畢業(yè)設計（論文）基于51單片機超聲波測距儀的設計

1、 基于51單片機超聲波測距儀的設計摘要： 由于現(xiàn)代聲場要求，人們發(fā)現(xiàn)需要實現(xiàn)無接觸式的生產(chǎn)測距，而超聲波測距儀是一種性能良好的測距方式，主要應用于倒車雷達、工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，本文設計了一種以at89c51單片機為核心的低成本、高精度化、微型化led顯示超聲波測距儀，并使用一些常用芯片如：74ls04等。系統(tǒng)由單片機、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路以及顯示電路構成。由芯片at89c51控制計算超聲波從發(fā)射到接收的傳送時間，從而得到待測距離。本系統(tǒng)具有易檢測、軟件功能完善、工作可靠、準確度高等優(yōu)點。 本文論述了單片機技術研制成功的超聲波測距儀的基本原理，測量計算方法，實現(xiàn)方案。采用軟件校正，提

2、高了測量精度和整機的可靠性。實際使用表明，極大的提高了安全性、可靠性和準確度。關鍵詞：測距儀;超聲波；傳感器；單片機摘要*第一章 概述 1.1 設計的思路* 1.2 設計的重點與難點*第二章 超聲波的劇的原理* 2.1超聲波的介紹* 2.1.1 什么是超聲波* 2.1.2 超聲波德特性與特點* 2.1.3 超聲波的應用* 2.2 超聲波測距儀的原理* 2.21超聲波發(fā)生器* 2.2.2壓電式超聲波發(fā)生器的原理* 2.2.3 超聲波測距的原理* 第三章 系統(tǒng)設計* 3.1 系統(tǒng)設計* 3.2 芯片at89c51介紹* 3.2.1 at89c51單片機的概述* 3.3 傳感器的選取* 33.1 傳

3、感器的定義與作用* 3.3.2 傳感器的特性* 3.3.3 傳感器的選用* 3.4 系統(tǒng)硬件電路設計* 3.5 測距顯示電路設計* 3.6超聲波發(fā)射電路的設計* 3.7 超聲波接收電路的設計* 3.8 探測電路的設計*第四章 系統(tǒng)測試* 4.1 軟硬件的調(diào)試* 4.2 儀器精度分析及如何提高超聲波測距精度*總結*參考文獻*附錄1 硬件電路*附錄2 程序*第一章 概述1.1 設計的思路本系統(tǒng)的設計思想是采用以at89c51單片機為核心，來設計一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀。超聲波測距可測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用s=ct/2就可以算出距離，再在led上顯示出來。當然還可

4、以設置若干個鍵，以用來控制電路的工作狀態(tài)。限制的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度，反射面得質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，采用at89c51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號可以用單片機的定時器和計數(shù)器來完成。1.2 設計的重點與難點本設計的任務是設計一個超聲波測距儀，可以應用于很多場合。要求測量范圍在0.1-5.0m，測量精度1cm，測量時于被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果，能夠手工設定報警量值。系統(tǒng)組成的設計：各部分硬件的選取很有

5、講究，要十分合理。設計的難點是：1 超聲波信號的就收，發(fā)射的設計2 顯示電路的設計3 流程圖以程序的設計第二章2.1 超聲波的介紹2.1.1 什么是超聲波聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于20000hz以上的,其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞體質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式

6、，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 25兆hz之間，常用為33.5兆hz（每秒振動1次為1hz，1兆hz=106hz,即每秒振動100萬次，可聞波的頻率在1620，000hz 之間）。超聲波是聲波大家族中的一員。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。完成這種高能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號

7、。2.1.2 超聲波具有如下特性： 1超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 2超聲波可傳遞很強的能量。 3超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 4超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 超聲波是聲波大家族中的一員。 聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于20khz以上的，人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波。 超聲波的特點 1超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。 2超聲波能在各種

8、不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 3超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息。 超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如b超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結構 。2.1.3超聲波德應用 超聲波測距主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。在機器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機器，有著廣泛的應用前景的前提下，其關鍵技術取決于機器人失卻系統(tǒng)設計的精確于否。超聲波傳感器以其價格低廉、硬件容易實現(xiàn)的

9、優(yōu)點，被廣泛用用作測距傳感器，實現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。超聲波測距作為輔助視覺系統(tǒng)與其它視覺系統(tǒng)（如ccd圖像傳感器）配合使用，可實現(xiàn)整個視覺功能，具有自動探測前方障礙物、自動減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當?shù)娜肆?、物力開發(fā)在高級汽車上使用的防撞與安全預警系統(tǒng)，包括毫米雷達、ccd攝像機、gps、和高檔微機等。2.2超聲波測距的原理2.2.1 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括

10、電壓型、磁致伸縮型和電動型等：機械方式有加爾統(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。2.2.2 壓電式超聲波發(fā)生器的原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板，當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是，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換成電信號，這時它就是超聲波接收器了。 2.2.3 超聲波測距的原理 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法t

11、of（time of flight）。它通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離s。一般采用渡越時間法：即s=ct/2，其中s為測量點與被測物體之間的距離。c為聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波發(fā)射到返回的時間間隔。 由于產(chǎn)生波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米/秒。 溫度（攝氏度） -30 -20 -10 0 10 20 30 聲速（米/秒） 313 319 325 323 338 344 349在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速c是基本不變的，計算時取c 為340m/s。如果測距精

12、度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下同過軟件改進的算法的方法來加以校正，為了減小電路的復雜性、提高電路的穩(wěn)定性。采用編寫軟件改進算法的方法加以校正。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補償問題?？諝庵新曀儆跍囟鹊年P系可表示成： c=331.4+0.6t(m/s)聲速確定后，只要側得超聲波往返時間，即可求得距離。由于超聲波指向性很強，能量消耗的慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。超申博發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方

13、式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。利用超聲波測距原理，整個系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51單片機系統(tǒng)和距離顯示等設備組成。如圖所示2-1高頻振蕩單脈沖發(fā)生器器編碼調(diào)制功率放大器收發(fā)轉換51單片機系統(tǒng)距離顯示超聲波換能器接收放大編碼解調(diào)超聲波換能器發(fā)射部分由高頻振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲波換能器組成。單脈沖發(fā)生器在振蕩器的每個周期內(nèi)都被觸發(fā)，產(chǎn)生固定脈寬的脈沖序列，來自單片機的白你媽信號對脈沖序列進行編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大后，通過超聲波換能器發(fā)射超聲波。接收部分由超聲波換能器，就收放大器和編碼解調(diào)器組成。接收到的超聲波反射信號經(jīng)超聲波換

14、能器轉換、放大、解調(diào)后，送到單片機系統(tǒng)進行處理，并通過距離顯示器顯示測得的距離。系統(tǒng)中的發(fā)射和接收部分由單片機控制輪流工作。在單片機編碼發(fā)送完畢后，即轉入接收狀態(tài)，同時關閉發(fā)射部分的單脈沖發(fā)生器；當接收一定時間后在轉如發(fā)射狀態(tài)重發(fā)編碼事，同時關閉接收放大器。因此，為保證測距正確，接收時間必須根據(jù)實際量程來限制時間。總所周知，聲波傳播的距離s、速度c及傳播時間t之間的關系為：s=c*t。若系統(tǒng)量程為5米，在接受時間t應滿足： t=2*5/340=29.4ms第三章 系統(tǒng)設計3.1 系統(tǒng)設計 采用at89c51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器和計數(shù)

15、器來完成，超聲波測距儀的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示；定時器控制顯示器聲電換能接收檢測計時器電聲換能振蕩器調(diào)制器障礙物 系統(tǒng)那個框圖中的單片機at89c51用來協(xié)調(diào)各個單元，超聲波接收電路用來收集接收的信號，超申博發(fā)射電路用來發(fā)射需要發(fā)射的信號，存儲器用來存儲接收的信號，用數(shù)碼管led顯示距離。3.2 芯片at89c51介紹at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低電壓，高性能cmos8位微處理器，俗稱單片機。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的

16、單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除100次。該器件采用atmel高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位cpu和閃爍存儲器組合在單個芯片中，atmel的at89c51是一種高效微控制器，at89c2051是它的一種精簡版本。at89c單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示主要特性： 與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0hz-24mhz 三級程序存儲器鎖定 1288位內(nèi)部ram 32可編程i/o線 兩個16位定時器/

17、計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路管腳說明： vcc：供電電壓。 gnd：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流

18、，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶

19、內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管腳 備選功能 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（記時器0外部輸入） p3.5 t1（記時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） p3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一

20、些控制信號。 rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /ps

21、en：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。 /ea/vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性: xtal1和xtal2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放

22、大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，xtal2應不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 3.3 傳感器的選取3.3.1傳感器的定義與作用 1 廣義地來說，傳感器是一種吧物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件。國際電工委員會（iec:international electrotechnical committee）定義為：”傳感器是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉換成可供測量的信號“。按照gopel等說法是：傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件。而”傳感

23、器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬和數(shù)字）能力的傳感器“。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個組成部分，它是被測信號輸入的第一道關口。 2傳感器的作用 a 信息的收集； b信息數(shù)據(jù)的交換； c 控制信息的采集；3.3.2 傳感器的特性 a靈敏度高、可靠性強、穩(wěn)定性好： b防塵耐蝕，耐高低溫、耐沖擊、耐振動等嚴酷環(huán)境條件； c收發(fā)兼用、使用方便；3.3.3 傳感器的選用 超聲波傳感器千差萬別，即使對于相同種類的測定量也可采用不同工作原理的傳感器，因此，要柑橘需要選用最適宜的傳感器。 本設計綜合考慮了測量條件、傳感器的性能和傳感器的使用條件三個方面，選用了ma40s2r 接收器和 ma40s2s 發(fā)送器。傳感

24、器的標稱頻率為40khz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時串聯(lián)諧振于并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(lián)諧振頻率。超聲波傳感器的符號(1)及等效電路(2)如圖所示3-3 (1) (2) 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分在標稱頻率附近使用，為此，要采用措施擴展頻帶，比如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波是輸入功率要大，溫度變化時諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進行頻率調(diào)整與阻抗匹配。3.4系統(tǒng)硬件電路設計本設計采用at89c51單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)les數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器和計數(shù)器來完成，超聲波測距儀的系統(tǒng)原理圖如圖所示。

25、超 發(fā)射波 障 聲 礙波 物 探 反射波頭at89c51通過外部引腳輸出一個脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級，經(jīng)升壓變換推動超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時，輸出一個高電平啟動，進行充電。發(fā)射結束時高電平翻轉為低電平，并開始對分壓器放電并輸出到比較器的負端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進行放大，這是一個高增益、低噪聲放大器，在對放大后的信號進行檢波后將檢測回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時輸出的高電平可以一直比較器的翻轉，這樣就可以抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收端而導致錯誤檢測。超聲波測距離可測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用s=ct/2就可以算出距離，在

26、從led上顯示。我們還可以設置若干個鍵，用來控制電路的工作轉臺。限制的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度，反射面得質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。3.5 測距顯示電路的設計 led數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由8個陽極相連接的發(fā)光二極管組成：另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由8個陰極相連接的發(fā)光二極管組成。二者原理不同但功能相同。 共陰極led數(shù)碼管顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱為位選段），因此稱為供陰極led數(shù)碼顯示器，8個數(shù)碼管的另一端通常稱為段選段，當顯示器的

27、公共端接低電平，某個發(fā)光二極管的陽極接高電平時，該發(fā)光二極管被點亮；而共陽極led數(shù)碼顯示管事將二極管的陽極連接在一起，形成共陽極led數(shù)碼顯示塊的公共端，愛公共端必須接高電平，同理在共陽極led數(shù)碼顯示塊中如某個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該發(fā)光二極管被點亮。 用單片機驅(qū)動led數(shù)碼顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有鎖存功能，單片機將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制led,直到下次顯示是再傳送一次新的數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的cpu時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的i/o接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機只要把顯示的字形代碼發(fā)送的接口

28、電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機在發(fā)送新的數(shù)據(jù)。另一種方法就是動態(tài)掃描顯示。由于單片機本身具有較強的邏輯控制能力，所以采用動態(tài)掃描軟件譯碼并不復雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯課隨意編程設定，不受硬件譯碼邏輯的限制。采用動態(tài)掃描軟件譯碼的方式大大簡化了硬件電路就夠，降低系統(tǒng)成本。它用分時的方法輪流控制各個顯示器的com端，使各個顯示器輪流的點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮時間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余暉效應，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的cpu時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，使用電路硬件較多：動

29、態(tài)顯示需要cpu時刻對顯示器進行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用cpu時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本設計的顯示電路采用8個共陽極led四位數(shù)碼管，位碼用pnp三極管驅(qū)動。如圖所示：3.6 超聲波發(fā)射電路的設計 發(fā)射電路主要由74ls04和超聲波換能器構成，單片機p1.0端口輸出40khz方波信號一路經(jīng)一級方向器送到超聲波換能的一個電極，另一路經(jīng)兩極反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強度。如圖所示： 3.7 超聲波接收電路的設計 超聲波接收電路主要由cx20106a和超聲波換能器構成，cx20106a是一款紅外的專用芯片，

30、考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38khz與測距的超聲波頻率40khz較為接近，故利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖所示3.8 探測電路的設計 物體探測電路可以用光電傳感器來制作。但光電傳感器不能探測透明的物體。紅外線傳感器在探測物體時需要有像人和動物那樣與周圍有一定的溫度差這個條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制。對于透明的或其它物體都可以探測。超聲波傳感器探測物體有直接探測方式與放射探測方式。 直接探測方式的接收/發(fā)射器要相互配置。如果接收到超聲波（有信號電壓）時，說明接收/發(fā)射器中間沒有被測物體。反之，接收不到超聲波（無電壓信號）時，則中間有被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器可以較為配

31、置，有反射波時，說明存在被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器有單獨使用與共用兩種方式。公用方式就是一個超聲波傳感器用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。3.9 系統(tǒng)軟件設計 本設計就是以at89c51單片機為核心。它采用模塊化設計，由主程序，發(fā)射子程序、接收子程序、定時程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當按下測量建時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、插敘接收子程序、定時子程序，并把測量結果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來。雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用at89c51單片機可以簡化設計，便于操作和直觀讀數(shù)。 為了增強系統(tǒng)的可靠性，應在軟硬

32、件上采用一些特殊措施。主程序框圖如下圖所示 開始單片機初始化 定時中斷子程序 有回波么？ n y 外部中斷子程序 結束超聲波發(fā)射子程序的作用是通過p1.0端口發(fā)送2個左右的超聲波信號頻率約40khz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器t0打開進行計時。超聲波測距儀主程序利用外部中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號(int0引腳出現(xiàn)低電平),立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關閉計時器t0停止計時，并將測距成功標志字賦值1.如果當計時器溢出時還未檢測的到超聲波返回信號，則定時器t0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。 定時中斷服務子程序完

33、成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值讀取、距離計算、結果的輸出等工作。如圖所示：外部中斷入口定時中斷入口 關外部中斷讀取時間值定時器初始化 計算距離發(fā)射超聲波 結果輸出 單方向發(fā)射完否？ n 開外部中斷 y停止發(fā)射 返回 返回 定時中斷服務子程序 外部中斷服務子程序第四章 系統(tǒng)調(diào)試 4.1軟硬件的調(diào)試 超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用的超聲波換能器tct40-10f1(t發(fā)射)和tct40-10s1(r接收)，中心頻率為40khz，安裝時英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屏蔽起來，則可提高抗干擾能力

34、。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容c4的大小，以或得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。4.2儀器精度分析及如何提高超聲波測距精度 本章將要分析溫度對超聲波聲速的影響，超聲波回撥檢測對超聲波傳播時間的影響，超聲波傳感器所加脈沖電壓對測試精度的影響。在此基礎上，設計了超聲波數(shù)字測距儀。實驗表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲波測距的精度。 超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結構簡單成本低、在機器人避障礙和和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應用。從原理上講，超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，器原理是

35、超聲波傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物后，經(jīng)反射有超聲波傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接受的時間ts，在已知超聲波聲速cs的前提下，可計算被測物的距離s，即:s=ct/2 由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度：超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。本章從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響：回波檢測對時間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在此基礎上，開發(fā)了以at89c51單片機為核心，采用40khz壓電超聲波傳感器，應用廣泛的超聲測距儀?？諝庵械膫鞑サ某暡ㄊ怯?/p>

36、機械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化里的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度收氣體的密度、溫度計氣體分子成分的影響。例如：20度時，t=293.15,cs=344.2m/s；40度時，t=313.15,cs=355.8m/s；-20度時，t=253.15,cs=319.9m/s；從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當需要精確確定超聲波傳播速度是，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲波傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到障礙物反射后，在傳回超聲波傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。器衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設在距離超聲接收

37、器x處有被測物，超聲波皮率越高，器衰減越快。同時超聲波頻率的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干渋。但是。超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設計超聲接收電路時，要設計較大倍數(shù)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測。 制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測距徜徉壓電材料傳感器，例如tr40壓電超聲傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉換效率。當壓電材料不受外力時，其應變s與外加電場強度e的關系為:s=de,其中d為應變電場常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應變量和超聲

38、波轉換的效率，提高超聲波測距精度和范圍，英盡量提高超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉換效率，提高超聲測距精度和范圍，應盡量提高超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設計，針對溫度、回波和所加脈沖電壓對超聲測距精度的影響，在設計超聲波測距儀的時，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構成了超超聲測距儀的系統(tǒng)結構。整個裝置的中心控制和信號處理單元為單片機at89c51，超聲波傳感器采用tr40(40khz)收發(fā)超聲傳感器。 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務是產(chǎn)生40khz脈沖電壓。它有非門和電阻電容構成振蕩電路，有單片機p1.1口控制其是否工作。發(fā)射電

39、路主要任務是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關管構成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲波傳感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。 接收電路的主要任務是檢測回波，并向單片機發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路有檢波電路、濾波放大電路這整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級電路放大，整形電路把回波信號整理為單片機系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。 由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲，s/n較小，所以接收電路

40、設置了兩級高q值的濾波放大電驢。濾波放大電路才用兒介帶通濾波放大器，一級和二級濾波放大電路采用相同的結構和參數(shù)。軟件設計：超聲波測距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。軟件修正以用下面的公式：s=ct/2 附錄1 總結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。此次設計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用at89c51或其兼容系列。

41、采用12mhz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用p1.0端口輸出超聲波換能器所需的40khz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的4位共陽led數(shù)碼管，段碼用74ls244驅(qū)動，位碼用pnp三極管8550驅(qū)動。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74ls04和超聲波發(fā)射換能器t構成，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

42、位電阻r1o、r11一方面可以提高反向器74ls04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。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構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路cx

43、20106a組成，它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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 khz與測距的超聲波頻率40 khz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。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。超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道c語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求

44、精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用c語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中斷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），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器t0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器t0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。前方測距電路的輸出端接單片機int0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門ic3a的輸出接單片機int1端口，同時單片機p1.3和p1.4接到ic3a的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器t在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器r所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟