基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)_說明

1、. . . . 畢業(yè)設(shè)計(jì)論文題目 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 21 / 28畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明原創(chuàng)性聲明本人重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作與取得的成果。盡我所知，除文中特別加以標(biāo)注和致的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過的研究成果，也不包含我為獲得與其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過的材料。對(duì)本研究提供過幫助和做出過貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了意。作 者 簽 名：日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日期：使用授權(quán)說明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的

2、印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝?、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉咳?。作者簽名： 日 期：學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 日期： 年 月 日學(xué)位論文使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論

3、文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日注意事項(xiàng)1.設(shè)計(jì)（論文）的容包括：1）封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作）2）原創(chuàng)性聲明3）中文摘要（300字左右）、關(guān)鍵詞4）外文摘要、關(guān)鍵詞5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入）6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論7）參考文獻(xiàn)8）致9）附錄（對(duì)論文支持必要時(shí)）2.論文字?jǐn)?shù)要求：理工類設(shè)計(jì)（論文）正文

4、字?jǐn)?shù)不少于1萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于1.2萬字。3.附件包括：任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）。4.文字、圖表要求：1）文字通順，語言流暢，書寫字跡工整，打印字體與大小符合要求，無錯(cuò)別字，不準(zhǔn)請(qǐng)他人代寫2）工程設(shè)計(jì)類題目的圖紙，要求部分用尺規(guī)繪制，部分用計(jì)算機(jī)繪制，所有圖紙應(yīng)符合國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫3）畢業(yè)論文須用A4單面打印，論文50頁以上的雙面打印4）圖表應(yīng)繪制于無格子的頁面上5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔5.裝訂順序1）設(shè)計(jì)（論文）2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文

5、、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂3）其它基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)摘要STC89C52是常見的的一款STC系列單片機(jī)，被廣泛應(yīng)用，它的作用在自動(dòng)控制領(lǐng)域里得到了很好的體現(xiàn)。本次設(shè)計(jì)主要是利用STC89C52單片機(jī)、超聲波傳感器完成測(cè)距系統(tǒng)的制作，以STC89C52為主控芯片，利用超聲波對(duì)距離的檢測(cè)，然后單片機(jī)處理運(yùn)算,將前方物體的距離在顯示器顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距。關(guān)鍵詞超聲波；測(cè)距；單片機(jī)Ultrasonic distance measurement system based on SCMQian wei（Grade11,Class1,MajorElectronic information sc

6、ience and technology，Institute of electrical and physicalDept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shanxi）Tutor: Zhou pingheAbstract：STC89C52 are common in an STC series microcontroller, it is widely used, and its role in the field of automatic control has been well represented,This des

7、ign is the use of STC89C52 microcontroller, ultrasonic sensors complete production ranging system to STC89C52 as the main chip, the use of ultrasound to detect distance, and single-chip processing operation, the distance in front of the object displayed in the display, enabling measurement distance.

8、Key words：Ultrasonic; location; MCU目錄引言11總體設(shè)計(jì)方案22超聲波測(cè)距硬件設(shè)計(jì)22.1主控制模塊22.2電源設(shè)計(jì)32.3超聲波測(cè)試模塊32.3.1超聲波的特性42.3.2超聲波換能器42.4超聲波傳感器原理52.5測(cè)距分析82.6時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)92.7復(fù)位電路的設(shè)計(jì)92.8顯示模塊103超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)103.1軟件設(shè)計(jì)方法103.2軟件系統(tǒng)流程介紹104系統(tǒng)誤差分析與改進(jìn)115總結(jié)12參考文獻(xiàn)12附錄A13附錄B14附錄C19附錄D20引言通過無線電來測(cè)量載機(jī)與某個(gè)物體或反射面相互間的信號(hào)傳播延遲、頻率、相位差從而測(cè)算出兩點(diǎn)之間直線距離的方式叫做無線

9、測(cè)距。當(dāng)前測(cè)算距離的方法更多的還是選用測(cè)量波在介質(zhì)中傳播和時(shí)間的關(guān)系。由于傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷進(jìn)步，無線檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)被運(yùn)用到很多領(lǐng)域。當(dāng)前，最常見的無線測(cè)距方式有CCD探測(cè)、雷達(dá)測(cè)距、超聲波測(cè)距和激光測(cè)距等等。在此之中，CCD探測(cè)具備不需要信號(hào)發(fā)射源、使用便捷、同時(shí)得到許多的環(huán)境信息等特點(diǎn)，然而視覺測(cè)距需要另外的計(jì)算開支。雷達(dá)測(cè)距具備二十四小時(shí)工作，適應(yīng)于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測(cè)距的優(yōu)勢(shì)，不過比較容易受到電磁波的干擾。激光能輕易穿透雨霧，不容易被干擾，而且它在方向性、單色性、亮度、測(cè)量速度方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)。不過它在和前面幾種測(cè)距方法相比較，超聲波測(cè)距能夠直接測(cè)量近距離目標(biāo)，縱

10、向分辨率好，適用圍大，方向性強(qiáng)，而且具由不受煙霧、光照、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點(diǎn)。現(xiàn)在，超聲波測(cè)距已經(jīng)大量運(yùn)用于移動(dòng)機(jī)器人的定位、液位高低的測(cè)量和躲避障礙等領(lǐng)域，應(yīng)用前景非常好。超聲波是一種在彈性介質(zhì)里的機(jī)械振蕩。它是通過和介質(zhì)相接觸的振蕩源所產(chǎn)生的，它的頻率都在20000Hz以上。超聲波在醫(yī)療技術(shù)、日常生活、工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越多。超聲波在介質(zhì)里傳播的時(shí)候在不同介面上具備反射的特點(diǎn)。因?yàn)樗哂兄赶蛐詮?qiáng)、傳播能量大，方向性好、傳播距離較遠(yuǎn)等等特性，經(jīng)常用在測(cè)量物體的厚度、距離、液位等。超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特征相關(guān)。它在空氣里的傳播速度是340m/s。當(dāng)聲音的頻率超

11、出人耳聽力的頻率極限時(shí)，我們就不會(huì)覺察出四周聲音的存在，因此稱這類高頻率的聲為"超”聲，它是屬于機(jī)械波的圍。超聲波也遵從一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，就比如在介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射和折射反應(yīng)，在進(jìn)到介質(zhì)后會(huì)被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。恰是因?yàn)閾碛羞@樣的特性，讓超聲波可以運(yùn)用在距離的測(cè)量中。超聲波測(cè)距的方法常見的有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法這三種。在這之中，相位檢測(cè)法精度最高，不過檢測(cè)的圍有限；聲波幅值檢測(cè)法容易被反射介質(zhì)所影響。所以，現(xiàn)在超聲波測(cè)距一般都用渡越時(shí)間法。超聲波測(cè)距的工作原理是發(fā)射換能器向外面發(fā)射超聲波，然后超聲波就在介質(zhì)里傳播，碰到障礙物之后反射，產(chǎn)生了回波

12、，接收換能器就接收回波。渡越時(shí)間法就是通過檢測(cè)發(fā)射超聲波與接收回波之間的時(shí)間差來測(cè)算出目標(biāo)物體和信號(hào)發(fā)射源之間的距離。從技術(shù)上看，超聲波測(cè)距系統(tǒng)從上個(gè)世紀(jì)70年代開始就已經(jīng)開始實(shí)用化在上個(gè)世紀(jì)70年代末期已經(jīng)廣泛運(yùn)用到各大領(lǐng)域中。近些年來，國(guó)的科研專家在超聲波回波信號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研治、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了許多理論分析和研究，并且對(duì)于超聲測(cè)距中常見影響因素提出了溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等來增加超聲波測(cè)距精度的措施。因?yàn)槌暡y(cè)距的原理簡(jiǎn)單、容易完成和成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在液位測(cè)量、汽車防撞、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障、曲面仿形檢測(cè)和導(dǎo)盲系統(tǒng)等方面獲得了廣泛的認(rèn)可。接觸

13、式液位的測(cè)量存在了很多問題，比如易滲漏、易腐蝕、不便于檢修和維護(hù)等。通過超聲波測(cè)距能夠完成液位的非接觸式測(cè)量，解決了上面這些問題。和其他的測(cè)位方式相比較，超聲波的液位測(cè)量具備不用接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和維護(hù)便捷、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。移動(dòng)的機(jī)器人要裝上很多種傳感器來得到環(huán)境信息以確定自己的位置和躲避障礙物，當(dāng)中比較普遍的傳感系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)和超聲波測(cè)距系統(tǒng)。超聲波傳感器早已被大量的用于測(cè)距傳感器，并運(yùn)用在機(jī)器人的定位和避障上。由于汽車數(shù)量的飛速增長(zhǎng)，汽車在安全和使用便捷方面的性能備受關(guān)注。因?yàn)榇嬖谝曈X的盲區(qū)，我們通常在倒車時(shí)不能看清楚車子后面的障礙物，非常容易刮傷汽車或者發(fā)生事故。通過在車身前后方安

14、置超聲測(cè)距傳感器能夠準(zhǔn)確的測(cè)量車身距障礙物間的距離，方便了駕駛員在泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所造成的困擾，而且讓駕駛員沒有了視野死角和視線模糊的不便，增強(qiáng)了駕駛的安全性。1總體設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：超聲波傳感器、單片機(jī)控制電路。就此設(shè)計(jì)的核心模塊來說，單片機(jī)就是設(shè)計(jì)的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、以與外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段

15、。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元。STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。STC89C52使用經(jīng)典的MCS-51核，但做了很多的改進(jìn)使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機(jī)不具備的功能。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52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。超聲波傳感器測(cè)出數(shù)據(jù)，然后單片機(jī)進(jìn)行處理，從而在顯示器得出最后的距離。系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方框圖如圖1.1所示。電源STC89C52主控制器模塊超聲波傳感器模塊按鍵控制4位數(shù)碼管顯示模塊圖1.1 系統(tǒng)方圖2

16、超聲波測(cè)距硬件設(shè)計(jì)2.1主控制模塊主控制最小系統(tǒng)電路如圖2.1所示。圖2.1 超聲波測(cè)距電路原理圖硬件電路總設(shè)計(jì)見圖2.2，從以上的分析可知在本設(shè)計(jì)中要用到如下器件：STC89C52、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路。其中D1為電源工作指示燈。電路中用到2個(gè)按鍵，一個(gè)是電源開關(guān)鍵,一個(gè)復(fù)位鍵。圖2.2 總設(shè)計(jì)電路圖2.2電源設(shè)計(jì)電源部分的設(shè)計(jì)采用3節(jié)5號(hào)干電池4.5V供電。2.3超聲波測(cè)試模塊超聲波模塊采用現(xiàn)成的HC-SR04超聲波模塊，該模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎?/p>

17、IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào);模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s)/2。實(shí)物如下圖2.3。其中VCC供5V電源，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO回響信號(hào)輸出等四支線。圖2.3 超聲波模塊實(shí)物圖超聲波探測(cè)模塊HC-SR04使用方法如下：I/O口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動(dòng)測(cè)量；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回，通過I/O口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平

18、持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*340）/2，單位為m。程序中測(cè)試功能主要由兩個(gè)函數(shù)完成。實(shí)現(xiàn)中采用定時(shí)器0進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，8分頻，TCNTT0預(yù)設(shè)值0XCE，當(dāng)timer0溢出中斷發(fā)生2500次時(shí)為125ms，計(jì)算公式為（單位：ms）：T =（定時(shí)器0溢出次數(shù)*（0XFF-0XCE）/1000其中定時(shí)器0初值計(jì)算依據(jù)分頻不同而有差異。2.3.1超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，取整數(shù)為20000Hz)時(shí)，人們就會(huì)覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。超聲波的特性有：1）束

19、射特性 由于超聲波的波長(zhǎng)短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時(shí)，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。2）吸收特性 聲波在各種介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，這是因?yàn)榻橘|(zhì)要吸收掉它的部分能量。對(duì)于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。3）超聲波的能量傳遞特性 超聲波之所以能在各個(gè)

20、工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢?因?yàn)楫?dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時(shí)，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動(dòng)，振動(dòng)的頻率和聲波頻率樣，分子振動(dòng)的頻率決定了分子振動(dòng)的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量,換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。4）超聲波的聲壓特性 當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時(shí),由于聲波振動(dòng)使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的

21、作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動(dòng)引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。2.3.2超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測(cè)方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不一樣，因此每個(gè)探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先

22、了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：1)工作頻率 工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。2)工作溫度 由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。3)靈敏度 主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率圍為：20Hz20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式

23、，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多種超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致

24、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一樣，因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。如圖2.4所示共振板電極壓電晶片圖2.4 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)2.4超聲波傳感器原理市面上

25、常見的超聲波傳感器多為開放型，一個(gè)復(fù)合式振動(dòng)器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動(dòng)器是由諧振器以與一個(gè)金屬片和一個(gè)壓電瓷片組成的雙壓電晶片元件振動(dòng)器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動(dòng)而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動(dòng)器的中央部位。當(dāng)電壓作用于壓電瓷時(shí)，就會(huì)隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機(jī)械變形。另一方面，當(dāng)振動(dòng)壓電瓷時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電荷。利用這一原理，當(dāng)給由兩片壓電瓷或一片壓電瓷和一個(gè)金屬片構(gòu)成的振動(dòng)器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個(gè)電信號(hào)時(shí)，就會(huì)因彎曲振動(dòng)發(fā)射出超聲波。相反，當(dāng)向雙壓電晶片元件施加超聲振動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)?；谝陨献饔茫憧梢詫弘姶捎米鞒暡▊鞲衅?。超聲

26、波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體與固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。超聲波的基本特性如下所述：1)波長(zhǎng) 波的傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來表示。電磁波的傳播速度是3×108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20時(shí))。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。2)反射 要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、

27、橡膠和紙等可以反射近乎100的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測(cè)到它們。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到凹凸表面以與斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測(cè)試環(huán)境是在空曠的場(chǎng)所，并且測(cè)試物體必須反射超聲波。3)溫度效應(yīng) 聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。C=331.5+0.607t(m/s)式中，t=溫度()也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室外溫差較大，對(duì)超聲波測(cè)距的精度影響很大，此時(shí)可用18B20作溫度補(bǔ)償來減小

28、溫度變化所帶來的測(cè)量誤差，考慮到本設(shè)計(jì)的測(cè)試環(huán)境是在室，而且超聲波主要是用于測(cè)距功能，對(duì)測(cè)量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。圖2.5 聲壓在不同距離下的衰減特性4)衰減傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖2.5所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。5）聲壓特性 聲壓級(jí)SPL是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。SPL=20logP/Pre(dB)式中,“P”為有效聲壓(bar

29、)，“Pre”為參考聲壓(2×10-4bar)如圖2.6所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。圖2.6 超聲波傳感器的聲圖6）靈敏度特性 靈敏度是表示聲音接收級(jí)的單位，使用下列公式予以表示靈敏度= 20logE/P(dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(bar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測(cè)距圍，如圖2.7所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)40KHz時(shí)傳感器的聲壓級(jí)最高，也就是說40kHz時(shí)所對(duì)應(yīng)的靈敏度最高。7）輻射特性 把超聲波傳感器安裝在臺(tái)面上。然后，測(cè)量角度與聲壓(靈敏度)之間的關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對(duì)比，聲壓

30、 (靈敏度) 級(jí)衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖2.8所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。圖2.7 超聲波傳感器靈敏度示意圖分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz圍具有最大的聲壓級(jí)和最高的靈敏度。圖2.10 超聲波傳感器輻射特性示意圖頻率40kHz輸入電壓10Vrms(正弦波)距離30cm2.5測(cè)距分析超聲波發(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)開始計(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，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為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)

31、間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即：S=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，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)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，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)距障礙物面的距離S，即：S=340 t /2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確

32、定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖2.9所示障礙物超聲波發(fā)射超聲波接收SH圖2.11 超聲波的測(cè)距原理（2.1） （2.2）式中 L-兩探頭之間中心距離的一半又知道超聲波傳播的距離為 (2.3)式中 v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間將（2.2）、（2.3）代入（2.1）中得 (2.4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(2.4)變?yōu)?(2.5)所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H。2.6時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)X

33、TAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHz，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us。如圖2.10所示為時(shí)鐘電路。圖2.10 時(shí)鐘電路圖2.7復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位方法一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后, 在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。例如使用晶振頻率為12mHz時(shí)，則復(fù)位信

34、號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于2us。本設(shè)計(jì)采用的是自動(dòng)復(fù)位電路。如圖2.11示為復(fù)位電路。圖2.11 復(fù)位電路圖2.8顯示模塊顯示模塊采用數(shù)碼管顯示接口電路如圖2.12圖2.12 顯示電路3超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)3.1軟件設(shè)計(jì)方法超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序與顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。匯編語言是一種面向機(jī)器的低級(jí)的程序設(shè)計(jì)語言。它直接利

35、用機(jī)器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機(jī)器語言程序的指令一一對(duì)應(yīng)的。匯編語言由于是面向機(jī)器的程序設(shè)計(jì)語言，與具體的計(jì)算機(jī)硬件有著密切的關(guān)系，因此，可移植性差。但由于匯編指令與機(jī)器語言指令一一對(duì)應(yīng)，即一條匯編語言的可執(zhí)行指令對(duì)應(yīng)著一條機(jī)器語言指令，反之亦然。因此，匯編語言可直接利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性，如寄存器、標(biāo)志位以與一些特殊指令等，具有執(zhí)行速度快、占用存少等優(yōu)點(diǎn)。匯編語言的缺點(diǎn)是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比較龐大，運(yùn)行速度慢。而C語言是一種編譯型的程序設(shè)計(jì)語言，它兼顧了多種高級(jí)語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言有功能豐富的庫函數(shù)，運(yùn)算

36、速度快，編譯效率高，有良好的可移植性，而且可以直接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件的控制。C語言是一種結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)語言，支持支持由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)技術(shù)。C語言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實(shí)現(xiàn)共享。在C語言的可讀性方面更容易借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，提高程序的開發(fā)水平。C語言應(yīng)用于單片機(jī)編程出了上述特點(diǎn)外，還有以下突出特點(diǎn)：編譯器可以自動(dòng)完成變量存儲(chǔ)單元的分配，省去了分配和紀(jì)錄存儲(chǔ)單元的繁瑣；不必對(duì)單片機(jī)和硬件接口的結(jié)構(gòu)有很深入的了解，省去了單片機(jī)漫長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間；具有良好的可移植性，只要將程序略加改動(dòng)就可以將其應(yīng)用與其他類型的單片機(jī)，省去了更改單片機(jī)型號(hào)時(shí)重新編寫程序的無奈。因此利用C語言編寫程序可以大大縮短目標(biāo)系

37、統(tǒng)軟件的開發(fā)周期，程序的可讀性明顯增加，便于改進(jìn)、擴(kuò)充、研制規(guī)模更大、性能更完備的系統(tǒng)。3.2軟件系統(tǒng)流程介紹超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)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(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。主程序

38、首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1 ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外部中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是22 MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)約0.5s，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）計(jì)算即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離。整個(gè)系統(tǒng)的流程如圖3.1所示開始定時(shí)器、液晶初始化啟動(dòng)T0開中斷啟動(dòng)T0發(fā)40kHz方波延時(shí)

39、避開盲區(qū)開外部中斷0有回波停止T0，T1關(guān)中斷數(shù)據(jù)處理顯示輸出YN圖3.1 系統(tǒng)工作流程4系統(tǒng)誤差分析與改進(jìn)本次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量數(shù)據(jù)存在一定誤差。問題的主要原因有以下幾個(gè)方面：首先，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以下三方面：超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積超聲波的能量隨傳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；當(dāng)聲波要傳播過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?，聲?/p>

40、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。其次，測(cè)量裝置會(huì)產(chǎn)生干擾，主要有以下幾個(gè)方面：機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾;溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，產(chǎn)生干擾；還要考慮電磁干擾的影響。再次，超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。然后，不僅僅是溫度，空氣濕度、氣壓和空氣密度等環(huán)境因素都會(huì)對(duì)超聲波在空氣中的速度產(chǎn)生影響導(dǎo)致產(chǎn)生誤差。最后，即使超聲波發(fā)射器和接收器

41、之間的距離能保證遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于測(cè)量距離，角度也會(huì)對(duì)超聲波測(cè)距的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響。解決以上問題的主要方法有以下兩點(diǎn)：第一通過測(cè)量數(shù)據(jù)作函數(shù)圖，找出誤差規(guī)律，在軟件中計(jì)算距離的部分進(jìn)行改進(jìn)以補(bǔ)償誤差；第二可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射和接收的設(shè)計(jì)方法，這樣可以增加所測(cè)量的覆蓋圍。5總結(jié)本設(shè)計(jì)研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的超聲波智能測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過以STC89C52單片機(jī)為工作處理器核心，超聲波傳感器，它是一種新穎的被動(dòng)式超聲波探測(cè)器件，能夠以非接觸測(cè)出前方物體距離，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出.該報(bào)警器的最大特點(diǎn)就是使用戶能夠操作簡(jiǎn)單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報(bào)率低。隨著

42、現(xiàn)代人們安全意識(shí)的增強(qiáng)以與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相信報(bào)警器必將在更廣闊的領(lǐng)域得到更深層次的應(yīng)用。參考文獻(xiàn)1培剛，春迪，艷鵬.基于51單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)J.民營(yíng)科技，2011年，第3期：34-36.2月真.基于51單片機(jī)的超聲波系統(tǒng)的設(shè)計(jì).電子世界，2011年，第10期：55-56.3小強(qiáng)，連玉.超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的溫度補(bǔ)償J.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2008年，第12期：62-65.4戴曰章.基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)J.電氣時(shí)代，2005年，第7期：131-132.5王安敏，凱.基于AT89C52單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng).儀表技術(shù)與傳感器，2006年，第6期：48-49.6馬繼鵬

43、，尚璇，空空.基于51單片機(jī)的語音導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J.科技資訊，2011年.第11期：2-3.7邱平.略論我國(guó)非金屬超聲波檢測(cè)儀器的發(fā)展?fàn)顩rJ.工程質(zhì)量.1998年.第1期：25-27.8王純正.超聲學(xué)M.：人民衛(wèi)生，1993年.56-59.9王懿川.基于單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)J.計(jì)量測(cè)試，2011年.第5期：53-56.10麗霞.單片機(jī)在超聲波測(cè)距中的應(yīng)用J.電子技術(shù)，2002年第6期：31-34.11荀殿棟.數(shù)字電路設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)M.：電子工業(yè)，2003年.44-45.12郭清.基于STC89C52的超聲波測(cè)距防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.儀表技術(shù)與傳感器，2011年.第6期：74-77.附錄A圖A

44、 原理圖附錄B主程序#include <reg52.h> /調(diào)用單片機(jī)頭文件#define uchar unsigned char /無符號(hào)字符型 宏定義變量圍0255#define uint unsigned int /無符號(hào)整型 宏定義變量圍065535#include <intrins.h>/數(shù)碼管段選定義 0 1 2 3 4 56 7 8 9uchar code smg_du=0x28,0xee,0x32,0xa2,0xe4,0xa1,0x21,0xea,0x20,0xa0, 0x60,0x25,0x39,0x26,0x31,0x71,0xff; /斷碼ucha

45、r dis_smg8 =0;/數(shù)碼管位選定義sbit smg_we1 = P34; /數(shù)碼管位選定義sbit smg_we2 = P35;sbit smg_we3 = P36;sbit smg_we4 = P37;sbit c_send = P32;/超聲波發(fā)射sbit c_recive = P33;/超聲波接收uchar smg_i = 3; /顯示數(shù)碼管的個(gè)位數(shù)bit flag_300ms ;long distance; /距離uint set_d; /距離uchar flag_csb_juli; /超聲波超出量程uint flag_time0; /用來保存定時(shí)器0的時(shí)候的/*處理距離函數(shù)*/void smg_display()dis_smg0 = smg_dudistance % 10;dis_smg1 = smg_dudistance / 10 % 10;dis_smg2 = smg_dudistance / 100 % 10 & 0xdf; ;/*數(shù)碼位選函數(shù)*/void