基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

1、自動(dòng)化技術(shù)綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告實(shí)訓(xùn)題目：基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)院專班姓學(xué)系：業(yè)：級(jí)：名：號(hào)：信息工程與自動(dòng)化自動(dòng)化自動(dòng)化 08b魏*2008104011*指導(dǎo)教師：實(shí)訓(xùn)地點(diǎn)：開課時(shí)間：李*信自樓 2152011-6-271學(xué)生姓名：魏*星實(shí)訓(xùn)評(píng)分指導(dǎo)教師評(píng)語：指導(dǎo)教師（簽名）：年月日2序號(hào)評(píng)價(jià)內(nèi)容分?jǐn)?shù)序號(hào)評(píng)價(jià)內(nèi)容分?jǐn)?shù)1出勤（10 分）3實(shí)訓(xùn)任務(wù)完成情況（50 分）2課題難度分值（10 分）4實(shí)訓(xùn)總結(jié)報(bào)告（30 分）實(shí)訓(xùn)總成績(jī)： 94 分目 錄第 1 章 緒 論1.1 實(shí)訓(xùn)的目和要求11.2 實(shí)訓(xùn)課題設(shè)計(jì)功能描述1.3 應(yīng)解決的問題 第 2 章 整體設(shè)計(jì)方案112.1 設(shè)計(jì)原理22.2 整體系統(tǒng)

2、設(shè)計(jì) 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì)23.1 電路原理圖33.2 元件清單 43.3 重要電路介紹43.3.1 復(fù)位與晶振電路 3.3.2 超聲波發(fā)射電路 3.3.3 超聲波接收檢測(cè)電路 4563.3.4 顯示電路第 4 章 軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.2 程序流程圖4.3 程序設(shè)計(jì)與調(diào)試第 5 章 制板焊接調(diào)試78995.1 仿真結(jié)果與 PCB 圖 115.2 焊制電路板、實(shí)物運(yùn)行調(diào)試 135.3 誤差分析與校正討論14總結(jié)與體會(huì)16謝詞參考文獻(xiàn)附錄1718193第1章 緒論1.1 實(shí)訓(xùn)的目的和要求生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)是自動(dòng)化專業(yè)本科生在校期間必須進(jìn)行的主要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一，是培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力、提高學(xué)生工

3、程素質(zhì)的一個(gè)重要組成部分。作為一名工科學(xué)生，將來從事自動(dòng)化及相關(guān)工作，為了讓我們能盡早的認(rèn)識(shí)社會(huì)實(shí)踐，了解工業(yè)生產(chǎn)，提高自己的動(dòng)手意識(shí)，強(qiáng)化個(gè)人素質(zhì)，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的觀念，學(xué)校給我們安排了為期兩周的專業(yè)實(shí)訓(xùn)，讓我們學(xué)到的理論知識(shí)和實(shí)踐聯(lián)系到一起，為我們以后的走向社會(huì)打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這次實(shí)訓(xùn)的主要目的是讓大家進(jìn)一步了解 AT89 系列單片機(jī)的引腳、功能，晶振電路、顯示電路和信號(hào)輸入輸出電路的設(shè)計(jì)，熟悉使用 keil 軟件和用匯編語言編程完成各種處理和控制，同時(shí)學(xué)習(xí)使用軟件對(duì)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行仿真、調(diào)試，以及 PCB 板的制作等，最主要的是了解一個(gè)小型項(xiàng)目的研發(fā)過程，從項(xiàng)目的提出到項(xiàng)目

4、實(shí)現(xiàn)需要怎樣一步步來完成，項(xiàng)目完成事應(yīng)該大概掌握以上要求。1.2 實(shí)訓(xùn)課題設(shè)計(jì)功能描述我們小組選擇的課題是基于 AT89C51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)，因而超聲波被廣泛用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，計(jì)算簡(jiǎn)單易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸的特點(diǎn)，使得其具有很大的使用價(jià)值。我們最熟悉的超聲波測(cè)距的應(yīng)用是聲納系統(tǒng)，是超聲波測(cè)距在軍事上的終極使用，研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇

5、聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。除了軍事，日常生活和工業(yè)上也廣泛應(yīng)用，如：倒車?yán)走_(dá)，建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)在液位測(cè)量、井深測(cè)量、管道長(zhǎng)度測(cè)量等場(chǎng)合的使用。1.3 設(shè)計(jì)研究的要求及主要內(nèi)容應(yīng)解決的問題本項(xiàng)目需要通過學(xué)習(xí)和查閱資料，了解和掌握如下知識(shí)：1. +5V 電源原理及設(shè)計(jì)2. 單片機(jī)復(fù)位電路工作原理及設(shè)計(jì)3. 單片機(jī)晶振電路工作原理及設(shè)計(jì)4.七段 LED 顯

6、示原理及設(shè)計(jì)5.超聲波傳感器的應(yīng)用及設(shè)計(jì)6.電路的接線7.AAT89C51 單片機(jī)的引腳8.單片機(jī)匯編語言及設(shè)計(jì)4第2章 整體設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)原理本文所研究的超聲波測(cè)距儀利用超聲波指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，即用超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)送超聲波，同時(shí)在發(fā)射的時(shí)候開始計(jì)時(shí)，在超聲波遇到障礙物的時(shí)候反射回來，超聲波接收器在接收到反射回來的超聲波時(shí)，停止計(jì)時(shí)。設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 V，在空氣中的傳播時(shí)間為 T，汽車與障礙物的距離為 S，則：S=VT/2這樣可以測(cè)出汽車與障礙物之間的距離，然后在 LED 顯示屏上顯示出來。2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)超聲波是指頻率高于 2K HZ 的機(jī)

7、械波，為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波，完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)射器和接收器，但是一個(gè)超聲波接收器也可以具有發(fā)射和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射超聲波時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波，而在接收回波的時(shí)候，將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。本文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀主要由 AT89C51 單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路、顯示電路.首先由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生 12MHZ 晶振，由超聲波發(fā)射探頭發(fā)送出去，在遇到障礙物反射回來時(shí)由超聲波接收探頭檢測(cè)到信號(hào)，然后經(jīng)過濾波、放大、

8、整形之后送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算，把計(jì)算結(jié)果輸出到 LED 液晶顯示屏上。超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖 1 所示。LED 顯示超聲波接收單片機(jī)控制器超聲波發(fā)送掃描驅(qū)動(dòng)圖 1 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖5第3章硬件電路設(shè)計(jì)3.1 電路原理圖單片機(jī)采用 AT89C51，系統(tǒng)用 12MHZ 高精度晶振得到較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率以減小誤差。用單片機(jī) P1.0 端口輸出 40kHZ 方波信號(hào)，利用外中斷 0 檢測(cè)接收返回的超聲波信號(hào)，顯示電路采用常用的七段數(shù)碼管，電路原理圖如圖 2 所示。超聲波發(fā)射采用推挽將 P1.0 端口發(fā)出的方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端以提高超聲波發(fā)射的強(qiáng)度。發(fā)射電路主要有 74LS04 和超聲波換

9、能器構(gòu)成，用單片機(jī) P1.0 端口輸出 40kHZ 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向后傳到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向后送到超聲波換能器的另一電極。超聲波接收采用的是常用于電視機(jī)紅外遙控接收器的芯片 CX20106A，考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38kHZ 和測(cè)距超聲波頻率 410kHZ 比較接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)踐證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變超聲波接收探頭兩端電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。電路原理圖：圖 2 電路原理圖63.2 元件清單基于 AT89C51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀元件清單如表 1 所示：表 1：元件清單硬件電路可以

10、大概分成以下幾塊：發(fā)射電路部分、接收電路部分、顯示部分以及晶振和最小系統(tǒng)的部分等小組 3 位成員，我負(fù)責(zé)的是接收電路部分，這部分將詳寫，其它略寫3.3 主要電路介紹3.3.1 復(fù)位與晶振電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，使 CPU 及各專用存儲(chǔ)器處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，其中把 PC 的內(nèi)容初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了系統(tǒng)的正常開機(jī)（上電）復(fù)位外，當(dāng)程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死循環(huán)狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，可按復(fù)位鍵進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位電路由片外和片內(nèi)兩部分電路組成。AT89C52 的 RST 引腳為復(fù)位引腳，只要在 RST 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，即可

11、實(shí)現(xiàn)復(fù)位，復(fù)位通常有上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種方法。本7元件名稱型號(hào)數(shù)量用途單片機(jī)AT89C511 個(gè)控制核心晶振12MHZ1 個(gè)晶振電路電容22pF2 個(gè)晶振電路電解電容10uF1 個(gè)復(fù)位電路電阻1K1 個(gè)復(fù)位電路七段 LED 顯示4 位共陽極1 個(gè)顯示電路電阻220K1 個(gè)接收電路電阻10K2 個(gè)接收電路電容330pF1 個(gè)接收電路電容3.3uF1 個(gè)接收電路集成塊74LS041 塊發(fā)射電路集成塊74LS2451 塊驅(qū)動(dòng)電阻102 個(gè)接收電路超聲波接收與發(fā)射頭一對(duì)發(fā)射電路接收電路電阻1k6 個(gè)上拉電阻電源+5V/0.5A一個(gè)提供+5V電容1uF1 個(gè)接收電路電容0.056uF1 個(gè)接收電路紅外

12、線CX20106A1 個(gè)接收電路接收芯片排阻4.7kX 81 個(gè)上拉電阻集成塊74LS071 塊顯示電路設(shè)計(jì)采用的事按鍵復(fù)位，當(dāng)按下鍵后，電容被短路，RST 引腳就處于高電平，就可以達(dá)到復(fù)位的目的，如圖 3 所示。圖 3 復(fù)位與晶振電路3.3.2 超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)產(chǎn)生的 40kHz 的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路其實(shí)就是一個(gè)信號(hào)放大電路，如圖 4 所示。圖 4 超聲波發(fā)射電路原理圖83.3.3 超聲波接收檢測(cè)電路（1）電路原理圖接受電路原理圖如圖 5 所示：圖 5 超聲波接收電路原理圖參考紅外轉(zhuǎn)化接收電路，本設(shè)計(jì)采用集成電路 CX20106A，這是一款紅

13、外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測(cè)距超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用他作為超聲波檢測(cè)電路。如圖 5 超聲波檢測(cè)接收電路原理圖所示，適當(dāng)改變電容 cap+2 的大小，可以改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。管腳 1 是超聲波信號(hào)輸入端，是輸入阻抗約為 40K;管腳 2 的 cap+2 R19 決定接受換能器的總增益，增大電阻 R 或者減小 C，將使放大倍數(shù)下降，負(fù)反饋量增大，電容 C 的改變會(huì)影響到頻率特性，實(shí)際使用中一般不改動(dòng)，推薦選擇參數(shù) R=4.7 K，C=3.3uF;管腳 5 上的連接電阻 R18 用以設(shè)置帶通濾波器

14、的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低，取 R=200 K時(shí)，中心頻率約為 42KHZ；管腳 6 與 GND 之間接入一個(gè)分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短；管腳 7 是遙控命令輸出端，是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源，該阻值推薦阻值為 R5=220 K,沒有接受信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降；管腳 8 接電源正極。接+5V.（2）時(shí)序分析由單片機(jī) AT89C51 編程產(chǎn)生 40kHz 的方波，由 P1.0 口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，9由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過

15、接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來。該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和 LED 顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖 6 所示。圖 6 時(shí)序圖3.3.4 顯示電路單片機(jī)的顯示電路圖如圖 7 所示，顯示電路由單片機(jī)的 P0 口接 74ALS245再連接七段數(shù)碼管的數(shù)據(jù)顯示通道進(jìn)行顯示，而通過單片機(jī)的 P2.4、P2.5、P2.6、P2.7 與驅(qū)動(dòng)器相連來控制數(shù)碼管的位選通。

16、圖 7 單片機(jī)及顯示系統(tǒng)電路圖10第4章 軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)也是工具系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)。單片機(jī)軟件的設(shè)計(jì)主要包括執(zhí)行軟件（完成各種實(shí)質(zhì)性功能）的設(shè)計(jì)和監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)。單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)通常要考慮以下幾個(gè)方面的問題：（1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件劃分為若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分，設(shè)計(jì)出合理的總體結(jié)構(gòu)，使軟件開發(fā)清晰、簡(jiǎn)潔和流程合理；（2）培養(yǎng)良好的編程風(fēng)格，如考慮結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)、實(shí)行模塊化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植和修改；（3）建立正確的數(shù)學(xué)模型，通過仿真提高系統(tǒng)的性能，并選取合適的參數(shù)；（4）繪制程序流程圖；（5）合理分配系統(tǒng)資源；（6）為程序加入注釋，提高可讀性，實(shí)施軟件工程；（7

17、）注意軟件的抗干擾設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的可靠性。4.1 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。超聲波主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時(shí)器的初值和工作方式，使總中斷允許位 EA=1 并給顯示端口清 0,。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)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直接波觸發(fā)，需要延時(shí) 0.1ms后，才打開中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用 12MHZ 晶振，機(jī)器周期為1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)時(shí)器 T0 中的數(shù)按下式計(jì)算即可得到被測(cè)物體與測(cè)量?jī)x之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)去 20時(shí)的聲速 344m/s，

18、則有：d=（ct）/2=（172T/10000）cm超聲波發(fā)射子程序的作用是通過 P1.0 端口發(fā)送 2 個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約 40kHZ 的方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)把計(jì)時(shí)器 T0 打開開始計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距儀的主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回的超聲波信號(hào)，一旦接收返回的超聲波信號(hào)，立即進(jìn)行中斷程序。進(jìn)入該中斷后立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距標(biāo)志字賦值 2，表示測(cè)距失敗。114.2 程序流程圖程序流程圖如圖 8 示圖 8 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)的程序流程圖4.2

19、 程序設(shè)計(jì)與調(diào)試（1）程序設(shè)計(jì)程序采用匯編語言，用 KEIL 軟件編譯，分為主程序和子程序，子程序有：超聲波發(fā)射子程序；超聲波接收子程序；距離計(jì)算程序；顯示驅(qū)動(dòng)程序。程序清單（見附錄）（2）程序調(diào)試程序的調(diào)試同樣采用 KEIL 軟件，Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS-51 系列單片機(jī)的軟件，這從近年來各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 Keil 即可看出。Keil提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等12在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。運(yùn)行 Keil 軟件需要 Pentium 或以上的 CPU，16MB 或更多

20、 RAM、20M 以上空閑的硬盤空間、WIN98、NT、WIN2000、WINXP 等操作系統(tǒng)。掌握這一軟件的使用對(duì)于使用 51 系列單片機(jī)的愛好者來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選（目前在國內(nèi)你只能買到該軟件、而你買的仿真機(jī)也很可能只支持該軟件），即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。程序調(diào)試結(jié)果如圖 9 所示：圖 9 程序調(diào)試結(jié)果程序調(diào)試無誤后，導(dǎo)入程序到單片機(jī)，準(zhǔn)備仿真，如圖 10 所示：圖 10 導(dǎo)入程序13第5章 制板焊接調(diào)試與功能說明5.1 仿真結(jié)果與 PCB 圖（1）電路

21、仿真程序?qū)雴纹瑱C(jī)后，仿真采用 proteus 軟件。由于元件庫沒有超聲波發(fā)射器和接收器，無法實(shí)際仿真，這里給 12 引腳一個(gè)脈沖信號(hào)代替，仿真結(jié)果如圖 11 所示。圖 11 仿真結(jié)果仿真成功后，制作 PCB 圖。（2）制作 PCB 圖PCB（Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板、印刷線路板,簡(jiǎn)單的說就是置有集成電路和其他電子組件的薄板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的提供者，是低能耗、低污染的，由于它是采用電子印刷術(shù)制作的，故被稱為“印刷”電路板。印制電路板的設(shè)計(jì)是以電路原理圖為根據(jù)，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)者所需要的功能。印刷

22、電路板的設(shè)計(jì)主要指版圖設(shè)計(jì)，需要考慮外部連接的布局、內(nèi)部電子元件的優(yōu)化布局、金屬連線和通孔的優(yōu)化布局、電磁保護(hù)、熱耗散等各種因素。優(yōu)秀的版圖設(shè)計(jì)可以節(jié)約生產(chǎn)成本，達(dá)到良好的電路性能和散熱性能。根據(jù)電路層數(shù)分類：分為單面板、雙面板和多層板。常見的多層板一般為 414層板或 6 層板，復(fù)雜的多層板可達(dá)十幾層。PCB 板有以下三種主要的劃分類型：1.單面板單面板（Single-Sided Boards） 在最基本的 PCB 上，零件集中在其中一面，導(dǎo)線則集中在另一面上。因?yàn)閷?dǎo)線只出現(xiàn)在其中一面，所以這種 PCB 叫作單面板（Single-sided）。因?yàn)閱蚊姘逶谠O(shè)計(jì)線路上有許多嚴(yán)格的限制（因?yàn)橹挥?/p>

23、一面，布線間不能交叉而必須繞獨(dú)自的路徑），所以只有早期的電路才使用這類的板子。2.雙面板雙面板（Double-Sided Boards） 這種電路板的兩面都有布線，不過要用上兩面的導(dǎo)線，必須要在兩面間有適當(dāng)?shù)碾娐愤B接才行。這種電路間的“橋梁”叫做導(dǎo)孔（via）。導(dǎo)孔是在 PCB 上，充滿或涂上金屬的小洞，它可以與兩面的導(dǎo)線相連接。因?yàn)殡p面板的面積比單面板大了一倍，而且因?yàn)椴季€可以互相交錯(cuò)（可以繞到另一面），它更適合用在比單面板更復(fù)雜的電路上。3.多層板多層板（Multi-Layer Boards） 為了增加可以布線的面積，多層板用上了更多單或雙面的布線板。用一塊雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層或二塊

24、雙面作內(nèi)層、二塊單面作外層的印刷線路板，通過定位系統(tǒng)及絕緣粘結(jié)材料交替在一起且導(dǎo)電圖形按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行互連的印刷線路板就成為四層、六層印刷電路板了，也稱為多層印刷線路板。板子的層數(shù)就代表了有幾層獨(dú)立的布線層，通常層數(shù)都是偶數(shù)，并且包含最外側(cè)的兩層。大部分的主機(jī)板都是 4 到 8 層的結(jié)構(gòu)，不過技術(shù)上理可以做到近 100 層的 PCB 板。不過因?yàn)檫@類計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以用許多普通計(jì)算機(jī)的集群代替，超多層板已經(jīng)漸漸不被使用了。因?yàn)?PCB 中的各層都緊密的結(jié)合，一般不太容易看出實(shí)際數(shù)目，不過如果仔細(xì)觀察主機(jī)板，還是可以看出來。超聲波測(cè)距儀的 PCB 圖如圖 12 所示：圖 12 超聲波測(cè)距儀的 PCB

25、圖155.2 焊制電路板、實(shí)物運(yùn)行調(diào)試超聲波測(cè)距儀實(shí)物硬件電路如下。（1） 反面主要是元件管教的焊接，超聲波發(fā)射器和超聲波接收器也位于反面，如圖13 所示，位于圖左邊的是超聲波發(fā)射器，右邊的則是超聲波接收器。圖 13 實(shí)物電路反面（2） 正面正面則是主要元件，左上角的是 4 位 LED 顯示電路，左邊中間是單片機(jī)控制中心，而在左下角有較多電容的部分則是超聲波接收電路，右上角是 USB 接口，提供+5V 電源，中間和右下角分別是復(fù)位開關(guān)和超聲波發(fā)射電路，如圖 14 所示。電路焊接過程中，以良好的布局，可以采用訂書機(jī)代替導(dǎo)線，使得系統(tǒng)美觀，也是一個(gè)創(chuàng)新，由于沒有交叉線，電磁干擾亦很小，所以沒有采用

26、屏蔽線，不滿足上述條件則應(yīng)該改用屏蔽線，以確保系統(tǒng)的安全可行。圖 14 實(shí)物電路正面16對(duì)實(shí)物電路進(jìn)行測(cè)試，看是否能實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能，結(jié)果如圖 15 所示。運(yùn)行結(jié)果：測(cè)量距離：14.44cm實(shí)際距離：12.50cm存在誤差：01.94cm圖 15 實(shí)物電路測(cè)距功能測(cè)試5.3 誤差分析與校正討論（1）誤差分析測(cè)量裝置的干擾來自多方面。機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾;溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測(cè)量裝置有三條主要途徑，如圖16所示：電磁干擾電源干擾信號(hào)干擾單片機(jī)測(cè)量圖 16 產(chǎn)生誤差的途徑17溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響很

27、大，在一定程度上限制了超聲波測(cè)距的精度。另外，系統(tǒng)測(cè)試精度和分辨力還與超聲波換能器的靈敏度及方向角度值和風(fēng)速有關(guān)系。本系統(tǒng)應(yīng)用于空氣介質(zhì)中的無接觸式測(cè)距。溫度變化，對(duì)測(cè)量結(jié)果有明顯的影響，超聲波傳播速度和溫度的關(guān)系可以用以下公式來表示:C = 331. 45 +0.61T(m/s)，隨著溫度的上升，聲速變化增大，誤差也隨之增加。還有一種誤差是觸發(fā)誤差，觸發(fā)誤差由于被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、整形，噪聲信號(hào)、干擾信號(hào)的摻人，使觸發(fā)的時(shí)間可能提前或滯后，給測(cè)量結(jié)果帶來了隨機(jī)誤差。該誤差與信號(hào)的觸發(fā)波形有很大的關(guān)系，可以證明，觸發(fā)信號(hào)越平坦，誤差越大，越陡峭，誤差越小，所以該電路采用了矩形波脈沖觸發(fā)，其影響亦可

28、忽略不計(jì)。由此得出，在本電路中給測(cè)量結(jié)果帶來誤差是量化誤差，這也是不可避免的。（2）減小誤差的措施提高精度和減小誤差的辦法：聲音在 25空氣中傳播速度的理論值為 344m/s,這個(gè)速度在 0時(shí)降為334m/so 因此超聲波在媒質(zhì)中的傳播速度和溫度關(guān)系很大，如果測(cè)距精度要求很高，必須要采取溫度補(bǔ)償措施，降低溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響。在本設(shè)計(jì)中將采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測(cè)量相結(jié)合的辦法對(duì)聲速進(jìn)行修正，可有效地消除溫度變化對(duì)精度的影響。同時(shí)為了提高測(cè)距系統(tǒng)的可靠性，將采用 ATMEL 公司的 89c52來替代原設(shè)計(jì)中由 89c2051 單片機(jī)，以提供足夠多的端口。設(shè)計(jì)方案通過提高了變量，和 t 的測(cè)量

29、精度和可靠性，最終達(dá)到了提高測(cè)距精度的目的。溫度補(bǔ)償，渡越時(shí)間的精確測(cè)定是提高超聲波測(cè)距精度的主要措施。渡越時(shí)間的精確測(cè)定的方法:(1)采用雙比較器;(2)用固定閉值的單比較器加自動(dòng)增益控制電路，使放大器的增益隨測(cè)量距離的增加而增大;(3)用單比較器加閡值電壓控制電路，使闌值電壓隨測(cè)量距離的增大而減小。以補(bǔ)償因傳播距離的增加而引起回波信號(hào)強(qiáng)度減弱。實(shí)踐證明，采用這些方法將大大減小測(cè)量誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確度。18總結(jié)與體會(huì)超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以及它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控

30、制部分，采用 Atmel 公司生產(chǎn)的AT89C51 芯片。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74LS04 六反向器，通過它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。接收電路采用的是 CX20106A，通過接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的 LED 顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。單片機(jī)內(nèi)部采用匯編語言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)距范圍

31、由于功率的原因比較小，測(cè)量精度在2cm 內(nèi)。測(cè)距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，比如由于時(shí)間和資金有限，沒有再設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償裝置等，同時(shí)也沒有自己動(dòng)手腐蝕制作 PCB 板，實(shí)際成品電路不夠美觀導(dǎo)等等。在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)?？傮w來說，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開發(fā)過程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。學(xué)習(xí)了用 protel 繪制電路原理圖和 PCB 圖、使用 keil 編譯程序、使用 proteus 對(duì)電路進(jìn)行仿真等

32、，以及對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過程，有了更深入的理解和掌握，加強(qiáng)了動(dòng)手制作和自主學(xué)習(xí)的能力，大致了解了如何開發(fā)一個(gè)項(xiàng)目。同時(shí)，我也希望學(xué)校能多給我們這樣的機(jī)會(huì)，由于現(xiàn)在很多年輕人養(yǎng)尊處優(yōu)，什么事都因?yàn)閷W(xué)習(xí)和學(xué)生的生份，事事由家長(zhǎng)老師幫忙解決，缺乏動(dòng)手和處理問題的能力，更缺乏了自主研發(fā)，開發(fā)創(chuàng)新的能力，所以，類似的思維啟發(fā)性的、創(chuàng)新性、研發(fā)性的實(shí)習(xí)任務(wù)，我們不僅要認(rèn)真完成，還應(yīng)在生活中自己多動(dòng)手去實(shí)踐。這些對(duì)我們今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。19謝詞眼見就要邁入大四，接著就是畢業(yè)找工作了，對(duì)于自己所學(xué)的東西在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用都只是基于理論上，而這次實(shí)訓(xùn)給了我們自己動(dòng)手，設(shè)計(jì)、制

33、作小項(xiàng)目的機(jī)會(huì)，不僅從中學(xué)到知識(shí)，學(xué)會(huì)實(shí)踐，還讓我心里覺得踏實(shí)：我們學(xué)的東西是有用的。偉人、名人為我所崇拜，可是我更急切地要把我的敬意和贊美獻(xiàn)給一位在我身邊指導(dǎo)我的人，我的老師：李*。您治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識(shí)淵博，思想深邃，視野雄闊，為我營造了一種良好的精神氛圍。授人以魚不如授人以漁，置身其間，耳濡目染，潛移默化，使我不僅接受了全新的思想觀念，樹立了宏偉的學(xué)術(shù)目標(biāo)，領(lǐng)會(huì)了基本的思考方式，從一開始的一無所知，茫然無措，到一步步走來，完成這個(gè)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，您給我們指明了方向。從實(shí)訓(xùn)題目的選定到論文寫作的指導(dǎo),經(jīng)由您悉心的點(diǎn)撥,再經(jīng)思考后的領(lǐng)悟,常常讓我有“山重水復(fù)疑無路,柳暗花明又一村”的感覺。同時(shí)我要感謝我

34、們組的搭檔，很好的分工合作，完成了這次實(shí)訓(xùn)，還有班里的其他同學(xué)，給了我很多幫助。最后再一次感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的良師益友和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的論著的作者。20參考文獻(xiàn)：【1】楊居義主編單片機(jī)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)清華大學(xué)出版社2010【2】肖看 李群芳單片機(jī)原理、接口及應(yīng)用清華大學(xué)出版社 2010 年 9【3】張春光基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 期刊論文 機(jī)床與液壓 -2008 年 7 期【4】祝敏 超聲波測(cè)距誤差分析及修正方法 期刊論文 計(jì)量與測(cè)試技術(shù) -2009 年 2 期【5】謝自美.電子線路設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試M.華中科技大學(xué)出版社，2002.【6】王兆安 劉進(jìn)軍電力電子技

35、術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社2009【7】基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀 本文鏈接：21附錄（程序清單）VOUTEQUP1.0; 超聲波脈沖輸出端口ORG 0000HLJMP STARTORG 0003HLJMPPINT0ORG 000BHLJMP INTT0ORG 0013HRETIORG 001BHLJMP INTT1ORG 0023HRETIORG 002BHRETISTART: MOV SP,#4FHMOV R0,#40H ;40H-43H 為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H 為最高位）MOV R7,#0BHCLEARDISP: MOV R0,#00HINC R0DJNZ R7,CLEARDISPMOV 20

36、H,#00HMOV TMOD,#21H ;T1 為 8 位自動(dòng)重裝模式，T0 為 16 位定時(shí)器MOV TH0,#00H ;65 毫秒初值MOV TL0,#00HMOV TH1,#0F2H ;40KHZ 初值MOV TL1,#0F2HMOV P0,#0FFHMOV P1,#0FFHMOV P2,#0FFHMOV P3,#0FFHMOV R4,#04H ;超聲波肪沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）SETB PX0SETB ET0SETB EASETB TR0 ;開啟測(cè)距定時(shí)器start1: LCALLDISPLAYJNB 00H,START1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為 1CLR EALCALL math

37、 ;計(jì)算距離子程序SETB EA22CLR 00HSETB TR0 ;重新開啟測(cè)距定時(shí)器MOV R2,#64HLOOP: LCALL DISPLAYDJNZ R2,LOOPSJMP Start1DISPLAY: MOV R1,#40H ;顯示程序MOV R5,#0F7HPLAY: MOV A,R5MOV P0,#0FFHMOV P2,A;測(cè)量間隔控制（約 4*100=400MS）MOVA,R1MOV DPTR,#TABMOVC A,A+DPTRMOV P0,ALCALL DL1MSINC R1MOV A,R5JNB ACC.0,ENDOUT;GRR AMOV R5,AAJMP PLAYENDO

38、UT: MOV P2,#0FFHMOV P0,#0FFHRETTAB: DB0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共陽段碼表0 1 2 3 4 56 7 8 9 不亮A-DL1MS: MOV R6,#14H;延時(shí)程序DL: MOV R7,#19HDL1: DJNZ R7,DL1DJNZ R6,DLRETmath: PUSH ACC ;距離計(jì)算程序 (=計(jì)數(shù)值*17/1000cm)PUSH PSWPUSH BMOV PSW, #18hMOV R3, 45HMOV R2, 44HMOV R1, #00DMOV R0,

39、#17DLCALL MUL2BY2MOV R3, #03HMOV R2, #0E8H23LCALL DIV4BY2LCALL DIV4BY2MOV 40H, R4MOV A,40HJNZ J0MOV 40H,#0AH ;最高位為零，不點(diǎn)亮J0:J1:MOV A, R0MOV R4, AMOV A, R1MOV R5, AMOV R3, #00DMOV R2, #100DLCALL DIV4BY2MOV 41H, R4MOV A,41HJNZ J1MOV A,40H ;次高位為 0，先看最高位是否為不亮SUBB A,#0AHJNZ J1MOV 41H,#0AH ;最高位不亮，次高位也不亮MOV A, R0MOVR4, AMOV A, R1MOV R5, AMOV R3, #00DMOV R2, #10D