51單片機(jī)超聲波測(cè)距詳細(xì)設(shè)計(jì)

密級(jí)：超聲波距離探測(cè)器的設(shè)計(jì)Designofultrasonicdistancederector學(xué)院：42442423434324專業(yè)班級(jí)：測(cè)控技術(shù)423學(xué)號(hào)：￥@#￥#@￥@4學(xué)生姓名：###指導(dǎo)教師：###〔副教授〕2021年6月畢業(yè)論文指導(dǎo)教師審閱意見評(píng)語：指導(dǎo)教師：年月日評(píng)語：指導(dǎo)教師：年月日畢業(yè)論文評(píng)閱教師審閱意見評(píng)語：指導(dǎo)教師：年月日評(píng)語：指導(dǎo)教師：年月日畢業(yè)論文辯論成績(jī)?cè)u(píng)定專業(yè)畢業(yè)論文第辯論委員會(huì)于年月日審定了班級(jí)學(xué)生的畢業(yè)論文。畢業(yè)論文題目：畢業(yè)論文說明書共頁，設(shè)計(jì)圖紙張。畢業(yè)論文辯論委員會(huì)意見：成績(jī)：專業(yè)畢業(yè)論文辯論委員會(huì)主任委員中文摘要本論文比擬詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲測(cè)距設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可以用于智能停車場(chǎng)作為車位是否有車的傳感器。該系統(tǒng)是以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來測(cè)量待測(cè)距離。本系統(tǒng)的安裝和使用較方便，價(jià)格廉價(jià)，并可與無線測(cè)控系統(tǒng)配合使用，有非常廣闊的應(yīng)用前景。本文的超聲波測(cè)距儀主要是依據(jù)智能停車場(chǎng)來設(shè)計(jì)，但也可以稍加改動(dòng)用于其他用途。超聲測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理是以得到更好的系統(tǒng)性能為目的的。為到達(dá)不同的測(cè)距范圍，單片機(jī)可以根據(jù)軟件來設(shè)置遠(yuǎn)近兩種發(fā)射模式，即近距離測(cè)量時(shí)使用8個(gè)脈沖串，遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)使用32個(gè)脈沖串來增強(qiáng)回波信號(hào)，根據(jù)回波信號(hào)特點(diǎn)來得到了最正確接收機(jī)的組成。論文簡(jiǎn)單講述了超聲波檢測(cè)的開展和原理，介紹超聲傳感器的工作原理及特性，并對(duì)于影響測(cè)距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了說明。在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)功能的根底上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測(cè)、顯示局部的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證。介紹了AT89S51單片機(jī)在系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了系統(tǒng)各局部的硬件及軟件實(shí)現(xiàn)。最后測(cè)距儀進(jìn)行驗(yàn)證。各主要技術(shù)指標(biāo)均到達(dá)設(shè)計(jì)要求。該測(cè)距儀對(duì)室內(nèi)停車場(chǎng)有限范圍的距離測(cè)量具有較高的精度和可靠性，最后文中分析了誤差產(chǎn)生的原因及如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善提出了一些改良建議。關(guān)鍵詞:超聲波;智能停車;超聲傳感器;超聲測(cè)距;單片機(jī)ABSTRACTThethesisintroducesakindofultrasonicdistancemeterSystemindetailbasedonmicrocontroller.Itcanbeusedassmartcarparkingsensors.Thesystemcouldmeasurecertaindistancewiththetimebetweentransmitwaveandreflectedwaveonconditioninwhichthespeedoftransmittingwaveisfixed.Itiseasytobeinstalledandapplied,lowinpriceandcapableofbeingusedincombinationwithtelemeteringtelecontrolsystemandhasextensiveapplicationprospects.Thisultrasonicrangefinderinthearticleismainlydesignedbasedonthesmartparking,butitmayalsobemodifiedforotherpurposes.Theschemeofeachpartisdesignedtoacquirebetterperformanceoftheultrasonicrangefinder.Inordertomeetthedifferentdistancerange,itarrangestwotransmittingmodesinaccordencewithsoftwareinmieroeontroller:highgainreflcetedwavetofarmodewiththirtytwoPulses,whilelowgainreflcetedwavetonearmodewitheightpulses.Wegetoptimumreceiverthatisbasedonthecharactersofthereceivingwaves.Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetection.Thenitpresentstheworkingmechanizationandcharaetersofultrasonicsensor.Atthesametime,,itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthe functionofultrasonicdistancethenthetransmission,receive,detection,displaysehemeofthisdistancemetersystemisbroughtout.SpecialaftertheapplicationofAT89S51microcontroller,itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.Finallythemaintechnicalindexesmeetthedesignrequirements.Itisprovedbyexperimentsthatthedesignoftheultrasonicrangefinderprovidedwithhighaceuracyandreliabilityinthesmartparkingstationinside.Intheend,thefurthermeasuresofmodificationarepresented.KeyWords:Ultrasonicwave;smartcarparking;Ultrasonicsensor;Ultrasonicdistancemeasurementsystem;Signalchipcomputer.目錄中文摘要 IABSTRACT II第一章緒論 1課題介紹 1題設(shè)計(jì)內(nèi)容及預(yù)期的目標(biāo) 4論文內(nèi)容簡(jiǎn)介 4第二章超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5超聲波和超聲波傳感器 5超聲波 5超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 7超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇 9超聲測(cè)距儀原理及測(cè)量方法 10超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述 11工作頻率 11指向角介紹 12溫度介紹 12發(fā)射脈沖寬度介紹 12總體設(shè)計(jì) 12本章小結(jié) 13第三章超聲波測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì) 15發(fā)射局部電路設(shè)計(jì) 15發(fā)射電路的方案論述 15發(fā)射電路 16分析計(jì)算 17接受電路 18前置放大電路 18帶通濾波電路 20比擬檢測(cè)電路 22顯示電路 23單片機(jī)簡(jiǎn)單介紹 23單片機(jī)的分類 233.5.2ATMEL單片機(jī) 23超聲波距離探測(cè)器總體電路 24超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié) 24總體電路設(shè)計(jì) 25本章小結(jié) 25第四章超聲波測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì) 26軟件設(shè)計(jì)原理 26軟件總體設(shè)計(jì) 26測(cè)距儀單片機(jī)主程序 27超聲波發(fā)射子程序 29距離計(jì)算 29比擬程序 30乘法計(jì)算程序 30外部中斷子程序 31定時(shí)器中斷子程序 32本章小結(jié) 32第五章結(jié)束語 33總結(jié) 33展望 33參考文獻(xiàn) 34致謝 36附錄1超聲波距離探測(cè)器設(shè)計(jì)電路圖 A附錄2PCB幅員 B附錄3實(shí)物電路圖 B第一章緒論介紹社會(huì)在進(jìn)步，隨著經(jīng)濟(jì)生活的開展，隨著人們生活水平的提高，在當(dāng)今社會(huì)，車輛已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪兄陵P(guān)重要的一局部，我們知道我們?cè)絹碓诫x不開汽車了，以車代步已經(jīng)成為生活的一局部。關(guān)于汽車的各種新技術(shù)也層出不窮，但是放眼望去，絕大多數(shù)的廠家和研究機(jī)構(gòu)的研究方向過多的集中在了設(shè)備本來已經(jīng)相當(dāng)高級(jí)的車上。而在平日的生活當(dāng)中我經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問題，如來到一個(gè)大型的停車場(chǎng)，要來購物或者有非常著急的事情，但是卻往往找不到要停車的位置。然而現(xiàn)在通常在有的有顯示空車位停車場(chǎng)當(dāng)中又不能智能引導(dǎo)汽車走到空著的車位。在這種特殊的情況下，有通常會(huì)發(fā)生各種各樣棘手問題而束手無策，譬如：有很多車會(huì)堵在停車場(chǎng)門口處，又譬如浪費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間找到車位又被其他車輛所占據(jù)，會(huì)導(dǎo)致打架的事情，直接導(dǎo)致家用車貨車的擱淺，引起極大的不便。再如長(zhǎng)時(shí)間駕駛后在沒有需要的停車位置的情況下停車休息，由于極度疲勞導(dǎo)致的貴重錢物喪失現(xiàn)象以及大型長(zhǎng)途貨車在停車場(chǎng)門口馬路很窄的情況下由于很多待于停車的車輛堵車引起的倒車不便等等。針對(duì)這些具體而實(shí)際的問題提出解決方案，節(jié)約資源時(shí)間，所以我們做一個(gè)智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)更具有現(xiàn)實(shí)意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)開展，測(cè)距與識(shí)別問題在工業(yè)中變得十分重要。例如，傳統(tǒng)的如鋼卷尺接觸式測(cè)量?jī)x器在測(cè)量一定距離時(shí)，這種儀器對(duì)高于3m的頂板安設(shè)困難，且測(cè)量不準(zhǔn)確;對(duì)于橫向變形量的測(cè)量，假設(shè)安設(shè)于兩側(cè)之間，那么阻礙人、車來往，如果不固定安設(shè)裝，那么測(cè)量精度很低，難以監(jiān)測(cè)微小變形。在自動(dòng)化裝配、檢測(cè)、分類、加工與運(yùn)輸?shù)冗^程中，要對(duì)隨意放置的工件進(jìn)行作業(yè)，這就必須對(duì)工件的位置、形狀、姿勢(shì)、種類自動(dòng)地進(jìn)行判別，尤其在在工件運(yùn)輸過程中進(jìn)行識(shí)別，那么問題更為復(fù)雜與困難，因此人們急迫需要各種非接觸式的測(cè)距儀。我們目前的非接觸式測(cè)距儀常采用超聲波、激光和雷達(dá)，紅外線等。但激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，紅外線測(cè)量距離又太短，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn):1.對(duì)于設(shè)計(jì)停車場(chǎng)來說，超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，很適宜;2.針對(duì)停車場(chǎng)停車當(dāng)中有的車有天窗，是玻璃或其他透明物質(zhì)制的。超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體);3.停車場(chǎng)應(yīng)該是日夜工作的，超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)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;4.超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[1]。因此，超聲波方法作為非接觸檢測(cè)和識(shí)別的手段，已越來越引起人們的重視。在機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配及檢測(cè)、自動(dòng)測(cè)距、無損檢測(cè)、超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測(cè)井、水庫液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用[2]。智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)是近年來隨著汽車在生活中的普及而開展起來的一個(gè)研究熱點(diǎn)。有效的車輛探測(cè)裝置對(duì)智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變同頻率的其他形式的能的器件。超聲檢測(cè)的原理主要是利用超聲波作為載體，即通過超聲在媒質(zhì)中的傳播、散射、吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)木身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，到達(dá)檢測(cè)媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。我國(guó)無損檢測(cè)技術(shù)是從無到有，從低級(jí)階段逐漸開展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律開展變化[6]。五十年代，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國(guó)的UCT-2超聲波檢測(cè)儀，重達(dá)24Kg，各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測(cè)中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出CTS一10型非金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約20Kg，該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無損檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大開展，仍使用電子管式的UCT-2，CTS一10型儀器。1976年，國(guó)家建委科技司主持召開全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無損檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)工程，組織全國(guó)6個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無損檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入有方案，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速開展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞N2701型超聲波測(cè)試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量10Kg。七十年代，英國(guó)CKg重的PLJNDIT便攜式超聲儀。1978年10月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測(cè)儀。該儀器采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5Kg。同期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超聲波檢測(cè)儀。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣一應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的根底。隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的Z000A其數(shù)字和波形都比擬清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單.，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)。與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，到達(dá)了國(guó)際先進(jìn)水平。目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，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(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基木情況一樣，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。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大開展，有的型號(hào)已超過國(guó)外同類儀器水平目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體力型。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)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〞[3]。電子測(cè)距儀～5.00m，測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，公式L=(△t/2)*C簡(jiǎn)單易算，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合[4]。利用超聲波檢測(cè)往往比擬迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)工業(yè)實(shí)用的要求[5]。所以就順其自然的選擇用超聲波探測(cè)儀來進(jìn)行探測(cè)停車位是否有車了。1.2題設(shè)計(jì)內(nèi)容及預(yù)期的目標(biāo)本文在理論方面對(duì)超聲測(cè)距實(shí)際方案做了深入設(shè)計(jì)，在此根底上，開發(fā)出以Atmel89S51單片機(jī)為核心，采用4OKHZ壓電超聲傳感器的超聲測(cè)距儀。在設(shè)計(jì)的時(shí)候，我利用超聲波測(cè)距儀來測(cè)定停車位是否有車，并加以改良，就是在電路中，我不要求顯示，但可以顯示。在軟件上，獨(dú)特的采用了每次開機(jī)時(shí)進(jìn)行初始化，將第一次的測(cè)量距離放入單片機(jī)內(nèi)的某個(gè)單元。在以后的測(cè)量中，始終以初始化后存于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行比擬，判斷車位是否有車。假設(shè)相差較大那么有車，否那么無車。本設(shè)計(jì)電路具有電路簡(jiǎn)單，集成度高，體積小，功耗低;測(cè)量精度及靈敏度高，測(cè)量距離廣(-4cm到4m);并且價(jià)格低廉，開發(fā)周期短，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，適合非接觸測(cè)距的廣泛應(yīng)用。1.3論文內(nèi)容簡(jiǎn)介在本論文的第一章當(dāng)中，著重介紹課題的設(shè)計(jì)的相關(guān)意義目的目標(biāo)等；在接下來的第二章中，論文有詳細(xì)的介紹了超聲波測(cè)距儀的原理綜述及傳感器的參數(shù)選擇；在第三章又描述了超聲波測(cè)距儀的總體硬件設(shè)計(jì)，和各局部電路的組成，最后簡(jiǎn)單介紹一下AT89C51單片機(jī)；第四章，介紹超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)。第5章，對(duì)本文進(jìn)行總結(jié)，并對(duì)課題如果能進(jìn)行下一步的設(shè)計(jì)的展望，總結(jié)缺陷。第二章超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)波和超聲波傳感器超聲波一、超聲涉及超聲波波形的介紹在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，我們生活的世界充滿了各種可聽的聲信號(hào)。聲學(xué)是最早開展的學(xué)科之一。我國(guó)兩千多年前的先秦時(shí)期，在樂律和樂器的研究方面，對(duì)聲學(xué)的開展作出了重要的奉獻(xiàn)。在國(guó)外，19世紀(jì)，聲學(xué)已成為具有現(xiàn)代意義的科學(xué)并開展到相當(dāng)高的水平。然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對(duì)晚一點(diǎn)了。由于超聲是人耳聽不到的信號(hào)，直到18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框?、海豚等?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。我們知道以前在物理課中學(xué)過，人們可聽到的聲音頻率為20HZ-20KHz，即為可聽聲波，超出頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，頻率高于人類聽覺上限頻率(約20KHz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般有以下幾種:質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著外表傳播，振幅隨著深度的增加而迅速地衰減，稱為外表波。外表波只在固體地外表傳播。二、反射與折射當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一局部能量反射回原介質(zhì)的波稱為反射波;另一局部那么透過分界面，在另一介質(zhì)能繼續(xù)傳播的波稱為折射波，如圖2-1所示。圖2-1波的反射與折射原理圖其反射與折射滿足如下規(guī)律:入射角α的正弦與反射角α’的正弦之比，等于波束之比。當(dāng)入射波和反射波的波形一樣時(shí)，波速一樣，入射角α即等于反射角α’。入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速v，與折射波中介質(zhì)的波速v2之比，即(2-l)當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲速在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射，反射聲強(qiáng)IR與入射聲強(qiáng)I0之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大小為(2-2)式中:IR為反射聲強(qiáng);I0為射聲強(qiáng);Z1為第一介質(zhì)的聲阻抗;Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗。在聲波垂直入射時(shí)，α=β=0，上式可化簡(jiǎn)為:(2-3)假設(shè)聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為Z1=1.44*106，Z2=4*102，，代入上式那么得R=0.999。這說明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反得情況下，由于兩種介質(zhì)得聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。三、聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對(duì)于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。衰減的大小用衰減系數(shù)α表示，其單位為dB/m，通常用10-3dB/mm表示。在一般探測(cè)頻率上，材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間，如水及其他衰減材料a為(1-4)*l03dB/mm。假設(shè)α為1dB/mm，那么聲波穿透lmm距離時(shí)，衰減為10%;穿透20mm距離時(shí)，衰減為90%[5]。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)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。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)裝置的重要組成局部。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有以下的特性: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，那么由于產(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。傳感器的主要組成局部是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖鼓勵(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)[7]。圖2-2雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2-2所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，假設(shè)A片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，那么下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)圖2-3雙壓電晶片的等效電路雙壓電晶片的等效電路如圖2一3所示，C0為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻0”圖2-4超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2-4所示，它采用雙晶振子，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局部支撐著。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。超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇一、主要參數(shù)中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度到達(dá)+290℃時(shí)靈敏度可降低6%。一旦到達(dá)居里溫度點(diǎn)(-573℃)，就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在-20二、超聲傳感器的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)、外表波探頭(接收外表波)、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。木文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCM-T40和一支接收傳感器UCM-R4O組成，其特性參數(shù)如表2-1所示。型號(hào)UCM-t40UCM-r40使用方式發(fā)射接收中心頻率40±1kHz38±1kHz頻帶寬2±2±聲壓115dBmin(0dB=0.02mPa)一70dBmin(0dB=1v/ubar)指向角7580容量2500±25%pf2500±25%pf最大輸入電壓20Vp-p20Vp-p表2-1傳感器特性參數(shù)表儀原理及測(cè)量方法超聲測(cè)距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距最為常用，它主要基于超聲測(cè)距回波信號(hào)的識(shí)別，多采用模擬方法，用電路來實(shí)現(xiàn)。hhdS障礙物發(fā)射端接收端圖2-5超聲測(cè)距原理圖如圖2-5所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用:(2-4)即可計(jì)算得傳感器與反射點(diǎn)之間的距離S，測(cè)量距離〔2-5〕當(dāng)S>>h時(shí)，那么d≈S，即:〔2-6〕超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述工作頻率由文獻(xiàn)[10]，空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率f很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的上作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率確實(shí)定主要基于以下幾點(diǎn)考慮:1.如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。2.工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越鋒利，測(cè)量障礙物復(fù)雜外表越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)〞容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物外表和測(cè)量精度來看，工作頻率要求提高。3.從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于木測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在40KHz。這樣傳感器方I句性鋒利，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來困難。指向角介紹傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，記為θ，它直接影響測(cè)量的分辨率。對(duì)圓片傳感器來說，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，傳感器半徑r有關(guān)。溫度介紹由2.2可知，聲速的大小線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有對(duì)抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體對(duì)抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響，由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫20℃下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為344m發(fā)射脈沖寬度介紹發(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)。根據(jù)資料[13]，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。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射200us(8個(gè)40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長(zhǎng)距離(2m外)發(fā)射800us(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)方面來衡量比擬適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。然而，在智能停車場(chǎng)當(dāng)中那么選擇800us的脈沖寬度。2.4總體設(shè)計(jì)上一局部我們就影響超聲測(cè)距誤差的幾個(gè)因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比擬適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCM-T40和一支接收探頭UCM-R40的收發(fā)分體式傳感器。木章主要在此根底上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)方案在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測(cè)距，測(cè)試距離約在4米以內(nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。顯示電路顯示電路單片機(jī)處理部分發(fā)射電路檢測(cè)電路接收電路發(fā)射探頭接收探頭障礙物圖2-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖發(fā)射電路采用單片機(jī)PI.O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TO。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UCM40T發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，故在此電路上加功率放大電路。從接收傳感器探頭UCM40T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)此局部電路時(shí)采用一級(jí)放大，和一帶通濾波電路，中心頻率4OKHZ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)成的比擬電路，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，目的使得單片機(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)。本電路是只能停車儀的一個(gè)局部所以可以不顯示，將數(shù)據(jù)傳輸出去，但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱酥庇^的顯示出來數(shù)據(jù)傳輸出去，用一個(gè)發(fā)光二極管來代替。并在設(shè)計(jì)時(shí)加了一個(gè)顯示局部，可以用來顯示測(cè)距儀的距離，也可用于顯示車位號(hào)。硬件電路的詳細(xì)說明將在接下來的章節(jié)中逐步說明。2.5本章小結(jié)木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)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)給出木系統(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)距的根本原理，并在此根底上給出一了測(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)射脈沖寬度對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。第三章超聲波測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì) 在以上的章節(jié)中，論文對(duì)于設(shè)計(jì)的根本內(nèi)容及設(shè)計(jì)范圍做了詳細(xì)的表達(dá)，在本章當(dāng)中，將要詳細(xì)的對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。局部電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路的方案論述一．發(fā)射電路波形分析為獲得較高的分辨力，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復(fù)性。此外，發(fā)射波形應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應(yīng)近似為統(tǒng)一頻率的振動(dòng)波，以便于接受時(shí)可以采用濾波器進(jìn)行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動(dòng)波峰。以防止超聲波在障礙物外表反射時(shí)造成的各種干擾和損失。由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路的設(shè)計(jì)是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復(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)。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，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓SV，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。二、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)，所以在此間參加一單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖3-3所示。圖3-3發(fā)射電路圖發(fā)射電路發(fā)射電路采用功率放大電路。一．功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號(hào)電壓，同時(shí)還要輸出大幅度的信號(hào)電流，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒有出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是:為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。η由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用功率Po與電源供應(yīng)晶體管功率Pe的比值，用η表示。%〔3-1〕直流電源供應(yīng)的功率除了一局部變成有用的信號(hào)功率以外，剩余局部變成晶體管的管耗Pc(Pc=Pe-Po)。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供應(yīng)功率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所以，對(duì)于功率放大器，提高效率也是一個(gè)重要問題。分析計(jì)算功率放大電路不可防止會(huì)出現(xiàn)交越失真的問題，但是交越失真在本設(shè)計(jì)中不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，所以不予考慮。對(duì)于這局部電路的分析計(jì)算根本如下[13]：首先計(jì)算輸出功率Po，對(duì)于整個(gè)功率放大電路可知：〔3-2〕輸出功率Po與輸入電壓U和輸入電流I有關(guān)，就是與鼓勵(lì)信號(hào)有關(guān)系。我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為：〔3-3〕最大輸出功率那么為：(3-4)功放管的耐壓降為：Ucemx=2Vcc〔3-5〕最大集電極功率損耗為：(3-6)集電極效率：%〔3-7〕最大集電極允許電流：(3-8)采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來的Vcc，而是Vcc/2(輸出電壓最大也只能到達(dá)約Vcc/2)，所有前面導(dǎo)出的計(jì)算公式，只要用Vcc/2代替其中的Vcc即可。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源12V供電,也可采用獨(dú)立5v電源。選用100uF最大耐壓值為5OV的電解電容，負(fù)載電阻為45Ω，功放管選用2SC1815，2SA1015兩匹配三極管，其耐壓為50v，大于每管電源電壓的兩倍即2×(5/2)=5v;根據(jù)公式3-8，管的集電極最大允許電流為150mA,大于mA,符合設(shè)計(jì)要求.最大輸出功率為Po=,所以符合設(shè)計(jì)要求。概括起來說，功率放大電路就是要在保證晶體管平安運(yùn)用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。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，只能提供微小交變電壓信號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。接收換接收電路的任務(wù)是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)，放大同時(shí)參加濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比擬器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。前置放大電路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，從而到達(dá)最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。圖3-4前置放大電路圖[13]電路如圖3-4所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比擬大(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;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。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U13、U15和U14構(gòu)成，組成一反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。由電路的根本知識(shí)，可列出: (3-9) (3-19)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)輸入端之間的靜輸入電壓通常接近于零即U=U_-U+≈O，假設(shè)把它理想化，那么有U=0，當(dāng)不是短路，故常稱為虛短。2.集成運(yùn)方兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流，如把它理想化，那么有I=O，但不是斷開，故常稱為虛斷。故可知本電路中:U+=0，U-=U+=0，且Ii≈If，所以有(3-11)上式說明，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U0與Ui反相。電路的電壓放大倍數(shù)為:(3-12)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)U13和U15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U14，參數(shù)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)偏置電流平衡并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器兩個(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的對(duì)輸出端的影響，故U14又稱為平衡電阻。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R2=lK;R3=20OK;RP=lKΩ，即放大電路將輸入信號(hào)放大200倍。帶通濾波電路超聲波接受電路接收的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲，而前端放大電路在放大有用信號(hào)的同時(shí)，會(huì)將一局部的噪聲信號(hào)同時(shí)放大[13]。于是設(shè)計(jì)出一高品質(zhì)因素的濾波器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)十分重要。集成運(yùn)放非常流行，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。所以采用有源濾波電路濾除無用的干擾雜波信號(hào)。有源濾波電路通?？梢苑譃橐韵聨最怺13]:它的功能是通過從零到某一截止角頻率W的低通信號(hào)，而對(duì)于大于W的所有頻率那么完成衰減。它的功能是通過從高于某一角頻率W的高通信號(hào)，而對(duì)于低于W的所有頻率那么完成衰減。它的功能是通過從零到某一截止角頻率Wh的低通信號(hào)，和大于Wl的所有頻率信號(hào)，其他的完成衰減。它的功能是低邊截止角頻率Wl和高邊截止角頻率Wh之間所有頻率信號(hào)通過，其它頻率信號(hào)那么完成衰減。在本設(shè)計(jì)中我們需要采用帶通濾波濾除除40kHz意外的其他雜波。所以我們采用如下面圖示的有源帶通濾波電路濾除雜波。圖3-5帶通濾波電路為了計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)U12=U8=R，U11=2R,C5=C6=C那么可由KCL列出方程，導(dǎo)出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為:〔3-13〕設(shè)A為所要的波，波動(dòng)范圍為3KHz左右。令(3-14)本電路要求帶通濾波器的中心頻率f0=40KHz，設(shè)計(jì)其品質(zhì)因數(shù)Q為3，選用電容為l000PF。根據(jù)(3-23)可得：根據(jù)〔3-13〕A=8/3,那么A0=8，所以U9=5/3U10.又因?yàn)閁11=U9//U10=8KΩΩΩ.所以U12=U8=4kΩ,U11=8kΩ.比擬檢測(cè)電路 當(dāng)接收電路經(jīng)過放大濾波后，就需要進(jìn)行檢測(cè)，這就需要一個(gè)檢測(cè)電路。這個(gè)局部非常關(guān)鍵，關(guān)系到以后電路是否能正常工作，還決定系統(tǒng)的精度問題。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的要求是保證每次接收信號(hào)都能被準(zhǔn)確的鑒別出來，通常利用比擬器將輸入信號(hào)與某一固定電平進(jìn)行比擬，輸出不同的電平來產(chǎn)生上升或下降沿觸發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的外中斷引腳。圖3-6比擬檢測(cè)電路由于LM393具有集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)，所以在電源與輸出之間，加一上拉電阻，電容C5起簡(jiǎn)單濾波作用。具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到前級(jí)放大濾波電路輸出是峰峰值為5V左右的連續(xù)正弦波信號(hào)的疊加，所以分別取U7=20K和U6=1K，那么參考電壓為V=Vcc×U7/(U6+U7)=5×1/21=238mV;上拉電阻U4=1K,電容C=1000pF。當(dāng)進(jìn)入比擬器的輸入信號(hào)高于238mv時(shí)，比擬器輸出電壓為5V;輸入信號(hào)低于238mV時(shí)，比擬器輸出電壓為0V，利用此邊沿跳變來控制單片機(jī)中斷INT0，停止計(jì)時(shí)。在本論文當(dāng)中，顯示局部電路本不作要求，但為設(shè)計(jì)出的電路可通用化和設(shè)計(jì)多樣化，參加了了顯示局部電路，本設(shè)計(jì)中的顯示電路以74HC373做驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口夠用所以不必考慮接口問題。如以下圖所示。圖3-7顯示電路本顯示局部的電路設(shè)計(jì)是為了更人性化,例如這個(gè)系統(tǒng)除了為智能停車場(chǎng)效勞以后,還可將此系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為普通的超聲波距離探測(cè)器時(shí)作為測(cè)量顯示，只需要將軟件進(jìn)行重新的編輯即可。單片機(jī)簡(jiǎn)單介紹上一章介紹超聲測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì)方案，本章將介紹此方案在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)單片機(jī)涉及到的軟件結(jié)構(gòu)及其相關(guān)編程。.1單片機(jī)的分類 主要流行的單片機(jī)51單片機(jī)和PIC單片機(jī)，流行的51單片機(jī)又有Atmel和STC單片機(jī)，我們這里用到的是Atmel單片機(jī)。.2ATMEL單片機(jī)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與微電子技術(shù)的開展，智能儀表的功能逐步完善，工作的可靠性也進(jìn)一步提高，而單片機(jī)卻是隨著功能的不斷增強(qiáng)，價(jià)格逐漸降低。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們使用美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)—AT89S5l作為控制器件。AT89S51是一種帶4K字節(jié)可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓，高性能CMOS結(jié)構(gòu)的8位微處理器。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容，并且將多功能8位CPU和FLASH存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，因而，AT89S51是一種高效的微控制器，為很多智能儀器和嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。下面簡(jiǎn)單介紹一下該單片機(jī)的一些特性。8位單片機(jī)AT89S5l的主要特性是:.與MCS-51指令兼容:.4K字節(jié)在系統(tǒng)可編程(ISP)Flash閃爍存儲(chǔ)器;.壽命:1000寫/擦循環(huán);.4.0-5.5V的工作電壓范圍;.全靜態(tài)工作模式:OHz-33Hz;.三級(jí)持續(xù)加密鎖;.128*8字節(jié)內(nèi)部RAM:.三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定;.32位可編程I/O線;.兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;.5個(gè)中斷源;.全雙工串行UART通道;.低功耗的閑置和掉電模式;.中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng);.看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針;.片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路;.掉電標(biāo)志和快速編程特性;.靈活的在系統(tǒng)編程(ISP字節(jié)或頁寫模式)3.6超聲波距離探測(cè)器總體電路3.6.1超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)在硬件電路設(shè)計(jì)當(dāng)中我們所用到的元件，我們通過計(jì)算或查的根本已經(jīng)完全獲得，其中局部元件可能中市場(chǎng)中不能買到，但是我們可以以其他的元件進(jìn)行代替。例如21k電阻，可以用20k的電阻與1k電阻進(jìn)行串聯(lián)。在設(shè)計(jì)電路中所用的元器件如下表3-1所示：元件名稱元件值個(gè)數(shù)電阻三極管三極管電阻電阻電解電容晶振電阻電阻電阻瓷片電容瓷片電容電阻芯片單片機(jī)電解電容電阻電阻瓷片電容發(fā)光二極管接口共陰七段發(fā)光二極管芯片芯片按鍵開關(guān)集成運(yùn)放超聲波發(fā)射探頭超聲波接受探頭1k2SA10152SC18154k8k10uf/25v12MHz13k20k21k30pf30pf45Ω74HC37389C51100uf/50v200k330Ω1000pfBT201CON3DPY_7-SEG_DPLM393SN7406SW-PBTL082CP(8)UCM40-RUCM40-T5112111111111111113113111211表3-1元器件清單 通過我們?cè)谝陨暇植恐袑?duì)于超聲波距離探測(cè)器的各局部電路設(shè)計(jì)表達(dá)，我們得到總體電路圖?？傠娐分邪ㄇ爸梅糯箅娐罚瑤V波電路，比擬檢測(cè)電路，發(fā)射電路，必要時(shí)可以參加顯示電路。設(shè)計(jì)詳細(xì)總體電路圖見附錄。3.7本章小結(jié)在本章中著重對(duì)硬件電路圖進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)闡述，硬件電路包括發(fā)射，接受放大，濾波，檢驗(yàn)等幾個(gè)電路局部，其中顯示局部為選用局部，在設(shè)計(jì)中主要依據(jù)模擬電路的根本設(shè)計(jì)思想來進(jìn)行設(shè)計(jì)第四章超聲波測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)原理在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測(cè)距的根本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)第三章所述系統(tǒng)硬總體設(shè)計(jì)方案和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能:在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收放大電路、濾涉及門限檢測(cè)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成脈沖串的輸出。為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，但不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為:S=0.5*V*T=0.5*344*T=172*T，其中，T為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間。由于單片機(jī)是按照16進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，所以得出的S并不能直接顯示，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這個(gè)局部中，信號(hào)處理主要包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，以及二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。本局部顯示可選擇用。數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離，送到與單片機(jī)P0口用三位LED顯示輸出。但是在本設(shè)計(jì)中，不要求進(jìn)行顯示，只將是否有車的數(shù)據(jù)傳輸出去，給上位機(jī)。在這個(gè)實(shí)物電路中，采用一個(gè)發(fā)光二極管來代替?zhèn)鬏斘弧Ｈ籐ED可以用來顯示車位號(hào)，給停車車主指示，讓車主知道自己車停在多少車位上?？傮w設(shè)計(jì)主程序流程圖否否是開始初始化跳入測(cè)距離程序保存測(cè)量距離再次跳入測(cè)距離程序等待5秒續(xù)進(jìn)行測(cè)量距離與保存值比擬是否有車顯示或傳出數(shù)據(jù)5秒續(xù)圖4-1主程序流程圖4.3測(cè)距儀單片機(jī)主程序本測(cè)距儀采用了單片機(jī)AT89S51來設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，用單片機(jī)匯編語言實(shí)現(xiàn)軟件編程，也可用C編程來完成。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷子程序等幾個(gè)主要局部組成。整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如圖4-1所示，在初始化以及調(diào)用測(cè)距發(fā)射子程序后翻開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，程序進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。程序初始化過程，主要是定時(shí)器計(jì)數(shù)器工作方式以及初值進(jìn)行設(shè)置，程序如下:VOUTEQUP1.0;脈沖輸出端口ORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPPINT0ORG000BHLJMPINTT0ORG0013HRETIORG001BHLJMPINTT1ORG0023HRETIORG002BHRETISTART:MOVSP,#4FHMOVR0,#40H;40~43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元〔40為最高位〕MOVR7,#0BHCLEARDISP:MOV@R0,#00HINCR0DJNZR7,CLEARDISPMOV20H,#00HMOVTMOD,#21H;T1為8位自動(dòng)重裝模式，T0為16位定時(shí)器MOVTH0,#00HMOVTL0,#00H;40KHz初值MOVTH1,#0F2HMOVTL1,#0F2HMOVP0,#0FFHMOVP1,#0FFHMOVP2,#0FFHMOVP3,#0FFHMOVR4,#04H；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制SETBPX0SETBET0STEBEACLR00HSETBTR0 ;開啟測(cè)距定時(shí)器START1:LCALL DISPLAYJNB00H,START1;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1CLR EALCALL WORK；計(jì)算距離子程序SETBEACLR00HSETBTR0；重新開啟測(cè)距定時(shí)器MOVR2,#64H；測(cè)量間隔控制〔約4*100=400ms〕LOOP: ；LCALLDISPLAY可用來顯示 ；DJNZR2,LOOP判斷是否顯示完畢SJMPSTART1LCALL REMEM ;保存第一次的測(cè)距數(shù)據(jù)4.4超聲波發(fā)射子程序INTT1:CPLVOUTDJNZR4,RETIOUTCLRTR1；超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1CLRET1MOVR4,#04HSETBEX0；開啟接收回波中斷RETIOUT:RETI4.5距離計(jì)算加文字WORK: PUSH ACC PUSH PSWPUSH B MOV PSW,#18H MOV R3,45H MOV R2,44H MOV R1,#00D MOV R0,#17D LCALLMUL2BY2 MOV R3,#03H MOV R2,#0E8H LCALL DIV4BY2 LCALL DIV4BY2 MOV 40H,R4 MOV A,40H JNZ JJ0 MOV 40H,#0AHJJ0: MOV A R0 MOV R4,A MOV A R1 MOV R5 A MOV R3,#00D MOV R2,#100D LCALL DIV4BY2 MOV 41H,R4 MOV A,41H JNZ JJ1 MOV A,40H SUBB A,#0AH JNZ JJ1 MOV 41H,#0AHJJ1: MOV A,R0 MOV R4,A MOV A,R1 MOV R5,A MOV R3,#00D MOV R2,#10D LCALLDIV4BY2 MOV 42H,R4 MOV A 42H JNZ JJ2 MOV A,41H SUBB A,#0AH JNZ JJ2 MOV 42H,#0AHJJ2: MOV 43H,R0 POP B POP PSW POP ACC RET4.6比擬程序CON： MOV A,46H MOV B,47H SUBB A,B CJNE A,48H,CON14.7乘法計(jì)算程序MULD2BY2： CLR A MOV R7,A MOV R6,A MOVR5,A MOV R4,A MOV 46H,#10HMULLOOP1: CLR C MOV A,R4 RLC A MOV R4,A MOV A, R5 RLC A MOV R5,A MOV A,R6 RLC A MOV R6,A MOV A,R7 RLC A MOVR7,A MOVA,R0 RLCA MOV R0,A MOV A,R1 RLC A MOV R1,A JNC MULLOOP2 MOV A,R4 ADD A,R2 MOV R4,A MOV A,R5 ADDC A,R3MULLOOP2: DJNZ 46H,MULLOOP1 RET4.8外部中斷子程序如圖4-4所示，中斷效勞程序是響應(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)。在中斷效勞程序中，首先進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，再把進(jìn)入中斷效勞程序處的計(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，如需要顯示可送到P0口顯示輸出。PINT0:CLRTR0；關(guān)計(jì)數(shù)器CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0；將計(jì)數(shù)值移入處理單元MOV45H,TH0SETB00H；接收成功標(biāo)志RETI*延時(shí)程序*DL1MS:MOVR6,#14HDL1:MOVR7,#19HDL2:DJNZR6,DL2DJNZR6,DL1RET4.9定時(shí)器中斷子程序定時(shí)器中斷子程序流程圖如圖4-5所示。由于51單片機(jī)是16位定時(shí)器，最大計(jì)時(shí)時(shí)一間為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。程序如下:INTT0: CLREA CLRTR0 MOVTH0,#00H MOVTL0,#00H SETBET1 SETBEA SETBTR0;啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T0，用以計(jì)算超聲波來回時(shí)間 SETBTR1;開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1OUT: RETI4.10本章小結(jié)本章主要結(jié)合硬件設(shè)計(jì)方案，給出具體實(shí)現(xiàn)時(shí)單片機(jī)涉及到的軟件結(jié)構(gòu)及其相關(guān)編程。主要包括整個(gè)程序,以及與硬件結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，程序采用模塊化設(shè)計(jì)，采用子程序設(shè)計(jì)，使編程開發(fā)周期的周期大大縮短了，方便程序閱讀以及程序查錯(cuò)，最終可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。第五章結(jié)束語在本次的設(shè)計(jì)當(dāng)中，我的設(shè)計(jì)內(nèi)容為智能停車場(chǎng)的一局部，負(fù)責(zé)判斷車位是否有車。我采用設(shè)計(jì)為超聲波距離探測(cè)器來判斷是否有車。在設(shè)計(jì)當(dāng)中，硬件局部包括幾大局部，主要依據(jù)是模擬電子技術(shù)中的電路。本設(shè)計(jì)方案理論論證可行，可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，比方顯示，在本文所針對(duì)的設(shè)計(jì)可以不用顯示，可以把車位號(hào)來進(jìn)行顯示來作為車位標(biāo)志，讓車主清楚知道自己的停車車位。也可以將顯示來顯示距離，把系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)完完全全的測(cè)距系統(tǒng)，這就完全可以用軟件編程來實(shí)現(xiàn)最終到達(dá)目的。在超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)中，我采用的是基于單片機(jī)來完成的，指導(dǎo)教師教導(dǎo)說，用單片機(jī)可能會(huì)導(dǎo)致本錢上升，在實(shí)際當(dāng)中可以采用集成的超聲波芯片來完成這個(gè)工程。但是有一點(diǎn)使用單片機(jī)來制作超聲波測(cè)距系統(tǒng)，可以使用軟件編程來縮小和減少誤差并修正，提高精度。在這次的設(shè)計(jì)后我了解到，無接觸測(cè)量在當(dāng)今的社會(huì)開展當(dāng)中已經(jīng)變得十分重要，超聲波方法作為非接觸測(cè)量，己經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。并且我知道了除了超聲波測(cè)量，還有紅外，激光測(cè)量等等。當(dāng)然在設(shè)計(jì)當(dāng)中，也有很多缺陷，比方再設(shè)計(jì)的最后調(diào)試，軟件始終有問題，導(dǎo)致最后的設(shè)計(jì)實(shí)物始終拿不出來。參考文獻(xiàn)[1]陳瑩.基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)[D].武漢：華中科技大學(xué)碩士論文，2004年4月30日.[2]羅忠輝，黃世慶.提高超聲測(cè)距精度的方法[J].北京：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005年1月第1期.[3]史曉華,杜新培.超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J].北京：HYPERLINK":///GRID20/Navi/