畢業(yè)設(shè)計（論文）超聲波距離測量儀硬件設(shè)計

1、嘉 應(yīng) 學(xué) 院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）（2010屆）題目：超聲波距離測量儀硬件設(shè)計導(dǎo)師姓名： 院 系：電子信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 自 動 化 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 超聲波距離測量儀硬件設(shè)計摘 要本系統(tǒng)采用at89s51單片機(jī)作為主控制器，發(fā)出（產(chǎn)生）40khz的脈沖波經(jīng)放大電路后送到超聲波發(fā)射探頭t-40使其振蕩發(fā)射出超聲波，超聲波在傳送過程中碰到障礙物反射回來，接收探頭收到聲波后經(jīng)集成芯片cx20106a放大濾波整形后回送到單片機(jī)計算，通過發(fā)射與接收的時間差以及當(dāng)前溫度對應(yīng)的聲速計算出距離。為了解決現(xiàn)場溫度對測距產(chǎn)生的影響，在本系統(tǒng)中使用了ds18b20溫度傳感器對現(xiàn)場溫度進(jìn)行檢測，并通過軟件的

2、調(diào)試實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償，使測量誤差降低，當(dāng)物體移動時能迅速顯示即時距離，而本系統(tǒng)使用led顯示距離的數(shù)值，為用戶提供了很直觀的界面，從而完美實(shí)現(xiàn)了由at89s51為單片機(jī)主控芯片的超聲波測距。關(guān)鍵詞：at單片機(jī)，超聲波，測距，led；abstractthe system uses the at89s51 microcontroller as the main controller, issue (create) 40khz pulse wave by the ultrasonic amplifier is sent to t-40 to launch probe to emit ultrasonic

3、 oscillation，ultrasonic obstacles encountered in the course of transmission reflected back, upon receiving probe received by the integrated sound chip cx20106a after amplifying and filtering back to the scm calculation of plastic，by transmitting and receiving the time difference and the current temp

4、erature is calculated from the corresponding velocity。to address the on-site impact of temperature on the distance, in this system ds18b20 temperature sensor used to detect temperature on the spot，and debug software to achieve temperature compensation, so that measurement error decreased when the ob

5、ject can be moved quickly to show the real distance，use of this system, led display range of values, to provide users with a very intuitive interface，to achieve the perfect host by the at89s51 microcontroller chip for the ultrasonic ranging。keywords: at mcu, ultrasonic, range, ledii目 錄1 前 言11.1論文研究的

6、背景和意義11.2超聲波測距領(lǐng)域的歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀21.3 論文的主要內(nèi)容32 超聲波測距的基本理論42.1超聲波的定義42.2超聲波傳感器42.3 超聲波測距計算43 系統(tǒng)硬件設(shè)計73.1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)73.2 系統(tǒng)設(shè)計框圖73.3 主控芯片的選擇83.4 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計93.5 超聲波接收電路設(shè)計103.6 超聲波測距顯示電路113.6.1 顯示模塊的選擇113.6.2 顯示電路113.7 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計123.7.1 ds18b20的特性123.7.2 ds18b20引腳說明123.7.3 ds18b20的使用方法133.7.4 ds18b20溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計133.8

7、 主電路原理圖144 系統(tǒng)軟件設(shè)計154.1 總體設(shè)計框圖154.2 子程序設(shè)計框圖164.3 溫度補(bǔ)償流程圖165 系統(tǒng)的測試185.1 系統(tǒng)硬件測試185.2 系統(tǒng)的軟件測試185.3 系統(tǒng)的整體測試185.4 系統(tǒng)測量與誤差分析195.4.1 測量數(shù)據(jù)195.4.2 系統(tǒng)誤差分析196 總 結(jié)21參考文獻(xiàn)22附 錄24附錄a 原理圖24附錄b pcb圖25附錄c 實(shí)物圖26附錄d 程序28致 謝33iii超聲波距離測量儀硬件設(shè)計1 前 言1.1論文研究的背景和意義測距的原理和方法有很多1，根據(jù)信息載體的不同可分為光學(xué)方法、無線電方法和超聲波方法。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，先后出現(xiàn)了激光、超聲波

8、及紅外線等非接觸式測距方法。激光測距雖然測距精度高，操作簡單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測維護(hù)不便，價格相對昂貴，一般多在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。紅外測距屬于電磁波的一種2，超聲波是聲波測距，實(shí)現(xiàn)起來更容易且不受電磁干擾影響。紅外傳播速度為3108m/s，超聲波在空氣中的傳播速度為340 m/s ，其速度相對電磁波是非常慢的，因此在同等距離的情況下，超聲波的傳播時間遠(yuǎn)大于紅外，往返時間更易測量。超聲波在測距方面具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：(l)環(huán)境介質(zhì)可為空氣、液體或固體等，適用范圍廣泛；(2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)等惡劣環(huán)境中；(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，

9、費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。由于超聲波具有以上特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于測量物體的距離、厚度、液位等領(lǐng)域。在超聲波探傷、自動泊車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中3，超聲波測距有其重要的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距技術(shù)在國防、汽車工業(yè)及日常生活中無處不在。目前超聲波測距系統(tǒng)主要是采用微處理器為核心，使用微處理器內(nèi)部的計時器計時，并結(jié)合溫度補(bǔ)償聲速等處理手段提高測距精度。但由于超聲波傳播時間難于精確捕捉，溫度對聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應(yīng)用。由于微處理計時精度有限和硬件設(shè)計的束縛，現(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)在測量范圍為0.22

10、0m的范圍內(nèi)，測量誤差多為mm級，20cm以下基本為系統(tǒng)的測量盲區(qū)?，F(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)不僅測量范圍有限制，且測量精度有限。超聲波測距儀雖然原理簡單，但是由于超聲波測距受到許多外界因素制約，包括所測的超聲波傳播時間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，環(huán)境溫度等等，如何選擇合適的方法提高精度是技術(shù)開發(fā)的重要瓶頸，國內(nèi)外的學(xué)者在提高超聲波測距精度方面做了大量的研究。面對廣闊的市場空間以及日益苛刻的測量要求，如何提高適用范圍和測距精度就成為了當(dāng)前超聲波測距設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵所在。1.2超聲波測距領(lǐng)域的歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年f.galton的氣哨實(shí)驗(yàn)，這是人類首次有效產(chǎn)生

11、的高頻聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當(dāng)時電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲波的研究逐漸受到重視。法國人langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并進(jìn)行水下通信4。1929年，sokolov首先提出用超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建議5。相隔2年，1931年mulhauser獲準(zhǔn)一項(xiàng)關(guān)于超聲檢測方法的德國專利，不過他并未做更多的工作。4年之后，1934年sokolov首次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果，他用了各種方法做了實(shí)驗(yàn)，用來檢測穿過試

12、件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學(xué)方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。德國人bergmann在他的論著ultrasonic中，詳細(xì)的論述了有關(guān)超聲波的大量早期資料，該論著一直被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作6。美國的firestone7和英國的sproule8首次介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測技術(shù)發(fā)展到了更重要的階段。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因?yàn)樗凶顝V泛的通用性，其檢測結(jié)果也最容易解釋。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進(jìn)技術(shù)的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據(jù)相同的原理，有無數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進(jìn)和精化。目前，在超聲無損檢測中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最

13、為廣泛的一種。 huahong，wang yongtian9闡述了其所研究的一種調(diào)幅連續(xù)超聲波大范圍動態(tài)測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)的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，基于接收信號于發(fā)射信號之間的相位差和兩傳感器之間的正比關(guān)系，用相位差法測量傳感器之間的動態(tài)距離。文中給出了設(shè)計原理、硬件實(shí)施和測量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在15m的測距精度可達(dá)到lmm。中國測試技術(shù)研究所的李茂山在超聲波測距原理及實(shí)踐技術(shù)10中闡述了用超聲波在空氣里傳播速度為已知條件，測量超聲波行進(jìn)于待測距離所耗費(fèi)時間的超聲波測距原理。文中分析了聲波的傳輸特性和影響聲速的因素，給出了超聲波測距的框圖。作者還進(jìn)行了超聲波測

14、距誤差源分析以及超聲波測距儀的檢驗(yàn)。浙江師范大學(xué)的李鳴華、余水寶利用單片機(jī)開發(fā)了一種超聲波料位測量系統(tǒng)11。作者介紹了超聲波料位測量的原理以及超聲波料位測量儀的軟硬件設(shè)計，硬件設(shè)計主要分為超聲波信號的產(chǎn)生發(fā)射電路、信號接收處理電路、at89c2051單片機(jī)控制電路等。作者還分析了造成料位測量誤差的幾點(diǎn)原因，并給出了幾種方法來減少測量誤差。比如：在計數(shù)電路設(shè)計中，采用了“延遲接收，信號分離”的技術(shù)和相關(guān)計數(shù)法減小了計數(shù)誤差，對于聲速的測量誤差，使用溫度補(bǔ)償法，在軟件設(shè)計中采用了查表的方法，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償校正。文中的一些方法對于設(shè)計超聲波測量系統(tǒng)來說具有一定的參考價值。聲速的測量在超聲波測距

15、中對提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。中國海洋大學(xué)的曹玉華在超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計及其在機(jī)器人模糊避障中的應(yīng)用12提出了采用溫度補(bǔ)償?shù)姆椒y量聲速，來提高超聲波測距精度。文中溫度檢測部分采用了美國dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器ds18b20測量環(huán)境溫度，用以溫度補(bǔ)償以修正超聲波速度，來減小溫度變化對距離測量精度的影響。該超聲波測距裝置在1.5m的測量范圍內(nèi)，測量誤差小于5cm。山東科技大學(xué)的王紅梅在高分辨力超聲測距系統(tǒng)的研究13中研究了己有超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用超聲波多次發(fā)射，以多次測量

16、的平均值作為測量值的方法提高超聲波測距精度，并使用了溫度補(bǔ)償聲速的方法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。為了提高儀器的分辨力，還采用了若干方法來減小隨機(jī)誤差。本文所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)在測量范圍1cm10cm，精度可達(dá)到0.5%，分辨率優(yōu)于0.1mm。1.3 論文的主要內(nèi)容本次設(shè)計的工作包括：一、討論和研究本設(shè)計的設(shè)計方向和功能；二、主芯片和傳感器的選擇；三、電路的設(shè)計以及電路板的制作；四、程序的設(shè)計；五、子程序與子模塊的聯(lián)合調(diào)試；六、總程序的調(diào)試；七、系統(tǒng)的測試與校正。342 超聲波測距的基本理論2.1超聲波的定義波是由某一點(diǎn)開始的擾動所引起的，并按預(yù)定的方式傳播或傳輸?shù)狡渌c(diǎn)上。聲波是一種彈性機(jī)械波。

17、人們所感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機(jī)械波頻率在20hz20khz，超聲波是頻率大于20khz的機(jī)械波14。超聲波應(yīng)用有三種基本類型：透射型用于遙控器，防盜報警器、自動門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測厚等。在超聲波測距系統(tǒng)中，用脈沖激勵超聲波探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動，這種振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，便形成了超聲波15。2.2超聲波傳感器超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（pzt）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩

18、而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為2325khz及4045khz。這類傳感器適用于測距、遙控、防盜等用途。該種有t/r-40-60，t/r-40-12等。另有一種密封式超聲波傳感器（ma40ei型），它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好15。2.3 超聲波測距計算超聲波測距原理如圖2-1所示。圖2-1超聲波測距原理圖基于單片機(jī)的超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波

19、，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離,如式2-1所示16。sct2 (2-1)式中c超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射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。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)，如式2-2所示17。c=331.6+0.6107*t (2-2)式中 t當(dāng)?shù)販囟?。?jīng)過測量得出超聲波的波速與溫度的關(guān)系，如表2-1所示。表 2-1 超聲波溫度速度表溫度()-30-

20、20-100102030聲速c(m/s)313319325333338344349式2-2是根據(jù)測量的速度數(shù)據(jù)與溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得出的，擬合過程為：t=-30 -20 -10 0 10 20 30c=313 319 325 333 338 344 349m=1fxy1=polyfit(t,c,m)得到結(jié)果：fxy= 0.6107 331.5714圖2-2是使用matlab軟件對溫度數(shù)據(jù)和超聲波速度數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合的數(shù)據(jù)處理。圖2-2 溫度與速度數(shù)據(jù)擬合圖2-3為溫度數(shù)據(jù)與超聲波速度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階擬合得到的擬合圖形圖2-3溫度數(shù)據(jù)與超聲波速度數(shù)據(jù)擬合圖形在測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探

21、測環(huán)境溫度、確定計算距離時的波速c。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間t，即可求得距離s，這洋能較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)本論文是研制一種超聲波測距系統(tǒng)。其主要技術(shù)指標(biāo)為：量程:10cm200cm；電源: 5v dc；超聲波頻率:4okhz；測量誤差:3%-4%； 顯示方式: led顯示。系統(tǒng)具有溫度校正功能。3.2 系統(tǒng)設(shè)計框圖在整個超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計中占有很重要的位置的是超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。硬件電路設(shè)計的合理性將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。其中選擇合適的器件和合理的電路布局將對系統(tǒng)有很大的影響，并且硬件

22、系統(tǒng)的性能是整個測距系統(tǒng)可靠性的最根本保證。因此，在能夠保證實(shí)現(xiàn)超聲波測距所需要功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該需要重點(diǎn)考慮以下幾個原則:(l)盡量選擇一些典型芯片，典型的應(yīng)用電路。這樣可以保證電路設(shè)計模塊的正確性，為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)；(2)盡量減小硬件電路的復(fù)雜性，能在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的功能，最好不要再外接電路，多選用集成度高的芯片；(3)在芯片選擇和線路板排布時候盡量考慮系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性能。本系統(tǒng)采用at89s51單片機(jī)作為主控制器，使用led數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動需要的40khz脈沖由單片機(jī)p1.0發(fā)出，使用定時器進(jìn)行控制，超聲波接收使用cx20106a作為接收主控芯片

23、，使用ds18b20作為溫度校正系統(tǒng)核心。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示17：硬件設(shè)計從成本和性能兩方面進(jìn)行考慮，力求結(jié)構(gòu)簡單，成本合理，功能完善，穩(wěn)定性好。整個系統(tǒng)采用模塊化進(jìn)行設(shè)計，使得每個模塊都是一個獨(dú)立的單元，方便后續(xù)調(diào)試工作。led顯示at89s51電源信號產(chǎn)生與驅(qū)動電路信號處理集成芯片發(fā)射器接收器溫度補(bǔ)償障礙物圖3-1系統(tǒng)設(shè)計框圖3.3 主控芯片的選擇方案一：開始考慮到低功耗的問題，想使用在研討會發(fā)的msp430系列的低功耗單片機(jī)，因?yàn)閯偨佑|這系列的單片機(jī)不久，對其掌握不深所以放棄了該方案。方案二：使用stc系列的單片機(jī)，驅(qū)動能力強(qiáng)，運(yùn)行相對穩(wěn)定很多，抗磁場干擾能力強(qiáng)，與at

24、系列的相比，性價比更高。方案三：使用最普遍的at89s51，最大的優(yōu)點(diǎn)就是相對比較便宜，而且很容易購買到，相關(guān)的資料非常豐富，使用的過程中有疑問很容易得到在網(wǎng)上或者資料書上得到解決，但是定時器、中斷、rom等較少，抗干擾能力較差18。綜合各個方面的考慮最終選用方案三，使用at89s51單片機(jī)作為主控芯片。芯片如圖3-2圖3-2 at89s51引腳圖3.4 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計超聲波的產(chǎn)生與識別接收是非常重要的，所以發(fā)射和接收電路一樣重要，任意一部分電路有缺陷就直接影響整個儀器的性能。所以對于這部份電路中有了很多的設(shè)計方案。在這次設(shè)計中采用單片機(jī)的p1.0端口直接發(fā)送40khz的信號，這樣能夠精

25、確的計算出時間，得出精確的測量數(shù)據(jù)。而且這種方法比較簡單而實(shí)用，在設(shè)計中可以避免出現(xiàn)不應(yīng)該的影響與誤差，讓這次的設(shè)計能更加簡單操作，而且得到預(yù)期的效果。該系統(tǒng)的超聲波發(fā)送模塊是由超聲波發(fā)射探頭組成的，使用74ls04做為驅(qū)動，超聲波發(fā)射電路如圖3-3所示19。圖3-3 超聲波發(fā)射電路74ls04為六組反向器，其系列共有 54/7404、54/74h04、54/74s04、54/74ls04 四種線路結(jié)構(gòu)形式，其主要電特性的典型值如表3-1：表3-1 74ls04各型號的電特性比較表型號tplhtphlp05404/740412ns8ns60mw54h04/74h046ns6.5ns140mw5

26、4s04/74s043ns3ns113mw54ls04/74ls049ns10ns12mw圖3-4為74ls04邏輯電路圖：圖3-4 74ls04邏輯電路圖其中74ls04的引出端符號 ：1a6輸入端 1y6輸出端壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器。如沒加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接收轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有

27、不同。圖3-5 超聲波轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖3.5 超聲波接收電路設(shè)計在接收電路中使用了紅外線接收處理芯片cx20106a,因?yàn)樗幚淼氖?8khz的紅外信號，而40khz的超聲波信號和它比較接近，并且cx20106a芯片具有很強(qiáng)的抗干擾能力，這個芯片的外圍電路很簡單而且通過外圍電阻調(diào)節(jié)它的中心處理頻率，通過改變外圍電路電容的大小也可以改變接收電路靈敏度和抗干擾能力。經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)用單片機(jī)發(fā)40khz信號與使用cx20106a的電路搭配更加簡單合理，使得時間的計算更為精確。該系統(tǒng)的超聲波接收模塊是由超聲波接收探頭和紅外線接收處理芯片cx20106a組成。如圖3-6所示19。圖3-6 超聲波接收電路系統(tǒng)采用

28、集成電路cx20106a，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38khz與測距超聲波頻率40khz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力,適當(dāng)改變外圍電路電容的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。3.6 超聲波測距顯示電路3.6.1 顯示模塊的選擇在顯示模塊選擇時有兩種，一種是用液晶顯示屏，一種則是選用數(shù)碼管。液晶顯示屏具有輕薄短小，低耗電量，無輻射危險，平面直角顯示以及影象穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，可以顯示漢字等各種符號。但一般需要利用控制芯

29、片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大。而數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓、壽命長、耐老化、對外界環(huán)境要求低，易于維護(hù)的特點(diǎn)，同時精度比較高，稱量快，精確可靠，編程容易，操作簡單。缺點(diǎn)是不能實(shí)現(xiàn)漢字顯示，多數(shù)據(jù)多行顯示。在本次設(shè)計中選擇了方案二，選擇了4位數(shù)碼管顯示。用pnp型三極管驅(qū)動數(shù)碼管，并連接到單片機(jī)at89s51的p2口上作位選。雖然顯示上沒有液晶顯示屏那么完全，但是也能夠完整直觀地顯示出需要的結(jié)果。本次設(shè)計由于條件的限制，只要求顯示小數(shù)點(diǎn)后一位。3.6.2 顯示電路圖3-7為超聲波測距硬件設(shè)計的顯示電路。圖3-7超聲波測距顯示電路其中數(shù)碼顯示管選用的是4位數(shù)碼管，其引腳連上1k的電阻后與單片機(jī)的

30、p0腳連接，數(shù)碼管的位選引腳與三極管9012連接。3.7 溫度補(bǔ)償電路設(shè)計超聲波的聲速與溫度有直接的關(guān)系，所以在本次設(shè)計中采用溫度校正的目的就是在于要選取當(dāng)時現(xiàn)場溫度下可用來計算的聲速，從而提高超聲波對距離測量的測量精度。在選取溫度傳感器時選擇使用溫度芯片ds18b20。這種芯片是單總線結(jié)構(gòu)的,使用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò),為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。ds18b20支持“一線總線”接口,測量溫度范圍為-55 125,在-1085范圍內(nèi),精度為0.5?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸,大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量20。3.7.1 ds18b20的特性（1）適應(yīng)

31、電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5v，在寄生電源方式下由數(shù)據(jù)線供電。（2）獨(dú)特的單線接口方式，ds18b20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊。（3）ds18b20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測溫。（4）ds18b20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。 （5）溫度范圍55125，在-10+85時精度為0.5。（6）可編程的分辨率為912位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。（7）在9位分辨率時最多在93.75ms

32、內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多，在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。（8）測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以一線總線串行傳送給cpu，同時可傳送crc校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯能力。（9）負(fù)壓特性：電源極性接反使芯片不會因?yàn)榘l(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。3.7.2 ds18b20引腳說明ds18b20使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便,價格更便宜,體積更小。并且能用程序選取分辨率，因此可選更小的封裝方式,更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在eeprom中,掉電后依然保存。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的eeprom,精度降低為2,適用于對性能要求不高,成本控制嚴(yán)格

33、的應(yīng)用,是經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。衡量其準(zhǔn)確度和價格的優(yōu)勢最終確定ds18b20為此項(xiàng)目的溫度傳感器。其引腳圖如圖3-8所示， 圖3-8 ds18b20集成電路ds18b20引腳說明如表3-2所示。表3-2 ds18b20的引腳說明引腳符號說明1gnd接地2dq數(shù)據(jù)輸入/輸出腳3vdd可選的vdd引腳3.7.3 ds18b20的使用方法ds18b20是在一根i/o線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。ds18b20有嚴(yán)格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機(jī)作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)

34、的傳輸都是從主機(jī)主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，主機(jī)需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收，數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。3.7.4 ds18b20溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計如圖3-9所示，數(shù)據(jù)輸入/輸出腳連接到單片機(jī)的p34腳，電源接口接入+5v的電壓，外加4k的上拉電阻，因?yàn)閐s18b20是單總線溫度傳感器，數(shù)據(jù)線是漏極開路，如果ds18b20沒接電源，則需要數(shù)據(jù)線強(qiáng)上拉，給ds18b20供電；如果ds18b20接有電源，則需要一個上拉即可穩(wěn)定的工作。圖3-9溫度補(bǔ)償電路3.8 主電路原理圖4位led數(shù)碼管該系統(tǒng)電路設(shè)計的比較簡單，單片機(jī)采用at89s51或其兼

35、容系列。采用12mhz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用p1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需的40khz方波信號，利用外中斷p3.2口檢測超聲波返回接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位led數(shù)碼管，連接單片機(jī)at89s51的p0口，而三極管連接p2口，作數(shù)碼管的位選。usb電源接口超聲波模塊接口ds18b20接口圖3-10 超聲波測距主電路圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 總體設(shè)計框圖主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器t0工作模式為16位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位ea并給顯示端p0和p2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

36、器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，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(jī)器周期為1s,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）按下式計算即可測被測物體與測距儀之間的距離,設(shè)計時取20時的聲速為344m/s,如式4-1所示。(c*t0)/2=172t0/10000cm （4-1）式中 t0計數(shù)器t0的計數(shù)值測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制bcd碼方式傳送到led顯示,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。主程序框圖如圖4-1所示。開始結(jié)束存儲調(diào)用顯示子程序，顯示距離開始發(fā)射，開始計時

37、計算發(fā)射時間調(diào)試測量子程序，補(bǔ)償聲速初始化輸入撲捉功能有效ny圖4-1 超聲波測距總體設(shè)計框圖4.2 子程序設(shè)計框圖超聲波發(fā)生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12s左右，同時把計數(shù)器t0打開進(jìn)行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（int0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計時器t0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)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(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。超聲波發(fā)射子程序設(shè)計框圖如圖4

38、2所示。定時器初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完否？停止發(fā)射開外部中斷結(jié)果輸出計算距離讀取時間值關(guān)外部中斷返回返回nya)定時中斷服務(wù)子程序b）外部中斷服務(wù)子程序圖4-2 超聲波發(fā)射子程序設(shè)計框圖4.3 溫度補(bǔ)償流程圖 溫度補(bǔ)償是由溫度傳感器ds18b20檢測現(xiàn)場的溫度，由于ds18b20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)，檢測的溫度值在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，溫度測量結(jié)果直接以數(shù)字信號輸出，單片機(jī)對由ds18b20輸出的信號進(jìn)行讀取，經(jīng)過軟件對溫度數(shù)字值實(shí)現(xiàn)處理，再由數(shù)碼管對溫度直觀的顯示 溫度補(bǔ)償流程圖如4-3開始單片機(jī)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換ds18b20溫度轉(zhuǎn)換單片機(jī)讀取

39、溫度溫度值處理顯示溫度結(jié)束圖4-3 溫度補(bǔ)償流程圖5 系統(tǒng)的測試5.1 系統(tǒng)硬件測試電路板焊接完畢后，使用萬用表測量電路是否有短路、短路，元器件時候有+、-級焊接反向。若檢查無誤后，將單片機(jī)安裝上，接通電源，此時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一、指示燈是否點(diǎn)亮；二、單片機(jī)是否有電；三、晶振是否工作；四、超聲波傳感器是否工作。測試方法：一、使用萬用表查看電源是否有電，查看整流電路是否將二極管焊接反向；二、使用萬用表測量單片機(jī)的電源和地的引腳，看是否有電壓；三、使用示波器看晶振是否有波形；四、使用示波器看是否有波形。在調(diào)試的過程中由于存在虛焊現(xiàn)象，導(dǎo)致電路板不能正常的工作。重新將元器件焊接后，電路板完全正常。由

40、于沒有對全部管腳進(jìn)行逐一測試，導(dǎo)致沒有及時的查出問題所在。5.2 系統(tǒng)的軟件測試軟件調(diào)試過程采用模塊化方案：一、測試led顯示是否正常，測試每位led的各個段是否正常；二、測試超聲波發(fā)射和接收正常；三、測試超聲波距離顯示是否正常。5.3 系統(tǒng)的整體測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15mm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，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，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

41、，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力21。 硬件軟件全部調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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0.11m1.50m，測距儀最大誤差不超過4%。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(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。5.4 系統(tǒng)測量與誤差分析經(jīng)過所有的調(diào)試步驟完成后，對該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際的數(shù)據(jù)測量過程。由于測量過程中存在著許多外界因素的干擾，再次進(jìn)行數(shù)據(jù)和誤差的分析。5.4.1 測量數(shù)據(jù)由于實(shí)際測量工作的局限性，最后在測量中

42、選取了一米以下的15cm、30cm、45cm、50cm、60cm五個距離進(jìn)行測量，得出測量數(shù)據(jù),如下列表所示。表5-1 實(shí)際距離與測量距離的五次比較距離（cm）測量次數(shù)實(shí)際距離1530455060測量距離1143147526421530455063315314553624153046526251430465161從表中的數(shù)據(jù)可以看出，測量值一般都比實(shí)際值要大幾厘米，但對于連續(xù)測量的準(zhǔn)確性還是比較高的。針對測量過程，對每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行5次測量，對所測的每組數(shù)據(jù)去掉一個最大值和最小值，再求其平均值，用來作為最終的測量數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行比較分析。這樣處理數(shù)據(jù)也具有一定的科學(xué)性和合理性。從表5-1中的數(shù)據(jù)來

43、看，雖然對超聲波進(jìn)行了溫度補(bǔ)償，但在比較遠(yuǎn)的距離的測量中其相對誤差也比較大。對30cm和40cm的距離測量上，相對誤差分別達(dá)到了3%和4%。但從全部測量結(jié)果看，本設(shè)計的絕對誤差都比較小，也比較穩(wěn)定。本設(shè)計盲區(qū)在11cm左右，基本滿足設(shè)計要求。5.4.2 系統(tǒng)誤差分析測距誤差主要來源于以下幾個方面22：一、超聲波發(fā)射與接收探頭與被測點(diǎn)存在一定的角度，這個角度直接影響到測量距離的精確值。二、超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測量時，不一定是第一個回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。三、由于工具簡陋，實(shí)際測量距離也有誤差。影響測量誤差的因素很多，還包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時基脈沖頻率等等。四、啟動發(fā)射和啟動

44、計時之間的偏差。五、收到回波到被檢測出的滯后。六、收到中斷到中斷響應(yīng)停止計時之間的滯后。七、計時器本身的誤差。八、在電路板與元件焊接做工不精細(xì)，有些元件焊接不好，所以造成某些地方接觸不好，產(chǎn)生誤差。九、在測試的時候在超聲波發(fā)射與接收探頭前面就開著電腦顯示屏，可能就對測試的結(jié)果產(chǎn)生影響。6 總 結(jié) 基于單片機(jī)的超聲波距離測量儀能夠迅速的測出3米以內(nèi)的短距離障礙物，本設(shè)計采用的是t/r-40-60，t/r-40-12這種超聲波傳感器，這種傳感器的工作頻率為40khz-45khz，因此在本次設(shè)計中采用的是單片機(jī)直接發(fā)出的40khz的工作頻率以滿足傳感器的工作需要，這種設(shè)計方法方便實(shí)用，不需要外加別的

45、外圍電路，提高了超聲波發(fā)射和接收的工作效率和準(zhǔn)確率，接收到的超聲波信號經(jīng)過單片機(jī)的對數(shù)據(jù)進(jìn)行快速計算，接收的信號經(jīng)過軟件處理，再由led數(shù)碼管直觀的顯示測量的數(shù)值。因?yàn)闇囟葘Τ暡〞a(chǎn)生一定的影響，因此在設(shè)計時要考慮解決這一方面，要求使溫度對超聲波的影響減到最小，所以在本次設(shè)計使用ds18b20溫度傳感器對現(xiàn)場溫度進(jìn)行檢測，再由ds18b20輸出的數(shù)字信號到單片機(jī)，通過軟件對所得到的信號進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償校正，使在計算距離的時候使用的是現(xiàn)場溫度所對應(yīng)的超聲波波速，經(jīng)過單片機(jī)計算使測出來的距離有較高的準(zhǔn)確性。本設(shè)計具有簡單實(shí)用，能耗低，成本低等特點(diǎn)，能更好利用于人們的日常生活。通過對本課題的

46、研究學(xué)習(xí)，也有了以下體會。一、理解超聲波技術(shù)的一些基本規(guī)律和必要的基本概念。二、了解超聲技術(shù)與其他學(xué)科的關(guān)系與應(yīng)用，擴(kuò)大知識面。三、培養(yǎng)抽象思維能力，分析問題和解決問題的能力。四、掌握做人處事的方法技巧，成為真正的應(yīng)用性、綜合性人才。參考文獻(xiàn)1 王慧基于總線的超聲波測距儀的研究d哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，20072 蘇長贊，鄒殿貴紅外線與超聲波遙控m北京：人民郵電出版社，20013 胡盛斌，羅均用于移動機(jī)器人避障的超聲波測距系統(tǒng)j機(jī)電一體化，2003(1)：37-404 jack blitzultrasonics methods and applicationsmlondon：butterwor

47、ths,19715 sokolov,sultrasonics methods for determining internal flaws in metal objectsj russian,zavod,lab,1935,4：1468-14736 彭小寶.超聲波測距在機(jī)車掛鉤高度檢測中的應(yīng)用d.河北:華北交通大學(xué)，20067 firestone，f.a.flaw deteeting deviee and measuring instrumentp.u.s.patent no.2 280 130，1940.8 deseh，c.h，sproule，d. 0. and dawson，w.j.the

48、deteetion of craeks in steel by means ofsupersonic wavesj.iron steel inst，1946,153:319一352.9 hua hong，wang yongtian. dynajnic range finding device using amplitude一modulatedcontiniuous ltrasonie wavej. journal of beijing institute of teehnology，1998，7(1):132一136.10 李茂山.超聲測距原理及實(shí)踐技術(shù)j. 實(shí)用測試技術(shù)，1994(1):12

49、一20.11 李鳴華，余水寶.單片機(jī)在超聲波料位測量中的應(yīng)用j. 電子技術(shù)應(yīng)用，1998(9):1517.12 曹玉華.超聲測距系統(tǒng)設(shè)計及其在機(jī)器人模糊避障中的應(yīng)用d. 山東:中國海洋大學(xué)，2007.13 王紅梅. 高分辨力超聲測距系統(tǒng)的研究d. 山東:山東科技大學(xué)，2004.14 董峰,許水源.等一種高精度超聲波測距處理方法j. 廈門大學(xué)學(xué)，1998，37(4):507一512.15 石峰.超聲波測距傳感器的研究m，浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2002.：46016 袁錫全.近代超聲原理及應(yīng)用m，南京大學(xué)出版社，1996 ： 266-27317 姜道連.用at89c2051設(shè)計超聲波測距儀j，

50、國外電子元器件，2000 ：139018 李廣弟.單片機(jī)基礎(chǔ)m，北京航空航天大學(xué)出版社，2001，208-213 ：334219 包海鴻.基于51單片機(jī)超聲波測距器設(shè)計m，2004. ：92020 何希才.傳感器及其應(yīng)用實(shí)例m，機(jī)械出版社，2004. :105-11321 潘登等.超聲波測距精度的探討，包裝工業(yè)，2003.11：1322 蘇煒等.超聲波測距誤差分析m，傳感器技術(shù)，2004. ：6附 錄附錄a 原理圖附錄b pcb圖附錄c 實(shí)物圖附錄d 程序#include #include #include temperature.h/*/sbit s3=p23;/個位選通sbit s2=p22;/十位選通sbit s1=p21;/百位選通sbit s0=p20;/千位選通sbit dp=p05;/小數(shù)點(diǎn)sbit in=p32;/外部中斷1，接cx20106的7腳sbit csb=p10;/40khz方波輸出腳/#define seg