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

1、基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言隨著科技的迅猛發(fā)展越來越多科技成果被廣泛的運(yùn)用到人們的日常生活當(dāng)中,給我們的生活帶來了諸多方便。本設(shè)計(jì)就是本著這個(gè)宗旨出發(fā),利用超聲波的特性來為我們服務(wù)。由于超聲波指向性強(qiáng),因而常于距離的測(cè)量。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v，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)距障礙物的距離s，即：s=vt/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)

2、實(shí)用的要求, 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將的應(yīng)用將越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測(cè)距技術(shù)在社會(huì)生活中已有廣泛的應(yīng)用如汽車倒車?yán)走_(dá)等，它們測(cè)距精度一般較低。目前對(duì)超聲波高精度測(cè)距系統(tǒng)的需求越來越大。展望未來，超聲波作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。未來的超聲波測(cè)距技術(shù)將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更穩(wěn)定方向發(fā)展，死角問題也能得以解決。1 超聲波測(cè)距的基本概述1、2、3人耳能聽到的聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)

3、生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。超聲波是在一種彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度受很多因素的影響。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低、衰減較快。超聲波波長(zhǎng)短，繞射現(xiàn)象小，其方向性好，而且穿透能力很強(qiáng)，且碰到雜質(zhì)或分界面就會(huì)有顯著的反射現(xiàn)象。這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像等技術(shù)。1.1 超聲波的波形 縱波是質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和超聲波傳播方向一致的波，在固體、液體和氣體中傳播如圖1.1-1所示： 橫波是質(zhì)

4、點(diǎn)的振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波，它只能在固體中傳播。其傳播方向如圖1.1-2所示： 圖1.1-1 縱波 圖1.1-2 橫波 表面波是質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方式介于縱波和橫波之間沿著固體表面?zhèn)鞑サ牟ǎ湔穹笮‰S著傳播深度的增加而迅速衰減。表面波只能沿著固體表面?zhèn)鞑ィ滟|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡為橢圓形，且橢圓的長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，而短軸平行于傳播方向。傳播方向如圖1.1.1-3所示：圖1.1.1-3 表面波1.2 超聲波的特性 超聲波在介質(zhì)傳播過程中，會(huì)發(fā)生衰減和散射。由于受介質(zhì)和雜質(zhì)的阻礙或吸收，其強(qiáng)度會(huì)產(chǎn)生衰減。尤其是超聲波測(cè)距儀，對(duì)所接受的聲波強(qiáng)度都有一定要求，所以都要對(duì)各種衰減進(jìn)行抑制。 超聲波聲束能集中在特定

5、的方向上，具有良好的指向性。超聲波可以在固體、液體和氣體中以不同的速度進(jìn)行傳播，其速度受介質(zhì)溫度、壓力等因素的影響，但在相同外部環(huán)境下，超聲波在同一介質(zhì)中的傳播速度是一常數(shù)。這是超聲儀表進(jìn)行測(cè)距的基礎(chǔ)。 超聲波在異種介質(zhì)的界面上會(huì)產(chǎn)生反射、疊加等現(xiàn)象。利用超聲波在異質(zhì)界面上發(fā)生的反射特性，獲得從界面反射回來的反射波，通過內(nèi)部的電路處理從而達(dá)到探測(cè)距離的目的。1.3 超聲波測(cè)距工作原理聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)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(dòng)頻率大于200

6、00Hz以上的,其每秒的振動(dòng)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。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長(zhǎng)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。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v，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)距障礙物的距離(s)，即： s=vt/2 (1.3-1)這就是所謂的

7、時(shí)間差測(cè)距法。采用超聲波測(cè)量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境(如含粉塵)具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如:測(cè)繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等，利用超聲波測(cè)量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)是:儀器造價(jià)比光波測(cè)距儀低，省力、操作方便。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信

8、號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。1.4 超聲波傳感器原理與選型4、5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)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。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23-25kHz及40-45kHz。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。若

9、對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40kHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40kHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是發(fā)送40kHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播( 疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+”極，另一面為“-”極的40kHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，還必須進(jìn)行放大。常用的超聲波傳感器有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40kHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。本設(shè)計(jì)選用T/R-40-12

10、 超聲波傳感器。1.5 溫度傳感器原理與選型本系統(tǒng)選用DS18B20溫度傳感器作為誤差補(bǔ)償裝置。DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的1WIRE數(shù)字溫度傳感器，它可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化輸出和測(cè)試，并且有控制功能強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、微功耗等特點(diǎn)。DS18B20的主要特性：適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電。獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全

11、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)。溫度范圍55125，在-10+85時(shí)精度為0.5。可編程的分辨率為912位，對(duì)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(cè)溫。在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以一線總線串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)基本框圖由單片機(jī)發(fā)出40kHz的方波信號(hào)進(jìn)入超聲波

12、發(fā)射電路，經(jīng)LM386功率放大芯片放大后進(jìn)入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時(shí)間后經(jīng)前方被檢測(cè)物體反射回來，由超聲波接收頭接收，超聲波電路中的20106接收芯片對(duì)信號(hào)放大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個(gè)下拉電平使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中，單片機(jī)從溫度檢測(cè)電路讀取數(shù)值并換算成當(dāng)前溫度下的聲速，應(yīng)用時(shí)差法計(jì)算所檢測(cè)的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在LCD顯示電路上顯示。超聲波測(cè)距系統(tǒng)基本框圖如圖2.1-1所示： 單片機(jī)控制器超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路LCD顯示電路溫度檢測(cè)電路圖2.1-1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)基本框圖2.2 超聲波測(cè)距的主控芯片本設(shè)計(jì)采用的AT89C51是美

13、國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。單片機(jī)是依賴程序來運(yùn)行的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過你編寫的程序可以

14、實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！2.2.1 AT89C51功能特性及性能參數(shù)AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)IO 口線，兩個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。其參數(shù)性能如下： 與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 4k字節(jié)可重擦寫F

15、lash閃速存儲(chǔ)器 1000次擦寫周期 全靜態(tài)操作：0Hz24MHz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 1288字節(jié)內(nèi)部RAM 32個(gè)可編程IO口線 2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器 6個(gè)中斷源 可編程串行UART通道 低功耗空閑和掉電模式2.2.2 AT89C51的引腳功能說明單片機(jī)AT89C51的引腳圖如圖2.2.2-1所示： 圖2.2.2-1 單片機(jī)AT89C51的引腳圖各引腳功能介紹： Vcc：電源電壓；GND：地 P0口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向IO 口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”可作高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序

16、存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在FIash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1口： P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。FIash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。 P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)

17、TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVXRI 指令）時(shí)，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不改變。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。 P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向IO 口。P3 口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流

18、）4 個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3 口將用上拉電阻輸出電流。P3口除了作為一般的IO口線外，更重要的用途是它的第二功能。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。 RST 復(fù)位輸入：當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 ALEPROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的l6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪

19、問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH單元的DO 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會(huì)被激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無(wú)效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)不出現(xiàn)。 EA VPP 外部訪問允許：欲使CPU

20、僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。 XTAL1： 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2 ：振蕩器反相放大器的輸出端。2.3 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)6由于從單片里發(fā)出的40KHz脈沖信號(hào)的功率較低，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，因而需要一個(gè)放大電路將脈沖信號(hào)放大后再送至發(fā)射換能器，驅(qū)動(dòng)其發(fā)出與驅(qū)動(dòng)信號(hào)

21、同頻率的超聲波，所以發(fā)射電路的主要功能就是放大，發(fā)射電路如圖5-2所示。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放LM386，LM386是專為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路。它的內(nèi)建增益為20，透過pin 1和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá)200。LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍可由4V12V，無(wú)作動(dòng)時(shí)僅消耗4mA電流，且失真小。發(fā)射距離可達(dá)3m。利用LM386的驅(qū)動(dòng)放大功能將單片機(jī)產(chǎn)生的40kHz方波放大輸出。驅(qū)動(dòng)壓電式超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。超聲波發(fā)射電路如圖2.3-1所示： 圖2.3-1 超聲波發(fā)射電路2.4 超聲波檢測(cè)接收電路設(shè)計(jì)7檢測(cè)接收電路中的CX2010

22、6A芯片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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz 與測(cè)距超聲波頻率40kHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路，超聲波接收頭將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。但這個(gè)電信號(hào)非常微弱，必須經(jīng)過放大，CX20106A芯片完成放大調(diào)制的功能。實(shí)驗(yàn)證明，CX20106A芯片具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。接收的回波信號(hào)先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號(hào)調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號(hào)，濾除干擾信號(hào)；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖

23、相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)。1腳是接收信號(hào)輸入端。2腳是調(diào)節(jié)接收信號(hào)靈敏度，電阻越小，靈敏度越高。電容越大，靈敏度越高。電容一般取1F，電阻50300 的，在干擾較大的場(chǎng)合增加電阻阻值可將靈敏度調(diào)低，干擾小的場(chǎng)合減小阻值將靈敏度調(diào)高。5腳主要用來調(diào)節(jié)中心頻率，這里取200 k，7腳接上拉電阻，這里取1 k左右。US_R1 為超聲波接收頭，當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷INT0 上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40kHz 方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將此信號(hào)通過CX20106A 驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷0 口。單片機(jī)在得到外部中斷0 的中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0 的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理。檢測(cè)接

24、受電路如圖2.4-1所示： 圖2.4-1 檢測(cè)接受電路2.5 超聲波溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)8 在本設(shè)計(jì)中，采用的DALLAS半導(dǎo)體器件公司生產(chǎn)的一種可編程數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20來采集溫度，該數(shù)字溫度傳感器為獨(dú)特的1-Wire總線接口，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在一只形如三極管的集成電路內(nèi)。外型如圖2.5-1所示：圖2.5-1 DS18B20它僅占用MCU一只引腳，具有操作簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量快，精度高等優(yōu)點(diǎn)。它具有微型化、低功耗，直接將測(cè)得的結(jié)果以串行數(shù)字信號(hào)輸出，其中一根線接電源正極，另一根線接電源負(fù)極。只需占用一個(gè)普通I/O線就可完成與單片機(jī)的硬件接口，具有使用簡(jiǎn)單方便、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。其接

25、線電路如圖2.4-2所示： 圖2.4-2 溫度傳感器電路2.6 超聲波顯示電路設(shè)計(jì)采用字符型LCD顯示。LCD字符型液晶顯示模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣式液晶顯示模塊。LCD1602應(yīng)用很普遍，市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此HD44780寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，16腳接口的管腳發(fā)布如下：第1腳：VSS為電源地第2腳：VDD接5V電源正極第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正

26、電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高（對(duì)比度過高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度）。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平1時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平0時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平(1)時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平(0)時(shí)寫操作。第6腳：E(或EN)端為使能(enable)端。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)端。第1516腳：空腳或背燈電源。3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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及顯示子程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)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

27、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(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。 3.1 超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)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。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(ct)/2 (3.1-1)其中，d為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)

28、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或INT1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。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷0 ? MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH；計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A ；存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；開外部中斷0 PO

29、P ACC? POP PSW RETI 3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序首先是對(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后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1s，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）按式（3.2-1）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344 m/s則有： d=(ct)

30、/2=172T0/10000cm (3.2-1)其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。本設(shè)計(jì)程序采用模塊化編程，包括主程序模塊，超聲波測(cè)距程序模塊，顯示模塊，溫度測(cè)量模塊，外部中斷模塊。系統(tǒng)程序流程圖設(shè)計(jì)如圖3.2-2所示：通過lcd顯示計(jì)算出距離值延時(shí)0.5s關(guān)閉計(jì)數(shù)器換算當(dāng)前溫度下的聲速讀取溫度值計(jì)算超聲波傳播時(shí)間發(fā)40kHz方波3個(gè)周期，開啟計(jì)數(shù)器發(fā)射信號(hào)進(jìn)入中斷Lcd初始化開始圖3.2-2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)圖4 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析94.1 單片機(jī)的編譯環(huán)境4.1.1 Keil C51 編譯KEIL C5

31、1標(biāo)準(zhǔn)C編譯器為8051微控制器的軟件開發(fā)提供了C語(yǔ)言環(huán)境,同時(shí)保留了匯編代碼高效,快速的特點(diǎn)。C51編譯器的功能不斷增強(qiáng)，使你可以更加貼近CPU本身，及其它的衍生產(chǎn)品13。C51已被完全集成到uVision2的集成開發(fā)環(huán)境中，這個(gè)集成開發(fā)環(huán)境包含：編譯器，匯編器，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，項(xiàng)目管理器，調(diào)試器。uVision2 IDE可為它們提供單一而靈活的開發(fā)環(huán)境。 C51 V7版本是目前最高效、靈活的8051開發(fā)平臺(tái)。它可以支持所有8051的衍生產(chǎn)品，也可以支持所有兼容的仿真器，同時(shí)支持其它第三方開發(fā)工具。因此，C51 V7版本無(wú)疑是8051開發(fā)用戶的最佳選擇。 KEIL C51編譯器在遵循ANSI標(biāo)

32、準(zhǔn)的同時(shí)，為8051微控制器系列特別設(shè)計(jì)。語(yǔ)言上的擴(kuò)展能讓用戶使用應(yīng)用中的所有資源。存儲(chǔ)器和特殊功能寄存器的存?。?C51編譯器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)8051系列所有資源的操作。SFR的存取由sfr和sbit兩個(gè)關(guān)鍵字來提供。變量可旋轉(zhuǎn)到任一個(gè)地址空間。用關(guān)鍵字at還能把變量放入固定的存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)模式（大，中，?。Q定了變量的存儲(chǔ)類型。連接定位器支持的代碼區(qū)可達(dá)32個(gè)，這就允許用戶在原有64KROM的8015基礎(chǔ)上擴(kuò)展程序。在V2的編譯器和許多高性能仿真器中，可以支持應(yīng)用程序的調(diào)試。中斷功能：C51允許用戶使用C語(yǔ)言編寫中斷服務(wù)程序，快速進(jìn)、出代碼和寄存器區(qū)的轉(zhuǎn)換功能使C語(yǔ)言中斷功能更加高效。 可再入功能

33、是用關(guān)鍵字來定義的。多任務(wù)，中斷或非中斷的代碼要求必須具備可再入功能。靈活的指針：C51提供了靈活高效的指針。通用指針用3個(gè)字節(jié)來存儲(chǔ)存儲(chǔ)器類型及目標(biāo)地址，可以在8051的任意存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)存取任何變量。特殊指針在聲明的同時(shí)已指定了存儲(chǔ)器類型，指向某一特定的存儲(chǔ)區(qū)域。由于地址的存儲(chǔ)只需12字節(jié)，因此，指針存取非常迅速。4.1.2 Uvision 集成開發(fā)環(huán)境uVision2集成開發(fā)環(huán)境包括以下兩個(gè)部分：項(xiàng)目管理：工程(project)是由源文件、開發(fā)工具選項(xiàng)以及編程說明三部分組成的。一個(gè)單一的uVision2工程能夠產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)目標(biāo)程序。產(chǎn)生目標(biāo)程序的源文件構(gòu)成“組”。開發(fā)工具選項(xiàng)可以對(duì)應(yīng)目標(biāo)，組

34、或單個(gè)文件。 uVision2包含一個(gè)器件數(shù)據(jù)庫(kù)(device database)，可以自動(dòng)設(shè)置匯編器、編譯器、連接定位器及調(diào)試器選項(xiàng)，來滿足用戶充分利用特定微控制器的要求。此數(shù)據(jù)庫(kù)包含：片上存儲(chǔ)器和外圍設(shè)備的信息，擴(kuò)展數(shù)據(jù)指針(extra data pointer)或者加速器(math accelerator)的特性。 uVision2可以為片外存儲(chǔ)器產(chǎn)生必要的連接選項(xiàng)：確定起始地址和規(guī)模。集成功能：uVision2的強(qiáng)大功能有助于用戶按期完工。集成源極瀏覽器利用符號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)使用戶可以快速瀏覽源文件。用詳細(xì)的符號(hào)信息來優(yōu)化用戶變數(shù)存儲(chǔ)器。 文件尋找功能：在特定文件中執(zhí)行全局文件搜索。工具菜單：

35、允許在V2集成開發(fā)環(huán)境下啟動(dòng)用戶功能。 可配置SVCS接口：提供對(duì)版本控制系統(tǒng)的入口。 PCLINT接口：對(duì)應(yīng)用程序代碼進(jìn)行深層語(yǔ)法分析。Infineon的EasyCase接口：集成塊集代碼產(chǎn)生。Infineon的DAVE功能：協(xié)助用戶的CPU和外部程序。DAVE工程可被直接輸入uVision2。4.1.3 測(cè)試程序uVision2調(diào)試器具備所有常規(guī)源極調(diào)試，符號(hào)調(diào)試特性以及歷史跟蹤，代碼覆蓋，復(fù)雜斷點(diǎn)等功能DDE界面和shift語(yǔ)言支持自動(dòng)程序測(cè)試 CPU和外設(shè)模擬裝置：uVision2為8051及衍生產(chǎn)品提供了高速CPU模擬功能和片上擴(kuò)展口在對(duì)話框內(nèi)可直接觀察和修改I/O值，也可以用預(yù)裝的

36、C-LIKE 宏指令書寫符號(hào)函數(shù)來提供動(dòng)態(tài)輸入。 目標(biāo)監(jiān)控器：uVision2含一個(gè)可配置的監(jiān)控器，可測(cè)試目標(biāo)器件上的軟件體。監(jiān)控器用uVision2的調(diào)試器直接工作，可支持代碼區(qū)。它要求目標(biāo)系統(tǒng)具備6字節(jié)堆?？臻g，6KB的代碼ROM和256字節(jié)Xdata RAM。 MCB517/251啟動(dòng)工具包：在開始一項(xiàng)8051工程時(shí)，MCB啟動(dòng)工具會(huì)對(duì)你有很大幫助。每一個(gè)啟動(dòng)工具包括一套2K字節(jié)的開發(fā)工具和許多可快速運(yùn)行的舉例程序。用戶可在檢測(cè)8051性能的同時(shí)，查看開發(fā)工具的可行性。 MCB517AC板含高性能Infineon C517A單片機(jī)，它提供標(biāo)準(zhǔn)8052外圍設(shè)備和A/D轉(zhuǎn)換器，PWM，搜索/

37、比較，8位數(shù)據(jù)指針，一個(gè)高速運(yùn)算單元。同時(shí)包含對(duì)81C90CAN控制器和代碼區(qū)的支持。4.2 超聲波測(cè)距電路調(diào)試通過多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路各部分進(jìn)行了測(cè)量、調(diào)試和分析。首先測(cè)試發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz的方波信號(hào)，峰-峰值為3.8V。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號(hào)峰-峰值放大到10V左右。40kHz的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。該測(cè)距電路的40kHz方波由單片機(jī)編程產(chǎn)生，方波的

38、周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于12M晶振的單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1s，所以只能產(chǎn)生半周期為12s或13s的方波信號(hào)，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46kHz的方波。4.3 系統(tǒng)誤差分析超聲波是以聲波的形式所進(jìn)行的能量傳播。一般來說，超聲波傳播的距離大或是速度慢，能量消耗就大，倘若超聲波的能量全部消耗在傳播途中或是聲波改變方向，就接收不到回波信號(hào)。而超聲波傳播的速度與彈性介質(zhì)的種類和狀況關(guān)系極大，通常說的聲速每秒340米，其傳播介質(zhì)是15的標(biāo)準(zhǔn)空氣。

39、研究表明，聲波的傳播速度與溫度是成正比的，在近地層中，當(dāng)氣溫隨高度增加而降低時(shí)，聲音的傳播速度隨高度增加而減小，聲波的射線就會(huì)向上彎曲（俗稱聲音起飛了)；反之，當(dāng)氣溫隨高度增加而升高，聲波的傳播速度就會(huì)隨高度增加而增加，聲波射線呈向下彎曲狀，給人的聽覺就是聲音在下沉。在相同的間隔測(cè)量距離，由于波的傳播時(shí)間是相同的，但不同溫度下到聲速不同，所以最終造成測(cè)量出來的距離不相等，即如果不是在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行測(cè)量，將存在系統(tǒng)誤差。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，影響測(cè)量精度的因素很多，包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等；但環(huán)境溫度對(duì)聲速的影響最大，從超聲波聲速經(jīng)驗(yàn)公式可以看出，在0-40時(shí)，聲速變化范圍為331.4m/

40、s354.85m/s。以超聲波在20的室溫條件下的聲速343.32m/s為基準(zhǔn)，其變化率為6.83%。所以溫度的影響不能忽略不計(jì)。所以在基于單片機(jī) AT89C52 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，必須要對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償，以避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。5 設(shè)計(jì)總結(jié)本設(shè)計(jì)是以AT89C51為核心，利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，利用超聲波的特性設(shè)計(jì)出的一種簡(jiǎn)單的測(cè)距系統(tǒng)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制,并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求, 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將的應(yīng)用將越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而

41、又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。經(jīng)過近一年畢業(yè)設(shè)計(jì)，我要感謝我的指導(dǎo)教師陳鋼老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求。在我畢業(yè)設(shè)計(jì)寫作期間，老師給我提供了種種專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)和日常生活上的關(guān)懷，沒有您們這樣的幫助和關(guān)懷，我不會(huì)這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，借此機(jī)會(huì)，向您們表示由衷的感激。接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短幾個(gè)月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠(chéng)的謝謝你們。同時(shí)，我還要感謝我的寢室同學(xué)和身邊的朋友，正是在這樣一個(gè)相互促進(jìn)的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲。最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦

42、地把我養(yǎng)育成人，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無(wú)盡的愛、理解和支持，才使我時(shí)刻充滿信心和勇氣，克服成長(zhǎng)路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。 參考文獻(xiàn)：1 劉鳳然: 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng), 傳感器世界, 2001.5, P29-P322 石峰: 高精度低成本車用超聲波傳感器的研制, 傳感器世界, 2006年01期, P30-P323 張珂,劉鋼海: 提高超聲波測(cè)距精度方法的研究, 現(xiàn)代電子技術(shù)，2007.15, P139-P1414 何希才: 薛永毅, 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例, 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004.3, P138-P1525 胡漢才：?jiǎn)纹瑱C(jī)原理及其接口技術(shù), 清華大學(xué)出版社, 2004.2, P

43、27-P466 程 周：可編程序控制器原理與應(yīng)用，高等教育出版社，2006.4, P3-P77 吳中俊、黃永紅：可編程序控制器原理及應(yīng)用，機(jī)械工業(yè)出版社，2008.8 , P52-P578 時(shí)瑋,孟軍,劉波：溫度修正的超聲波測(cè)距控制設(shè)計(jì), 機(jī)械工程與自動(dòng)化, 2005年06期, P86-P889 蘇煒,龔壁建,潘笑:超聲波測(cè)距誤差分析, 傳感器技術(shù), 2004年06期, P10-P13附錄：程序清單#INCLUDE #DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT P3_5 /超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT P3_7 /超聲波接收#DEFINE CSBC=0.034#DEFI

44、NE BG P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/顯示標(biāo)識(shí)UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09段碼UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL; VOID CSBCJ();VOID DELAY(J); /延時(shí)函數(shù)VOID SCANLED();/顯示函數(shù)VOID TIMETOBUFFER();/顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN() /主函數(shù) EA=1;