超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（2011屆）題 目超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)學(xué) 院電子信息學(xué)院專(zhuān) 業(yè)電子信息工程班 級(jí)學(xué) 號(hào)學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期誠(chéng) 信 承 諾我謹(jǐn)在此承諾：本人所寫(xiě)的畢業(yè)論文XXXXXXXX均系本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲行為，凡涉及其他作者的觀點(diǎn)和材料，均作了注釋?zhuān)粲胁粚?shí)，后果由本人承擔(dān)。 承諾人（簽名）： 年 月 日摘 要本設(shè)計(jì)主要利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制超聲波測(cè)距系統(tǒng)，單片機(jī)控制定時(shí)器計(jì)時(shí)、軟件產(chǎn)生約40KHZ的方波信號(hào)觸發(fā)發(fā)射傳感器，控制超聲波的發(fā)射和接收。利用超聲波傳輸中距離與時(shí)間的關(guān)系，采用AT89s52單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能準(zhǔn)確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波測(cè)距儀。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接

2、驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大，整形電路，該電路簡(jiǎn)單，調(diào)試工作較小。該測(cè)距儀主要由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路及顯示電路構(gòu)成。利用所設(shè)計(jì)出的超聲波測(cè)距儀，對(duì)不同距離進(jìn)行了測(cè)試，并進(jìn)行了的誤差分析。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量誤差方面能達(dá)到簡(jiǎn)單工業(yè)實(shí)用的要求。關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；AT89s52；超聲波傳感器；定時(shí)器；方波信號(hào)ABSTRACT This ultrasonic ranging system designer mainly controlled by Micro Control Uni

3、t, MCU controls the timer, the software produces about 40KHZ square wave signal triggered emission sensors, to control the transmit and receive ultrasound. The AT89s52 MCU to control the data process and design to accurately measure the distance between two points in the ultrasonic range finder. The

4、 Transmitter circuit drives the output from the MCU to send ultrasound directly. Receiver circuit consists of transistor amplification, the shaping circuit. The circuit is simple, less debugging. The range finder controller system is mainly included by the microcontroller, ultrasonic transmitter cir

5、cuit, ultrasonic receiver circuit and display circuit. Using the design of the ultrasonic range finder, for different distances were tested, and conducted the error analysis. The system is reasonably simple circuit design, stable, good performance, test speed, calculation is simple and easy to do re

6、al-time control, and measurement error terms to achieve a simple and requirements of practical industry.朗讀顯示對(duì)應(yīng)的拉丁字符的拼音字典 Key words：ultrasonic distance；AT89s52；ultrasonic sensors；timer；square wave；目 錄1 引言 -12 概述 -2 2.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述 -22.2 設(shè)計(jì)方案思路 -32.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵 -32.4主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo) -33 總體設(shè)計(jì) - 4 3.1 發(fā)射傳感器觸發(fā)-43.2

7、發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng) -43.3接收信號(hào)處理-53.4超聲波的衰減 - 113.5數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示 - 54 硬件設(shè)計(jì) -6 4.1 AT89s52單片機(jī) -64.2超聲波傳感器-84.3超聲波測(cè)距 -94.4數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)-115 軟件設(shè)計(jì) -14 5.1 總體方案 -145.2 程序流程 -145.3 模塊說(shuō)明 -146 制作與調(diào)試步驟-18 6.1 硬件電路的布線與焊接 -186.2 調(diào)試步驟 -187 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及誤差分析 - 18 8 結(jié)論 -20致謝 -21參考文獻(xiàn) -22附錄 -231 引言超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影

8、響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。超聲波測(cè)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(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用

9、反射波方式。 本設(shè)計(jì)采用AT89s52單片機(jī)進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計(jì)出了能精確測(cè)量?jī)牲c(diǎn)間距離的超聲波測(cè)距儀。該測(cè)距儀主要由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路、及顯示電路構(gòu)成。2 概述2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述超聲測(cè)距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來(lái)的特性進(jìn)行測(cè)量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即中斷停止計(jì)時(shí)。 通過(guò)不斷檢測(cè)產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射超聲波和接收到回波的時(shí)間差T，然后求出距離L。基本的測(cè)距公式為：L=(t/2)*C式中 L要測(cè)的距離 T發(fā)射波和

10、反射波之間的時(shí)間間隔 C超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s聲速確定后，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離L。超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限; 聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。其原理為: 檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 超聲波測(cè)距有

11、以下幾個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)：（1）價(jià)格比較低廉的超聲波測(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。（2）提高超聲波測(cè)距精度的方法，根據(jù)測(cè)距系統(tǒng)應(yīng)用具體環(huán)境的不同提高精度的方法，但基本都是圍繞著減小測(cè)量渡越時(shí)間的誤差和減小環(huán)境溫度的影響兩個(gè)方面提出的。2.2 本設(shè)計(jì)方案思路本設(shè)計(jì)以AT89s52單片機(jī)為控制核心，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，超聲波發(fā)射電路，接收電路信號(hào)處理，檢測(cè)，完成時(shí)間的測(cè)量為主要設(shè)計(jì)內(nèi)容。單片機(jī)編程用引腳端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，去觸發(fā)超聲波發(fā)射傳感器，接收傳感器接收到微弱信號(hào)后進(jìn)行多級(jí)放大，濾波，整形，檢波，送到單片機(jī)引腳判斷低電平信號(hào)。計(jì)算測(cè)

12、距時(shí)間采用定時(shí)器計(jì)時(shí)完成。由時(shí)間再轉(zhuǎn)化成距離顯示即可。2.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵（1）三位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示編程，軟件消影技術(shù)（2）合理設(shè)計(jì)產(chǎn)生40KHZ的方波信號(hào)，提高超聲波發(fā)射傳感器的性能；（3）接收傳感器收到微弱信號(hào)的處理，檢測(cè)；（4）52單片機(jī)定時(shí)器，中斷子程序的控制設(shè)計(jì)。2.4 主要技術(shù)指標(biāo)（1）盲區(qū)： 小于30cm（2）測(cè)量范圍： 30cm300cm（3）測(cè)距誤差： 不超過(guò)1cm（4）顯示電路： 三位 LED數(shù)碼管顯示3 總體設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用Atmel公司的AT89s52

13、系列單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，電路簡(jiǎn)單。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路四部分。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，從而減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P1.1端口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P0口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管8850三極管

14、驅(qū)動(dòng)。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過(guò)接收電路處理后，向單片機(jī)P1.1輸入一個(gè)低電平方波。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到P1.1由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅⒓赐Ｖ箖?nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間與聲速相乘再除以2即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯示出來(lái)。3.1發(fā)射傳感器觸發(fā)由于傳感器的中心頻率是40KHZ，本系統(tǒng)采用的是高精度的12MHZ晶振，方波的周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1s，所以只

15、能產(chǎn)生半周期為12s或13s的方波信號(hào)，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約41.67kHz的方波信號(hào)來(lái)觸發(fā)超聲波發(fā)射傳感器。3.2發(fā)射傳感器驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送部份為了簡(jiǎn)化電路,沒(méi)加設(shè)置專(zhuān)門(mén)的超聲波驅(qū)動(dòng)電路,而是用單片機(jī)的P1.0引腳輸出端加了一個(gè)上拉電阻后，從而增加驅(qū)動(dòng)電流，就直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送頭。理論上，驅(qū)電電壓只有5伏。3.3超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： （1）擴(kuò)散衰減:超聲波在傳播過(guò)程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳

16、播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過(guò)程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋?（3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來(lái)表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對(duì)同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度

17、下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說(shuō)明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來(lái)表示聲波的衰減。3.4接收信號(hào)處理由于反射回來(lái)的超聲波信號(hào)非常微弱，所以接收電路需要對(duì)其進(jìn)行放大。接收到的信號(hào)加到BG1三極管、BG2三極管組成的兩級(jí)放大器上進(jìn)行放大。每級(jí)放大器的進(jìn)行放大。放大的信號(hào)通過(guò)檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)，即把多個(gè)方波波解調(diào)成多個(gè)大方波波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號(hào)即兩二極管之間電容電壓。3.5 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P0口，位碼輸

18、出端口分別為單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管8850三極管驅(qū)動(dòng)。軟件編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，并且軟件消影。4 硬件設(shè)計(jì)4.1 AT89s52單片機(jī)主要性能（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(chǔ)器（3） 1000次擦寫(xiě)周期（4） 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz（5）32個(gè)可編程I/O口線（6）三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（7）八個(gè)中斷源（8）全雙工UART串行通道（9）l 低功耗空閑和掉電模式（10）掉電后中斷可喚醒（11） 看門(mén)狗定時(shí)器 AT89S52管腳圖功能特性描述AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系

19、統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。

20、空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。圖4-1單片機(jī)最小系統(tǒng)超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)主要由：A T 8 9s52單片機(jī)、晶振、按鍵復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。按鍵復(fù)位電路原理：按鍵后電容器被短路放電、RST直接和VCC相連，就是高電平，此時(shí)進(jìn)入“復(fù)位狀態(tài)”。松手后：電源開(kāi)始對(duì)電容器充電，此時(shí)，充電電流在電阻上，形成高電平送到RST，仍然是“復(fù)位狀態(tài)”；稍后，充電結(jié)束，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為低電平，開(kāi)始正常工作。4.2 超聲波傳感器超聲波發(fā)生為

21、了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi): 一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)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。它們所產(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。4.2.1 壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖4-2所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱(chēng)應(yīng)變。若在圖

22、a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。圖4-2壓電逆效應(yīng)圖超聲波傳感器采用雙晶振子，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(guò)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

23、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。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為40kHz)上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就能發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高

24、頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。現(xiàn)以MA40S2R接收器和MA40S2S發(fā)送器為例說(shuō)明超聲波傳感器的各種特性，表4-3示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱(chēng)頻率為40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。表4-3超聲波傳感器MA40S2R/S的特性種類(lèi)特性MA40S2R接收MA40S2S發(fā)送標(biāo)稱(chēng)頻率40kHz靈敏度74dB以上100dB以上帶寬6kHz以上(80dB)7kHz以上(90dB)電容1600pF1600pF絕緣電阻100M以上溫度特性20+60范圍內(nèi)靈敏度變化在10dB以?xún)?nèi)圖4-4

25、傳感器的方向性圖4-4表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。4.3超聲波測(cè)距開(kāi)始測(cè)量超聲波信號(hào)開(kāi)定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測(cè)電聲換能器電聲換能器驅(qū)動(dòng)電路超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限; 聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。其原理為: 檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開(kāi)始

26、計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，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隨溫度變化，其對(duì)應(yīng)值如表4-5，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離( s ) ，即: s= vt/2表4-5聲速與溫度的關(guān)系溫度()3020100102030100聲速(m/s)313319325323338344349386 圖4-6超聲波發(fā)射和接收電路超聲波發(fā)射、接收電路如圖4-6。超聲波發(fā)射部份由電阻R2及超聲波發(fā)送頭T40板成；接收電路由Q1,Q2組成的兩組三級(jí)管放大電路組成；檢波電路、比較整形電路由C6、D2、D3及Q3組成。40kHz的方波由AT

27、89s52單片機(jī)的P 1.0驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入單片機(jī)的P1.1腳。圖4-7 超聲波測(cè)距時(shí)序圖4.4 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)數(shù)碼管由7 個(gè)發(fā)光二極管組成,行成一個(gè)日字形,它門(mén)可以共陰極,也可以共陽(yáng)極，通過(guò)解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字,這就是它的工作原理。基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由7 個(gè)條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字09及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點(diǎn)，增加了1 個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管

28、就由8 個(gè)LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為a，b，c，d，e，f，g，dp。數(shù)碼管按各發(fā)光二極管電極的連接方式分為共陽(yáng)數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM 接到地線GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖3 所示。共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)應(yīng)將公共極COM 接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一

29、字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陽(yáng)數(shù)碼管內(nèi)部連接如下圖： 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi)。 動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8 個(gè)顯示筆劃“a, b, c, d, e, f, g, dp“的同名端連在一起，另外為每個(gè)數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨(dú)立的I/O 線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位選通COM 端電路的控制

30、，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開(kāi)，該位就顯示出字形，沒(méi)有選通的數(shù)碼管就不會(huì)亮。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過(guò)程中，每位數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為12ms，由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感，動(dòng)態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱(chēng)直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的I/O 端口進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD 碼二-十進(jìn)制譯碼器譯

31、碼進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O 端口多，如驅(qū)動(dòng)5 個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5840 根I/O 端口來(lái)驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89S52單片機(jī)可用的I/O 端口才32 ，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加譯碼驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬件電路的復(fù)雜性。數(shù)碼管的8段，對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)的8位，a對(duì)應(yīng)最低位，dp對(duì)應(yīng)最高位。所以如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字0，那么共陰數(shù)碼管的字符編碼為，即0x3f；共陽(yáng)數(shù)碼管的字符編碼為，即0xc0?？梢钥闯龉碴?yáng)，共陰數(shù)碼管兩個(gè)編碼的各位正好相反。圖4-5數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路 為此本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，并且軟件消影。每一位數(shù)碼管顯示了它前一位要顯示的字符和它本身要

32、顯示的字符的重疊效果。要想避免“拖影”就必須在每位數(shù)碼管顯示完后將其關(guān)閉，我們可以加入“P0=0xff;”，這樣各位數(shù)碼管都不會(huì)選中，然后下一位再顯示時(shí)就不會(huì)有影響了，這就是所謂的消“影”。5 軟件設(shè)計(jì)5.1 總體方案該系統(tǒng)的信號(hào)產(chǎn)生與數(shù)據(jù)處理傳送部分，由AT89s52單片機(jī)主控芯片，方波信號(hào)產(chǎn)生，中斷程序，定時(shí)器計(jì)時(shí)，低電平檢測(cè)，數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)。5.2 主程序流圖= 0 測(cè)量斷碼轉(zhuǎn)換 開(kāi)始 初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 測(cè)量標(biāo)志 超聲波測(cè)距 距離上限值 顯示值 = CCC = N 距離sj3)/大于時(shí)顯示CCCbuffer2=0x39;buffer1=0x39;buffer0=0x39; else

33、 if(ssj1)/小于時(shí)顯示- - -buffer2=0x40;buffer1=0x40;buffer0=0x40; else timeToBuffer( );/調(diào)用轉(zhuǎn)換段碼功能模塊 offmsd( );/調(diào)用判斷百位數(shù)為零模塊，百位為零時(shí)不顯示scanLED( );/調(diào)用顯示函數(shù)（2）數(shù)碼管顯示程序： digit=0x04; /用于選擇位 for( i=0; i=1; /循環(huán)右移1位 （3）超聲波測(cè)距程序：void csbcj( ) /超聲波測(cè)距子程序if(cl=1) TR1=0;TH0=0x00;TL0=0x00; i=20;/超聲波方波個(gè)數(shù)10個(gè)約40KHZwhile(i-)csbou

34、t=!csbout;TR0=1; i=150; while(i-) /此處延時(shí)防止超聲波干擾i=0; while(csbint) /判斷接收回路是否收到超聲波的回波i+; if(i=2450)/如果達(dá)到一定時(shí)間沒(méi)有收到回波,則將csbint置零,退出接收回波處理程序csbint=0;TR0=0;TH1=0x9E;TL1=0x57;t=TH0;t=t*256+TL0; s=(t*csbc/2)+4;/計(jì)算測(cè)量結(jié)果軟件矯正4cmTR1=1;cl=0;（4）中斷程序：void timer1int (void) interrupt 3 using 2 /終斷處理程序，1秒測(cè)量一次TH1=0x9E;TL

35、1=0x57;csbds+;if(csbds=15)csbds=0;cl=1;6 制作與調(diào)試步驟6.1 硬件電路的布線與焊接6.1.1 總體特點(diǎn)該系統(tǒng)所涉及的各部分硬件電路，總體的特點(diǎn)是：（1）電路原理簡(jiǎn)單，所用的器件均為常用器件。（2）利用Altium Designer 6.9畫(huà)PCB，制作電路板，方便器件安裝，焊接6.1.2 電路劃分為方便焊接與調(diào)試，把電路劃分為兩大塊：（1）單片機(jī)最小系統(tǒng)和數(shù)碼管顯示為一塊電路板；（2）超聲波測(cè)距發(fā)射和接收電路為一塊電路板；6.1.3 焊接焊接前應(yīng)熟悉各芯片的引腳，焊接時(shí)參照PCB電路圖，仔細(xì)地連接引腳。按照以下原則進(jìn)行焊接：（1）先焊接各芯片的電源線和

36、地線，這樣確保各芯片有正確的工作電壓；（2）同類(lèi)的芯片應(yīng)順序焊接，在一片焊接并檢查好之后，其他的同類(lèi)芯片便可以參照第一片進(jìn)行焊接。這樣便可大大節(jié)省時(shí)間，也可降低出錯(cuò)率。6.2 調(diào)試步驟調(diào)試的步驟是先焊接各個(gè)模塊，焊接完每個(gè)模塊以后，再進(jìn)行模塊的單獨(dú)測(cè)試，以確保在整個(gè)系統(tǒng)焊接完能正常的工作，器件安裝完畢后。（1）首先編寫(xiě)簡(jiǎn)單顯示程序測(cè)試觀察數(shù)碼管能否正常顯示，并且在起初發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示時(shí)有黑影子，因?yàn)椴捎密浖白咏鉀Q問(wèn)題。（2）再調(diào)試超聲波發(fā)射和接收模塊，這個(gè)是本設(shè)計(jì)的最難點(diǎn)，先是編寫(xiě)程序讓P1.0引腳產(chǎn)生40KHZ的方波信號(hào)，通過(guò)示波器測(cè)得硬件產(chǎn)生的方波頻率為41.6KHZ，可以符合觸發(fā)發(fā)射傳感

37、器，而且耳朵貼近可以聽(tīng)到傳感器吱吱的聲音，這個(gè)說(shuō)明發(fā)射傳感器已經(jīng)工作了。通電后將固定在紙盒上的的超聲波頭對(duì)著墻面往復(fù)移動(dòng)，看數(shù)碼管的顯示結(jié)果會(huì)不會(huì)變化，在測(cè)量范圍內(nèi)能否正常顯示。7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及誤差分析表7-1是利用本文設(shè)計(jì)的測(cè)距儀進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可見(jiàn), 在30300cm 范圍內(nèi)誤差相對(duì)較??；小于30cm 范圍內(nèi)誤差較大，這是因?yàn)槌暡ň嚯x測(cè)量存在一定范圍的盲區(qū),盲區(qū)的出現(xiàn)是因?yàn)榘l(fā)出信號(hào)必須有一個(gè)上升時(shí)間, 還有當(dāng)距離太近時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號(hào), 所以距離小于0.27米測(cè)量誤差明顯增加。300cm以后的數(shù)據(jù)誤差明顯增大, 這是由于發(fā)射功率不夠大, 接收到的信

38、號(hào)很微弱, 引入了一些干擾因素。但有軟件編程引入補(bǔ)償數(shù)值后總的實(shí)驗(yàn)結(jié)果誤差在厘米級(jí),基本上可以滿足設(shè)計(jì)測(cè)量要求。實(shí)際距離/cm30.035.040.045.050.053.055.060.0測(cè)量結(jié)果/cm3135404650535561誤差/cm10010000實(shí)際距離/cm65.080100.0120.0200.0250280.0300.0測(cè)量結(jié)果/cm6681100120201250281301誤差/cm11001011表7-1系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果8 結(jié)論本設(shè)計(jì)方案達(dá)到了任務(wù)書(shū)的要求，實(shí)現(xiàn)了利用超聲波反射測(cè)量距離的功能，并且實(shí)際測(cè)量誤差也較小。基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可

39、靠、測(cè)量誤差小等特點(diǎn)。超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車(chē)的倒車(chē)?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對(duì)單片機(jī)的理解和應(yīng)用。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于我來(lái)說(shuō)，既是一次機(jī)遇，又是一次挑戰(zhàn)。通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)到了很多東西，通過(guò)自己的實(shí)踐，增強(qiáng)了動(dòng)手能力。通過(guò)實(shí)際工程的設(shè)計(jì)也使我了解到書(shū)本知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用的差別。在實(shí)際應(yīng)用中遇到很多的問(wèn)題，這都需要我對(duì)問(wèn)題進(jìn)行具體的分析，并一步一步地去解決它。致謝在這幾個(gè)月的時(shí)間里，從對(duì)課題的理解，方案的設(shè)計(jì)，到電路的制作，再到論文的寫(xiě)作，中間有著自己的努力，更有著老師和同學(xué)的關(guān)心和巨大的幫助。感謝項(xiàng)鐵銘老師在很忙的情況下，為我講解課題的要點(diǎn)，引領(lǐng)設(shè)計(jì)的思路。他對(duì)學(xué)生認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度讓我由衷地敬佩。感謝李強(qiáng)等同學(xué)給予我無(wú)私的幫助，他們對(duì)我所遇到的難題的解答讓我受益匪淺。感謝母校和老師們?cè)诖髮W(xué)四年中對(duì)我的培養(yǎng)。參考文獻(xiàn)1 一種超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)