基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)

1、q260046902q260046902 專業(yè)做論文專業(yè)做論文西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目名稱：題目名稱：基于 51 單片機(jī)地超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)年年 級(jí)：級(jí)：2003 級(jí)級(jí) 本科本科 ?？茖？茖W(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)：20035095學(xué)生姓名：時(shí)余春學(xué)生姓名：時(shí)余春 指導(dǎo)教師：何宏森指導(dǎo)教師：何宏森 胡天鏈胡天鏈學(xué)生單位：信息工程學(xué)院學(xué)生單位：信息工程學(xué)院 技術(shù)職稱：講師技術(shù)職稱：講師學(xué)生專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)生專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程 教師單位：信息工程學(xué)院教師單位：信息工程學(xué)院西西 南南 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 教教 務(wù)務(wù) 處處 制制西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文i基于 51 單片機(jī)地超

2、聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了一種基于單片機(jī)地脈沖反射式超聲波測(cè)距模塊.該模塊以空氣中超聲波地傳播速度為確定條件,利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離.論文概述了超聲檢測(cè)地發(fā)展及基本原理,介紹超聲波傳感器地原理及特性.對(duì)于測(cè)距系統(tǒng)地一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論.并且在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)功能地基礎(chǔ)上,提出了系統(tǒng)地總體構(gòu)成.針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測(cè)、顯示部分地總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證.進(jìn)一步介紹了單片機(jī)at89c51 在系統(tǒng)中地應(yīng)用,分析了系統(tǒng)各部分地硬件及軟件實(shí)現(xiàn).最后利用測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)表明,各主要波形及技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求.該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)有限范圍地距離測(cè)量具有較高地精度和可靠性,最后文中分析了誤差產(chǎn)

3、生地原因及如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善.關(guān)鍵詞：51 單片機(jī)；超聲波；測(cè)距西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iidesign of ultrasonic distance measurement based on at89c51 mcuabstract: the thesis introduces a kind of single-pulse-refection ultrasonic distance meter system module in detail based on microcontroller. the system could measure certain distance with the

4、 reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed. this paper summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detections. then it presents the theory and characters of ultrasonic sensor. at the same time, it discusses a number of main technical paramet

5、ers. moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter. and then the transmission receiver, detection, display scheme of this distance meter system is demonstrated. specially, after the application of at89c51 microcontroller, it analyzes

6、 the hardware and soft ware realization of each part in this system. at last the result and error analysis of the experiments is presented. it is proved by experiments that the design of the system is provided with high accuracy and reliability. in the end, the further measures of modification are p

7、resented.keywords: at89c51 mcu, ultrasonic, distance measurer 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iii目 錄第 1 章 緒論11.1 課題背景11.1.1 機(jī)器人感知系統(tǒng)研究現(xiàn)況11.1.2 傳感器技術(shù)概況11.2 課題目地及意義21.3 課題設(shè)計(jì)研究范圍及成果2第 2 章 超聲波傳感器模塊測(cè)距方案分析32.1 超聲波與超聲波地應(yīng)用32.2 超聲波傳感器42.2.1 超聲波傳感器地原理及結(jié)構(gòu)42.2.2 超聲波傳感器地分類62.2.3 超聲波發(fā)射器72.2.4 超聲波接收器82.3 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮102.3.1 傳感器地指向角 102.3

8、.2 聲速102.3.3 測(cè)量盲區(qū)102.4 超聲波傳感器模塊設(shè)計(jì)原理112.5 典型地超聲波傳感器測(cè)距模塊11第 3 章 超聲波傳感器測(cè)距模塊地硬件設(shè)計(jì)133.1 超聲波傳感器測(cè)距模塊地總體133.2 超聲波傳感器測(cè)距模塊地設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方法143.2.1 提高測(cè)距精度地依據(jù)153.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)干擾問題及其解決方法153.3 硬件電路設(shè)計(jì)說(shuō)明153.3.1 發(fā)射部分16西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文iv3.3.2 接收部分163.3.3 測(cè)溫部分163.3.4 超聲波測(cè)距模塊163.4 主要器件選擇及其簡(jiǎn)介163.4.1 lm358 運(yùn)放簡(jiǎn)介163.4.2 溫度傳感器 ds18b20173.

9、4.3 at89c51 單片機(jī)簡(jiǎn)介193.5 硬件電路地具體設(shè)計(jì)203.5.1 電源地設(shè)計(jì)203.5.2 超聲波發(fā)生電路213.5.3 超聲波回波接收檢測(cè)223.5.4 溫度補(bǔ)償電路233.5.5 led 動(dòng)態(tài)掃描顯示電路233.6 系統(tǒng)抗干擾措施24第 4 章 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)264.1 主程序結(jié)構(gòu)264.2 中斷程序274.3 回波接收程序29第 5 章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析30結(jié)論與展望32致謝33參考文獻(xiàn)34附錄 1：超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)原理圖35附錄 2：超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì) pcb 圖36附錄 3：超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì) pcb3d 效果圖37附錄 4：ds18b20 溫度采集補(bǔ)償程序38西南

10、科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文1第 1 章 緒 論1.1 課題背景本設(shè)計(jì)依托電子技術(shù)、嵌入式處理計(jì)算技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、傳感器技術(shù),并根據(jù)當(dāng)前科學(xué)技術(shù)發(fā)展潮流,引出對(duì)用于機(jī)器人中地超聲波傳感器測(cè)距模塊地研究與設(shè)計(jì).1.1.1 機(jī)器人感知系統(tǒng)研究現(xiàn)況近年來(lái),機(jī)器人地研究與發(fā)展倍受世人關(guān)注.機(jī)器人系統(tǒng)廣泛融合了機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、決策與對(duì)策、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與智能控制等諸多學(xué)科內(nèi)容,是研究多智能系統(tǒng)理論地良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái).從某種程度上說(shuō),機(jī)器人技術(shù)是反映國(guó)家高科技綜合實(shí)力地一場(chǎng)“技術(shù)戰(zhàn)爭(zhēng)”.在簡(jiǎn)單地自主行走機(jī)器人系統(tǒng)中, 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走, 必需實(shí)時(shí)

11、采集環(huán)境信息, 以實(shí)現(xiàn)避障和導(dǎo)航.這些任務(wù)必須依靠能實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息地傳感器系統(tǒng)來(lái)完成.視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機(jī)器人中得到應(yīng)用.其中超聲波傳感器以其信息處理簡(jiǎn)單、速度快、性價(jià)比高和硬件實(shí)現(xiàn)方便等優(yōu)勢(shì), 被廣泛地應(yīng)用到行走機(jī)器人感知系統(tǒng)中1.1.1.2 傳感器技術(shù)概況人類為了從外界環(huán)境中獲取有用信息,必須借助于自身地感覺器官.但是,人地感覺器官并不是萬(wàn)能地.與其它動(dòng)物一樣,為了把生命維持下去,人類只是有選擇地捕捉一些重要信息.為了進(jìn)一步研究自然現(xiàn)象、制造勞動(dòng)工具,改善生存環(huán)境,只靠這些感覺器官就顯得很不夠用了.于是,作為一種替代和延伸工具,采用了能代替或者補(bǔ)充感覺器官功能地各種

12、傳感器,傳感器是人類五官地延長(zhǎng),所以也被稱作“電五官”.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)地產(chǎn)生和發(fā)展,給人類文明帶來(lái)了巨大地影響.特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路出現(xiàn)之后,計(jì)算機(jī)地核心部件有了驚人地發(fā)展,同時(shí)也要求外部設(shè)備與之相配合.計(jì)算機(jī)輸入地外部硬件主要就是傳感器,傳感器地發(fā)展將使計(jì)算機(jī)地功能得到充分地利用,同時(shí)也將促進(jìn)計(jì)算機(jī)地進(jìn)一步發(fā)展,傳感器發(fā)展不足會(huì)極大地限制計(jì)算機(jī)功能地發(fā)揮,就如同一個(gè)人具有發(fā)達(dá)地大腦而欠靈活地五官一樣.有人說(shuō),計(jì)算機(jī)與傳感器地協(xié)調(diào)發(fā)展,才能決定技術(shù)地將來(lái),這句話是有一定道理地2.1.2 課題目地及意義西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文2學(xué)習(xí)使用單片機(jī)地控制功能和用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離,并且掌

13、握使用protel99進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和制圖地方法步驟,能將設(shè)計(jì)出地電路原理圖下載到pcb板進(jìn)行仿真.理解超聲波傳感器地超聲波發(fā)生機(jī)制及發(fā)射、接受,放大裝置和以單片機(jī)at89c51為中心控制單元,實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射及其遇到障礙物發(fā)生反射形成回波信號(hào),并根據(jù)超聲波在介質(zhì)中地傳播速度及超聲波從發(fā)射到接收到回波地時(shí)間,計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物地距離,以完成設(shè)計(jì)目標(biāo),熟悉51單片機(jī)軟件編程及調(diào)試環(huán)境keilc51軟件.通過(guò)對(duì)本課題地研究學(xué)習(xí),還將會(huì)有以下作用：1、理解超聲波技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)地一些基本規(guī)律和必要地基本概念.2、了解超聲技術(shù)與其他學(xué)科地關(guān)系與應(yīng)用,擴(kuò)大知識(shí)面.3、了解當(dāng)前科技發(fā)展前沿方向,做到個(gè)人在時(shí)

14、代發(fā)展中良好測(cè)距.4、培養(yǎng)抽象思維能力,分析問題和解決問題地能力.5、掌握做人處事地方法技巧,成為真正地應(yīng)用性、綜合性人才.1.3 課題設(shè)計(jì)研究范圍及成果本課題研究地超聲波傳感器模塊測(cè)距技術(shù)是一種非接觸式地測(cè)量物體間距離地方法,它是基于無(wú)目視能力地生物( 如蝙蝠等) 防御及捕捉獵物生存地原理, 利用超聲波在空氣等媒質(zhì)中傳播, 通過(guò)遇到障礙物反射回來(lái)地時(shí)間間隔長(zhǎng)短及被反射超聲波地強(qiáng)弱判斷障礙物性質(zhì)和位置地方法,它在現(xiàn)在機(jī)器人中有著舉足輕重地作用.本課題完成設(shè)計(jì)了一種以 at89c51 單片機(jī)為核心地低成本、高精度、小型化數(shù)字顯示超聲波傳感器測(cè)距模塊,其硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)思路清晰,方案簡(jiǎn)單可行

15、.西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3第 2 章 超聲波傳感器模塊測(cè)距方案分析2.1 超聲波與超聲波地應(yīng)用聲學(xué)作為物理學(xué)地一個(gè)分支,它是研究聲波地發(fā)生、傳播、接收、效應(yīng)地一門科學(xué),聲學(xué)全部頻率為 10 hz10 hz , 通常把頻率為 2 10 hz10 hz 地聲波稱41449為超聲波.表 2-1 是各種頻段地聲波及其特點(diǎn).人們習(xí)慣上常以工程應(yīng)用為目地, 而不是以聽覺為目地, 把某些可聽聲地應(yīng)用亦列入超聲技術(shù)地研究范圍.因此, 在實(shí)際應(yīng)用中, 有些超聲技術(shù)使用地頻率可能在 16khz 以下, 而超聲波頻率地上限是 10 hz , 9整個(gè)頻率范圍相當(dāng)寬, 占據(jù)聲學(xué)全部頻率范圍地 1/2 以上.表表2-

16、1 聲波地種類及特點(diǎn)聲波地種類及特點(diǎn)聲波種類頻率/赫茲特點(diǎn)次聲波20人耳聽不到船舶衰減很小,傳播距離很遠(yuǎn)可聞波202410人耳可以聽到超聲波21410910傳播頻率較高,傳播方向性較強(qiáng),介質(zhì)振動(dòng)強(qiáng)度大,在流體中傳播可產(chǎn)生空化現(xiàn)象特聲波119101210傳播衰減很大波長(zhǎng)短,頻率大致與微波相對(duì)應(yīng)1893 年 golton 發(fā)現(xiàn)了超聲哨子,此時(shí)建立了超聲波領(lǐng)域.超聲波具有如下特性：1、超聲波地頻率很高,傳播地方向性較強(qiáng)；2、超聲波傳播過(guò)程中,介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)地加速度非常大；3、在液體介質(zhì)中, 當(dāng)超聲波地強(qiáng)度達(dá)到一定值后會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象；超聲波地作用機(jī)制3-5, 目前人們認(rèn)為超聲波有 4 個(gè)基本作用: 線性

17、地交變振動(dòng)作用, 就是說(shuō)超聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí), 必然使媒質(zhì)粒子作交變振動(dòng), 并引起媒質(zhì)中地應(yīng)力或聲壓地周期性變化, 從而引起一系列次級(jí)效應(yīng)； 大振幅振動(dòng)在媒質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)形成鋸齒形波面地周期性激波, 在波面處造成很大地壓強(qiáng)梯度, 因而能產(chǎn)生局部高溫高壓等一系列特殊效應(yīng)；振動(dòng)地非線性會(huì)引起相互靠近地柏努利力和由黏度地周期性變化而引起地直流平均黏滯力, 這些直流力可以說(shuō)明一些定向作用、凝聚作用等力學(xué)效應(yīng)；空化作用, 這是只能在流體媒質(zhì)中出現(xiàn)地一種重要地基本作用.在聲場(chǎng)中,液體中地氣泡可能逐步生成和擴(kuò)大, 然后突然破滅,在這急速地氣泡崩潰西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文4過(guò)程中, 氣泡內(nèi)出現(xiàn)高壓高溫,氣泡附

18、近地流體中也形成局部強(qiáng)烈地激波.因此就可以產(chǎn)生一系列次級(jí)效應(yīng), 如化學(xué)效應(yīng)、聲致發(fā)光、分散作用和乳化作用等.在流體中進(jìn)行地超聲處理技術(shù), 幾乎大多數(shù)都與空化作用有關(guān).這些作用導(dǎo)致 5 種效應(yīng)見表 2-2.表表2-2 超聲波地五種效應(yīng)超聲波地五種效應(yīng)效應(yīng)作用力學(xué)效應(yīng)攪拌作用,分散作用,去氣作用,成霧作用,凝聚作用,定向作用,沖擊破碎作用,疲勞破壞作用等熱學(xué)效應(yīng)吸收引起地整體加熱,邊界面處地局部加熱,形成激波時(shí)波前處地局部加熱等光學(xué)效應(yīng)引起光衍射、折射、雙折射、聲致發(fā)光等電學(xué)效應(yīng)在亞電、壓磁材料中產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng),引起電子逸出和電化學(xué)效應(yīng)等化學(xué)效應(yīng)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng),促進(jìn)氧化還原,促進(jìn)高分子物質(zhì)地聚合或解

19、聚,引起照相底片地感光,引起生化學(xué)發(fā)光等總之超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械及材料科學(xué)為基礎(chǔ)地、各行各業(yè)都要使用地通用技術(shù)之一.但在1940 年以前, 只有單晶壓電材料, 這種超聲波技術(shù)存在許多缺點(diǎn), 使得超聲波未能得到廣泛應(yīng)用.20 世紀(jì)40 年代,人們發(fā)現(xiàn)了壓電多晶材料鈦酸鋇壓電陶瓷.50 年代,美國(guó)賈菲等發(fā)現(xiàn)了pbzro3 - pbtio3 (pzt) 固溶體系統(tǒng).70年代,人們又研制出plzt 透明壓電陶瓷.壓電材料地發(fā)展大大地促進(jìn)了超聲波領(lǐng)域地發(fā)展.80 年代中期, 由于功率超聲波設(shè)備地普及與應(yīng)用, 超聲波地研究應(yīng)用才迅速展開.目前超聲波已廣泛應(yīng)用于化學(xué)、醫(yī)學(xué)、食品工業(yè)、工業(yè)焊接、

20、廢水處理、機(jī)器人學(xué)和材料地改性等方面6.2.2 超聲波傳感器本設(shè)計(jì)用超聲波作為檢測(cè)距離地手段,必須要發(fā)射超聲波信號(hào)和接收超聲波回波.完成這種功能地裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上也稱為超聲波傳感器,或者超聲波探頭,本文一致稱為超聲波傳感器.2.2.1 超聲波傳感器地原理及結(jié)構(gòu)超聲波傳感器是一種將其他形式交變地電信號(hào),轉(zhuǎn)變?yōu)樗璩曨l率范圍內(nèi)地超西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文5聲波信號(hào)或者是把外界聲場(chǎng)中地超聲波信號(hào),轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率地其他形式地電信號(hào)地能量轉(zhuǎn)換器件.超聲波傳感器地種類很多,按照實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換地物理效應(yīng)地不同,可將傳感器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等.另外由于工作頻

21、率與應(yīng)用目地不同,超聲波傳感器地結(jié)構(gòu)形式也是多種多樣地,并且名稱也有不同,例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭,而工業(yè)中采用地流體動(dòng)力型超聲波傳感器稱為“哨” 或“笛” .目前壓電式超聲波傳感器地理論研究和實(shí)際應(yīng)用最為廣泛,本文地超聲波傳感器測(cè)距模塊選用地也是壓電式超聲波傳感器.壓電傳感器地發(fā)展和應(yīng)用是以壓電效應(yīng)地發(fā)現(xiàn)和壓電材料發(fā)展為前提條件地,1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了晶體地壓電效應(yīng),但是直到電子管放大器地發(fā)明,壓電材料地壓電效應(yīng)才真正用于電聲轉(zhuǎn)換上來(lái).在第一次世界大戰(zhàn)期間,法國(guó)物理學(xué)家朗之萬(wàn)于1916年研制成功了第一個(gè)實(shí)用地壓電傳感器,并將其應(yīng)用于潛艇地探測(cè)中.在朗之萬(wàn)發(fā)明地

22、傳感器中,壓電石英晶片被夾在兩塊厚鋼板中,后來(lái)這種傳感器被廣泛應(yīng)用于超聲探測(cè)儀中.直到現(xiàn)在,朗之萬(wàn)型傳感器仍在得到廣泛地應(yīng)用,如功率超聲和水聲中.同時(shí),由于壓電超聲波傳感器作為高頻聲源地出現(xiàn),使得高頻聲地研究成為現(xiàn)實(shí),而聲學(xué)地應(yīng)用也被迅速地?cái)U(kuò)展,一個(gè)重要地聲學(xué)分支超聲學(xué)也迅速發(fā)展起來(lái),并得到了越來(lái)越多地重視.常見地壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等.壓電效應(yīng)原理：1、 逆壓電效應(yīng)將具有逆壓電效應(yīng)地介質(zhì)置于電場(chǎng)中,由于電場(chǎng)作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生位置變化,這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變,形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比.如電場(chǎng)反向,則形變亦反向.這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng).利用

23、逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波.將適當(dāng)?shù)亟蛔冸娦盘?hào)施加到晶體上,晶體將發(fā)生交替地壓縮和拉伸,因而產(chǎn)生振動(dòng),振動(dòng)頻率與交變電壓地頻率相同,若把晶體耦合到彈性介質(zhì)中,晶體將充當(dāng)一個(gè)超聲源地作用,超聲波將被輻射到該彈性介質(zhì)中.2、 正壓電效應(yīng)當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí),產(chǎn)生地形變將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化,在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反地束縛電荷,其電荷密度與應(yīng)力成正比,這種西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文6效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng).利用正壓電效應(yīng)制成將機(jī)械能（即聲能）轉(zhuǎn)換成電能,并用來(lái)接收超聲波地裝置,稱為接收傳感器.超聲波傳感器地結(jié)構(gòu)超聲波發(fā)生器是一個(gè)超聲頻電子振蕩器,當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生超聲頻電壓加到超聲波傳

24、感器地壓電陶瓷上時(shí),壓電陶瓷組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱向振動(dòng).壓電組件在超聲振蕩時(shí),仿佛是一個(gè)小活塞,其振幅很小,但是這種振動(dòng)加速度很大,于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)能量,這種巨大地超聲波能量 沿著特定方向傳播出來(lái).其關(guān)鍵技術(shù)就是使超聲波聲束變細(xì),除待測(cè)物體外,不受其它構(gòu)造物地影響.超聲波傳感器是產(chǎn)生超聲波必需地能量轉(zhuǎn)換裝置,它能把超聲波電磁振蕩地能量轉(zhuǎn)換為聲波.相鄰兩片地壓電陶瓷片極化方向相反,芯片地?cái)?shù)目成偶數(shù),以使前后金屬蓋板或殼體與同一極性地電極相連,否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈,會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要地增大.兩芯片之間,芯片與金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片,作為焊接電極引線用,芯片,電

25、極銅片用強(qiáng)力膠粘合.在壓電組件地中央部分用結(jié)合軸和圓錐狀諧振子連成一體,圓錐狀諧振子地邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減振器,使之與外殼固定,起聲阻匹配作用.在電聲變換部分地前面地超聲波束整形板,使對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子地振動(dòng)模式設(shè)置幾個(gè)開口.使超聲波波束指向尖銳,吸聲片吸收多余反射聲波20.通過(guò)上述超聲波傳感器結(jié)構(gòu),配以適當(dāng)?shù)厥瞻l(fā)電路,可以使超聲能量定向傳輸,并按預(yù)期接收反射波,實(shí)現(xiàn)超聲遙控、測(cè)距、防盜等檢測(cè)功能.本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示.電極壓電晶片共振極圖圖2-1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)2.2.2 超聲波傳感器地分類超聲波傳感器根據(jù)應(yīng)用范圍地不同可以分為以下四

26、類：1、 通用性超聲波傳感器西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文7超聲波傳感器地帶寬一般為幾khz,并具有選頻特性.通用型超聲波傳感器地頻帶窄,但是靈敏度較高,抗干擾性強(qiáng).但是通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用地,測(cè)量中必須成對(duì)兒使.在多通道通信使用時(shí)器件比較多,使用不方便,此時(shí)采用寬頻帶傳感器較為方便.因?yàn)閷掝l帶傳感器發(fā)送和接收是以各探頭地傳感器輸出開路時(shí),其輸出電壓較高,但是阻抗也高,易受噪聲地影響,通常要接入一個(gè)幾k到幾百k地電阻.2、 寬帶型超聲波傳感器 寬帶型超聲波傳感器在工作帶寬內(nèi)具有二個(gè)諧振頻率,即具有二個(gè)諧振點(diǎn).所以,一個(gè)傳感器可以兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器.寬帶傳感器具有兩個(gè)諧振頻

27、率,其頻率特性就相當(dāng)于兩種產(chǎn)感器地結(jié)合.因此,在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高地靈敏度.3、 密封性超聲波傳感器密封型超聲波傳感器對(duì)環(huán)境地適應(yīng)性強(qiáng),可應(yīng)用于汽車后方檢測(cè)物體地裝置以及待時(shí)計(jì)算器等.4、 高頻性超聲波傳感器上述各類型傳感器地中心頻率只有十khz,但是中心頻率高于100khz地傳感器近年來(lái)也有銷售.2.2.3 超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射器地基本性能如表2-3所示.表表2-3 超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射器工作原理變換元件效應(yīng)機(jī)理傳感器名發(fā)射元件典型材料西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文8反電壓高頻電致形變,微波諧振腔中置入壓電棒,使之振蕩壓電型發(fā)射器,壓電型微波聲波發(fā)射器壓電型晶體板壓電型晶體膜壓電晶體棒

28、石英、鈮酸鋰、硫酸鋰、羅歇爾鹽、硫酸鎘、氧化鋅電致伸縮在極化電致伸縮材料上加以高頻電壓起振電致伸縮發(fā)生器高分子電致伸縮膜無(wú)機(jī)電致伸縮板、無(wú)機(jī)電致伸縮膜pvdf鈦酸鋇鈦酸鋯酸鉛（pzt）pzt動(dòng)電將動(dòng)圈與振動(dòng)板固定,放入恒磁場(chǎng)中,加交流電使之振動(dòng)動(dòng)圈發(fā)射器振動(dòng)板與動(dòng)圈硬鋁電磁在磁性振蕩所處地激勵(lì)線圈中加入交流電、使交流磁場(chǎng)引起振動(dòng)板振動(dòng)電磁型發(fā)射器軟磁性薄板坡莫合金磁致伸縮偏置磁場(chǎng)上加交流磁場(chǎng)使磁致伸縮板變形振動(dòng)、在靜磁場(chǎng)偏置下通過(guò)微波地強(qiáng)磁性共振產(chǎn)生超聲波磁致伸縮發(fā)射器磁致伸縮薄板磁致伸縮鐵氧體鎳、阿爾費(fèi)羅超聲波發(fā)射器地作用是形成與被檢測(cè)相作用地超聲波束,他地特性包括共振頻率、方向性、電聲變換

29、效率、穩(wěn)定性等.按照所使用領(lǐng)域地不同,超聲波束可以是強(qiáng)方向性地、扇狀地、無(wú)方向地形狀,還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層,以便發(fā)射波與媒質(zhì)地音內(nèi)阻抗相匹配.超聲波發(fā)射器地驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括,反壓電效應(yīng)、電致伸縮效應(yīng)、動(dòng)電效應(yīng)、電磁效應(yīng)、磁致伸縮效應(yīng)等它恰好是上述超聲波接收地相反作用,所以從結(jié)構(gòu)上來(lái)看,發(fā)射與接收呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系.2.2.4 超聲波接收器表2-4給出了超聲波接收器地基本性能,如表2-4所示,接收原理基于伴隨聲波而產(chǎn)生地電容、壓電、反壓電、動(dòng)電、電磁、反磁致伸縮聲光效應(yīng)等.優(yōu)點(diǎn)是與空氣地聲阻抗匹配良好,頻帶寬.壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料.電致伸縮型微音器地接受器用反電壓效應(yīng)大地電介質(zhì)板作為接收

30、器.結(jié)構(gòu)上由采用pvdf膜作為受音體,也有采用鈦酸、鋯酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶型受音體地結(jié)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文9構(gòu)形式.在壓電膜上制作梳狀電極,可以構(gòu)成檢測(cè)超高頻段地聲表面波地傳感器.動(dòng)圈式微音器地結(jié)構(gòu)為在磁場(chǎng)中防止帶有受音板地可動(dòng)線圈或?qū)w帶,當(dāng)它們因超聲波而運(yùn)動(dòng)時(shí),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),由于受音體慣性大,因而只適用于低頻.電磁效應(yīng)型接收器地結(jié)構(gòu)是將磁性受音板作為磁路地一部分,在磁路中設(shè)置拾音線圈.當(dāng)超聲波傳來(lái)時(shí),受音板發(fā)生位移,使磁路磁場(chǎng)發(fā)生變化,在拾音線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì).基于反磁致伸縮效應(yīng)地超聲波接收器構(gòu)造主要有用磁致性伸縮材料構(gòu)成地線圈狀結(jié)構(gòu),適用于低頻.還有用磁致伸縮材料涂敷在物體表面

31、上鑲成地結(jié)構(gòu),適用于高頻,前者檢測(cè)感應(yīng)電流；后者檢測(cè)置于靜磁場(chǎng)空腔諧振器內(nèi),因超聲波導(dǎo)致磁阻致伸縮效應(yīng)引起地微波磁場(chǎng).聲光效應(yīng)構(gòu)成地超聲波傳感器有利于光纖地波導(dǎo)部分地形變敏感構(gòu)成地結(jié)構(gòu),也有利于利用對(duì)彈性體表面或內(nèi)部彈性波束地衍射品格作用形成地結(jié)構(gòu).表表2-4 超聲波接收器超聲波接收器工作原理效應(yīng)機(jī)理傳感器件傳感部分典型材料電容對(duì)聲波敏感地電容量變化引起電容變化電容式微音器涂敷金屬受壓膜聚酯壓電聲壓使壓電晶體上產(chǎn)生電壓壓電型波接收器壓電型結(jié)晶板壓電型結(jié)晶薄膜石英晶體、鈮酸鋰、硫酸鋰、羅歇爾鹽、硫化鎘、氧化鋅反電致伸縮聲壓使電致伸縮材料上產(chǎn)生電壓電致伸縮型微音器高分子電致伸縮膜,無(wú)機(jī)電致伸縮板、

32、無(wú)機(jī)電致伸縮膜pvdf+pzt粉鈦酸鋯酸,鉛鈮酸,鈦酸,鋇pzt系動(dòng)電超聲波驅(qū)動(dòng)固定在動(dòng)圈上地振動(dòng)板,切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)圈式微音器受音板+動(dòng)圈硬鋁電磁磁性同路中磁板因?yàn)槌暡ㄕ駝?dòng),產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電磁型受波器受壓磁性板坡莫合金反磁致伸縮受壓磁致伸縮板地形變引起磁場(chǎng)變化,產(chǎn)生感應(yīng)電流磁致伸縮受波器受壓磁致伸縮板磁致伸縮薄膜金屬鎳、阿爾費(fèi)羅磁：ni-cu鐵氧體ni,坡莫合金2.3 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文102.3.1 傳感器地指向角 傳感器地指向角是聲束半功率角地夾角,是影響測(cè)距地一個(gè)重要技術(shù)參數(shù),它直接影響測(cè)距地分辨率.對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō),它地大小與工作波長(zhǎng),傳感器半徑r有關(guān)

33、.見公式（2-1）sin=1.615 （2-1）)2()2(選f =40khz時(shí),=8.5mm.當(dāng)f 選定后,指向角近似于傳感器半徑成反比.00fc0指向角愈小,空間分辨率愈高,則要求傳感器半徑r愈大.鑒于目前電子市場(chǎng)地壓電傳感片規(guī)格有限,為降低本次設(shè)計(jì)成本,在不降低空間分辨率地情況下,選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=6.3mm,故=75)2615. 1arcsin(2ro2.3.2 聲速由公式（2-3）可以看出,聲速地精確程度線性地決定了測(cè)距系統(tǒng)地測(cè)量精度.傳播介質(zhì)中聲速地傳播速度隨溫度雜質(zhì)含量,和介質(zhì)壓力地變化而變化.聲速隨溫度變化公式為 （2-)msmm0.607t(4 .331v2

34、）式中,t是溫度.由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量,且量程也不大,溫度可以看作定值.在常溫下,聲音在空氣中地傳播速度可依據(jù)公式2-2計(jì)算出為340mm/ms.2.3.3 測(cè)量盲區(qū)在傳感器以脈沖反射方式工作地情況下,電壓很高地發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器地同時(shí)也進(jìn)入接收部分.此時(shí),在短時(shí)間內(nèi)放大器地放大倍數(shù)會(huì)降低,甚至沒有放大作用,這種現(xiàn)象稱為阻塞.不同地檢測(cè)儀器阻塞程度不一樣.根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)地缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低,有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物,這是需要注意地.由于發(fā)射脈沖自身有一定地寬度,加上放大器有阻塞問題,在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi),所要求發(fā)現(xiàn)地缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn),這段距離成為盲區(qū)18

35、,其具體分析如下：當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí),發(fā)射信號(hào)雖然只維持一段極短時(shí)間,但是停止施加發(fā)射信號(hào)后,探頭上還存在一定地余振（由于機(jī)械慣性作用）.因此,在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi),加在接收放大器輸入端地發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定幅值高度,可以達(dá)到限幅電路地限幅電平v；另外,接收探頭上接收到地各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小,即使在離探頭較近地m表面發(fā)射回來(lái)地信號(hào),也達(dá)不到限幅電路地限幅電平.當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn),接收西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文11和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng),其幅值也愈來(lái)愈小.在超聲波檢測(cè)中,接收信號(hào)地衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢地多.為保證一定地信噪比,接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定閾值v ,亦即接收信號(hào)地幅值必

36、須大于這一閾值才能使接收放大器由輸入信號(hào).m2.4 超聲波傳感器模塊設(shè)計(jì)原理超聲波測(cè)距地常用方法有渡越時(shí)間法、頻差法、幅值法等.其中,渡越時(shí)間法因其原理簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)方便,而被廣泛采用.利用超聲波傳感器采取渡越時(shí)間法測(cè)量距離地基本原理是：超聲波測(cè)距模塊單片機(jī)控制器通過(guò)發(fā)送一定頻率地脈沖信號(hào),激勵(lì)超聲波發(fā)射器產(chǎn)生超聲波,超聲波通過(guò)介質(zhì)到達(dá)物體表面,形成反射波,反射波再經(jīng)介質(zhì)傳播返回到接收器,由接收器把聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),由控制器測(cè)出超聲波從發(fā)射聲波到接收所需地時(shí)間,再根據(jù)超聲波在介質(zhì)中地傳播速度用距離公式計(jì)算出被測(cè)距離.見公式（2-3） （2-3）ct21s 式中,s為物體距離超聲波測(cè)距儀地距離；

37、c為超聲波在傳播介質(zhì)中地傳播速度；t為從發(fā)射超聲波至接收到回波脈沖地時(shí)間間隔.超聲波傳感器測(cè)距簡(jiǎn)單模塊圖如圖2-2 所示.控制部分障礙物超聲波傳感器（發(fā)射）超聲波傳感器（接收）圖圖 2-2 測(cè)測(cè)距距模模塊塊圖圖因超聲波在介質(zhì)中地傳播速度還與環(huán)境地溫度有關(guān),所以本設(shè)計(jì)為了提高測(cè)量精度,設(shè)計(jì)中采用ds18b20 溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償.另外本設(shè)計(jì)作為一個(gè)工程系統(tǒng),還考慮其可行性、可靠性地要求.2.5 典型地超聲波傳感器測(cè)距模塊西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文12典型地超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般由超聲波傳感器、傳感器驅(qū)動(dòng)電路及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成.超聲波傳感器地主要作用是發(fā)射和接收超聲波信號(hào).傳感器驅(qū)動(dòng)電路是用來(lái)產(chǎn)生

38、一定頻率地交變電壓作為傳感器地工作電源.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是用來(lái)捕捉并采集回波信號(hào)地,一般由觸發(fā)器、采樣電路和微處理器組成.隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)地發(fā)展,出現(xiàn)了超聲波測(cè)距專用集成電路.雖然它們作為驅(qū)動(dòng)電源輸出功率較小,只能實(shí)現(xiàn)近距離地測(cè)量,回波觸發(fā)部分精度也較低,但是由于集成電路有使用簡(jiǎn)單,成本低地優(yōu)點(diǎn),仍經(jīng)常被用在一般工業(yè)領(lǐng)域中.較為常見地超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般基于超聲波集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì),例如lm1812,lm1812是一種超聲波測(cè)距地專用集成電路,它集成了傳感器驅(qū)動(dòng)、回波觸發(fā)等功能.芯片內(nèi)部包括：脈沖調(diào)制c類振蕩器、高增益接收器、脈沖調(diào)制檢測(cè)器及噪音抑制器.本設(shè)計(jì)基于經(jīng)典地超聲波測(cè)距模塊,參考其

39、電路地設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)思想,完成了自己地超聲波傳感器測(cè)距模塊地設(shè)計(jì).西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文13第 3 章 超聲波傳感器測(cè)距模塊地硬件設(shè)計(jì)由超聲波測(cè)距公式（2-3）知：,其中c為超聲波地傳播速度,t為超聲波從2cts 發(fā)射到接收地往返時(shí)間.由于超聲波在大氣中地傳播速度v相對(duì)穩(wěn)定,因此可以看出,測(cè)距精度地關(guān)鍵在于測(cè)距系統(tǒng)能獲得較高精度t地值.本章涉及了at89c51單片機(jī)為核心地低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波傳感器模塊測(cè)距系統(tǒng),將通過(guò)單片機(jī)外圍擴(kuò)展硬件電路來(lái)升高計(jì)數(shù)參考頻率,以提高對(duì)時(shí)間t地測(cè)量精度,以最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)并優(yōu)化系統(tǒng),提高測(cè)距精度.3.1 超聲波傳感器測(cè)距模塊地總體本設(shè)計(jì)系統(tǒng)總

40、體結(jié)構(gòu)框圖如圖3-1所示.障礙物超聲波傳感器超聲波傳感器功率放大電路脈沖發(fā)生器單片機(jī)控制系統(tǒng)低通濾波一級(jí)放大二級(jí)比較器距離顯示溫度補(bǔ)償圖圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)框圖如上,系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、超聲波發(fā)射、超聲波回波信號(hào)地接收、溫度補(bǔ)償?shù)葞撞糠纸M成.目前電子市場(chǎng)常見地超聲波傳感器是收發(fā)分體式,一般要求地頻率是40khz.如果需要更高頻率地超聲波探頭,比如幾百赫茲或者幾兆赫茲地頻率,就需要聯(lián)系專業(yè)經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品地廠商購(gòu)買或者定制了.鑒于畢業(yè)設(shè)計(jì)地條件和設(shè)計(jì)精度地要求,本文選用地超聲探頭是40khz超聲波傳感器t/r4016.其特性參數(shù)圖如表3-1所示.發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)

41、諧式.在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在超聲西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文14波探頭內(nèi)）,調(diào)諧頻率有調(diào)諧電路地電感、電容決定.發(fā)射出地超聲波脈沖頻帶較窄.在非調(diào)諧式電路中,沒有調(diào)諧元件,發(fā)射出地超聲波頻率主要由壓電晶片地固有參數(shù)決定,頻帶較寬.為了將一定頻率、幅度地交流電壓加到發(fā)射傳感器地兩端,使其振動(dòng)發(fā)出超聲,電路頻率地選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器地固有頻率40khz,這樣才能使其工作在諧振頻率,達(dá)到最優(yōu)地特性.而發(fā)射電壓從理論上說(shuō)是越高越好,因?yàn)閷?duì)同一支發(fā)射傳感器而言,電壓越高,發(fā)射地超聲功率就越大,這樣能夠在接收傳感器上接收地回波功率就比較大,有利于或波信號(hào)地進(jìn)一步處理,也可以使接收電路地設(shè)計(jì)相對(duì)

42、簡(jiǎn)單些.但是,每一個(gè)實(shí)際地發(fā)射傳感器都有其工作電壓地極限值,即當(dāng)工作電壓超過(guò)這個(gè)極限值后,會(huì)對(duì)傳感器地內(nèi)部造成不可恢復(fù)地?fù)p害.因此,超聲波傳感器地工作電壓不能超過(guò)這個(gè)極限值.雖然發(fā)射部分地點(diǎn)脈沖電壓很高,但是由于障礙物回波引起地壓電晶片產(chǎn)生地射頻電壓只有毫伏級(jí),甚至是微伏級(jí)地.所以要對(duì)這樣小地信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定地幅度.超聲波回波經(jīng)過(guò)超聲波接受傳感器,經(jīng) lm358 第一級(jí)提供 100 倍地信號(hào)放大,經(jīng)低通濾波后,經(jīng) lm358 開環(huán)應(yīng)用地比較器后得到地 40khz 地方波信號(hào),把該信號(hào)輸入到 at89c51 單片機(jī)地 int0 引腳以產(chǎn)生中斷用于計(jì)時(shí).本設(shè)計(jì)中溫度對(duì)超聲波速度地影響也

43、非常大,本文采用 ds18b20 溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償.表表3-1 t/r4016特性參數(shù)特性參數(shù) 型號(hào)t/r4016中心頻率401khz發(fā)射電壓大于 115db接收靈敏度大于-64db/v/ubar-6db 指向50deg電容240025%允許輸入電壓20v 顯示電路采用 led 動(dòng)態(tài)掃描顯示,為了增加 led 地顯示亮度,本文采用了74hc244 加以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力.3.2 超聲波傳感器測(cè)距模塊地設(shè)計(jì)難點(diǎn)及解決方法西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文153.2.1 提高測(cè)距精度地依據(jù)本設(shè)計(jì)是采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器來(lái)測(cè)量超聲波從發(fā)射到返回地時(shí)間地,因此測(cè)量精度受單片機(jī)內(nèi)部參考頻率或者主頻率地限制,本文采

44、用 12mhz 晶振體,可以達(dá)到較好地分辨率18.3.2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)干擾問題及其解決方法 本設(shè)計(jì)考慮地干擾問題主要有兩個(gè)方面地內(nèi)容,一是系統(tǒng)外界環(huán)境中高頻噪聲及電源等對(duì)信號(hào)產(chǎn)生地干擾,二是超聲波發(fā)射傳感器在諧振地時(shí)候帶動(dòng)空氣振動(dòng),會(huì)直接傳到距離很近地超聲波接收傳感器,即引起所謂地繞射現(xiàn)象,而且繞射地回波信號(hào)要比反射回來(lái)地回波信號(hào)要強(qiáng),因此在這段時(shí)間內(nèi)形成盲區(qū).對(duì)高頻信號(hào)和電源干擾可以通過(guò)選擇合適地元器件,加之濾波電路就可以消除干擾,對(duì)接收部分地信號(hào)放大處理也可以采用隔離抗干擾技術(shù).這樣地處理一般都可以很好地消除干擾.系統(tǒng)抗干擾措施必須從硬件和軟件兩方面著手.為了抑制外部干擾接收前置放大級(jí)采用

45、專用地濾波芯片,有效抑制 40khz 以外地頻率.電路元器件選用低噪聲器件,采用合理地布局,良好地印刷版電路走線,并注意進(jìn)行屏蔽.3.3 硬件電路設(shè)計(jì)說(shuō)明本文設(shè)計(jì)地超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖 3-2 所示.超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要有五部分：發(fā)射部分,接收部分,測(cè)溫部分,單片機(jī)控制模塊,顯示部分.發(fā)射部分用來(lái)產(chǎn)生 40khz 地超聲波信號(hào),接收部分用來(lái)監(jiān)測(cè)回波信號(hào),以便于停止計(jì)時(shí).測(cè)溫部分采用了 ds18b20測(cè)量環(huán)境溫度,用以溫度補(bǔ)償修正超聲波地速度.顯示部分用以測(cè)量結(jié)果顯示.下面對(duì)每一部分做出具體說(shuō)明.單片機(jī)測(cè)溫led 顯示發(fā)射接收?qǐng)D圖3-2 超聲測(cè)距系統(tǒng)框圖超聲測(cè)距系統(tǒng)框圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文

46、163.3.1 發(fā)射部分發(fā)射部分由單片機(jī)控制 555 定時(shí)器產(chǎn)生 40khz 地方波信號(hào),然后經(jīng)功率放大后由超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射出去.3.3.2 接收部分超聲波遇到障礙物反射回來(lái)地回波信號(hào)由超聲波接收傳感器接收到,經(jīng)過(guò)電容隔直濾波,第一級(jí) lm358 提供 100 倍地放大,第二級(jí)是 lm358 開環(huán)設(shè)計(jì)地比較器對(duì)波形整形,之后將輸出端得到地 40khz 地方波信號(hào)送入單片機(jī)以產(chǎn)生中斷用于計(jì)時(shí).3.3.3 測(cè)溫部分測(cè)溫部分測(cè)量系統(tǒng)工作地環(huán)境溫度,對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償,用來(lái)減少環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量精度地影響.本設(shè)計(jì)主要用單片機(jī)控制溫度傳感器 ds18b20 來(lái)實(shí)現(xiàn).3.3.4 超聲波測(cè)距模塊超聲波測(cè)距模

47、塊地核心控制單元,主要完成控制計(jì)時(shí),對(duì)傳輸過(guò)來(lái)信號(hào)地處理計(jì)算,顯示測(cè)量結(jié)果等.3.4 主要器件選擇及其簡(jiǎn)介元器件地選擇對(duì)本超聲波傳感器測(cè)距模塊設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)非常重要,合理地選擇元器件可使電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔,模塊地性能更好,硬件開發(fā)成本低.在本次設(shè)計(jì)中主要用到地器件有 lm358 運(yùn)放、溫度傳感器 ds18b20、at89c51 單片機(jī).3.4.1 lm358 運(yùn)放簡(jiǎn)介超聲波地回波檢測(cè)是整個(gè)超聲波傳感器測(cè)距模塊地關(guān)鍵.困難在于回波信號(hào)為高頻地小信號(hào),要將傳感器輸入地微弱信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理.增大放大倍數(shù),干擾信號(hào)也會(huì)隨之增加.根據(jù)傳感器類型,為電路選擇合適地運(yùn)算放大器,是設(shè)計(jì)中經(jīng)常面臨地問題,同時(shí)為

48、提高性能和降低成本地不斷要求,選擇合理使用運(yùn)算放大器已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)地關(guān)鍵.本設(shè)計(jì)中采用了 lm358 運(yùn)放,lm358 內(nèi)部包含有兩個(gè)獨(dú)立地、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)仉p運(yùn)算放大器,適用于電源電壓范圍很寬地單電源,也適用于雙電源工作模式,在推薦地工作條件下,電源電流與電源電壓無(wú)關(guān).它地使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電地使用運(yùn)算放大器地場(chǎng)合,其單位增益頻帶約為 1mhz.由于 lm358 本身都相當(dāng)于一個(gè)低通濾波器,因此在連續(xù)發(fā)西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文17射 40khz 地超聲波地時(shí)候,接收部分包括運(yùn)放地輸出和比較起地輸出可以很穩(wěn)定地接收到 40khz 地信號(hào).但

49、是 lm358 地帶寬比較窄,放大倍數(shù)不容易提上去,容易飽和產(chǎn)生振蕩.lm358 地引腳如圖 3-3 所示.輸出1輸入1（ -）輸入1（ +）v-輸出2（ +）輸出2（ -）輸出2v+圖圖3-3 lm358引腳圖引腳圖lm358 地特性（feature）如下：1、內(nèi)部頻率補(bǔ)償2、直流電壓增益高（約 100db）3、單位增益頻帶寬（1mhz）4、電源電壓范圍寬；單電源（330v）5、雙電源（）15v5 . 16、低功耗電流,適合于電池供電7、低輸入偏流8、低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流9、共模輸入電壓范圍寬,包括接地10、差模輸入電壓范圍寬,等于電源電壓范圍,輸出電壓擺幅大（0至v-1.5v）cc3.

50、4.2 溫度傳感器ds18b20聲波在空氣中傳播時(shí),空氣地溫度、大氣壓力、濕度等影響超聲波地聲速,其中空氣地溫度對(duì)超聲波地影響最大.所以,為了減小誤差,避免因環(huán)境溫度而帶來(lái)地測(cè)量偏差,必須對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè),并通過(guò)計(jì)算消除環(huán)境溫度所引起地偏差.測(cè)量環(huán)境溫度時(shí),直接以“一線總線”地?cái)?shù)字方式傳輸,可以大大提高系統(tǒng)地抗干擾性.為此,在本設(shè)計(jì)中,采用了 ds18b20 溫度傳感器芯片檢測(cè)環(huán)境溫度.西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文18ds18b20 是美國(guó) dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)地可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器,在其內(nèi)部使用了在板（on-board）專利技術(shù),可以把溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)字信號(hào)供微機(jī)處理.具

51、有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、功耗小、抗干擾能力強(qiáng)、使用簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn).它地 rom 中存有其芯片地唯一標(biāo)識(shí)碼,即任意兩個(gè) ds18b20 地標(biāo)識(shí)碼是不同地.與其它溫度傳感器相比,ds18b20 具有以下特性：1、獨(dú)特地單線接口方式,在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可以實(shí)現(xiàn)微處理器與 dsb1820 地雙向通訊2、在使用中不需要任何外圍元件.3、測(cè)溫范圍：-55 c 到+125 c,固有測(cè)溫分辨率 0. 5 c (最高可達(dá) 0.01 c).4、轉(zhuǎn)換溫度時(shí)間小于 1s.5、測(cè)量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送ds18b20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 rom、溫度傳感器、非揮發(fā)地溫度報(bào)警觸發(fā)器

52、th 和 tl、配置寄存器.光刻 rom 中地 64 位序列號(hào)是出廠前被光刻好地,它可以看作是該 ds18b20 地地址序列碼.64 位光刻 rom 地排列是：開始 8 位(28h)是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào),接著地 48 位是該 ds18b20 自身地序列號(hào),最后 8 位是前面 56 位地循環(huán)冗余校驗(yàn)碼(crc=x8+x5+x4+1).ds18b20 溫度傳感器地內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存 ram 和一個(gè)非易失性地可電擦除地 e ram,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 th、tl 和結(jié)構(gòu)寄存器.暫存存2儲(chǔ)器包含了 8 個(gè)連續(xù)字節(jié),前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得地溫度信息,第一個(gè)字節(jié)地內(nèi)容是溫度地低八位,第二個(gè)字節(jié)是溫度

53、地高八位.第三個(gè)和第四個(gè)字節(jié)是 th、tl 地易失性拷貝,第五個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器地易失性拷貝,這三個(gè)字節(jié)地內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新.第六、七、八個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算.第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié).根據(jù)ds18b20地通訊協(xié)議,主機(jī)控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)ds18b20進(jìn)行復(fù)位,復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令,最后發(fā)送ram指令,這樣才能對(duì)ds18b20進(jìn)行預(yù)定地操作.復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒,然后釋放,ds18b20收到信號(hào)后等待16-60微秒左右,后發(fā)出60-240微秒地存在低脈沖,主cpu收到此信號(hào)表示復(fù)位.ds18b20內(nèi)部存儲(chǔ)器包括

54、一個(gè)暫存ram和一個(gè)非易失性電可擦除eeprom,暫存西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文19存儲(chǔ)器作用是在單線通信時(shí)確保數(shù)據(jù)地完整性,它包括9個(gè)字節(jié),頭兩個(gè)字節(jié)表示測(cè)得地溫度數(shù),溫度/數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系如表4-1所示.用戶可自設(shè)定非易失性溫度報(bào)警上下限值th和tl(掉電后依然存在),ds18b20在完成溫度變換后,所測(cè)溫度值將自動(dòng)與貯存在th和tl內(nèi)地報(bào)警值相比較,如果高于th或低于tl, ds18b20內(nèi)部地告警標(biāo)志就會(huì)被置位.ds18b20內(nèi)部暫存存儲(chǔ)器地第5個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器,它地第5位ro和第6位r1主要用于確定溫度值地?cái)?shù)字轉(zhuǎn)換分辨率,如表4-2所示.ds18b20與單片機(jī)地接口極其簡(jiǎn)單,只需將ds

55、18b20地信號(hào)線與單片機(jī)地一位雙向端口相連即可.應(yīng)注意將三線焊接牢固.另外也可用兩個(gè)端口,即接收口與發(fā)送口分開,這樣讀寫操作就分開了,不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)競(jìng)爭(zhēng)地問題.還可采用寄生電源方式,將ds18b20地vdd與gnd接在一起.如若vdd脫開未接好,傳感器將只送+85. 0 c地溫度.值.一般測(cè)溫電纜線采用屏蔽4芯雙絞線,其中地一對(duì)接地線與信號(hào)線,另一對(duì)接vdd和地線,屏蔽層在源端單點(diǎn)接地.表表3-2 ds18b20溫度溫度/數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系表temperaturedigital output(binary)digital output (hex)+125c0000 0111 1101

56、000007d0h+85c0000 0101 0101 00000550h*+25.0625c0000 0001 1001 00010191h+10.125c0000 0000 1010 001000a2h+0.5c0000 0000 0000 10000008h0c0000 0000 0000 00000000h-0.5c1111 1111 1111 1000fff8h-10.125c1111 1111 0101 1110ff5eh-25.0625c1111 1110 0110 1111ff6fh-55c1111 1100 1001 0000fc90h表表3-3 ds18b20分辨率表分辨率

57、表r1r0溫度分辨率最大轉(zhuǎn)換時(shí)間00993.75ms0110187.5ms1011375ms1112750ms3.4.3 at89c51 單片機(jī)簡(jiǎn)介at89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（fperomfalsh 西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文20programmable and erasable read only memory）地低電壓,高性能cmos8位微處理器,俗稱單片機(jī).at89c51是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器地單片機(jī).單片機(jī)地可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次.該器件采用atmel高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造,與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)地mcs-51指令集和輸出管腳

58、相兼容.由于將多功能8位cpu和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中,atmel地at89c51是一種高效微控制器,at89c2051是它地一種精簡(jiǎn)版本.at89c51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉地方案.其主要特性如下： 1、與mcs-51 兼容 2、4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器,壽命：1000寫/擦循環(huán),數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年3、全靜態(tài)工作：0hz-24hz4、三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定5、128*8位內(nèi)部ram6、32可編程i/o線7、兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器8、5個(gè)中斷源 9、可編程串行通道10、低功耗地閑置和掉電模式11、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 3.5 硬件電路地具體設(shè)計(jì)3.5.1 電源地

59、設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中為了使模塊移動(dòng)使用方便,電源使用干電池為單片機(jī)工作提供5v地直流電源,其設(shè)計(jì)電路原理圖如圖3-4所示.圖圖3-4 電源電路圖電源電路圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文21電源由12伏地干電池提供,經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到+5v支流電源,給單片機(jī)提供工作電源.3.5.2 超聲波發(fā)生電路超聲波發(fā)送電路如圖3-5所示.該發(fā)射電路采用單片機(jī)地 p3.3 口作為 io 口,首先由單片機(jī)控制 555 定時(shí)器電路產(chǎn)生 40khz 地脈沖振蕩信號(hào),單片機(jī)和 555 產(chǎn)生 40khz 超聲波,工作原理如下：ne555 地 4 端子接單片機(jī)控制其復(fù)位信號(hào),復(fù)位信號(hào)低電平有效,ne555 工作時(shí)為高電平,該電

60、路電源接通地瞬間,有一個(gè)穩(wěn)態(tài)地過(guò)程,即電源通過(guò) r30 向 c17 充電當(dāng)電容上地電壓上升到 2/3v時(shí),觸發(fā)器復(fù)位,輸出 tx 為低電平,放電 bjt t 導(dǎo)通,電容 c17cc放電,電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；若觸發(fā)輸入端 2 施加觸發(fā)信號(hào)（即該信號(hào)1/3 v）,觸發(fā)cc器發(fā)生翻轉(zhuǎn),電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài),輸出 tx 為高電平,且 bjt 地 t 截止,此后電容 c17 充電至 2/3 v時(shí),電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn),輸出 tx 為低電平,放電 bjt 地 t 導(dǎo)通,電容 c17 放電,cc電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài).如果忽略 t 地飽和壓降,則電容電壓從零電平上升到 2/3 v地cc時(shí)間即為輸出電壓 tx 地脈寬21.rc