超聲波測距儀學(xué)士畢業(yè)論文

畢業(yè)設(shè)計用紙PAGEⅠ超聲波測距儀畢業(yè)論文中文摘要電子測距儀要求測量范圍在50cm~500cm，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距器，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)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長度的測量等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。我的超聲波測距儀設(shè)計采用74hc04反相器和CX20106搭接電路實現(xiàn)了超聲波的發(fā)射與接收。采用AT89C51單片機為該測距儀的控制核心，此設(shè)計易于調(diào)試，成本低廉，具有很強的實用價值和良好的市場前景。關(guān)鍵詞：超聲波傳感器，單片機，測距儀

ABSTRACTElectronicdistancemeasurementinstrumentformeasurementintherangeof20cm-2.5m,precision1cm,withthemeasurementofthemeasuredobjectwithoutdirectcontact,canclearlydemonstratethestabilityofthemeasurementresults.Becauseofthestrongpointofultrasonicenergyconsumption,slow,mediumofcommunicationinthelongerdistance,whichareoftenusedforultrasonicdistancemeasurement.Suchastherangefinderandlevelmeasurementandsooncanbeachievedbyultrasound.Ultrasonicranging,canbeappliedtocarparking,constructionsitesandsomeindustrialsitelocationmonitoring,andcanalsobeusedforliquidlevel,depth,pipelengthmeasurementoccasions.Useofultrasonictestingisoftenmorerapid,convenient,simple,easytoachievereal-timecontrol,andmeasurementaccuracycanmeetthepracticalrequirementsofindustry.Inthemobilerobothasbeendevelopedonawiderangeofapplications.Mycaranti-collisionanti-theftalarmsystemdesignusing74hc04inverterandCX20106lapcircuittorealizetheultrasonictransmitterandreceiver.UsingAT89C51SCMasthecontrolcoreoftherangefinder,thisdesigneasydebugging,lowcost,hastheverystrongpracticalvalueandgoodmarketprospects.Keywords:ultrasonicsensor,singlechipmicrocomputer,rangefinder,目錄TOC\o"1-3"\h\u1656第一章緒論 -1-162371.1設(shè)計項目概述 -1-323721.2設(shè)計要求 -1-217881.3超聲波測距原理 -1-24982第二章超聲波測距儀的內(nèi)容及意義 -3-265612.1超聲波測距儀的意義 -3-316562.2超聲波測距儀的內(nèi)容 -3-4399第三章系統(tǒng)方案選擇 -3-203723.1方案一 -4-326163.2方案二 -4-140963.3方案確定 -4-25120第四章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 -4-134524.1單片機模塊 -4-95714.1.1AT89C51標(biāo)準(zhǔn)功能 -5-127304.1.2管腳說明 -6-272814.2超聲波諧振頻率調(diào)理電路模塊 -7-305024.3超聲波回路接收處理電路模塊 -8-312394.4數(shù)碼管顯示模塊 -8-19894第五章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計 -9-315255.1超聲波測距程序設(shè)計 -9-2705.2超聲波測距流程圖 -10-28066第六章系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 -10-292256.1硬件調(diào)試 -10-302726.2軟件調(diào)試 -11-91266.3測試結(jié)果 -11-25185第七章調(diào)試中遇到的問題 -11-137257.1發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 -11-84637.2當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 -12-13560總結(jié) -13-9585參考文獻(xiàn) -14-667附錄A -0-1481附錄B -0-30958致謝 -6-

第一章緒論聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時就會發(fā)生反射，反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，那么就可以計算出從聲波到目標(biāo)的距離。這就是本系統(tǒng)的防撞報警原理。這里聲波傳播的介質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。接收回路中測得的超聲波信號共有兩個波束，第一個波束位余波信號，即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號（一組40KHz的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號，并持續(xù)一段時間。另一個波束為有效信號，即經(jīng)過被測物表面反射的回波信號。超聲波測距時，需要測的是開始發(fā)射到接收到信號的時間差，需要檢測的有效信號為反射物反射的回波信號，故要盡量避免檢測到余波信號，這也是超聲波檢測中存在最小測量盲區(qū)的主要原因。軟件控制脈沖發(fā)射、檢測回波信號：程序采用的是脈沖測量法，由單片機引腳產(chǎn)生40KHz的脈沖信號，每次測量發(fā)射的脈沖數(shù)至少要12個完整的40KHz脈沖。同時發(fā)射信號前打開計數(shù)器，進(jìn)行計時；等計時到達(dá)一定值后再開啟檢測回波信號，以避免余波信號的干擾。采用外部中斷對回波信號進(jìn)行檢測（回波信號送到單片機的為一序列方波脈沖）。接收到回波信號后，馬上讀取計數(shù)器中的數(shù)值，此數(shù)據(jù)即為需要測量的時間差數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理后得到這一次測距值。假設(shè)室溫下聲波在空氣中的傳播速度是335.5m/s，測量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間是t秒，則距離d可以由公式(1-1)計算：d=33550(cm/s)*t(s)，因為聲波經(jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是d/2。1.1設(shè)計項目概述由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波被廣泛應(yīng)用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，計算簡單，已做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用要求，測量時與被測物體無直接接觸等，這些優(yōu)點使其廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位測量、精深測量等場合。目前國內(nèi)一般實用專用集成電路設(shè)計超聲波測距器，但是成本高，沒有顯示，操作不便，操作使用不方便，創(chuàng)展不靈活?；趩纹瑱C的超聲波測距易克服了上述缺點，應(yīng)用非常廣泛。1.2設(shè)計要求設(shè)計一個超聲波測距器，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)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。具體要求如下：(1)測量范圍在0.5-1.11m，測量精度1cm。(2)測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。1.3超聲波測距原理采用單片機作為主控制器，用LED數(shù)碼管作為顯示儀器來顯示所測的距離。由單片機發(fā)射和接受超聲波信號，再經(jīng)過單片機計算輸出顯示被測距離，即超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一段超聲波信號，當(dāng)超聲波遇到障礙物（被測物體）后返回被接收器R接受。測距的原理如圖1-1。RTT2RTT2T1圖1-1測距的原理這樣只要計算出發(fā)射超聲波和接收到超聲波之間的時間，就可以計算出超聲發(fā)射器與反射物體的距離。距離計算公式為：其中：d為被測物與測距器的距離s為聲速的來回路程c為聲速t為聲波來回所用的時間超聲波是指頻率高于20KHZ的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，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)慣稱之為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器兩種，但是一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器利用壓電效應(yīng)的原理將超聲波和電能相互轉(zhuǎn)換，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波，而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換為電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的生源與障礙物之間的距離，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量，因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為332.45m/s。單片機使用12MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論可以達(dá)到毫米級。單片單片機顯示模塊超聲波接收器R超聲波發(fā)生器T電源電路圖1-2基于單片機的超聲波測距器系統(tǒng)框圖

第二章超聲波測距儀的內(nèi)容及意義2.1超聲波測距儀的意義隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，人們的生活節(jié)奏加快，高效的、人性化測距儀和無線系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)超聲波受到尺寸大于其波長的目標(biāo)物體阻擋時就會發(fā)生反射，反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時間可以測量得到，那么就可以計算出從聲波到目標(biāo)的距離。利用超聲波的高可靠性和無接觸性，在現(xiàn)在的高難度的應(yīng)用和普遍的多次快速應(yīng)用場合已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長度的測量等場合，無線系統(tǒng)常用于報警器設(shè)防解防、車庫門遙控、摩托車、汽車的防盜報警等，遙控模塊價格低廉，發(fā)射模塊和接收模塊體積小巧、外觀精致，耗電省，工作穩(wěn)定可靠。本設(shè)計將超聲波系統(tǒng)與無線系統(tǒng)結(jié)合通過單片機處理，制作出簡單、穩(wěn)定、高實用性的汽車防撞防盜報警器。2.2超聲波測距儀的內(nèi)容發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?-1超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃）-30-20-100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386具體控制方法如圖1所示，單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED/LCD顯示。超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路單片機控制顯示器圖2-1超聲波測距原理框圖第三章系統(tǒng)方案選擇3.1方案一系統(tǒng)包括超聲波諧振頻率調(diào)理電路、超聲波回波接收處理電路、LED數(shù)碼顯示模組、單片機及電源四部分。超聲波測距儀主要以STC單片機為控制核心，其發(fā)射器是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的.超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，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s=340×t/2，這就是常用的時差法測距。在測距計數(shù)電路設(shè)計中，采用了相關(guān)計數(shù)法，其主要原理是：測量時單片機系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機計數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計數(shù)；當(dāng)信號發(fā)射一段時間后，由單片機發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號，計數(shù)器開始計數(shù)，實現(xiàn)起始時的同步;當(dāng)接收信號的最后一個脈沖到來后，計數(shù)器停止計數(shù)。顯示模塊是一個8位段數(shù)碼顯示的LED；測量結(jié)果的顯示用到四位數(shù)字段碼，電源采用5V的DC直流穩(wěn)壓電源輸入，供系統(tǒng)各部分電路使用。優(yōu)點：可以自己動手操作、科研價值比較高、適用與初學(xué)者研究，準(zhǔn)確無誤。缺點：超生波系統(tǒng)電路純硬件搭接、性能不是很穩(wěn)定、精度也要稍低些。3.2方案二系統(tǒng)包括超聲波測距模組、液晶1602顯示電路，單片機最小系統(tǒng)及電源五部分組成。超聲波測距系統(tǒng)主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制。超聲波換能器諧振在40KHz的頻率，模塊上帶有40KHz方波產(chǎn)生電路。其工作原理與方案一的原理基本相似。在測距計數(shù)電路設(shè)計中，采用了相關(guān)計數(shù)法，其主要原理是：測量時單片機系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機計數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計數(shù)；當(dāng)信號發(fā)射一段時間后，由單片機發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號，計數(shù)器開始計數(shù)，實現(xiàn)起始時的同步;當(dāng)接收信號的最后一個脈沖到來后，計數(shù)器停止計數(shù)。優(yōu)點：超生波系統(tǒng)集成度高、性能比較穩(wěn)定、可控性好、精度較好。缺點：只適用與成品開發(fā)、滿足不了人們的求知欲望、缺少科研價值。3.3方案確定由于本次是一次實驗性的開發(fā)，經(jīng)過對上述兩種方案的分析，如果選擇模組就失去了實驗的價值，哪怕沒有成功，那也是一次很好的經(jīng)歷，所以我選擇了方案一。第四章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.1單片機模塊單片機是在集成電路芯片上集成了各種元件的微型計算機，這些元件包括中央處理器CPU、數(shù)據(jù)存儲器RAM、程序存儲器ROM、定時/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、時鐘部件的集成和I/O接口電路。由于單片機具有體積小、價格低、可靠性高、開發(fā)應(yīng)用方便等特點，因此在現(xiàn)代電子技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛，在智能儀表中單片機是應(yīng)用最多、最活躍的領(lǐng)域之一。在控制領(lǐng)域中,現(xiàn)如今人們更注意計算機的底成本、小體積、運行的可靠性和控制的靈活性。在各類儀器、儀表中引入單片機，使儀器儀表智能化，提高測試的自動化程度和精度，提高計算機的運算速度，簡化儀器儀表的硬件結(jié)構(gòu)，提高其性能價格比。AT89C51單片機的時鐘信號通常有兩種方式產(chǎn)生：一是內(nèi)部時鐘方式，二是外部時鐘方式。在AT89C51單片機內(nèi)部有一振蕩電路，只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接石英晶體（簡稱晶振），就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。電容的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在5-30pF，典型值為30pF。晶振CYS的振蕩頻率范圍在1.2-12MHz間選擇，典型值為12MHz和11.0592MHz。當(dāng)在AT89C51單片機的RST引腳引入高電平并保持2個機器周期時，單片機內(nèi)部就執(zhí)行復(fù)位操作（若該引腳持續(xù)保持高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)）。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要VCC的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。時鐘頻率用6MHZ時C取22uF,R取1KΩ。除了上電復(fù)位外，有時還需要按鍵手動復(fù)位。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)過電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。最小系統(tǒng)如圖3-1所示。圖4-1單片機最小系統(tǒng)原理圖4.1.1AT89C51標(biāo)準(zhǔn)功能(1)與MCS-51單片機產(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：0Hz～33Hz(5)三級加密程序存儲器(6)32個可編程I/O口線(7)三個16位定時器/計數(shù)器(8)八個中斷源(9)全雙工UART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)看門狗定時器(13)雙數(shù)據(jù)指針(14)掉電標(biāo)識符4.1.2管腳說明(1)VCC:電源(2)GND:地(3)P0口：P0口是一個8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯電平。對P0端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。(4)P1口：P1口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P1端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸出口使用。作輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和時器/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表3.2所示。在flash編程和校驗時，P1口接收低8位地址字節(jié)。表4-1P1口第二功能引腳號第二功能P1.0T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出P1.1T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）(5)P2口：P2口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P2端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR）時，P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址（如MOVX@RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗時，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。(6)P3口：P3口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，p2輸出緩沖器能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。對P3端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89C51特殊功能（第二功能）使用，如表3.3所示。在flash編程和校驗時，P3口也接收一些控制信號。表4-2P3口第二功能引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT0(外部中斷0)P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)(7)RST:復(fù)位輸入。晶振工作時，RST腳持續(xù)2個機器周期高電平將使單片機復(fù)位?？撮T狗計時完成后，RST腳輸出96個晶振周期的高電平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能無效。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。(8)ALE/PROG：地址鎖存控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在flash編程時，此引腳（PROG）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個ALE使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。(9)PSEN:外部程序存儲器選通信號（PSEN）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)AT89C51從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時，PSEN在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，PSEN將不被激活。(10)EA/VPP:訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲器讀取指令，EA必須接GND。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令，EA應(yīng)該接VCC。在flash編程期間，EA也接收12伏VPP電壓。(11)XTAL1:振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。(12)XTAL2:振蕩器反相放大器的輸出端。4.2超聲波諧振頻率調(diào)理電路模塊超聲波發(fā)射電路原理圖如圖1-7所示。發(fā)射電路主要由反相器74ls04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R1O、R11一方面可以提高反向器74hc04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。其原理圖如圖4-2所示。圖4-2超聲波諧振頻率調(diào)理電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。4.3超聲波回路接收處理電路模塊集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖4)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖4-3超聲波檢測接收電路4.4數(shù)碼管顯示模塊本電路的顯示模塊主要由一個4位一體的7段LED數(shù)碼管構(gòu)成，用于顯示測量到的電壓值。它是一個共陽極的數(shù)碼管，每一位數(shù)碼管的a,b,c,d,e,f,g和dp端都各自連接在一起，用于接收單片機的P1口產(chǎn)生的顯示段碼。S1，S2，S3，S4引腳端為其位選端，用于接收單片機的P2口產(chǎn)生的位選碼。本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描方式。掃描方式是用其接口電路把所有數(shù)碼管的8個比劃段a~g和dp同名端連在一起，而每一個數(shù)碼管的公共極COM各自獨立地受I/O線控制。CUP從字段輸出口送出字型碼時，所有數(shù)碼管接收到相同的字型碼，但究竟是哪個數(shù)碼管亮，則取決于COM端。COM端與單片機的I/O接口相連接，由單片機輸出位位選碼到I/O接口，控制何時哪一位數(shù)碼管被點亮。在輪流點亮數(shù)碼管的位掃描過程中，每位數(shù)碼管的點亮?xí)r間極為短暫。但由于人的視覺暫留現(xiàn)象，給人的印象就是一組穩(wěn)定顯示的數(shù)碼。動態(tài)方式的優(yōu)點是十分明顯的，即耗電省，在動態(tài)掃描過程中，任何時刻只有一個數(shù)碼管是處于工作狀態(tài)的。具體原理圖如圖4-4圖4-4數(shù)碼管顯示模塊第五章系統(tǒng)軟件程序設(shè)計5.1超聲波測距程序設(shè)計超聲波測距器軟件設(shè)計主要由主程序、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系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時器的初值和工作方式，使總中斷允許位EA=1，并給顯示端口清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，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)，需延時0.1ms（這也就是測距器會有一個最小可能測距的原因）后，才能打開外中斷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(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計時取20攝氏度時的聲速344m/s，則有：，（其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值）。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效容易精細(xì)計算程序運行的時間，所以控制程序我采用C語言編程。通過P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。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（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。5.2超聲波測距流程圖開始開始初始化發(fā)射按鍵是否按下發(fā)射超聲波脈沖停止定時器計時，并且計算出時間，根據(jù)時間計算出距離是否有外部中斷通過數(shù)碼管顯示出距離結(jié)束YNYN圖5-1系統(tǒng)整體流程圖第六章系統(tǒng)軟硬件調(diào)試6.1硬件調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器74ls04（T發(fā)射）和CX20106A（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，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(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。在本次設(shè)計中，主控模塊是非常重要的部分，它不僅是本次設(shè)計的核心，在本次硬件調(diào)試中也遇到了問題，接上電源的時候，數(shù)碼管不亮，沒有任何顯示，于是我做了如下的工作：(1)檢查電源是否通電，發(fā)現(xiàn)指示燈亮著；(2)編程使P1為低電平，檢查到P1輸出為低；(3)檢查P0口未接上拉電阻，接上數(shù)碼管發(fā)亮了。6.2軟件調(diào)試硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。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(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.10～5.0m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。6.3測試結(jié)果按照設(shè)計的硬件電路和軟件，做成成品，調(diào)試好后，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試數(shù)據(jù)如表6-1所示。表6-1測距數(shù)據(jù)實際距離32.634.538.639.045.048.651.260.763.572.9測量距離32.533.237.550.258.962.971.1誤差1111111111實際距離102.6108.1130.5142.2158.6159.2173.5180.2184.5197.5測量距離102107.5129.2140.1156.9158.4171179.2183.0195.6誤差0111212112實際距離200250300350400450500550600650測量距離197.9247.2297.1345.8398.7446.8494.9545.2590.9639.1誤差23242454712第七章調(diào)試中遇到的問題7.1發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析采用壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率40KHz，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準(zhǔn)確的接受時間，必須對收到的信號進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。7.2當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時間的影響嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀?。實際情況下，溫度每上升或者下降1c,聲速將增加或者減少0.607m/s，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀佟?/p>

總結(jié)對所設(shè)計的電路進(jìn)行測量、校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)其測量范圍15cm~250cm內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為2cm，顯示最小分辨率為0.01m，測量盲區(qū)小于0.15米，且重復(fù)性好。該測距儀穩(wěn)定性比較高、靈敏度比較高，盲區(qū)范圍小，分辨率小于0.01m,被測目標(biāo)不需要垂直于超聲波測距儀角度保持在正負(fù)30度，被測目標(biāo)表面不需要平坦；但是在檢測過程中會有一些不便的地方：1.測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體，由于發(fā)射功率有限，測距儀無法測量5m外的物體。2.因為實現(xiàn)測距所以電路的電流相對比較大。3.不能夠?qū)崿F(xiàn)不同溫度下的測距功能。4.因為超聲波是將空氣作為媒介所以受電磁干擾比較大。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，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。由上述的分析知，如果能夠知道當(dāng)?shù)販囟?，則可根據(jù)公式求出當(dāng)?shù)芈曀?，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值，在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標(biāo)桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。超聲波測距裝置首先測量距離已知為h的基平面（標(biāo)桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離h根據(jù)公式求出當(dāng)?shù)芈曀佟Ｍㄟ^這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設(shè)備設(shè)定“標(biāo)定”和“測量”兩種狀態(tài)，即能夠?qū)崿F(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。本文主要介紹了以單片機AT89C51為處理器超聲波測距器的設(shè)計過程，包括電路設(shè)計和程序的設(shè)計以及電路的搭建與調(diào)試。此設(shè)計電路由超聲波傳感器、單片機、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。以單片機AT89C51為主處理器，通過超聲波傳感器發(fā)射和接收超聲波，再通過單片機中斷測出單片機由發(fā)射到接收到超聲波的時間，再計算出單片機與被測物體之間的距離，然后通過數(shù)碼管顯示出被測物體與單片機之間的距離。發(fā)射電路主要有74LS04和超聲波換能器構(gòu)成用單片機P1.0端口輸出40KHZ方波信號一路經(jīng)一級反向后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向后送到超聲波換能器的另一個電極。超聲波接收采用的是常用于電視紅外遙控接收器的芯片CX20106A。顯示電路采用四位數(shù)碼管的動態(tài)顯示。本電路設(shè)計由于元器件及其成板誤差，測量最大距離未能達(dá)到設(shè)計初衷要求，但對測量距離結(jié)果的誤差影響不大，能滿足日常生活、工業(yè)生產(chǎn)的測量要求，因此此設(shè)計有著很大的意義。同時通過這個設(shè)計能夠提高我對單片機的認(rèn)識、編程能力和電路設(shè)計能力。

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