基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)47664

1、中北大學(xué)畢業(yè)論文1摘 要超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機(jī)電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路和電源電路，另外還有復(fù)位電路和LED控制電路等。采用以STC89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由信

2、號(hào)發(fā)射和接收、供電、溫度測(cè)量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號(hào)經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波被發(fā)射后按原路返回,在經(jīng)過(guò)放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機(jī)接收,計(jì)數(shù)器停止工作并得到時(shí)間。溫度測(cè)量后送到單片機(jī),通過(guò)程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正, 結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的功能。軟件程序主要由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對(duì)超聲波速度的校正，還有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LED上。另外程序控制單片機(jī)消除各探頭對(duì)發(fā)射和接收超聲波的影響。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。實(shí)際的環(huán)境對(duì)超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電

3、源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對(duì)超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會(huì)使測(cè)量差生很大的誤差。再設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。關(guān)鍵詞 STC89C51 超聲波 測(cè)距中北大學(xué)畢業(yè)論文1目 錄摘 要.1第 1 章 緒論.21.1 課題背景及重要意義 .21.2 國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述 .21.3 超聲波測(cè)距存在的問(wèn)題與課題的意義 .21.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 .3第 2 章 超聲波測(cè)距原理與方法.42.1 超聲波簡(jiǎn)介 .42.1.1 超聲波的三種形式.52.1.2 超聲波的物理性質(zhì).52.1.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用.52.2 超聲波傳感器介紹 .62.2.1 超聲波測(cè)距原理及

4、結(jié)構(gòu).62.2.2 超聲波傳感器選擇 .82.2.3 超聲波測(cè)距的原理 .92.2.4 發(fā)射脈沖寬度 .102.2.5 測(cè)量盲區(qū) .102.3 本章小結(jié) .11第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì).123.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì) .133.1.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案 .133.1.2 發(fā)射電路常用方案 .143.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng).143.2 接收電路設(shè)計(jì) .153.3 單片其他電路設(shè)計(jì) .173.3.1 LCD 顯示部分 .173.3.2 報(bào)警部分 .183.4 本章小結(jié) .18第 4 章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析.184.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .184.2 外部中斷子程序 .204.3 定時(shí)器中斷子程序

5、 .204.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析 .214.4.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能.214.4.2 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速.214.4.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算.224.5 本章小結(jié) .22中北大學(xué)畢業(yè)論文2第 5 章 結(jié)論.22參考文獻(xiàn).232第 1 章 緒論1.1 課題背景及重要意義近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等

6、。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。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，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品） 、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直

7、接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)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)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向） 。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。1.2 國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述在基于傳統(tǒng)的測(cè)力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測(cè)量就是一種距離測(cè)量，傳

8、統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過(guò)給電或脈沖來(lái)檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測(cè)量距離就可以解決這些問(wèn)題，因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣3泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路小巧，精度高，反映速

9、度快，可靠性好。1.3 超聲波測(cè)距存在的問(wèn)題與課題的意義我就影響超聲測(cè)距誤差的幾個(gè)因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭 UCM-T40KI 和一支接收探頭 UCM-R40KI 的收發(fā)分體式傳感器。本節(jié)在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測(cè)距，測(cè)試距離約為 0.2m3m 米，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。圖 1-1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖發(fā)射電路采用單片機(jī) P1.0 端口編程輸出 40kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為使測(cè)量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM-40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，故在此電

10、路上加功率放大電路。從接收傳感器探頭 UCM-40T 傳來(lái)的超聲回波很微弱(幾十個(gè) mV 級(jí))，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級(jí)放大和帶通濾波電路，中心頻率 40KHz 左右，放大濾波電路均采用了高速精密運(yùn)算放大器 TL082，輸出信號(hào)大約在 5V 左右。由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào)，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào)，故信號(hào)在放大電路后通過(guò) LM393 構(gòu)成的比較電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。1.4 本文主要研究?jī)?nèi)

11、容本系統(tǒng)硬件部分由 STC89C51 控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測(cè)量電路、4聲音報(bào)警電路和 LCD 顯示電路組成。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 1-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖由單片機(jī) STC89C51 編程產(chǎn)生 10us 以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來(lái)后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過(guò)接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出

12、來(lái)。由時(shí)序圖可以看出，超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射端在 T0 時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。圖 1-3 時(shí)序圖發(fā)射電路接收電路AT89C51LCDDS18B20報(bào)警電路5第 2 章 超聲波測(cè)距原理與方法2.1 超聲波簡(jiǎn)介超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高

13、生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。2.1.1 超聲波的三種形式超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)(1) 超聲波的反射和折射當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。

14、(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。2.1.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。6(2) 空化作用在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突

15、然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程稱為空化。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 2.2 超聲波傳感器介紹總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：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。他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。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

16、振來(lái)工作的。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。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 2-1 超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 2-2 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 2.2.1 超聲波測(cè)距原理及結(jié)構(gòu)電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的

17、。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)，產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共7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)，就成為超聲波接收器。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到

18、達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。假定 s 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為 ts，超聲波傳播速度為vms1 表示，則有關(guān)系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式(2-2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。v=3314+0607T (2-2)式中，T 為實(shí)際溫度單位為，v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 ms。超聲波為直線傳播方式，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質(zhì)就可制

19、成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有:1.壓電傳感器;2.磁致伸縮傳感器;3.靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛” 。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置

20、的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性:把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變;相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用

21、雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格A壓電晶片B8低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 圖 2-3 雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖 2-3 所

22、示，當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。圖 2-4 雙壓電晶片的等效電路圖雙壓電晶片的等效電路如圖 2-4 所示，為靜電電容，R 為陶瓷材料介電損耗,并OC聯(lián)電阻 Cm 和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感，為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有mR一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 o。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器采

23、用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過(guò)金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波;接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。A壓電晶片B92.2.2 超聲波傳感器選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)

24、一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波;收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多;頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器 UCM-T40KI 和一支接收傳感器 UCM-R4OKI 組成，其特性參數(shù)如表 2-5 所示。表 2-5

25、傳感器特性參數(shù)表型號(hào)UCM-T40K1UCM-R40KQ結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接收中心頻率ZKH140ZKH138頻帶寬ZKH5 . 02ZKH5 . 02靈敏度ubardBV110ubardBV65聲壓)02. 00min(115mPadBdB)10min(70ubarVdBdB指向角o75o80容量pF%252500pF%2525002.2.3 超聲波測(cè)距的原理超聲波測(cè)距方法主要有三種：1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播

26、到接收傳感器的時(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。設(shè) l 為測(cè)量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。10圖 2-6 測(cè)距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 0.6 米秒。表 2-7 列出了幾種溫度下的聲速：表 2-7 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米秒）313319325323338344349386在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，

27、則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用 DS18B20 測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)距精度。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為：)/(6.04.33116.27316.27345.331smTTc (2-3)聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離：L=1/2(331.4+0.6T)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償）如果為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)：。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補(bǔ)償）222slh2.2.4 發(fā)射脈沖

28、寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25s(l 個(gè) 40KHz 方波脈沖)， 100s(4 個(gè) 40KHz 方波脈沖)，200s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖)， 800s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)。最終采用短距離(2m 內(nèi))發(fā)射 200s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長(zhǎng)距離(2m 外)發(fā)射

29、 800s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量11盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。2.2.5 測(cè)量盲區(qū)在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(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，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)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)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這

30、段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下: 圖 2-8 傳感器回波測(cè)距原理分析圖如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振(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的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平Vm;另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(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)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定

31、的閾值 Vm，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。由圖 2-8 可見，從 b 點(diǎn)以后，接收的信號(hào)低于閩值，相當(dāng)于測(cè)距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中 A點(diǎn)以后，接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加，難以分辨。從 c 點(diǎn)以后，發(fā)射信號(hào)低出閾值 Vm，接收信號(hào)才基本擺脫發(fā)射信號(hào)干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時(shí)，把 oc 這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說(shuō)，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb 為可測(cè)距范圍;b 點(diǎn)就為測(cè)距遠(yuǎn)限，其外部就為測(cè)量不到12的區(qū)域。2.3 本章小結(jié)本章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過(guò)程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減;通過(guò)詳細(xì)

32、分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個(gè)重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù);分析了超聲波測(cè)距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測(cè)距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度和測(cè)量盲區(qū)對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。13第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路和溫度補(bǔ)償電路四部分組成。隨著超聲波測(cè)量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測(cè)量任何目標(biāo)物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問(wèn)題。不論超聲波傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都有是一樣的（都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波） ，要提

33、高超聲測(cè)量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計(jì)超聲測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。 發(fā)射電路采用單片機(jī) P1.0 端口編程輸出 40KHz 左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測(cè)量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM-40T1 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。由于從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來(lái)的超聲波回波很微弱（幾十個(gè) mV 級(jí)） ，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮。這里使用 CX 20106A集成電路對(duì)接收探頭接受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，信號(hào)經(jīng)過(guò) P2.7 端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。為

34、節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。通過(guò)單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過(guò)三位 LED 數(shù)碼管顯示。3.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT4016T 能向外界發(fā)出 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)。40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī) P1.0 端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz 方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由 74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要

35、求，最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT4016T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖 3-1 所示。圖中輸出端上拉電阻 R31，R32，一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。143.1.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案一、發(fā)射電路輸出波形分析1.發(fā)射波形的重復(fù)性為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性;此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。由于超

36、聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)時(shí)推動(dòng)附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近;本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。2.發(fā)射波形電壓及功率傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失;另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vp-p，

37、以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。3.1.2 發(fā)射電路常用方案由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及圖 3-1 超聲波發(fā)射電路框圖15其功率。本系統(tǒng)用單片機(jī) P1.0 發(fā)射一組方波脈沖信號(hào)，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號(hào)，所以在此間加入一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖 3-2 所示。Q2Q1VCC-VCCC1R1LS1RFP1.0圖 3-2 超聲波發(fā)射電路3.1.3 超聲

38、波發(fā)射器的注意事項(xiàng)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，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約為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。存在 4 個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；（2）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

39、定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為 2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)2SC tV算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： (3-1)cos2c tS16 實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭

40、有效測(cè)量夾角為 45。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法。3.2 接收電路設(shè)計(jì)接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大有用信號(hào)的同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它

41、的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。LS2UCM402314111TL082R2R3RpVCC-VCCU0UiIfIi圖 3-3 前置放大電路圖電路如圖 3-3 所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大(一般數(shù)百兆歐姆以上)，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗(Input Impedance);同時(shí)，換能器的輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器 TL082 及電阻 R 、2和 R 構(gòu)成，組成反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。3R由

42、電路的基本知識(shí)，可列出:17I （3-2)2RUUiiI (3-3)3RUUf根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念:1.集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的凈輸入電壓 U 通常接近于零，即 U=U -UO，若把它理想化，則有 U=0，但不是短路，故常稱為虛短。2.集成運(yùn)放兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流 I0，如把它理想化，則有，但不是斷開，故常稱為虛斷。0I故可知本電路中:U，且 I所以有0, 0UUfiI (3-4)iURRU23上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號(hào)表示與反相。UiU電路的電壓放大倍數(shù)為: (3-5)23RRUUAiuf利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且

43、電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)和阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接有電阻，參數(shù)2R3RpR選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即，靜態(tài)時(shí)使輸入級(jí)偏32/ RRRP置電流平衡并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對(duì)輸出端的影響，故又稱為平衡電阻。PR根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取; KR12;，即放大電路將輸入信號(hào)放大 200 倍。KR2003 KRP13.3 單片其他電路設(shè)計(jì)3.3.1 LCD 顯示部分本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型 TC1602 液晶顯示所測(cè)距離值。TC1602 顯

44、示的容量為2 行 16 個(gè)字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用時(shí)，可將 P0 與 LCD 的數(shù)據(jù)線相連，P2 口與 LCD 的控制線相連，如圖所示。18 其中，TC1602 第 4 腳 RS 為寄存器選擇，第 5 腳 RW 為讀寫信號(hào)線，第 6 腳 E 為使能端。第 714 腳：D0D7 為 8 位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的 D0D7 是接到 LCD602 的 D1D0，正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。3.3.2 報(bào)警部分采用一個(gè)蜂鳴器，由 P1.2 輸出一定頻率的信號(hào)，在連

45、接到蜂鳴器之前，經(jīng)過(guò)一個(gè)三極管 9012 的放大。報(bào)警部分的連線，如圖 3-10 所示。圖 3-10 報(bào)警電路圖 3-9 TC1602 液晶顯示電路193.4 本章小結(jié)本章主要介紹了基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)電路。對(duì)其中主要硬件單元:發(fā)射電路、接收電路、檢測(cè)電路以及顯示電路的設(shè)計(jì)給出原理圖并進(jìn)行了分析計(jì)算。第 4 章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)：(1)DS18B20溫度傳感器接口模塊，分為初始化程序、寫入命令以及讀取子程序等部分；(2)基于 YB1602 的顯示模塊，分為初始化子程序、寫入子程序以及顯示子程序；(3)溫度補(bǔ)償與距離計(jì)算模塊、分為超聲波發(fā)送

46、控制程序、接收處理程序、溫度補(bǔ)償子程序等；(4)本次設(shè)計(jì)使用 C 語(yǔ)言編寫程序，C 語(yǔ)言相比匯編有許多的優(yōu)勢(shì)；編譯器使用Keil Version2 進(jìn)行程序編譯，Keil 功能強(qiáng)大使用方便。主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個(gè)子程序的調(diào)度管理等部分。如圖 4-1 所示描述了各個(gè)模塊的關(guān)系：20圖 4-1系統(tǒng)軟件方框圖系統(tǒng)主程序：本設(shè)計(jì)主程序的思想如下：(1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為 mm；(2)溫度每隔900ms 采樣一次，DS18B20在12位精度下轉(zhuǎn)換周期為750ms ,故900ms 滿足該速度要求；超聲波每隔60ms 發(fā)送一次。(3)按鍵 S 為測(cè)量啟動(dòng)鍵；(4)系統(tǒng)采用

47、 AT89S52的內(nèi)時(shí)鐘：12MHz；(5)沒(méi)有使用看門狗功能；(6)超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測(cè)，避免直達(dá)信號(hào)造成誤判。所以系統(tǒng)最小測(cè)量約為 112mm；4.2 外部中斷子程序如圖所示，中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)主程序中，發(fā)射的4OKHz 脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。在中21斷服務(wù)程序中，首先進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，再把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，同時(shí)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后送到 P2 口顯示輸出。4.3 定時(shí)器中斷子程序定時(shí)器中斷子程序流程圖如圖 4-2 所示。由于 51 單片機(jī)是 16 位定時(shí)器，

48、最大計(jì)時(shí)時(shí)間為 65536us，當(dāng)測(cè)量的距離很遠(yuǎn)的時(shí)候，定時(shí)器就會(huì)發(fā)生溢出;所以必須對(duì)溢出中斷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能使得單片機(jī)正常工作。同時(shí)由于電路的測(cè)量距離有限最遠(yuǎn)為 5 米，當(dāng)測(cè)量距離超出 5 米時(shí)，接收探頭就不能檢測(cè)回波，即不能產(chǎn)出外部中斷更不可能關(guān)閉定時(shí)器。 圖4-2 定時(shí)中斷子程序流程定時(shí)中斷關(guān)閉定時(shí)器定時(shí)器初始化發(fā)射脈沖串打開定時(shí)器返回224.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析4.4.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能uint Read_Temperature(void) /讀取溫度,返回整數(shù)值 uint c;reset(); /復(fù)位 18b20 芯片tu=0; /先置位溫度正負(fù)標(biāo)示為正if(r) write(0 xCC); / 跳過(guò)多傳感器識(shí)別 skio rom write(0 xBE); /發(fā)讀內(nèi)部 9 字節(jié)內(nèi)容指令 c=read(); /讀兩個(gè)字 reset()