基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)47664_第1頁(yè)
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1、中北大學(xué)畢業(yè)論文1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。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。采用以STC89C51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

2、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)器停止工作并得到時(shí)間。溫度測(cè)量后送到單片機(jī),通過程序?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

3、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)的過程中考慮了這些因素,并給出了一些解決方案。關(guān)鍵詞 STC89C51 超聲波 測(cè)距中北大學(xué)畢業(yè)論文1目 錄摘 要.1第 1 章 緒論.21.1 課題背景及重要意義 .21.2 國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述 .21.3 超聲波測(cè)距存在的問題與課題的意義 .21.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 .3第 2 章 超聲波測(cè)距原理與方法.42.1 超聲波簡(jiǎn)介 .42.1.1 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

4、結(jié)構(gòu).62.2.2 超聲波傳感器選擇 .82.2.3 超聲波測(cè)距的原理 .92.2.4 發(fā)射脈沖寬度 .102.2.5 測(cè)量盲區(qū) .102.3 本章小結(jié) .11第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).123.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì) .133.1.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案 .133.1.2 發(fā)射電路常用方案 .143.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng).143.2 接收電路設(shè)計(jì) .153.3 單片其他電路設(shè)計(jì) .173.3.1 LCD 顯示部分 .173.3.2 報(bào)警部分 .183.4 本章小結(jié) .18第 4 章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析.184.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .184.2 外部中斷子程序 .204.3 定時(shí)器中斷子程序

5、 .204.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析 .214.4.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能.214.4.2 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速.214.4.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算.224.5 本章小結(jié) .22中北大學(xué)畢業(yè)論文2第 5 章 結(jié)論.22參考文獻(xiàn).232第 1 章 緒論1.1 課題背景及重要意義近年來,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

6、。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小R话愕某暡y(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

7、接用于水、酒、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。1.2 國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述在基于傳統(tǒng)的測(cè)力距離存在不可克服的缺陷。例如,液面測(cè)量就是一種距離測(cè)量,傳

8、統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極,通過給電或脈沖來檢測(cè)液面,電極長(zhǎng)期浸泡于水中或其他液體中,極易被腐蝕、電解,失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大,方向性好等特點(diǎn),利用超聲波測(cè)量距離就可以解決這些問題,因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)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。超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建,但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差,調(diào)試?yán)щy,可擴(kuò)展性差,所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣3泛的應(yīng)用。通過簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波,單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間,用軟件來計(jì)算出距離,并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償,其測(cè)量電路小巧,精度高,反映速

9、度快,可靠性好。1.3 超聲波測(cè)距存在的問題與課題的意義我就影響超聲測(cè)距誤差的幾個(gè)因素做了分析,并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器,即由一支發(fā)射探頭 UCM-T40KI 和一支接收探頭 UCM-R40KI 的收發(fā)分體式傳感器。本節(jié)在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測(cè)距,測(cè)試距離約為 0.2m3m 米,系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 1-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖發(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,為使測(cè)量距離滿足要求,驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM-40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn),故在此電

10、路上加功率放大電路。從接收傳感器探頭 UCM-40T 傳來的超聲回波很微弱(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的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級(jí)放大和帶通濾波電路,中心頻率 40KHz 左右,放大濾波電路均采用了高速精密運(yùn)算放大器 TL082,輸出信號(hào)大約在 5V 左右。由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào),而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào),故信號(hào)在放大電路后通過 LM393 構(gòu)成的比較電路,將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào),用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入,使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào),內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)

11、容本系統(tǒng)硬件部分由 STC89C51 控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測(cè)量電路、4聲音報(bào)警電路和 LCD 顯示電路組成。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示: 圖 1-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖由單片機(jī) STC89C51 編程產(chǎn)生 10us 以上的高電平,由指定引腳輸出,就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出,即在模塊中經(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,由超聲波接收頭接收到信號(hào),通過接收電路的處理,指定接收口即變?yōu)榈碗娖?,讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。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

12、來。由時(shí)序圖可以看出,超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射端在 T0 時(shí)刻發(fā)射方波,同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí),當(dāng)收到回波后,產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口,單片機(jī)響應(yīng)中斷程序,定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差,即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t,由此便可計(jì)算出距離。圖 1-3 時(shí)序圖發(fā)射電路接收電路AT89C51LCDDS18B20報(bào)警電路5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、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。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

13、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āM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。

14、(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。6(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

15、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、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

16、振來工作的。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工作的

17、。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7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。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

18、達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來,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

19、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“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

20、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

21、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B8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

22、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

23、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)生高效率的高頻電壓。A壓電晶片B92.2.2 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)

24、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 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

25、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

26、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。10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),一般來說,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)313319325323338344349386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,

27、則可通過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軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。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。空氣中聲速與溫度的關(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)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

28、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

29、 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11盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中,并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。2.2.5 測(cè)量盲區(qū)在以傳感器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)射聲脈沖自身有一定的寬度,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

30、段距離,稱為盲區(qū),具體分析如下: 圖 2-8 傳感器回波測(cè)距原理分析圖如圖所示,當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí),發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間,但停止施加發(fā)射信號(hào)后,探頭上還存在一定余振(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)幅值仍具一定幅值高度,可以達(dá)到限幅電路的限幅電平Vm;另一方面,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,即使是離探頭較近的表面反射回來的信號(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)中,接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比,接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定

31、的閾值 Vm,亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。由圖 2-8 可見,從 b 點(diǎn)以后,接收的信號(hào)低于閩值,相當(dāng)于測(cè)距的遠(yuǎn)限。另外,從圖中 A點(diǎn)以后,接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大,但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加,難以分辨。從 c 點(diǎn)以后,發(fā)射信號(hào)低出閾值 Vm,接收信號(hào)才基本擺脫發(fā)射信號(hào)干擾,而能明顯的被分辨,所以在要求較高時(shí),把 oc 這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說,根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速,就可以求得盲區(qū)距離。因此,cb 為可測(cè)距范圍;b 點(diǎn)就為測(cè)距遠(yuǎn)限,其外部就為測(cè)量不到12的區(qū)域。2.3 本章小結(jié)本章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減;通過詳細(xì)

32、分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個(gè)重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù);分析了超聲波測(cè)距的基本原理,并在此基礎(chǔ)上給出了測(cè)距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度和測(cè)量盲區(qū)對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。13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

33、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)行放大、濾波,信號(hào)經(jīng)過 P2.7 端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。為

34、節(jié)省硬件考慮,顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。通過單片機(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

35、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。143.1.1 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。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

36、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)境噪聲損失;另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vp-p,

37、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。3.1.2 發(fā)射電路常用方案由上面的分析,我們知道發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及圖 3-1 超聲波發(fā)射電路框圖15其功率。本系統(tǒng)用單片機(jī) P1.0 發(fā)射一組方波脈沖信號(hào),其輸出波形穩(wěn)定可靠,但輸出電流和輸出功率很低,不能夠推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號(hào),所以在此間加入一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路,如圖 3-2 所示。Q2Q1VCC-VCCC1R1LS1RFP1.0圖 3-2 超聲波發(fā)射電路3.1.3 超聲

38、波發(fā)射器的注意事項(xiàng)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物反射后立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為 340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t,就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s),即為:s=340t/2,這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。存在 4 個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離:超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測(cè)距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面:(1)超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響;(2)超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系,所以實(shí)際測(cè)量時(shí),不一

39、定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā);(3)超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件,波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響,因此需對(duì)聲速加以修正。(4)由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算,因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角,其大小為 2,當(dāng)很小的時(shí)候,可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)2SC tV算;當(dāng)夾角很大的時(shí)候,必須進(jìn)行距離的修正,修正的公式為: (3-1)cos2c tS16 實(shí)際的調(diào)試過程中,要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置,這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角,這里用到的發(fā)射、接收頭

40、有效測(cè)量夾角為 45。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差,可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。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

41、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 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

42、電路的基本知識(shí),可列出:17I (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)23RRUUAiuf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

43、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 單片其他電路設(shè)計(jì)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

44、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。18 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 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。3.3.2 報(bào)警部分采用一個(gè)蜂鳴器,由 P1.2 輸出一定頻率的信號(hào),在連

45、接到蜂鳴器之前,經(jīng)過一個(gè)三極管 9012 的放大。報(bào)警部分的連線,如圖 3-10 所示。圖 3-10 報(bào)警電路圖 3-9 TC1602 液晶顯示電路193.4 本章小結(jié)本章主要介紹了基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)電路。對(duì)其中主要硬件單元:發(fā)射電路、接收電路、檢測(cè)電路以及顯示電路的設(shè)計(jì)給出原理圖并進(jìn)行了分析計(jì)算。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

46、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 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:20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

47、 AT89S52的內(nèi)時(shí)鐘:12MHz;(5)沒有使用看門狗功能;(6)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;4.2 外部中斷子程序如圖所示,中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)主程序中,發(fā)射的4OKHz 脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后,經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。在中21斷服務(wù)程序中,首先進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù),再把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,計(jì)算得到相應(yīng)的距離值,同時(shí)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制,最后送到 P2 口顯示輸出。4.3 定時(shí)器中斷子程序定時(shí)器中斷子程序流程圖如圖 4-2 所示。由于 51 單片機(jī)是 16 位定時(shí)器,

48、最大計(jì)時(shí)時(shí)間為 65536us,當(dāng)測(cè)量的距離很遠(yuǎn)的時(shí)候,定時(shí)器就會(huì)發(fā)生溢出;所以必須對(duì)溢出中斷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能使得單片機(jī)正常工作。同時(shí)由于電路的測(cè)量距離有限最遠(yuǎn)為 5 米,當(dāng)測(cè)量距離超出 5 米時(shí),接收探頭就不能檢測(cè)回波,即不能產(chǎn)出外部中斷更不可能關(guān)閉定時(shí)器。 圖4-2 定時(shí)中斷子程序流程定時(shí)中斷關(guān)閉定時(shí)器定時(shí)器初始化發(fā)射脈沖串打開定時(shí)器返回224.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析4.4.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能uint Read_Temperature(void) /讀取溫度,返回整數(shù)值 uint c;reset(); /復(fù)位 18b20 芯片tu=0; /先置位溫度正負(fù)標(biāo)示為正if(r) write(0 xCC); / 跳過多傳感器識(shí)別 skio rom write(0 xBE); /發(fā)讀內(nèi)部 9 字節(jié)內(nèi)容指令 c=read(); /讀兩個(gè)字 reset()

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