04，具體電路如圖3-2所示。圖3-2 發(fā)射電路圖從圖中可知，當輸入的信號為

21、高電平時，上面經(jīng)過兩級反向CSB40T的1引腳為高電平，下面經(jīng)過一級反向后為低電平；當輸入信號為低電平時，正好相反，實現(xiàn)了振蕩的信號驅動CSB40T，只要控制信號接近40KHz，就能產(chǎn)生超聲波。3.2.1 40kHz 脈沖信號的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射測距系統(tǒng)中的超聲波發(fā)生器采用UCM40 的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz 的脈沖信號，這個信號可由單片機的P1.0 端口來產(chǎn)生，其40kHz 的脈沖信號產(chǎn)生程序如下： for(i=0;i<8;i+) _nop_(); TX!=TX;)P1.0 輸出的40kHz 脈沖信號經(jīng)三極管T 放大，驅動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz 的脈沖

22、超聲波，且持續(xù)發(fā)射200us。右側和左側測距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2 端口，工作原理與前方測距電路相同。3.3 超聲波接收電路超聲波接收包括接收探頭，信號放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號，否則可能導致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信號非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過波形變換。本次設計為了降低調試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機上面的一種紅外接收檢波芯片10CX20106，由于紅外遙控的中心頻率在38KHz，和超聲波的40KHz很接近，所以可以用來做接收電路。接受

23、電路如圖3-2所示。圖3-3 接收電路圖使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋。（1）1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。（2）2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R14或減小C5,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C5的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R14=10，C5=1f（3）3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，

24、則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3f。（4）4腳：接地端。（5）5腳：該引腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。（6）6腳： 該引腳與地之間接一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。（7）7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。（8）8腳：電源正極，4.55V3.3.1距離計算在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超

25、聲波發(fā)射的時間和收到反射波時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出產(chǎn)生一個負跳變，在INT0 或INT1 端產(chǎn)生一個中斷請示信號，單片機響應外部中斷請示，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下：void Conut(void) time=TH0*256+TL0; TH0=0; TL0=0; temp=readtemptaure(); delay1(10); c=331.4+0.607*temp; c=c/150; S=(time*c)/100; if(S>=200)|flag=1) SPEAK=0; delay1(200); flag=0; disbuff0=10

26、; /顯示“-” disbuff1=10; /顯示“-” disbuff2=10; /顯示“-” else disbuff0=S%1000/100; disbuff1=S%1000%100/10; disbuff2=S%1000%10 %10; Display(); 3.4 RS232 串口通信電路設計RS232 是單片機間，或單片機與上位機間通訊聯(lián)絡用。MAX232 作為RS232 的電平轉換芯片，完成TTL 電平到RS232 電平的轉換。MAX232 是一種雙組驅動器接收器，片內含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單5V 電源供電時提供EIATIA-232-電平。典型的RS-232 信號在正負電

27、平之間擺動，在發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)送端驅動器輸出正電平在+5+15V，負電平在-5-15V 電平。當無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結束，線上電平從TTL 電平到RS-232 電平再返回TTL 電平。電容可以取0.1uF 到10uF之間的電容，有極性無極性均可，但是使用有極性的電容一定注意正負方向。據(jù)查閱資料：由RS-232C 標準規(guī)定在碼元畸變小于4的情況下，傳輸電纜長度應為15m，在實際應用中。約有99的用戶是按碼元畸變10-20的范圍工作的，所以實際使用中最大距離會遠超過15m，一般能滿足個人和近距離設備的需要。為了能將編譯后的程序文件下載到單片機中，用到了MAX232 芯片。在最

28、簡單的RS-232 直接傳送通信系統(tǒng)中，只要發(fā)送和接收雙方同時準備好，僅用信號發(fā)送端(TXD) ，信號接收端(RXD) 和信號地(GND)3 根線即可進行通信。在89C52 單片機系統(tǒng)中，分別從P3.0 和P3.1 引出串口線RXD 和TXD 轉換成RS-232 接口標準的電平，這樣，二者之間就可以通過RS-232 接口進行數(shù)字信號的傳送，其電路圖如下圖3-4 所示。3.4.1 PC機與單片機的硬件連接串口是PC機上一種非常通用的設備通信協(xié)議。多數(shù)PC機提供兩個9針或25針的RS232標準串行口，簡稱為COM1和COM2。大多數(shù)計算機應用系統(tǒng)與智能單元之間只要使用3到5根信號線即可工作，需使用

29、IXD(發(fā)送數(shù)據(jù))、RXD(接收數(shù)據(jù))、GND(地線)等信號線，但有時還需使用RTS(發(fā)送數(shù)據(jù)請求)、CTS(清除發(fā)送)、DTR(數(shù)據(jù)終端就緒)、DSR(數(shù)據(jù)發(fā)送就緒)等信號線。3.4.2 串口通信的實現(xiàn)單片機硬件系統(tǒng)是一個典型的信號采集系統(tǒng)，PC機控制端先給單片機發(fā)送“開始指令”和有關系統(tǒng)測量參數(shù)，單片機接收到后硬件系統(tǒng)開始工作，進行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號經(jīng)放大和A/D變換后送入單片機，單片機把處理后的數(shù)據(jù)按每個180個字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過RS232接口傳到計算機18。計算機首先對單片機發(fā)過來的每一幀數(shù)據(jù)進行正確的接收，并對數(shù)據(jù)進行實時顯示，然后再進行必要的處理，以達到實時監(jiān)控的目的

30、。PC機也可以隨時向單片機發(fā)送指令，使單片機根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應的動作。圖3-4 TTL轉RS232接口電路3.5 電源電路電源電路提供系統(tǒng)運行的能量，所以在進行電源電路設計保證原理正確的前提下，考慮電源容量并保證一定的余量。為獲得一個標準設計的電源電路，可通過降壓，整流，穩(wěn)壓，濾波四個環(huán)節(jié)得到5V的直流穩(wěn)壓電源：1） 降壓：可通過變壓器將市電轉變后，選擇輸出電壓為79 伏之間電源。2）整流：將變壓后的電源通過四個整流二極管4007 組成的整流橋，將交流電轉變成直流電，因此即使粗心電源接反單片機也不會燒掉，而電路也是正常工作的。3）穩(wěn)壓：通過三端正穩(wěn)壓電路7805 穩(wěn)壓成5 伏直流電源提供給

31、單片機系統(tǒng)使用。4）濾波：7805 左邊兩個是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個小電容的目的是降低高頻內阻，因為大的電解電容一般采用卷繞工藝制造,所以等效電感較大,小電容可以提供一個小內阻的高頻通道,降低電源全頻帶內阻。7805 右邊兩個電容是5 伏電源的濾波電容。通過以上四個環(huán)節(jié)即得到5V 的直流穩(wěn)壓電源。整個電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進行設計的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機提供安全且穩(wěn)定的電源了，最后再并接一個高亮發(fā)光二極管來指示單片機的工作狀態(tài)。單片機系統(tǒng)的總電源電路圖如3-5：圖3-5 電源電路圖3.6 單片機復位電路設計復位是單片機初始化操作，其作用是使C

32、PU 和系統(tǒng)中的其他部分都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。復位輸入端管腳RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復位電路相連，主要是用來抑制噪聲。圖3-6 為按鈕復位電路。在實際應用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復位端，引起內部某些寄存器錯誤復位，可在RST 端管腳上可接一個去藕電容。圖3-6 單片機復位電路圖3.7 聲光報警顯示電路的設計此模塊主要為聲光顯示功能，以提示是否進入或退出調整電子時鐘界面，更具有人性化。當系統(tǒng)正常工作時，P1 口的8 個發(fā)光二極管（除了P1.4）全部點亮；當進入時間調整的時候，P1 口的8 個發(fā)光二極管只有高四位點亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時即可開始調時；調時

33、完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后8 位發(fā)光二極管回到正常工作時的點亮狀態(tài)。發(fā)光二極管電路中采用共陽法，即當單片機I/O 口輸出低電平時，發(fā)光二極管亮；在蜂鳴器電路中，采用了PNP 三極管9012 來驅動，當單片機該端口輸出低電平時，蜂鳴器發(fā)出響聲，其電路圖如下圖3-6，圖3-7： 圖3-7 P1 口二極管發(fā)光電路 圖3-8 蜂鳴器電路3.8 鍵盤電路的設計如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花費實現(xiàn)鍵盤功能，是人機接口設計的關鍵?？蛇x擇的方案有以下兩種：方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。用較少的I/O 口就能夠連接很多按鍵，適宜于硬件資源緊張的情況。方案二：采用獨立按鍵方式輸入。該方式

34、的優(yōu)點是在軟件上對按鍵輸入的處理比較簡單、方便；在硬件上占用的I/O 口數(shù)比較多。由于本設計中所需I/O 口不是很多，且I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。本模塊電路占用了單片機的P3.23.5 四個I/O 口，主要是完成時鐘調整功能，單片機系統(tǒng)初始化后，I/O 端口輸出高電平，由于按鍵的另一端都接公共地，因此可根據(jù)這幾個I/O 口是否為低電平中可檢測是否有按鍵按下，是哪個鍵被按下，然后轉向該按鍵所指向的功能。其電路圖如下圖3-9 所示：圖3-9 單片機與按鍵的接口電路第4章 系統(tǒng)軟件設計4.1 系統(tǒng)主程序設計超聲波測距系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計，主要包括主程序設計、T1 中斷服務子程序、IN

35、T0 外部中斷服務子程序、測溫子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序和報警子程序設計等。系統(tǒng)軟件編制時應考慮相關硬件的連線，同時還要進行存儲空間、寄存器以及定時器和外部中斷引腳的分配和使用。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定定時器T0 工作模式為16 位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA，并給西安市端口清零，然后調用超聲波發(fā)生子程序發(fā)出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms（這也是測距器會有一個最小可測距離的原因）后，再打開外部中斷0 接收返回的超聲波信號。由于采用12MHz 的晶振，機器周期為1us，當主程序檢測到接收成功的標志位后，

36、將計數(shù)器T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可得到被測物體與測距儀之間的距離，當然，我們計算的時候還要考慮溫度對聲速的影響。測出距離后結果將以十進制BCD 碼方式LED，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。主程序框圖如下：開始系統(tǒng)初始化溫度檢測子程序測距子程序結合溫度計算結果顯示結束圖4-1 主程序框圖主程序流程圖：開始系統(tǒng)初始化位置回波接收標志位發(fā)射超聲波脈沖開定時器延時0.1mS開外部中斷計算距離顯示回波標志位是否為1YN 圖4-2 主程序流程圖4.2 系統(tǒng)中斷程序設計超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0 端口發(fā)送2 個左右的超聲波信號頻率約40KHz 的方波，脈沖寬度為12us

37、 左右，同時把計數(shù)器T0 打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0 引腳出現(xiàn)低電平)，立即進入中斷程序11。進入該中斷后就立即關閉計時器T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0 關閉，并將測距成功標志字賦值0 以表示此次測距不成功。定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取，距離計算，結果的輸出等工作。定時中斷入口定時器初始化發(fā)射超聲波停止發(fā)射返回三方發(fā)射完否YN圖4-3 定時中斷服務子程序4.2.1超聲波測距子程序設

38、計超聲波發(fā)射子程序在P3.7口產(chǎn)生40kHZ方波脈沖寬度約12us，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號。一旦接收到超聲波返回信號后，就立即進入中斷程序。進入中斷程序后就立即關閉定時器，T0停止計時，并將接收到的標志位為1,，然后在主函數(shù)里調用計算距離公式，在顯示出來，流程圖如圖4-4所示。開始發(fā)生超聲波停止發(fā)射，啟動計數(shù)器開始計數(shù)外部0是否有中斷計數(shù)器停止計算檢測結果結束YN圖4-4 超聲波測距流程圖4.3超聲波溫度補償子程序設計溫度補償流程圖如圖4-5所示。開始啟動溫度檢測電路得出對應的溫度值返回圖4-5 溫度補償流程圖第5 章系統(tǒng)電路調試及誤差分析5.1 系統(tǒng)電路的調試通過多次的實驗，對電路各部分

39、進行了測量，調試和分析。首先測量發(fā)射電路對信號放大的倍數(shù)，先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個40kHz 真的方波信號，峰峰值為3.8V。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號峰峰值放大到10V 左右。40kHz 的方波驅動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz 的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時衰減，所以接收到的波形復制較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負跳變，在單片機的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個中斷請求信號。該測距電路的40kHz 方波由單片機的編程產(chǎn)生，方波的周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生半周期為12s或13s 的方波

40、信號，頻率分別為41.67kHz 和38.67kHz。超聲波測距儀的制作和調試，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，安裝時應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，可適當調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。硬件電路制作完成并調試好后，便可將單片機試運行15。根據(jù)實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間，以適應不同距離的測量需要

41、。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為小于6m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。5.2 系統(tǒng)的誤差分析5.2.1 聲速引起的誤差聲波是媒質中傳播的質點的位置、壓強和密度對相應靜止值的擾動。高于20kHz時的機械波稱為超聲波，媒質包括氣體，液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強波，對一般流體媒質而言，聲波是一種縱波，傳播速度為C=(E/)² （5-1）式（5-1）中E 為媒質的彈性模量，單位為kg/mm²；為媒質的密度，單位為kg/mm³；E 為復數(shù)，其虛數(shù)部分代

42、表損耗；C 也是復數(shù)，其實數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)（每單位距離強度或幅度的衰減）有關，測量后者可求得媒質中的損耗。聲波的傳播和媒質的彈性模量密度、內耗以及形狀大小（產(chǎn)生折射、反射、衍射等）有關。從（5-1）可知，聲波傳播速度與媒質的彈性模量和密度有關，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對聲速的影響。在氣體中，壓強、溫度、濕度等因素會引起密度的變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會引起密度的變化，固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度影響最大。聲速受溫度的影響為：C=C01

43、+（/273） ² （5-2）圖5-1 根據(jù)上式測量的溫度-聲速圖圖5-1 空氣中溫度-聲速圖由式（5-2）和圖5-1 可見，當溫度從040°C 變化時，將會產(chǎn)生7%的聲速變化，因此，為了提高測量的準確性，計算式必須根據(jù)溫度進行聲速的修正。工業(yè)測量中，一般用公式計算超聲波在空氣中的傳播速度，即C=331+0.6 （5-3）5.2.2 單片機時間分辨率的影響不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機中斷再通過軟件啟停定時器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。相對而言，單片機的時間分辨率還是不太高，如晶振頻率為12MHz 時，時間分辨率為1s。隨即誤差由于測量過程中

44、的隨機誤差是按統(tǒng)計的規(guī)律變化的，為了讓減少其影響，可在同一位置處多次重復測量X，然后取平均值x 作為測量的真值。5.3 提高測量精度的方法上節(jié)分析了超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測量精度是超聲波測距的關鍵技術，其提高測距精度的措施如下：1）合理選擇超波工作頻率、脈寬和脈沖發(fā)射周期。據(jù)經(jīng)驗，超聲波測距的工作頻率選擇40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應大于填充波周期的10 倍以上，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機處理數(shù)據(jù)的速度，熟讀快，脈沖發(fā)射周期可選短些。2）在超聲波接收回路中串入增益調節(jié)（AGC）及增益負反饋控制環(huán)節(jié)。因超聲波接收

45、的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用AGC 電路放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器的波形的幅值不隨測量距離的變化的大幅度的變化，采用電流負反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。3）提高計時精度，減少時間量化誤差如采用芯片計時器，計時器的計數(shù)頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機內置計數(shù)器的計數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當晶振頻率6MHz時，計數(shù)頻率為0.5MHz，此時在空氣中的測距時間量化誤差為0.34mm。若采用外部硬件計時電路，則計數(shù)頻率課直接引用單片機的晶振頻率，時間量化誤差更小。4）補償溫度。超聲波在介質中的傳播速度和溫度、壓力等因素有關，

46、其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。溫度傳感器DS18B20 的溫度測試分辨率為0.0625°C，-10°C 至+85°C 準確度為±1.0°C，I²C 總線接口。用STC89C52 的通用I/O 端口能很容易的模擬I²C 總線的讀寫時序，DS18B20 高精度溫度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的傳播速度。由于DS18B20 溫度傳感器和單片機組成的高精度超聲波測距儀應用在各種高精度測距場合，如自動氣象站中水汽日蒸發(fā)量的測試，自動任意形狀物體密度測試儀等，它具有測試速度快，能達到毫米級的測量精度等優(yōu)點，它的開發(fā)與應用

47、前景廣泛。5.4 系統(tǒng)性能改善和增大測量距離討論接收放大電路，可加入帶通濾波或鎖相放大（LM567）以盡可能減少干擾信號引起誤觸發(fā)，另外為防止發(fā)射信號直接進入接收端所以設置一定的延時。鎖相應用電路，調整在40KHZ 上，但要考慮加入后對接收處理的延時，用軟件調整。另一方面可采用自動增益補償技術,隨著時間的增加, AGC 的放大倍數(shù)呈指數(shù)規(guī)律變化,從而保證了超聲波接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅變化,使得每次在同一個波頭觸發(fā)計時電路,提高了系統(tǒng)測量準確度。電路可以采用如下圖所示或者采用單片AD603 實現(xiàn)，在這里不具體討論。發(fā)射驅動電路，為放大驅動脈沖可以再加入一級三極管放大電路，三極管

48、要選用高頻的如9018 以減少放大后波形的失真；另一方面還可以根據(jù)超聲波發(fā)生器的特點合理設計阻抗匹配，功放效率和機電轉換效率；為此可采用脈沖變壓器，脈沖變壓器是超聲換能器驅動電路中最重要的器件，它的用途是升高脈沖電壓信號，并使功率放大器的輸出阻抗與換能器的負載阻抗匹配9。一般脈沖變壓器以變壓器的功率、原副邊電壓信號的幅值確定變壓器的尺寸和變比；而超聲換能器驅動用變壓器則主要以功率和原副邊電感及阻抗匹配確定變壓器的尺寸和變比。缺點是制作和測量都比較麻煩。在大量程應用場合還可以應用電容瞬間放電或電感瞬間放電產(chǎn)生高壓激勵脈沖。其它可改善的地方，可采用超聲波測距專用芯片SB5027；也可以采用LM18

49、12N單片超聲波收發(fā)集成電路。另外可以采用時間放大技術提供測量精度，主要考慮單片機時鐘脈寬對測量精度的影響，因為根據(jù)前面討論的超聲波的速度340M/S，當單片機頻率較低時對測量精度的影響較大，不僅記數(shù)脈沖變少，而且回波到達時間點在一個時鐘周期中的位置將不確定，時差檢測采用的方法是對普通的晶體振蕩器分頻后作為計數(shù)器的時鐘，探頭發(fā)射超聲波以后再開始計數(shù)。當收到回波時比較器翻轉時停止計數(shù)，對于剩余的不到一個時鐘周期的時間計量，可通過時間放大技術，然后經(jīng)過A/D 轉換變?yōu)閿?shù)字信號實現(xiàn)。其克服了測量精度受時鐘頻率限制，測時誤差比較大的缺點，將數(shù)字法測時誤差減小到原來的1/K ，即將超聲波測距的測量精度提

50、高了K 倍?；陔娙莩?、放電的時間放大技術成本低、難度小，用較低的時鐘頻率可將測量精度提高12 個數(shù)量級，與直接計數(shù)測量法相結合，可用于中、遠距離測量。由于單片機處理速度快，所以可以采用測量多次取平均值的方法進一步減小誤差，另外考慮到在測量的距離超過一定限度后誤差會變大，可以在大于一定距離后采用軟件修正，補償實際測的數(shù)據(jù)，當然這要在調試中收集大量的實際測試數(shù)據(jù)后在單片機中設置，如果在5M 后的數(shù)據(jù)實行軟件修正，則5M10M 的數(shù)據(jù)占用1K 左右的字節(jié)（每個數(shù)據(jù)占兩個字節(jié)，無符號整數(shù)5001000，單位為厘米），一般的單片機都能勝任。軟件算法可采用查表，如果要加快數(shù)據(jù)處理速度還可以在單片機外圍加

51、上RAM 存儲修正數(shù)據(jù)，要減少數(shù)據(jù)量的話可以用曲線擬和或最小平方逼近。這些在增大測量距離和提高測量精度的應用上都有實際意義。結束語隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域。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)展的社會需求。本設計主要是基于STC89C52 芯片為核心的超聲波測距儀，并有超聲波處理模塊CX20106A 組成的超聲波發(fā)射電路、數(shù)碼管顯示等器件組成，包括單片

52、機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復位電路、LED 顯示電路。主要實現(xiàn)超聲波測距并指示功能。依據(jù)實際的測量精度要求還可以添加溫度補償電路。由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有成功做出實物。但是對設計有一個很好的理論基礎。設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實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；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

53、距儀。此次設計采用反射波方式。本文所設計的超聲波測距系統(tǒng)，其結構簡單、體積小、抗干擾性能好，若要滿足更高的精度要求，還須進行適當改進。在某些特殊場合的應用中，還要考慮超聲波的人射角、反射角以及超聲波傳播介質的密度、表面光滑度等因素。本系統(tǒng)不僅適用于距離的測量，還適用于水文液位測量和汽車間間距的測量，應用范圍較廣。參考文獻1 王迎旭單片機原理與應用M北京： 機械工業(yè)出版社, 2004.7.2 何立明單片機原理教程M北京：北京航空航天大學出版社, 1998.3 周向紅.51 單片機應用與實踐教程M.北京：北京航空航天大學出版社,2008.5.4 梁森、歐陽三泰.自動檢測技術及應用M. 北京機械工業(yè)

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