單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計

1、 本科生畢業(yè)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計題目：單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計專題題目：畢業(yè)設(shè)計主要內(nèi)容和要求：1.熟悉AT89C52單片機(jī)基本原理、軟件設(shè)計方法及相關(guān)理論知識；2.設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)，測量距離50-400cm，精度1cm；3.在實現(xiàn)測距的基礎(chǔ)上可以實現(xiàn)報警功能；4. 進(jìn)行單片機(jī)、傳感器以及LED的硬件電路設(shè)計和軟件編程；5.在完成軟件功能實現(xiàn)和硬件調(diào)試的基礎(chǔ)上，完成畢業(yè)設(shè)計論文。院長簽字： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計指導(dǎo)教師評閱書指導(dǎo)教師評語（基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；獨立解決實際問題的能力；研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術(shù)方法；取得的主要成果及創(chuàng)新點；工作態(tài)度及工作量；總體評價

2、及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計評閱教師評閱書評閱教師評語（選題的意義；基礎(chǔ)理論及基本技能的掌握；綜合運用所學(xué)知識解決實際問題的能力；工作量的大??；取得的主要成果及創(chuàng)新點；寫作的規(guī)范程度；總體評價及建議成績；存在問題；是否同意答辯等）：成 績： 評閱教師簽字： 年 月 日 中國礦業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計答辯及綜合成績答 辯 情 況提 出 問 題回 答 問 題正 確基本正確有一般性錯誤有原則性錯誤沒有回答答辯委員會評語及建議成績：答辯委員會主任簽字： 年 月 日學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評定成績：學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日摘要超聲波具有指向性強

3、，能量損失緩慢，傳播距離遠(yuǎn)的特點，因此超聲波經(jīng)常用于測量距離。測距儀和物位測量儀等都是利用超聲波測距實現(xiàn)的。超聲波測距技術(shù)，能應(yīng)用于汽車倒車、建筑工地以及一些工業(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。超聲波測距技術(shù)迅速、方便、計算簡單、可做到實時測量，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求。所以在移動機(jī)器人的研制上也得以廣泛的應(yīng)用。該超聲波測距儀用AT89S52單片機(jī)為控制核心，采用74hc04反相器和CX20106芯片搭接電路實現(xiàn)了超聲波的發(fā)射與接收。測量范圍50-400cm，精度為1cm，與被測物體無直接接觸測量，可以清晰穩(wěn)定地顯示測量的結(jié)果。此設(shè)計易于調(diào)試，成本低廉，

4、具有很強的實用價值。關(guān)鍵詞：超聲波，單片機(jī)，測距儀ABSTRACTBecause of the strong point of ultrasonic energy consumption, slow, medium of communication in the longer distance, which are often used for ultrasonic distance measurement. Ultrasonic ranging, can be applied to car parking, construction sites and some industrial sit

5、e location monitoring, and can also be used for liquid level, depth, pipe length measurement occasions. Use of ultrasonic testing is often more rapid, convenient, simple, easy to achieve real-time control, and measurement accuracy can meet the practical requirements of industry.Thisdistance measurin

6、g system design using AT89S52 SCM as the control core of the range finder, 74hc04inverter and CX20106lap circuit to realize the ultrasonic transmitter and receiver. Ultrasonic distance measurement instrument for measurement in the range of 50-400cm, precision 1cm, with the measurement of the measure

7、d object without direct contact, can clearly demonstrate the stability of the measurement results. In the mobile robot has been developed on a wide range of applications. this design easy debugging, low cost, has the very strong practical value.Key words: ultrasonic, single chip microcomputer, range

8、 finder. 目 錄1緒論11.1選題背景及其意義11.2 國內(nèi)外超聲波測距技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢12超聲波測距原理及影響測距因素分析42.1超聲波測距基本理論42.1.1聲波類型42.1.2超聲波換能器42.2超聲波測距原理和方法52.2.1相位檢測法52.2.2渡越時間檢測法52.3影響測距精度因素分析52.3.1超聲波在介質(zhì)中傳播速度變化因素62.3.2回波不穩(wěn)定因素62.3.3單片機(jī)本身因素63超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1換能器選擇73.2超聲波發(fā)射電路選擇73.2.1HC-SR04模塊73.2.2 RC振蕩型超聲波發(fā)射電路83.2.3晶振型超聲波發(fā)射電路93.2.4發(fā)射電路方

9、案比較及確定123.3超聲波接收電路選擇123.3.1 運放+集成比較器接收電路123.3.2 CX20106A接收電路123.3.3 電平比較電路133.3.4 TA8141S接收電路143.3.4接收電路方案確定153.4控制電路153.5電源與開關(guān)接口電路163.6顯示電路163.7報警電路173.8單片機(jī)的外圍晶振電路設(shè)計174軟件設(shè)計194.1超聲波測距儀實現(xiàn)基本功能194.2程序編寫204.2.1程序初始化204.2.2 40kHz超聲波發(fā)射程序204.2.3 防止超聲波干擾程序214.2.4 測距程序214.2.5報警程序214.2.6顯示程序224.3關(guān)于程序的幾個問題224.

10、3.1 開始延時問題224.3.2關(guān)于keyscan()問題224.3.3程序設(shè)計總體思路225總設(shè)計方案確定及硬件調(diào)試235.1總方案確定235.2硬件調(diào)試問題235.3材料清單245.4實際測量256總結(jié)與展望27參考文獻(xiàn)28附錄30外文文獻(xiàn)30中文譯文41致謝461 緒論1.1選題背景及其意義超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的，各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)。超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械、船舶、醫(yī)療等工業(yè)部門超聲波清洗、超聲波金屬探傷、超聲波檢測、超聲波焊接和超聲波醫(yī)療等方面，并取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。因此，我國對超聲波技術(shù)及其傳感器的研究十分重視1。超聲波測距技術(shù)

11、是對超聲波的一種常見的應(yīng)用。日常生活中，我們經(jīng)常要對距離進(jìn)行測量，而采用的方法一般為米尺測量。但是在一些特殊情況下，我們無法進(jìn)行傳統(tǒng)意義上的測量，這時候，我們就需要一些特殊方法。比如：超聲波測距、激光測距、CCD探測和雷達(dá)測距等2。在這些方法中，CCD探測具有無需信號發(fā)射源、使用方便、同時獲得大量場景信息等特點，但視覺測距需額外的計算開銷3?！袄走_(dá)測距具有全天候工作，適合在惡劣環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測量的優(yōu)點”4，但易受電磁波的干擾。激光測距具有高亮度、高方向性、測量速度快的優(yōu)勢，尤其是對雨霧具有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜5。與這些方法相比，超聲波測距具有可直接測量

12、近距離物體為位置，適用范圍廣，分辨能力強，方向性強，結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點。同時由于聲波抗干擾能力強，因而該測距方法不受光線、煙霧、電磁場的影響，并且覆蓋面也比較大。因而目前超聲波測距叫技術(shù)已廣泛應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人小車定位與避障、建筑工程測量、物位測量等領(lǐng)域。當(dāng)然，超聲波測距也有很多局限性：超聲波難于精確捕捉、溫度對聲速影響較大、超聲波測量有盲區(qū)等問題都有待解決；這對于超聲波測距技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。1.2 國內(nèi)外超聲波測距技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢19世紀(jì)末20世紀(jì)初，物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)以及逆壓電效應(yīng)。人們也因此能利用電子技術(shù)產(chǎn)生超聲波，由此超聲波技術(shù)開始迅猛發(fā)展。Hua hong，

13、wang yongtian等人曾研制出一種調(diào)幅連續(xù)超聲波大范圍動態(tài)測距系統(tǒng)。測距原理是利用超聲波傳感器發(fā)射和接收調(diào)幅連續(xù)超聲波，通過接受和發(fā)射信號之間的相位差與兩傳感器之間的正比關(guān)系，用相位法測量傳感器間動態(tài)距離。文中給出了設(shè)計原理，硬件設(shè)計，實驗結(jié)果。結(jié)果表明在15米內(nèi)精度可達(dá)1毫米7。李建法等人在超聲波測距的電路設(shè)計與單片機(jī)編程中設(shè)計了一款簡易超聲波測距儀，他利用555芯片發(fā)出40khz超聲波，F(xiàn)PS-4091紅外接收組件和超聲波探頭接收波，制作簡單，成本低，可滿足一般要求。華南理工大學(xué)碩士牟海榮在超聲波測距儀的設(shè)計中給出了一種超聲波測距儀的設(shè)計，該測距儀采用555電路，兩級放大和電平比較

14、的方法解決了超聲波發(fā)射接收的問題。雖然實現(xiàn)了測距功能，但是測量距離只有30cm-120cm17，無法進(jìn)行推廣。牛余朋在基于單片機(jī)的高精度超聲波測距電路中設(shè)計了一種更加實用超聲波測距儀，當(dāng)然該儀器電路更加的復(fù)雜。他采用單片機(jī)作為頻率控制電路，門控電路控制超聲波發(fā)射和接收，用高頻管9018和三極管對信號放大構(gòu)成發(fā)射電路19，用兩級同向交流放大器作為接收電路，用集成運放741作為信號篩選電路后面再加入整形電路，距離顯示電路等。期間也考慮了溫度補償?shù)纫蛩亍Ｔ搩x器測量距離有了極大的提高，可達(dá)15米，而且精度也有1cm，可以作為一種有效的非接觸式測距儀進(jìn)行推廣。雖然這些僅僅是一部分人對超聲波測距儀的設(shè)計，

15、但是由此可見超聲波技術(shù)是一項重要的技術(shù)，許多人對此進(jìn)行研究，嘗試提高測距范圍，最終使得超聲波測距范圍達(dá)到可在實際生活中應(yīng)用多得程度，成為人們生活中不可分開的一部分。同樣還有一些人對于超聲波測距精度也有所研究，也作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。卜英勇等人在一種高精度超聲波測距儀測量精度的研究中利用小波分析理論提出回波信號的包絡(luò)峰值檢測方法9，該方法利用回波信號包絡(luò)峰值時刻和回波前沿達(dá)到時刻差值不變的原理消除了由于檢測回?fù)軙r間點變化引起的誤差。通過實測表明在有效測量范圍2m內(nèi)，改善前測量盲區(qū)200mm9改善后系統(tǒng)的測量盲區(qū)為100mm，同時誤差也極大的縮小了。水利水電科學(xué)研究所的馬志敏等人在超聲檢測中弱信號

16、的提取方法針對超聲界位檢測中回波信號弱、信噪比低的問題給出了窄帶濾波、同步迭加、相關(guān)分析10等方法。這些方法有效的濾除了來自外界的噪聲干擾，使得超聲波測距儀抗干擾性極大地增強，有利于超聲波技術(shù)得傳播與推廣。西交大盧文科等人在超聲波式數(shù)字測距儀的研究18中專門對超聲波換能器進(jìn)行了研究。他們給出了一些對超聲波測距產(chǎn)生影響的因素：發(fā)射探頭給出波直接對超聲波接收探頭產(chǎn)生干擾；外界環(huán)境對探頭接收探頭的干擾；溫度對聲速的影響。而解決的方法分別是：加入門限電路濾波，用選頻放大電路使外界干擾衰減或者濾除；用溫度傳感器對聲速進(jìn)行補償。經(jīng)過試驗可以叫完滿的解決這些問題。孫牽宇等人在一種大角度范圍的高精度超聲波測距

17、處理方法中針對移動機(jī)器人定位及導(dǎo)航系統(tǒng)研究了超聲波測距技術(shù)，分析了造成超聲波測距精度誤差的因素。他們認(rèn)為聲波在空氣介質(zhì)中聲速的變化及散射,衰減的隨機(jī)不均勻性,引起接收信號在幅度和時間軸上的起伏20是除了正常因素以外影響精度的主要因素。并且過去給出的一些解決方案并不能在波形畸變的情況下解決問題。因此他們根據(jù)超聲測距系統(tǒng)中引入了角度偏向誤差修正技術(shù),利用接收波形的特征寬度來對波形前沿進(jìn)行校正,使門限檢測飛行時間TOF 的精度提高20。同時根據(jù)該技術(shù)設(shè)計了了基于單片機(jī)的大角度超聲波高精度測量系統(tǒng)，并相應(yīng)地進(jìn)行了實驗。結(jié)果表明該矯正方法可以有效地解決畸變波形產(chǎn)生精度誤差問題，并且比一般方法簡單實用。常

18、靜等人在減少超聲波測距儀盲區(qū)的研究21中研究了產(chǎn)生盲區(qū)的原因，設(shè)計了一種減少超聲波測距盲區(qū)的電路。在超聲波測距過程中，由于RC振蕩電路在工作結(jié)束后會有一個振蕩衰減的過程，因此產(chǎn)生了一個“拖尾”，這很難與回波信號區(qū)分。這在測量遠(yuǎn)距離時影響不大，但測近距離時會有所混淆，盲區(qū)也因而產(chǎn)生了。他們對此給出了一個電路：在換能器（超聲波探頭）并聯(lián)一較大的電阻和晶閘管的串聯(lián)電路以增加回路衰減系數(shù)。經(jīng)驗證 效果極佳。FigneroaJ.F.等人在A method for accurate detection of time of arrival:Analysis and design of ultrasonic

19、 ranging system22一文中，提出一種新的計時方法，該方法根據(jù)回波時延由相位時延和峰值時延相加得到，分別用不同的檢測方法得到相位時延和峰值時延，相加后即可得回波傳播的時間。通過以上的舉例我們可以看出超聲波測距技術(shù)在不斷地發(fā)展，無論是測量范圍還是測量精度。國內(nèi)外對于超聲波技術(shù)都十分重視，不僅僅是因為他可以無接觸地測距，而是這門技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，有著其他技術(shù)無法替代的優(yōu)勢：抗干擾強，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，可替代人在很惡劣的環(huán)境下測距。因此我相信超聲波測距技術(shù)的未來必定會是廣闊的。2 超聲波測距原理及影響測距因素分析2.1超聲波測距基本理論聲波是介質(zhì)中的微質(zhì)點受聲源機(jī)械振動影響而發(fā)

20、生得以自身平衡位置為中心的往返運動。超聲波是聲波的一種，通常是指頻率大于20kHz的聲波，其頻率高，波長短。因此，具有良好的方向性和束射性。2.1.1聲波類型（1）縱波質(zhì)點振動的方向與波傳播方向相一致的波，可以在固體，液體，氣體中傳播。超聲波是一種縱波。（2）橫波質(zhì)點振動的方向與傳播方向相垂直的波，只可在固體中傳播。（3）表面波 質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，且沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑?，其振幅隨著深度增加而迅速衰減的波，表面波只是在固體表面?zhèn)鞑ァ?.1.2超聲波換能器 超聲波換能器主要由壓電晶片、吸收塊、保護(hù)膜、引線等組成如圖2.1。壓電晶片多為圓形板塊，厚度。超聲波頻率f與厚度成反比。壓電晶片的兩面鍍

21、有銀層，作導(dǎo)電的極板。阻尼塊的作用是為了降低晶片的機(jī)械品質(zhì)，吸收聲能量。假如沒有阻尼塊，當(dāng)激勵電脈沖信號停止時，晶片將會繼續(xù)振蕩，加長超聲波的脈沖寬度，使得分辨率變差1。圖2.1超聲波換能器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的主要材料有壓電晶體和鎳鐵鋁合金兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，可同時接收或發(fā)射超聲波?，F(xiàn)在僅介紹小型傳感器，它適用于空氣中傳播，工作頻率為23-25kHz和40-45kHz。這類傳感器有測距、遙控、防盜等用途，具體有T/R-40-16，T/R-40-12等。另一種是密封式傳感器，其主要特點是防水1。超社工辦探頭由發(fā)送傳感器、接收傳感器、控制部分

22、與電源組成。發(fā)送傳感器由發(fā)送器與直徑15mm的左右陶瓷振子換能器組成，其作用為將陶瓷振子點振動能量轉(zhuǎn)換為聲能量向空氣中輻射。接收傳感器由陶瓷振子與放大電路組成，其作用是接收發(fā)射波1。 2.2超聲波測距原理和方法利用超聲波測距實際上就是利用超聲波的發(fā)射和接收產(chǎn)生時間差，再測量聲波速度，最終計算得出距離。由于聲波指向性強，能量消耗較緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因此常用于測距，例如液位檢測儀，物體厚度檢測儀，超聲波測距儀等等。而測量的方法也多種多樣。2.2.1相位檢測法 其原理為先向目標(biāo)發(fā)射一連串經(jīng)過調(diào)制連續(xù)的超聲波，然后聲波到達(dá)目標(biāo)被反射。通過測量與接收波之間的相位差，計算出距離。這種方法檢測精度較

23、高，但是檢測范圍窄。因此本次設(shè)計不采用該方法11。2.2.2渡越時間檢測法13-16其原理由單片機(jī)發(fā)射和接受超聲波信號，再經(jīng)過單片機(jī)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（被測物體）后返回被R接受。該方法原理簡單，軟硬件都易于實現(xiàn)，測量范圍大，成本低。所以本次設(shè)計采用該方法。其原理圖如圖2.2：圖2.2原理圖通過計算從發(fā)射超聲波到接收超聲波所用的時間利用公式便可計算出所要測量的距離。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2.3影響測距精度因素分析在對渡越時間檢測法的分析后，我們很容易找到影響

24、測距精度的因素。具體如下：2.3.1超聲波在介質(zhì)中傳播速度變化因素聲速即為聲音在超聲波中傳播速度，符號為C。超聲波傳播速度與介質(zhì)密度彈性特性有關(guān)。超聲波在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切力所以僅有縱波的傳播其公式為： 為介質(zhì)密度Bn為絕對壓縮系數(shù)由于上述參數(shù)大都與溫度有關(guān)，因此，超聲波在介質(zhì)中傳播速度主要由溫度決定。表2.1給出在不同溫度下超聲波傳播速度:表2.1聲速與溫度關(guān)系表溫度（）-100102030100聲速（m/s）325323338344349386空氣中聲波近似傳播速度可表示為：其中T為環(huán)境溫度，。 則使得聲速成為測距過程中的一個重要的誤差因素，因此在設(shè)計時應(yīng)予以考慮。2.3.

25、2回波不穩(wěn)定因素超聲波正在空氣中傳播會因為空氣氣流變化，傳感器接收特性不好，反射物體表面粗糙等問題使得接收信號不是一個規(guī)則的信號，這使得對觸發(fā)閾值的設(shè)置成為難點，造成誤差。2.3.3單片機(jī)本身因素（1）啟動接收及時之間誤差單片機(jī)一次只能處理一件事，因而啟動發(fā)射和啟動接收之間必然存在一個時差，這可以用軟件彌補，或是忽略不計（當(dāng)指令執(zhí)行夠快時）。（2）收到中斷至中斷響應(yīng)停止計時之間誤差這一誤差是應(yīng)為單片機(jī)的中端規(guī)律。在收到信號后，單片機(jī)不可能立刻響應(yīng)，必須執(zhí)行完當(dāng)前指令，有時還會遇到其他中斷服務(wù)。因此，滯后時間無法確定，導(dǎo)致測量結(jié)果誤差。當(dāng)然這可以通過提高單片機(jī)性能，用高優(yōu)先級中斷解決。（3）計時

26、器誤差 單片機(jī)計時功能是靠晶體振蕩器實現(xiàn)，其穩(wěn)定性和準(zhǔn)確度是20-50PPM,想對聲速而言，其帶來誤差是mm級。為了減小這一誤差，晶振選擇成為關(guān)鍵。 3 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路、接收電路，控制電路構(gòu)成。為了考慮實際應(yīng)用的成分，加入了報警電路。在設(shè)計電路時，有兩種設(shè)計方法：一、直接采用超聲波測距模塊，這種方法優(yōu)點在于直接，簡單，可以較精確地測量距離。二、自己設(shè)計超聲波發(fā)射接收電路，這種方法優(yōu)點在于：可以自己控制測量的范圍，精度，能按照自己的意愿實現(xiàn)測距標(biāo)準(zhǔn)，成本低。最終，在嘗試了兩種該方案后，我發(fā)現(xiàn)超聲波測距模塊只可測量3cm-250cm，而自己設(shè)計電路可以測5

27、0cm-550cm，二者精度相差不大，因此我選用方法二。下面是對各部分方案的討論：3.1換能器選擇在第二章中已給出換能器介紹，并確定選用T/R40-16，因此下面給出其參數(shù)：（1）適用范圍家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲測距及汽車倒車防撞裝置；液面探測；超聲波近接開關(guān) 及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。（2）產(chǎn)品性能 1).標(biāo)稱頻率（KHz）：40KHz 2).發(fā)射聲壓AT10V（0dB=0.02mPa）：117dB 3).接收靈敏度AT40KHz (0dB=V/ubar)：-65dB 4).靜電容量AT1KHz,1V (PF)：200030% 5).探測距離（m）：0.220 6).

28、16dB指向角：80。3.2超聲波發(fā)射電路選擇超聲波發(fā)射電路的設(shè)計方法種類繁多，在選擇時主要從發(fā)射超聲波頻率穩(wěn)定性、器件體積、器件成本、硬件實現(xiàn)難易程度等方面選擇合適的方案。3.2.1HC-SR04模塊圖3.1HC-SR04模塊如圖3.1此為HC-SR04模塊，該模塊具有收發(fā)一體功能，經(jīng)實測可測量3cm-250cm，抗干擾回波能力強，價格18元。3.2.2 RC振蕩型超聲波發(fā)射電路方案一555他激振蕩電路圖3.2 555他激振蕩電路圖如圖3.2，通過LM555時基電路和一些外圍元件構(gòu)成的40kHZ多諧振蕩器電路，改變滑動變阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。從LM555第3腳輸出端驅(qū)動超聲波傳感器

29、T40-16，使其發(fā)射出超聲波信號。電路簡易，其工作電壓9V，工作電流4050mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。該電路的特點是起振容易，但頻率穩(wěn)定性較差，555芯片的溫度系數(shù)隨工作頻率的提高而變壞，10KHz以下時為510-5 /，40KHz時為210-4 /，溫度變化10，頻率變化約100Hz。方案二晶體管反饋穩(wěn)頻振蕩電路圖3.3 晶體管反饋穩(wěn)頻振蕩電路圖如圖3.3，電路中晶體管VT1、VT2組成強反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩器頻率和超聲波換能器T40-16的共振頻率相同。T40-16既是反饋耦合元件，又是電路的輸出換能器。T40-16兩端的振蕩波形近似于占空

30、比為50%的方波，電壓振幅接近電源電壓。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動信號，就可以驅(qū)動T40-16發(fā)射出一連串40kHz的超聲波信號。該電路的工作電壓9V，工作電流約25mA，發(fā)射超聲波信號一般可傳達(dá)到8m遠(yuǎn)。電路不需調(diào)試即可工作。方案三 六反向器振蕩電路（采用CD4069或者74LS04）圖3.4 六反向器振蕩電路如圖3.4，由U1AU3A三門振蕩器在U3A的輸出為40kHZ方波，工作頻率主要由C1、R1和RP決定，用RP可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)頻率。U3A的輸出激勵換能器T40-16的一端和反向器U4A，U4A輸出激勵換能器T40-16的另一端，因此，加入U4A使激勵電壓提高了一倍。電容C3、C2平衡U3A和U4

31、A的輸出，使波形穩(wěn)定。電路中反向器U1AU4A用CD4069六反向器中的四個反向器，剩余兩個不用（輸入端應(yīng)接地）。工作電壓為9V。測量U3A輸出頻率應(yīng)為40kHz2kHz，否則應(yīng)調(diào)節(jié)RP。此電路發(fā)射超聲波信號距離一般達(dá)到8m。3.2.3晶振型超聲波發(fā)射電路晶振就是利用一種可以把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，使其在共振的狀態(tài)下工作，從而提供穩(wěn)定的，精確的單頻振蕩。在一般工作條件下，常見的晶振的頻率絕對精度可控制在百萬分之五十，更高級的精度更高。一些晶振還可以通過外加電壓在一定范圍內(nèi)改變頻率，稱為壓控振蕩器（VCO）。在單片機(jī)系統(tǒng)里，晶振的地位非常重要，它可以結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，發(fā)出單片機(jī)必要的時

32、鐘頻率，所有單片機(jī)的指令執(zhí)行都是以此為基礎(chǔ)的，晶振給的時鐘頻率越高，單片機(jī)的運行速度則越快。我們通過單片機(jī)晶振產(chǎn)生精確時鐘信號，通過分頻程序產(chǎn)生高穩(wěn)定的40KHz超聲波發(fā)射信號。方案一 利用六反向器（CD4069或者74LS04）構(gòu)成的門電路圖3.5 六反向器超聲波發(fā)射驅(qū)動電路一圖3.5由CD4069六反向器中的四門反向器構(gòu)成的超聲波發(fā)射驅(qū)動電路，其輸入信號由單片機(jī)內(nèi)部晶振產(chǎn)生，輸出級采用全橋式接法，增加了驅(qū)動電流，使發(fā)射器具有足夠大的發(fā)射能量。CMOS系列的CD4069功耗小，抗干擾能力強，驅(qū)動能力強。圖中的CD4069可用74LS04代替，它具有CD4069相同的功能，只是工作電壓等參數(shù)有

33、所不同，功耗比起CD4069要大些。圖3.6 六反向器超聲波發(fā)射驅(qū)動電路二如圖3.6，該電路是用門電路組成傳感器振蕩發(fā)射電路。單片機(jī)提供其輸入信號。超聲波發(fā)射器被四個成對的CMOS緩沖器CD4069驅(qū)動。輸出級采用全橋式接法，使得發(fā)射器有效電壓翻倍。在暫停發(fā)送期間，電容器C4被用來阻塞輸入電流中的直流成分，達(dá)到保護(hù)超聲波發(fā)射器的作用。為使發(fā)送器能量最大，CD4069用正、負(fù)12V電壓驅(qū)動，同時加在超聲波發(fā)射器上的電壓應(yīng)為+12V-12V的脈沖信號。為了增加電流驅(qū)動能力，每路信號應(yīng)經(jīng)過兩個并聯(lián)的非門。非門用CMOS產(chǎn)品，主要是應(yīng)為其功耗小，驅(qū)動能力強，抗干擾能力強。本電路原理簡單價格相對便宜，接

34、線較為簡單。方案二 利用六反向器CD4049圖3.7 六反向器超聲波發(fā)射驅(qū)動電路三CD4049六反向器是CD4069的同系列產(chǎn)品。如圖3.7傳感器的輸出驅(qū)動電路是由12V電源提供能量同時提供18Vpp驅(qū)動超聲波發(fā)射器。18Vpp 是由一個二進(jìn)制非門CD4049(U9)橋電路來實現(xiàn)的。其中一個非門為驅(qū)動器的一側(cè)提供180 度的相移信號。另一側(cè)則由相內(nèi)信號驅(qū)動。這種結(jié)構(gòu)可以令輸出端的電壓提升一倍，從而為發(fā)射傳感器提供18Vpp 電壓。兩個門并聯(lián)連接是為了每一側(cè)都能夠為傳感器提供足夠的驅(qū)動電流。電容C19、 C20 阻斷了到傳感器的直流通路。方案三 利用LM386構(gòu)成的門電路圖3.8 LM386超聲

35、波驅(qū)動發(fā)射電路LM386原本是一種音頻功率放大器，主要被應(yīng)用在低電壓消費類產(chǎn)品中。為減少外圍元件，內(nèi)置電壓增益為20。不同的是在1腳和8腳之間增加了一只電容和外接電阻，這就可將電壓增益調(diào)節(jié)為任意值，直至200。輸入端是以地位參考，而輸出端則被自動地偏置到只有電源電壓的一半，在6V電源電壓供電情況下，它的靜態(tài)功耗只有24mW，這使得LM386特別適用于一些電池供電的場合。3.2.4發(fā)射電路方案比較及確定由于RC振蕩電路的振蕩頻率受溫度影響較大，導(dǎo)致輸出的超聲波頻率不穩(wěn)定。晶振的振蕩頻率不受溫度的影響，能夠獲得穩(wěn)定的超聲波頻率。因此，我們選用晶振。而在晶振方案中，LM386放大電路由于功率問題測量

36、距離有限，因此不采用。而CD4049需要驅(qū)動電壓為12V，與單片機(jī)驅(qū)動電壓差距太大，因此要設(shè)計電壓放大電路，比較麻煩，故不用。最終我選用74LS04作為放大電路。3.3超聲波接收電路選擇由于接受的回波不免存在干擾信號，且信號的幅度由于傳播過程中的衰減變得比較小，因此，接收電路的設(shè)計必須考慮對信號進(jìn)行濾波、適當(dāng)?shù)姆糯?，且靈敏度要高，當(dāng)超聲波返回時，接收器反應(yīng)要靈敏，而且一定要消除超聲波發(fā)送器的影響。在以上基礎(chǔ)上，盡量使電路結(jié)構(gòu)簡單，成本低。提出以下幾種方案：3.3.1 運放+集成比較器接收電路圖3.9 運放+比較器超聲波接收電路如圖3.9，這是運算放大器LM318和比較器LM311組成的超聲波接

37、收電路，因為要接受的波形是40KHz的脈沖，它的幅值大約為幾十毫伏，故需放大100倍左右，選用增益帶寬積在4M以上的放大器，例如NE5532、AD620、LM318等。將運放接成反相放大器，放大倍數(shù)為G=(R3+R5)/R2，通過調(diào)節(jié)變阻器R5的阻值，使得放大倍數(shù)為200-400倍，LM318帶寬為15M，可以滿足放大帶寬的要求，從而讓放大電路輸出符合后面整形電路的要求。比較器LM311是不需要相位補償?shù)?，可以適用于高速工作。比較器輸出為0-5V脈沖信號。由于超聲波在空氣中傳輸時不可避免的引入干擾，則比較的基準(zhǔn)電平是利用電位器調(diào)節(jié)的電壓，通過調(diào)節(jié)電位器，可調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電平，消除干擾。3.3.2 C

38、X20106A接收電路圖3.10 CX20106A超聲波接收電路集成芯片CX20106A原為紅外線檢波接收的專用芯片，其檢測頻率為38kHz與測量超聲波的頻率40kHz接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。一些資料表明，在CX20106的1腳輸入0.2mV的信號。在5腳則會輸出濾波后放大的信號。在實測中，5腳并沒有出現(xiàn)一個放大的信號。實際調(diào)試時，我們只關(guān)心芯片的7腳收到信號后是否產(chǎn)生一個下降沿。在本電路的調(diào)試過程中，若一直發(fā)射超聲波，在7腳將會產(chǎn)生周期性的低電平。而不是像通常認(rèn)為的那樣，即一直發(fā)射信號時，7腳一直是低電平。這是剛用CX20106時的一個常見錯誤。通過單片機(jī)計算發(fā)射信號到接收信號產(chǎn)

39、生下降沿所用時間，再通過公式，轉(zhuǎn)化為距離，最后在顯示器上顯示。用CX20106A集成電路對接收換能器收到的信號進(jìn)行放大、濾波，總的放大增益可達(dá)80db。以下是CX20106A的引腳注釋：1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R1=4.7，C1=4.7F。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低

40、；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為4.7f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用來設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200k時，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳： 該腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為200k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降，輸出標(biāo)準(zhǔn)低電平為0.2V。8腳：電源正極，4.55V2

41、3。3.3.3 電平比較電路此部分電路主要是針對超聲波接收電路輸出信號的情況而設(shè)計，由于回波信號不可避免的存在很多干擾，而且回波信號的強度，即接收電路輸出電壓信號的大小，會隨著障礙物的遠(yuǎn)近變化而變化，因此對于我們判斷接收到回波信號后產(chǎn)生的低電平造成影響。我們希望通過實驗，測出可能獲得的接收電路輸出電壓信號的最大值，以此作為我們判斷高低電平的依據(jù)，為此我們設(shè)計一個專門的比較電路。我們選擇采用LM311，其為專用的高靈活性電壓比較器。電路如3.11所示：圖3.11電平比較電路圖調(diào)節(jié)滑動變阻器R6的阻值大小，來設(shè)置比較門限電平的大小，這需要我們通過實驗進(jìn)行調(diào)整。3.3.4 TA8141S接收電路圖3

42、.12 TA8141S超聲波接收電路TA8141S集成電路的性能比CX20106A稍好，可以替換使用，注意TA8141S的1腳為空腳，其29腳與CX20106的18腳對應(yīng)。在上圖中，R5控制帶通濾波器的中心頻率， R4和C3是控制TA8141S內(nèi)部放大增益。一般取R4=4，C3=1uF，其余元件按圖中所示取值。SPEAKER為超聲波接收頭，OUT_INT當(dāng)收到超聲波時產(chǎn)生一個下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷上。一些資料表明，在TA8141S的2腳輸入0.2mV的信號，在6腳將會輸出濾波后放大的信號。在實測中，6腳并沒有一個放大的信號輸出。實際調(diào)試的時候只關(guān)心芯片的8腳在收到信號時是否產(chǎn)生一個下降沿

43、。3.3.4接收電路方案確定由于放大器電路易受到外界環(huán)境影響，且需要后續(xù)的電平比較電路，焊接易出錯，故不采納。而CX20106A接收電路和TA8141S接收電路可以實現(xiàn)相同的功能。TA8141S要比CX20106A性能優(yōu)越一些。但是由于其在電子市場上購買比較困難。因此，我們退而求其次，選用集成電路CX20106A。我們備選了電平比較電路，以保證接收電路輸出信號的準(zhǔn)確性，具體是否必要，需通過實際實驗決定。3.4控制電路這里考慮用常規(guī)單片機(jī)：51系列單片機(jī)或者PIC系列單片機(jī)都可實現(xiàn)匯編語言及C語言編程，產(chǎn)品種類比較多，能夠找到性價比較高的單片機(jī)型號來滿足倒車?yán)走_(dá)信號處理及報警需求。通過研究，考慮

44、采用AT89S52單片機(jī)，用單片機(jī)開發(fā)板通過計算機(jī)COM3接口對單片機(jī)寫入程序。下面是AT89S52的主要特性，AT89C51只是不支持反復(fù)擦寫，其它參數(shù)完全相同：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-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗的閑置和掉電模式中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針靈活的在線系統(tǒng)編程3.5電源與開關(guān)接口電路圖3.13 DC電源插口 圖3.14 自鎖開關(guān) 如圖3.13，此為DC電源接口電路，其1腳接

45、圖3.14的3腳.圖3,14實現(xiàn)了電源的通斷，使整個系統(tǒng)更為完善。3.6顯示電路圖3.15 數(shù)碼管顯示電路如圖3.15采用4位一體共陽極數(shù)碼管作為顯示電路，a-g為段引腳控制數(shù)碼管顯示數(shù)值，1H-4H為位引腳控制各位數(shù)碼管。我選用P2.4-P2.7控制各位數(shù)碼管。上拉電阻我選用10k的排阻。使用10k排阻原因為:OC門輸出高電平時是一個高阻態(tài)，其上拉電流要由上拉電阻來提供，設(shè)輸入端每端口不大于100uA,設(shè)輸出口驅(qū)動電流約500uA，標(biāo)準(zhǔn)工作電壓是5V，輸入口的高低電平門限為0.8V(低于此值為低電平)；2V(高電平門限值)。選上拉電阻時：500uA x 8.4K= 4.2即選大于8.4K時輸

46、出端能下拉至0.8V以下，此為最小阻值，再小就拉不下來了。如果輸出口驅(qū)動電流較大，則阻值可減小，保證下拉時能低于0.8V即可。當(dāng)輸出高電平時，忽略管子的漏電流，兩輸入口需200uA，200uA x15K=3V即上拉電阻壓降為3V，輸出口可達(dá)到2V，此阻值為最大阻值，再大就拉不到2V了。選10K可用。3.7報警電路圖3.16報警電路如圖3.6，采用蜂鳴器，發(fā)光二極管作為報警電路的主要組成部分，當(dāng)距離小于80cm時，二極管會發(fā)光，蜂鳴器會響，實現(xiàn)報警功能。3.8單片機(jī)的外圍晶振電路設(shè)計單片機(jī)外圍的晶振電路分兩種：有源晶振和無源晶振。無源晶振與有源晶振的區(qū)別、應(yīng)用范圍及用法如下：1、無源晶振無源晶振

47、需要用單片機(jī)片內(nèi)的振蕩器。沒有問題的被動晶體電壓，信號電平是可變的，也就是說從振蕩器電路根據(jù)決定，時鐘信號可用于各種單片機(jī)的不同電壓的要求，且價格通常較低，因此對于一般的應(yīng)用建議，如果條件允許的情況下用無源晶體，這尤其適合于產(chǎn)品線豐富批量大的生產(chǎn)者。相對于有源晶振,無源晶振缺陷是信號質(zhì)量差，通常需要精確地匹配外圍電路（用于信號匹配的電容、電感、電阻等），在更換不同頻率的無源晶振時周邊配置電路需要做相應(yīng)的調(diào)整。建議采用高精度的石英晶體，盡可能不要采用低精度的陶瓷晶體24。2、有源晶振有源晶振不需要單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器，信號質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對簡單（主要是做好電源濾波，通常使用一個電容

48、和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可），不需要復(fù)雜的配置電路。通常有源晶振的用法：一腳懸空，二腳接地，三腳接輸出，四腳接電壓。與無源晶振相比，有源晶振的缺陷是信號電平固定，需要合適的輸出電平，靈活性較差，而且價格高。對時序要求敏感的地方，使用有源晶振較好，因為我們可以選用精密的晶振，甚至是高檔的溫度補償晶振。有些單片機(jī)內(nèi)部沒有起振電路，只能使用有源晶振，如TI的6000系列。有源晶振相比于無源晶振通常體積較大，但現(xiàn)在許多有源晶振是表貼的，體積和晶體相當(dāng)，有的甚至比許多晶體還要小24。幾點注意事項：1、需要倍頻的單片機(jī)需要配置好鎖相環(huán)（PLL）周邊配置電路，主要是隔離

49、和濾波；2、20MHz以下的晶體晶振基本上都是基頻的器件，穩(wěn)定度好，20MHz以上的大多是諧波的（如3次諧波、5次諧波等等），穩(wěn)定度差，因此強烈建議使用低頻的器件，畢竟倍頻用的鎖相環(huán)電路需要的周邊配置主要是電容、電阻、電感，其穩(wěn)定度和價格方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于晶體晶振器件24；3、時鐘信號走線長度盡可能短，線寬盡可能大，與其它印制線間距盡可能大，緊靠器件布局布線，必要時可以走內(nèi)層，以及用地線包圍；4、通過背板從外部引入時鐘信號時有特殊的設(shè)計要求，需要詳細(xì)參考相關(guān)的資料?？紤]到制作成本以及性能滿足情況，無源晶振已經(jīng)足以滿足我們的需求。51單片機(jī)最常用的是12MHz的晶振，分析如下：1、12MHz晶振能夠準(zhǔn)

50、確地劃分成時鐘頻率，與UART(通用異步接收器/發(fā)送器)量常見的波特率相關(guān)。特別是較高的波特率(19600，19200)，不管多么古怪的值，這些晶振都是準(zhǔn)確、常被使用的。2、當(dāng)定時器1被用作波特率發(fā)生器時，波特率工作于方式1和方式3是由定時器1的溢出率和SMOD的值(PCON.7雙倍速波特率)決定：方式1、3波特率= 2SMOD/32(定時器1的溢出率)特殊時，定時器被設(shè)在自動重裝模式(模式2，TMOD的高四位為0100B)，其為：方式2波特率=2SMOD/64()更換一種計算方式，它將以修改公式達(dá)到我們需求的波特率來計算出晶振。最小晶振頻率=波特率3842SMOD這就是我們所需波特率的最小晶

51、振頻率，此頻率能成倍增加達(dá)到我們需求的時鐘頻率。例如：波特率為19.2KHz的最小晶振頻率：3.6864=(波特率為19.2KHz的SMOD為1 )11.0592=3.68643其中TH1是由被乘數(shù)3確定：TH1=256-3=253=0FDH用來確定定時器的重裝值，公式也可改為被乘數(shù)的因子：晶振頻率=波特率(256-TH1)3842SMOD這是波特率為19.24KHz的晶振頻率。以上的例子可知，被乘數(shù)(3)是用來確定TH1：TH1=256-3=253=0FDH19.2KHz波特率的晶振為：11.0592=19200(256-0FDH)3842(19.2KHz的SMOD為1)其它值也會得出好的結(jié)果，但是11.0592MHZ是較高的晶振頻率，也允許高波特率。晶振電路匹配的電容典型值根據(jù)實際情況選擇，通常取3010PF。51單片機(jī)外圍晶振電路和自動復(fù)位電路如圖3.7所示：圖3.17 外圍晶振及復(fù)位電路4 軟件設(shè)計根據(jù)超聲波測距儀要實現(xiàn)的功能，我確定了程序的框架，具體內(nèi)容如下：4.1超聲波測距儀實現(xiàn)基本功能用40kHz方波實現(xiàn)對物體距離測量，顯示障礙物距離。當(dāng)距離小于一定量時報警，二極管發(fā)光。報警采用蜂鳴器實現(xiàn)。程序?qū)崿F(xiàn)具體功能： 單片機(jī)內(nèi)部分頻發(fā)出40kHz的超聲波，通過P1.0口發(fā)出。 在發(fā)出8個周期的超聲波后，定時器T0開始計時，延時打開接收端口（外部中斷IN