畢業(yè)設(shè)計(jì)基于AT89S51單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)說明

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)正文題 目 基于AT89S51單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)專 業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造與其自動(dòng)化班 級姓 名學(xué) 號指導(dǎo)教師職 稱基于AT89S51單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：本文主要研究開發(fā)了一種基于單片機(jī)微處理器的超聲波測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離。在介紹超聲傳感器原理與特性和超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。介紹了具體的軟硬件設(shè)計(jì)以與相關(guān)的實(shí)驗(yàn)情況,針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證，對測距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵字:超聲波，測距，測量精度THE STUDY AND APPLICA

2、TION OFDISTANCE-MEASUREMENT SYSTEM BASED ONULTRASONIC WAVEABSTRACT: This paper primarily investigates a kind of ultrasonic distancemeasurement device based on microprocessor. This device can measurecertain distance with reflected wave on condition that the speed oftransmitting wave is fixed. It gene

3、rallyspecifies the theoreticalfoundation of the device, introduces the software and hardware design ofthe device and correlative experiments. The design of the distancemeasurement is targeted on high precision and little blind area. Then itproposes the whole structure of the system by introducing th

4、e function ofultrasonic distance meter and presenting the theory and characters ofultrasonic sensor. And then thetransmission, receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out. At the same time, anumber of main technical parameters are discussed.Key Words: ultrasonic,

5、measuringdistance, measurement accuracy目 錄第一章緒論11.1.引言11.2.超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展11.3.超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用2第二章超聲波測距技術(shù)綜述32.1.引言32.2.超聲波介紹32.2.1.超聲波的基本性質(zhì)42.3.超聲波傳感器介紹42.3.1.超聲波傳感器的原理與結(jié)構(gòu)42.4.超聲檢測概述7第三章超聲波測距系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)93.1.引言93.2.超聲波測距的原理與實(shí)現(xiàn)93.3.超聲波測距系統(tǒng)的總體方案103.4.超聲波測距系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)123.4.1.超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)123.4.2.超聲波接收電路設(shè)計(jì)193.4.3.比較電路213.4.

6、4.電源電路223.4.5.顯示電路233.4.6. AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)243.5.超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)273.5.1.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體框圖273.5.2.軟件程序模塊化設(shè)計(jì)28第四章結(jié)論與展望32參考文獻(xiàn)33致3432 / 35第一章 緒論1.1.引言 高速度，高效率是現(xiàn)代工業(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?？梢杂袝r(shí)甚至是只能依靠無損檢測技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn)和評價(jià)。當(dāng)然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力是分不開的，由于他們的努力使無損檢測技術(shù)在這方面已具有一定的水平，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，無損

7、檢測在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用。無損檢測正在以迅猛之勢向縱深發(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。1.2.超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年F.Galton的氣哨實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)Galton哨在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá)3 X 100Hz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。這些年來，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普與。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。 五十年代，我國開始從國外引進(jìn)超聲

8、波儀器，多是笨重的電子管式儀器。五十年代末六十年代初，國科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。1976年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術(shù)交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國6個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無損檢測技術(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，更有利于無損檢測技術(shù)的推廣普與。1978年10月，中國建筑科學(xué)院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣無損檢測技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，計(jì)算機(jī)市場價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的

9、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)。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測試容等基本情況一樣，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1。1.3.超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年Galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。由于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍廣泛地用于超聲處理技術(shù)中。利用超聲波作為

10、定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御與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(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)間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，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距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機(jī)器人檢測和定位、以與流體液面高度測量等。 超聲波方法在某些方面具有

11、突出的優(yōu)點(diǎn)2:(1)超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明與漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體);(2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中;(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。因此超聲檢測法己經(jīng)越來越多地引起人們的重視，并且被廣泛應(yīng)用在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識別等方面。特別是在空氣測距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高。第二章 超聲波測距技術(shù)綜述2.1.引言 這一章首先從超聲波的基本性質(zhì)對超聲波

12、做了介紹，隨后又對超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、種類與特性做了介紹，為本論文后面章節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。尤其是超聲波傳感器是超聲波測距系統(tǒng)的重要部件，用于超聲波的發(fā)射和接收，所以超聲傳感器的工作原理也是整個(gè)測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這些將是本章討論的重點(diǎn)。2.2.超聲波介紹 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的圍。一般而言是指聲音超過了20kHz以上時(shí)稱之為超聲波。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。超聲波在一樣的傳播媒體里(如大氣條件)傳播速度一樣，即在相當(dāng)大的頻率圍聲速不隨頻率變化，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

13、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: (2-1)(2-2)式中，A(x)為振幅，A0為常數(shù)，w為圓頻率，t為時(shí)間，x為傳播距離，為波數(shù)，A為波長，a為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)與頻率的關(guān)系為:(2-3)式中a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻率。在空氣里，a = 2x10-13s2 /cm，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40kHz(超聲波)代入式(2-3)可得, =3.2x10-4/cm，即1/=3lm;若f=30kHz，則1/=56m。它的物理意義是:在1/長度上，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。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子

14、運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。超聲波除了具有與電磁波相似的一面外，同時(shí)還具有其自身的一些特點(diǎn):1)能以各式各樣的傳播模式(縱波、橫波、表面波、薄板波)在氣體、液體、固體或它們的混合物等各種媒質(zhì)中傳播，也可在光不能通過的金屬、生物體中傳播，是探測物質(zhì)部的有效手段。2)由于超聲波與電磁波相比速度慢，對于一樣的頻率波長短，容易提高測量的分辨率。3)由于傳播時(shí)受介質(zhì)聲速、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過來可由超聲波傳播的情況測量物質(zhì)的狀態(tài)3。2.2.1.超聲波的基本性質(zhì) 聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機(jī)械振動(dòng)密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)以波的形式向外傳播。根據(jù)振動(dòng)所產(chǎn)生波的頻

15、率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于20kHz的聲波稱為超聲波。波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)4:(1)、超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進(jìn)行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波一樣;(2)、超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強(qiáng)的波束，波長愈短方向性愈強(qiáng)，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體;(3)、能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率，要求探測信號的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是

16、波長的幾倍(如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的)，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器;(4)、功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量。聲波作用于物體時(shí)，物體的分子也要隨著運(yùn)動(dòng)，其振動(dòng)頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運(yùn)動(dòng)速度越快，物體獲得的能量正比于分子運(yùn)動(dòng)速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。聲波在真空中不能進(jìn)行傳播，必須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為344m/s。2.3.超聲波傳感器介紹2.3.1.超聲波傳感器的原理與結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器(也稱作超聲波換能器)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

17、超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有:壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、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，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”5。壓電傳感器屬于超聲波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，是超聲波檢測裝置的重要組成部分6。壓電材料分為晶體和壓電瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸

18、鏗等，屬于壓電瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變;相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲波傳感器。壓電效應(yīng)有兩種類型7:(1)逆壓電效應(yīng)將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場中，由于電場作用介質(zhì)部正負(fù)電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變，形變與電場強(qiáng)度成正比。如電場反向，則形變亦相反。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。將適當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘柺┘拥骄w上，晶體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸

19、，因而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率一樣，若把晶體藕合到彈性介質(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個(gè)超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質(zhì)中。(2)正壓電效應(yīng)當(dāng)對某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能(即聲能)轉(zhuǎn)換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。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，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即

20、為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電瓷晶片制成。這種超聲波傳感器需要的壓電材料較少，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)，就會使壓電瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定圍是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電瓷晶片上加有頻率為D交流電壓，它就會產(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，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(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)械變形使壓電瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波一樣的電信號8。圖2.1雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2.1所

21、示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，與極化方向一樣，則下面的方向相反，雙壓電晶片的等效電路如圖2-3所示，因此，上下一伸一縮，若A片的電場方向形成超聲波振動(dòng)。C0靜電電容，R聯(lián)電阻，Cm和Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感，Rm為瓷材料介電損耗并為損耗串聯(lián)電阻。 壓電瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率句。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，超聲波傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率9。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。圖2.2雙壓電品片等效電路超聲波傳感器的機(jī)械能用Qm表示，電能用Qe表示

22、。由圖2.2分析可知，Q恰好是電路的串聯(lián)支路的Q值。設(shè)換能器在空載(Rm=0)和有載(Rm=Rl)時(shí)的Q值分別為Qm0 、Qm則 (2-12) (2-13) (2-14) (2-15)超聲波換能器的工作效率為: (2-16) 可見，在有負(fù)載時(shí)，負(fù)載的阻值關(guān)系到超聲波換能器的工作效率，阻值越大，工作效率越高，反之，越低。 超聲波傳感器的部結(jié)構(gòu)由壓電瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼與金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電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壓電瓷晶片與錐形輻射喇叭的損壞10。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收

23、超聲波。2.4.超聲檢測概述 超聲波是一種頻率超過20kHz的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦砸环瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會反射。利用超聲波檢測往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以與一些工業(yè)現(xiàn)場，例如:液位、井深、管道長度等場合。 超聲波在介質(zhì)(固體、液體、氣體)中傳播時(shí)，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對超聲波傳播的影響來探查物體和進(jìn)行測量的技術(shù)稱為超聲檢測。當(dāng)超聲波以脈沖形式在介質(zhì)中傳

24、播時(shí)，利用反射這一性質(zhì)，在金屬、非金屬中用來探測缺陷的位置和性質(zhì)，從而對鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進(jìn)行探傷檢驗(yàn);在水中，根據(jù)反射波可以探測潛水艇和魚群，測量海底深度以與探查海底底層等;在人體中則可以協(xié)助臨床診斷疾病(如肝膿腫、腫瘤、膽結(jié)石等)和探測胎兒等。利用超聲連續(xù)波的共振性質(zhì)，可以測量高壓容器，鍋爐，輪船甲板等的厚度或腐蝕程度，也可制成機(jī)械濾波器。利用超聲波的衰減特性，可以研究或測量材料的物理性質(zhì)。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動(dòng)體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測量流速流量，探測心臟血管搏動(dòng)等。若將超聲波作為載波傳送某些信號，則可制成水中，水中遙測儀等，以進(jìn)行水信。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠(yuǎn)

25、小于電磁波這一特性，可制成超聲延遲線和存儲裝置以與進(jìn)行電視制式的轉(zhuǎn)換。還可利用超聲波檢漏、測量液位、粘度、硬度和溫度等。除此之外、聲發(fā)射、聲成像技術(shù) (包括聲全息成像技術(shù))的發(fā)展也大大豐富了超聲檢測的容。 超聲波測量在國防、航空航天、電力、石油化工、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體部情況。超聲檢測設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以與超聲波產(chǎn)生和接收新技

26、術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進(jìn)一步開拓了其適用圍。利用超聲波除了可以測量距離、液位高度以外，還可以用于超聲探傷。超聲波在被檢材料(金屬、非金屬)中傳播時(shí)，利用材料本身或部缺陷所示的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和部缺陷的方法，稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實(shí)驗(yàn)方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測其部的各種缺陷(如裂紋、氣泡、夾雜物等)的大小、形狀和分布狀況以與測定材料性質(zhì)。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器制造、冶金、化工設(shè)備、國防建設(shè)等部門，已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保安全的一種重要手段11。第三章 超聲波測距系統(tǒng)的原理與設(shè)計(jì)3.1

27、.引言 在上一章中，我們己經(jīng)知道超聲波的基本特性和超聲波傳感器的工作原理。在這一章中，將對超聲波測距系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的總體方案。本章將介紹超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)，并對整個(gè)超聲波測距系統(tǒng)的各個(gè)功能部分給出了具體的設(shè)計(jì)和說明。3.2.超聲波測距的原理與實(shí)現(xiàn) 超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時(shí)間法12。圖3.1波測距原理圖超聲波測距原理如圖3.1，圖中被測距離為H，兩探頭中心距離的一半用M表示，超聲波單程所走過的距離用L表示，由圖中關(guān)系可得: (3-1) (3-2)將（3-2）式代入（3-1）式可得： （3-3）在整個(gè)傳播過程中，超聲波

28、所走過的距離為: （3-4）式中V為超聲波的傳播速度，t為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。 將(3-4)式代入(3-3)式可得: （3-5）式中，超聲波的傳播速度v在一定溫度下是一常數(shù)。如:在溫度T=0時(shí)，v=331.45m/s。當(dāng)被測距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，于是(3-5)式變?yōu)? （3-6）由此可見，要想測得距離H，只要測得超聲波的傳播時(shí)間t即可。3.3.超聲波測距系統(tǒng)的總體方案 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與器件的選擇也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示f1f7門限電路選頻放大器f6單片機(jī)f6選頻放大器門限電路f5選頻放大器門限電路激發(fā)電路f1f5超聲波信號f2f3f4門限電路脈沖放大器脈沖

29、發(fā)生器RT選頻放大器超聲波接收換能器超聲波發(fā)射換能器圖3.2超聲波測距硬件電路圖超聲波測距系統(tǒng)的具體工作過程計(jì)劃如下:1、由單片機(jī)發(fā)出40kHz的脈沖串; 2、脈沖發(fā)生器的輸出信號fl通過脈沖放大器后，其輸出信號為f2。 f2被施加于超聲波發(fā)射換能器T上，這時(shí)超聲波發(fā)射換能器T發(fā)出超聲波信號;3、單片機(jī)在超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖的時(shí)刻開始計(jì)時(shí);4、超聲波信號被超聲波接收換能器R收到，并超聲波接收換能器R的輸出信號為f3, f3通過4級選頻放大器和4級門限電路后，其輸出信號為f7。當(dāng)單片機(jī)接收到f7時(shí)，單片機(jī)立即停止計(jì)數(shù); 5、單片機(jī)讀得時(shí)間值; 6、單片機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù) 7、顯示電子市場上常見

30、的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為40kHz。如果需要更高頻率的超聲探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營超聲產(chǎn)品的廠商去購買或者定制。鑒于有限的條件，本文中選用的探頭是40kHz的超聲傳感器，有一支接收傳感器SZW-R40-1 OP和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M,其特性參數(shù)如表3-1所示。中心頻率靈敏度聲壓指向性容量最低使用溫度最高使用溫度最小探測距離0.2m0.2m最大探測距離10m10m分辨率9mm9mm最大輸入電壓20Vp-p連續(xù)信號表3-1傳感器特性參數(shù)發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈(有時(shí)裝在探頭)，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定

31、，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲波。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40kHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢Оl(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，會對傳感器的部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這

32、個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由四級放大電路構(gòu)成，最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。3.4.超聲波測距系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.4.1.超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 1、超聲波發(fā)射電路要電路能正常

33、工作，就要求在沒有加任何外加信號時(shí)，觸發(fā)器截止的晶體管能可靠地截止，導(dǎo)通的晶體管能可靠的飽和13。(1截止條件圖3.3截止晶體管的基極部分等效電路圖 當(dāng)一個(gè)晶體管截止時(shí)，另一個(gè)飽和。由于導(dǎo)通晶體管飽和，導(dǎo)通管集、射極之間的管壓降可以用電壓Uces(三極管的集電極飽和電壓降)來等效。因此截止晶體管的基極部分等效電路圖如圖3.3所示。設(shè)晶體管臨界截止的基極電壓為Uboc，則保證晶體管截比的基極電壓Ubo Uboc，則 (3-7) (3-8) 從式3-8可以看出:Rb 、 |Uces|越小，|Eb| R越大，基極和發(fā)射極之間反向偏電壓降越大，三極管截止越深;反之，截止較淺，當(dāng)三極管截止時(shí)，使三極管的

34、反向偏置電壓降在0-1伏之間，式3-8可簡化為: (3-9)這是選擇Rb的條件。對硅管而言，Icbo很小(< O.1A)可以忽略不計(jì)。(2)導(dǎo)通條件 圖3.4 等效電路圖 對導(dǎo)通三極管而言，要求基極電流大到保證使集電極電流飽和。而另一個(gè)三極管是工作在截止?fàn)顟B(tài)，但集電極仍有一小電流Icbo，因此導(dǎo)通三極管基極部分的電流如圖3.4所示。這時(shí)，基極電壓為Ubs，基極電流為Ibs、集電極電壓為Uces。因此 (3-10) (3-11)從上式可知，Rb 、|Ec|越大，|Eb|、 R越小，三極管飽和較深。式3-11可簡化為: (3-12)對硅管而言，Icbo很小可以忽略不計(jì)。當(dāng)，時(shí)，則上式可近似為

35、: (3-13)這是選擇Rb的另一個(gè)條件。根據(jù)以上理論依據(jù)設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射電路如下:圖3.5超聲波發(fā)射電路(1)、三極管Q1 1、當(dāng)Q1截止時(shí) 此時(shí)A點(diǎn)電壓為零可將根據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)，三極管Q1可以可靠截止。2、當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)a、 E1單獨(dú)作用時(shí) b、A點(diǎn)電壓單獨(dú)作用時(shí)由上面兩式可得，于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管的Q1可以深度飽和導(dǎo)通。 (2)、三極管Q2 1、當(dāng)Q2截止時(shí)a、E2單獨(dú)作用時(shí) b、單獨(dú)作用時(shí)可將根據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)，三極管Q2可以可靠截止。2、當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)a、E3單獨(dú)作用時(shí)b、E2單獨(dú)作用時(shí)由上面兩式可得: 于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管Q2可以處于深度飽和導(dǎo)通。(3)、三極管

36、Q3 1、當(dāng)Q3截止時(shí)a、E5單獨(dú)作用時(shí)b、單獨(dú)作用時(shí)可將根據(jù)所設(shè)計(jì)的參數(shù)，三極管Q3可以可靠截止。2、當(dāng)Q3導(dǎo)通時(shí)a, E4單獨(dú)作用時(shí)b. E5單獨(dú)作用時(shí)由上面兩式可得：于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管Q3可以處于深度飽和導(dǎo)通。 2、振蕩電路 振蕩電路目的是提供40kHz的脈沖。當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電能可以高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械機(jī)械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識的固有頻率是40kHz，實(shí)際有偏差，如40±0.5kHz。故可設(shè)計(jì)可調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。在超聲測距中，一般采用40kHz的信號。振蕩電

37、路可以通過硬件來產(chǎn)生，有多種設(shè)計(jì)方案比如555 , CMOS電路CD4046等。由555芯片組成的振蕩電路外圍元件少，電路簡單，振蕩頻率可調(diào)，占空比可調(diào)，采用555構(gòu)成的振蕩電路原理圖如圖3.614。 圖3.6 NE555構(gòu)成的振蕩電路原理圖 當(dāng)555定時(shí)器輸出高電平時(shí)，放電管T截止。電源編對電容充電，充電回路為:地。充電時(shí)間常數(shù)。當(dāng)電容充電電壓時(shí)，定時(shí)器輸出變?yōu)榈碗娖?，放電管T導(dǎo)通，電容C1開始放電，放電回路為:放電管地，放電時(shí)間常數(shù)。當(dāng)電容放電電壓時(shí)，定時(shí)器輸出變?yōu)楦唠娖?，放電管T截止，電容C又開始充電，如此循環(huán)下去，便可穩(wěn)定地輸出矩形波。 兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時(shí)間分別為: (3-14) (3

38、-15) 振蕩周期T為: （3-16） 占空比為: （3-17）其中 該電路通過調(diào)節(jié)可變電阻Rw，可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比的大小。 同時(shí)也可以采用一個(gè)更加簡便的方法，直接通過軟件編程方式使得單片機(jī)發(fā)送40kHz的超聲波脈沖信號15。本方案就是采用單片機(jī)軟件產(chǎn)生。關(guān)于40kHz脈沖信號的產(chǎn)生，如果用單片機(jī)定時(shí)器中斷產(chǎn)生，要特別注意中斷服務(wù)程序的編寫。中斷服務(wù)不能過長，如果過長，單片機(jī)在前一個(gè)中斷服務(wù)程序還沒執(zhí)行完之前，又會有下一個(gè)中斷產(chǎn)生。所以，單片機(jī)將會產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤頻率的信號。往往這個(gè)錯(cuò)誤的頻率會比預(yù)期的值偏低，比如:程序原本要產(chǎn)生一個(gè)40kHz的信號，實(shí)際單片機(jī)只能產(chǎn)生一個(gè)20kHz左右的信號。 4

39、0kHz的信號可以用一個(gè)匯編語言子程序來產(chǎn)生。程序如下:NAME CS_T?PR? CS_T? CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_TCS_T: PUSH ACC MOV THO,#00H MOV TL0,#OOH MOV A, #4D SETB TR0CST_1: CPL P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOPDJNZ ACC,CS_T1POP ACCRETEND3.4.2.超聲波接收電路設(shè)計(jì) 根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求: (1)將微弱信號放大; (2)波形整形。 當(dāng)超聲波接收

40、器將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，信號經(jīng)過放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入INTO中斷口，該電信號作為AT89S52外部中斷的中斷信號使AT89S52產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計(jì)數(shù)器TO的計(jì)時(shí)，并計(jì)算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的放大和整形以與產(chǎn)生中斷信號等功能。 在電子電路控制系統(tǒng)中，積分電路與微分電路常用作調(diào)節(jié)電路，此外也廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生和變換之中，以集成運(yùn)放作為放大電路，利用電阻電容作為反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)此兩種運(yùn)算電路16。 1、帶通濾波器設(shè)計(jì) 由于超聲波回波信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用RC有

41、源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。有源濾波器是由有源器件(例如晶體管、集成運(yùn)算放大器等)和阻容等元件組成的一類濾波器。由于集成運(yùn)放技術(shù)已十分成熟，應(yīng)用已經(jīng)十分普與，所以有源濾波器中的有源器件，幾乎都是采用集成運(yùn)放。與無源濾波器相比，有源濾波器一般具有下列特點(diǎn)17。 (1)由于使用了有源器件，信號在無源器件(例如電阻)上的損失可以在有源器件中得到補(bǔ)充。因而，可以在電路中優(yōu)先采用損耗較大而體積較小的電阻來代替無源濾波器中的電感器件，這樣不僅可以使濾波器的重量和體積大大縮小，而且可以避免由電感所帶來的非線性、參數(shù)調(diào)整困難以與制造成本高等缺點(diǎn)。另外從抑制干擾的角度考慮，這樣就從根本上排除了電感所具有

42、的對電磁場敏感、易檢取外界噪聲和本身易向外界施放電磁干擾噪聲的弊端。 （2)由于運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低以與高增益、高穩(wěn)定性和高閉環(huán)增益等參數(shù)調(diào)整靈活的一系列優(yōu)點(diǎn)，從而為有源濾波器的設(shè)計(jì)提供了很大的方便。 (3)有源濾波器頻率精度高，一般可達(dá)到;頻率穩(wěn)定性好，通常可做到;低頻濾波特性好，例如用集成運(yùn)放和阻容元件組成的有源濾波器可使濾波頻率圍低達(dá)10-3 Hz，并且具有較好的頻率穩(wěn)定性，這些指標(biāo)，都是無源濾波器難以達(dá)到的。 (4)有源濾波器的上限頻率由于受有源器件(主要是集成運(yùn)放)本身帶寬的限制，一般只用在幾十千赫以下的頻率圍，其最高頻率也只接近1 MHz.因而在更高的頻率圍一般均采

43、用無源濾波器。這是有源濾波器的最大缺點(diǎn)。帶通濾波器的濾波性能主要取決于Q(品質(zhì)因素)和w0(截止角頻率)。通常Q值越高，通帶就越窄，頻率選擇性就越好。 本設(shè)計(jì)采用無限增益多路負(fù)反饋有源二階帶通濾波器，二階無限增益負(fù)反饋帶通濾波放大電路結(jié)構(gòu)如圖3.7所示圖3.7無限增益反饋BPF其中:帶通濾波放大器傳遞函數(shù)為:(3-22)上式中: 為帶通濾波器的中心角頻率。w1,w2分別為帶通濾波的高，低截止角頻率，中心角頻率為: （3-23）且通帶中心角頻率。U處的電壓放大倍數(shù)Aup:(3-24)中心頻率f0為:(3-25)(3-26)根據(jù)以上理論基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)接收電路具體如下: 圖3.8 超聲波接

44、收電路3.4.3.比較電路 比較電路目的是將微弱信號放大整形后成為能被INTO辨識的脈沖信號，本文是下降沿引起中斷。根據(jù)硬件電路的設(shè)計(jì)思想18，要將回波信號轉(zhuǎn)換成CPU識別的高低中斷信號，所以在對回波信號(正弦波)經(jīng)過放大以后，需要將正弦波整形成方波，于是后面接了一個(gè)電壓比較電路如圖3.9。圖3.9 過零電壓比較電路3.4.4.電源電路 為了給控制電路與其他電路提供電源還需設(shè)計(jì)電源電路19。按照電路設(shè)計(jì)要求需要一個(gè)+5V電壓，士15V電壓，還需一個(gè)25V電壓?？烧{(diào)壓芯片LM317是三端穩(wěn)壓集成芯片，最大輸出電流為2.2A，輸出電壓圍為1.25-37V。它具有輸出電壓可變、設(shè)保護(hù)功能、體積小、性

45、價(jià)比高、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)，頗受廣大電子愛好者青睞。電子愛好者經(jīng)常用它制作輸出電壓可變穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)可變電阻Rw，便可從LM317輸出端獲得可變輸出電壓Uo 。 +5 V電壓也是利用三端穩(wěn)壓集成電路7805芯片得到的，士15V電壓是利用7815得到。7805與7815的用法與LM317差別不大，本文電源連接如圖3.10。圖3.10電源電路圖3.4.5.顯示電路 顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，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)類型不同而已。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)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

46、幕較大的LCD液晶屏。由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)在顯示部分的要求并不是很高，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)方面來考慮，完全可以采用LED 來實(shí)現(xiàn)，這樣在程序設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)方面來說，都是更加方便的。而且在設(shè)計(jì)要求中也明確要求采用壓電式超聲波換能器作為傳感器，AT89C52單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)4位LED數(shù)字顯示，段碼采用74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼采用三極管8550驅(qū)動(dòng)，顯示電路如下：圖3.11 LED顯示電路顯示電路主要用來顯示超聲波測量的結(jié)果，作為人機(jī)交流的界面。由電路圖知二極管需要顯示的段碼由單片機(jī)的P0口控制，而選擇LED是否作用的位碼由P2.0-P2.3口控制。顯示程序： DISPLAY:MOV R1

47、, #40H;G MOV R5,#0F7H;G PLAY: MOV A,R5 MOV P0,#0FFH MOV P2,A MOV A,R1 MOV DPTR,#TAB MOVC A,A+DPTR MOV P0,A LCALL DL1MS INC R1 MOV A,R5 JNB ACC.0,ENDOUT;G RR A MOV R5,A AJMP PLAYENDOUT: MOV R2,#0FFH MOV P0,#0FFH RETTAB: DB 0C0H,0F9H,0A4H,0B0H,99H,92H,82H,0F8H,80H,90H,0FFH,88H,0BFH;共陽段碼管 "0"

48、,"1","2","3","4","5","6","7","8","9","不亮","A","-"3.4.6. AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng) AT89S52單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89S52單片機(jī)與其外圍電路組成，是整個(gè)超聲波測距儀的核心電路。本系統(tǒng)中最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。 1, AT89S52簡介 AT89S52是一種低功耗、高性能的含有8K字節(jié)快

49、閃可編程/擦除只讀存儲器(FPEROM- Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，并且與AT89S52指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。芯片上的FPEROM允許在線或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復(fù)編程。 1) AT89S52的主要性能包括: (1)與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 (2)8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器 (3)1000次擦寫周期 (4)全靜態(tài)操作:OHz-33Hz (5)三級加密程序存儲器 (6)32個(gè)可編程vo口線 （7)三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 (8)八個(gè)中斷

50、源 (9)全雙工DART串行通道 (10)低功耗空閑和掉電模式 (11)掉電后中斷可喚醒 (12)看門狗定時(shí)器 (13)雙數(shù)據(jù)指針 (14)掉電標(biāo)識符 2), AT89S52部分工 AT89S52部有256個(gè)字節(jié)的RAM，地址圍是OOH-FFH，但實(shí)際提供給用戶使用的只有128個(gè)字節(jié)(OOH-7FH )別28個(gè)字節(jié)(80H-FFH)是特殊寄存器區(qū)。除ROM和RAM外，芯片部還有三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。在本系統(tǒng)中定時(shí)器TO用來計(jì)時(shí)，定時(shí)器T1用來做波特率發(fā)生器。 2、時(shí)鐘電路 系統(tǒng)的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)是采用的部方式，即利用芯片部的振蕩電路。AT89S52單片機(jī)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大

51、器。引腳XTAL 1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。外接晶體諧振器以與電容C1和cz構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響震蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇瓷電容，電容值約為20pF。在焊接電路板時(shí)，晶體振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好地保證震蕩器能穩(wěn)定和可靠地工作。時(shí)鐘電路如圖3.12所示。圖3.12 時(shí)鐘電路3、復(fù)位電路 復(fù)位電路目的是在

52、需要的時(shí)候，單片機(jī)復(fù)位，保證正常的工作循環(huán)。復(fù)位電路有各種各樣，但是在工作環(huán)境惡劣的情況下對復(fù)位電路的要求會更為嚴(yán)格，本系統(tǒng)中采用MAX5045芯片專做復(fù)位芯片。如圖3.14所示。圖3.13超聲波測距系統(tǒng)復(fù)位電路 圖3.14 MAX5045引腳X5045最主要特點(diǎn)有10(1) 512字節(jié)串行EEPROM; (2)集成了可編程看門狗定時(shí)器(可設(shè)定看門狗超時(shí)時(shí)間，典型時(shí)間200ms,600ms, 1.4s或禁止); (3)上電復(fù)位與低電壓檢測，即在上電和VCC低于檢測門限時(shí)，輸出復(fù)位信號。X5045輸出復(fù)位高電平有效，X5043輸出復(fù)位電平低有效，確保直至VCC=1 V復(fù)位信號仍有效; (4)編程

53、的復(fù)位門限。需加高電壓(15-18V加在WP引腳)與一個(gè)專門時(shí)序; (5) SPI接口方式，最高可達(dá)1 MHz串行時(shí)鐘頻率; (6)低功耗CMOS電路(備用電流lOuA、工作電流3mA); (7)功耗低，通信速度快(最高3.3MHz, X25045/3為IM Hz)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 這種設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)成本，簡化了設(shè)計(jì)，減少了對電路板空間的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性。 圖3.15 系統(tǒng)總體硬件示意圖3.5.超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.5.1.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)總體框圖 軟件設(shè)計(jì)采用c語言、匯編混編編程，運(yùn)用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，對不同功能模塊的程序進(jìn)行分別編程，以便移植或調(diào)用，這樣使軟件層次結(jié)構(gòu)清晰，有利于軟件的調(diào)試修改