超聲波測距系統(tǒng)論文

1、學士學位畢業(yè)設(shè)計（論文）超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計學生姓名：XXX 學 號：XXXX指導(dǎo)教師：XXX所在學院：XXX專 業(yè)：xx中國大慶2014 年 5 月黑龍江八一農(nóng)墾大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書學生姓名XXX所在班級XXXX導(dǎo)師姓名XXX導(dǎo)師職稱講師 論文題目超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計題目分類1應(yīng)用與非應(yīng)用類：工程 科研 教學建設(shè) 理論分析模擬2軟件與軟硬結(jié)合類：軟件硬件軟硬結(jié)合非軟硬件（1、2類中必須各選一項適合自己題目的類型在內(nèi)打）主要研究內(nèi)容及指標： （1）研究超聲波測距原理。（2）準確選擇單片機、超聲波測距模塊等元件。（3）制作超聲波測距儀。（4）測距距離達到1.5m，精確度在0-1cm范圍

2、內(nèi)。主要參考文獻：1 田華等.可編程單總線數(shù)字式溫度傳感器DS18B2的原理與應(yīng)用.電子質(zhì) 量，2004.72 楊姣秀.基于單片機的超聲波測距儀的設(shè)計.20083 深圳市捷深科技有限公司.HC-SR04超聲波測距模塊說明書4 Tom R.Watt .Cooling our tomorrows economically ，ASHRAE Journal.5 Army Kayla. Improving efficiency in existing chillers with 階段規(guī)劃：2014年 02月 17 日2014年02月28日 審題，查閱相關(guān)資料完成開題報告2014年 03月 01 日201

3、4年03月15日 依據(jù)相關(guān)的資料進行畢業(yè)設(shè)計 2014年 03月 16 日2014年03月31日 寫畢業(yè)設(shè)計報告 2014年 04月 01 日2014年04月23日 論文格式審查 2014年 04月 23 日2014年05月17日 準備答辯開題時間2月17日完成論文時間5月17日專家審定意見：系主任簽字：年 月 日注：1任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫后交給學生，要求學生妥善保存。2此任務(wù)書夾于論文扉頁與論文一并裝訂，作為論文評分依據(jù)之。摘要摘要本設(shè)計采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序、復(fù)位子程序、發(fā)射子程

4、序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控。關(guān)鍵詞：AT89C51 超聲波 測距ABSTRACTABSTRACTAt the core of the design using AT89C51 low-cost, high accuracy, Micro figures show that t

5、he ultrasonic range finder hardware and software design methods. Modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder

6、function. On the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module.The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real-time capability is satisfactory and by extension

7、and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision.Keywords：AT89C51 Ultrasonic wave Measure DistanceII目錄目錄摘要IABSTRACTII前言V1 緒論11.1課題設(shè)計目的及意義11.2超聲波測距儀的設(shè)計思路21.3課題設(shè)計的基本內(nèi)容和主要問題22主要元件介紹42.1單片機42.2

8、 HC-SR04超聲波測距模塊92.3 J12864點陣型液晶顯示屏133課程的方案論證與設(shè)計173.1系統(tǒng)整體方案的論證173.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計183.3系統(tǒng)的主程序194電子元件焊接（做實物）214.1焊接工具214.2焊前處理與焊接技術(shù)21結(jié)論23參考文獻24致謝26附錄27前言前言隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，超聲波測距系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以利用的測距技術(shù)還十分的有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展的而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距系統(tǒng)作為一種新型的非常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，以滿足日益迅

9、速發(fā)展的社會需求。超聲測距指的是利用超聲波的反射特性進行距離測量，在車輛自動導(dǎo)航、機器入的定位和對象識別、海洋水聲以及工業(yè)距離的測量方面具有重要意義。常見的測距原理和方法主要有脈沖回波法和相位差法兩種。相位差法與脈沖回波法的不同體現(xiàn)在對回波的處理方式上，由超聲波換能器接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相位完全相同的電信號，此電信號放大后與光源的驅(qū)動電壓相比較，測得兩個正弦電壓的相位差，根據(jù)所測相位差就可算得所測距離。由于采用的是相位比較，使得測距精確度大大提高，但這種方法本身存在明顯的缺陷。由于相位測量存在以2n為周期的多值解，從而容易造成解的不確定性。為了消除多解，常常

10、需要引入包絡(luò)檢測和采用發(fā)射多種不同頻率波的方式減小不確定度，這就使得該方法的實現(xiàn)復(fù)雜化。III黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）1 緒論超聲測距指的是利用超聲波的反射特性進行距離測量，在車輛自動導(dǎo)航、機器入的定位和對象識別、海洋水聲以及工業(yè)距離的測量方面具有重要意義。常見的測距原理和方法主要有脈沖回波法和相位差法兩種。1.1課題設(shè)計目的及意義超聲波測距系統(tǒng)在人們生活中有很多應(yīng)用。本課題設(shè)計目的是開發(fā)出一種精度高測距效果實用，成本低廉的超聲波測距系統(tǒng)。1.1.1設(shè)計的實用價值隨著科學技術(shù)的迅速發(fā)展，超聲波測距系統(tǒng)在生活中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以利用的測距技術(shù)還十分的有限，因

11、此，這是一個正在蓬勃發(fā)展的而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距系統(tǒng)作為一種新型的非常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，以滿足日益迅速發(fā)展的社會需求，例如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位更高精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大大降低潛艇自噪聲，改善潛艇的聲納工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距系統(tǒng)將會逐漸與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多功能測距儀。隨著測距

12、儀的技術(shù)進步，測距儀將從具有單純測距功能發(fā)展到具有自主學習功能，最終發(fā)展到具有強大的創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將在生活中發(fā)揮更大的作用。1.1.2設(shè)計的理論意義隨著科技的迅速發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市的排水系統(tǒng)也有較大的發(fā)展，其排水狀況不斷得到改善。但是，由于歷史原因和許多不可預(yù)見的因素，有一些城市的排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)落后于其他方面建設(shè)的城市，經(jīng)常出現(xiàn)挖開已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此，城市的箱涵排污疏通對大城市的排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器

13、人在箱涵中能自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人設(shè)計研制的核心部分?？刂凭嚯x系統(tǒng)核心部分就是超聲波測距系統(tǒng)的研制。因此，能把超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計好就顯得非常重要了。這就是設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的意義。30黑龍江八一農(nóng)墾大學畢業(yè)設(shè)計（論文）1.2超聲波測距儀的設(shè)計思路在設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)之前，應(yīng)該先知道什么是超聲波？超聲波的原理是什么？1.2.1超聲波簡介眾所周知，當物體振動時會發(fā)出聲音?？茖W家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是Hz。人類耳朵能聽到的聲波頻率為2020000Hz。當聲波的振動頻率大于20000Hz或小于20Hz時，人類便聽不見了。因此，通常把頻率高于20000Hz的聲波稱為“

14、超聲波”。用于醫(yī)學診斷的超聲波頻率為15MHz。超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點?？捎糜跍y距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學，軍事，工業(yè)，農(nóng)業(yè)上有明顯的作用。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個物體振動的能量與振動頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時，介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高，因而能量很大。在我國北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度。這就是超聲波加濕器的原理。對于咽喉炎、氣管炎等疾病，藥品很難血流到打患病的部位。利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠療效

15、。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動而破碎。1.2.2超聲波測距原理發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為t，由即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v 與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。? 超聲波傳播速度與溫度關(guān)系表項目數(shù)值溫度-30-20-100102030405060100聲速/( ms)3133193253323383443503563613673881.3課題設(shè)計的基本內(nèi)容和

16、主要問題設(shè)計超聲波的基本內(nèi)容是：首先要查找超聲波相關(guān)文獻，搜集篩選制作超聲波測距儀的材料。然后使用Protel DXP設(shè)計超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路圖，這樣能夠有一個清晰的設(shè)計思路。左后根據(jù)電路圖和實際情況制作出超聲波測距儀的實物。在制作超聲波測距儀時，遇到了很多問題。在元器件的選擇上哪些元器件能夠做到即實用又能降低成本是一個很重要的問題。例如：選擇什么樣的超聲波測距模塊？什么樣的單片機比較實用，能夠在快速計算的情況下保證運算的準確性？選擇顯示器時哪一中能更加直觀而且美觀？還有就是DXP的使用問題，在使用DXP時遇到了很多不能解決的問題，我在老師和同學的幫助下，把問題很好的解決了。最后就是在焊

17、接元器件的時候各種焊接工具的使用問題，例如要在不影響元器件功能的情況下把元器件焊的盡量美觀；要注意焊接工具的安全使用，不用時及時把電源關(guān)掉，避免發(fā)生火災(zāi)。2主要元件介紹 這章主要介紹制作超聲波測距系統(tǒng)的主要元器件。2.1單片機單片機作為超聲波測距系統(tǒng)的核心運算模塊在選擇上是非常重要的，要考慮它的各種功能和價格，以下介紹單片機的選擇和單片機的功能及原理。2.1.1 單片機的選擇一般在系統(tǒng)的設(shè)計當中，能否完成設(shè)計任務(wù)最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適，而單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合適的單片機不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作，而且其功能可能是最好的，

18、可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有：（1）單片機最基本性能參數(shù)指標。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量，I/O口的引腳數(shù)量等。（2）單片機的某些增強的功能。（3）單片機的存儲介質(zhì)。例如：對于程序存儲器來說，最好選用的是Flash的存儲器。（4）單片機的封裝形式。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、PLCC封裝及表面貼附等。（5）單片機對工作的溫度范圍的要求。例如：在進行設(shè)計戶外的產(chǎn)品時，就必須要選用工業(yè)級的芯片，以達到溫度范圍的要求。（6）單片機的功耗

19、。（7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。（8）單片機技術(shù)的支持網(wǎng)站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手冊，設(shè)計方案舉例，相關(guān)范例程序等。（9）單片機的保密性是否很好，單片機的抗干擾的性能如何等。2.1.2 51系列單片機的功能特點及測距原理單片機即單片微型計算機SCMC（Single Chip MicroComputer）。它把構(gòu)成一臺計算機的主要功能部、器件，如CPU（進行運算、控制）、RAM（數(shù)據(jù)存儲）、ROM（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等）、中斷系統(tǒng)、定時/計數(shù)器等集中在一塊芯片上，所以又稱為微控制器MCU（Microcont

20、roller Unit）。相對于普通微機，單片機的體積要小得多，一般嵌入到其他儀器設(shè)備里，實現(xiàn)自動檢測與控制，因此也稱為嵌入式微控制器EMCU（Embedded Microcontroller Unit)。本設(shè)計的MCU采用的是DIP（Dual In-line Package塑料雙列直插式）封裝的AT89C51高性能8位單片機。AT89C51是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央

21、處理器和Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的AT89C51提供了高性價比的解決方案。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本,其引腳圖如圖1。圖1 51單片機的引腳功能圖2.1.3 AT89C51的引腳功能有： （1）電源引腳VCC（40腳）：正電源的引腳，工作電壓是5 V。GND（20腳）：接地端。（2）

22、時鐘電路的引腳XTAL1和XTAL2為了產(chǎn)生時鐘信號，在89C51單片機的芯片內(nèi)部已經(jīng)設(shè)置了一個反相放大器，其中XTAL1端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端，XTAL2端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。單片機使用的工作方式是自激振蕩的方式，XTAL1和XTAL2外接的是11.0592 MHz的石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時鐘信號。時鐘信號電路如圖 2所示。圖2 時鐘信號電路（3）復(fù)位RST（9腳）當振蕩器運行時，只要有有兩個機器周期即24個振蕩周期以上的高電平在這個引腳出現(xiàn)時，那么就將會使單片機復(fù)位，如果將這個引腳保持高電平，那么51單片機芯片就會循環(huán)不斷

23、地進行復(fù)位。復(fù)位后的P0口至P3口均置于高電平，這時程序計數(shù)器和特殊功能寄存器將全部清零。本課題設(shè)計的單片機復(fù)位電路如圖3所示。圖3 單片機復(fù)位電路圖(4)輸入輸出口（I/O口）引腳P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“l(fā)”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(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F1ash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻（5-10K）。P1口：Pl 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙

24、向I/O口，Pl的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P2口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。P3口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL邏輯門電路。由于P3端口具有第二功能，為廣大電子發(fā)燒友提供了更加廣闊的開發(fā)空間。其第二端口功能如下；a.P3.0 RXD（串行輸入口）b.P3.1 TXD（串行輸出口）c.P3.2 INT0（外中斷0）d.P3.3 INT1（外中斷1）e.P3.4 T0（定時計數(shù)器0外部輸入）f.P3.

25、5 T1（定時計數(shù)器1外部輸入）g.P3.6 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）h.P3.7 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）(5) ALEPROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。(6) PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89S51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的PSEN信號。(7) EAVPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。2.1.4 單片

26、機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是其他拓展系統(tǒng)的最基本的基礎(chǔ)，單片機最小系統(tǒng)是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)即單片機能工作的系統(tǒng)。對于80S51單片機，由于片內(nèi)已經(jīng)自帶有了程序存儲器，所以只要單片機外接時鐘電路和復(fù)位電路就可以組成了單片機的最小系統(tǒng)了。單片機的最小系統(tǒng)如圖4所示。圖4 單片機最小系統(tǒng)原理圖2.2 HC-SR04超聲波測距模塊超聲波測距模塊是超聲波測距系統(tǒng)的核心模塊，它的量度和精度都會影響儀器的使用情況，本設(shè)計選擇的是HC-SR04超聲波測距模塊。2.2.1 HC-SR04超聲波測距模塊特點HC-SR04超聲波測距模塊可提供 2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到

27、 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚?1)采用IO 口TRIG 觸發(fā)測距，給最少10us 的高電平信呈。(2)模塊自動發(fā)送8 個40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；(3)有信號返回，通過IO 口ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2;2.2.2 HC-SRO4超聲波測距模塊實物和電氣參數(shù)(1)圖5為超聲波測距模塊的實物圖，具體接線方式為VCC 供5V電源， GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四個接口端。圖5 HC-SR04測距模塊的實物圖（2）

28、HC-SR04主要技術(shù)參數(shù)： 1）使用電壓：DC5V； 2）靜態(tài)電流：小于2mA； 3）電平輸出：高5V； 4）電平輸出：底0V； 5）感應(yīng)角度：不大于15度； 6）探測距離：2cm-450cm 7:高精度可達0.2cm； 7）接線方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND。2.2.3 HC-SR04模塊的超聲波時序圖時序圖表明只需要提供一個10uS 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8 個40kHz 周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式：uS/58=厘米或

29、者uS/148=英寸；或是：距離=高電平時間*聲速（340M/S）/2；建議測量周期為60ms 以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響，如圖6所示。圖6 超聲波發(fā)射器的時序圖2.2.4超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計超聲波是一種振動頻率超過20 kHz的機械波，它可以沿直線方向傳播，而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠，在介質(zhì)中傳播時遇到障礙物在入射到它的反射面上就會產(chǎn)生反射波。由于超聲波的以上幾個特點，所以超聲波被廣泛地應(yīng)用于物體距離的測量、厚度等方面。而且，超聲波的測量是一種比較理想的的非接觸式的測距方法。超聲波的發(fā)射電路設(shè)計超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機

30、械波發(fā)射出去，而單片機所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實際上就是一個信號的放大電路，本設(shè)計選用MAX232芯片進行信號放大，超聲波發(fā)射電路如圖7所示。 圖7 超聲波發(fā)射電路 工作時，由單片機產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P0.1口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng)MAX232放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。超聲波的接收電路設(shè)計由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路LM2

31、34芯片電路構(gòu)成的，LM234芯片電路可以對超聲波信號進行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機去請求中斷，當即單片機停止計時，并開始去進行數(shù)據(jù)的處理。LM234芯片的前置放大器具有自動增益控制的功能，當測量的距離比較近時，放大器不會過載；而當測量距離比較遠時，超聲波信號微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。LM234芯片的4腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。LM234芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以

32、，能滿足本設(shè)計的要求。超聲波接收電路如圖8所示。圖8 超聲波接收電路2.3 J12864點陣型液晶顯示屏J12864液晶顯示器在使用用上比LED數(shù)字顯示器更加直觀、美觀。2.3.1點陣LCD的顯示原理在數(shù)字電路中，所有的數(shù)據(jù)都是以0和1保存的，對LCD控制器進行不同的數(shù)據(jù)操作，可以得到不同的結(jié)果。對于顯示英文操作，由于英文字母種類很少，只需要8位（一字節(jié)）即可。而對于中文，常用卻有6000以上，于是將ASCII表的高128個很少用到的數(shù)值以兩個為一組來表示漢字，即漢字的內(nèi)碼。而剩下的低128位則留給英文字符使用，即英文的內(nèi)碼。那么，得到了漢字的內(nèi)碼后，還僅是一組數(shù)字，那又如何在屏幕上去顯示呢？

33、這就涉及到文字的字模，字模雖然也是一組數(shù)字，但它的意義卻與數(shù)字的意義有了根本的變化，它是用數(shù)字的各位信息來記載英文或漢字的形狀，如英文的A在字模的記載方式如圖9所示：圖9“A”字模圖2.3.2 J12864點陣型LCD簡介 12864是一種圖形點陣液晶顯示器,它主要由行驅(qū)動器/列驅(qū)動器及12864全點陣液晶顯示器組成?？赏瓿蓤D形顯示，也可以顯示84個(1616點陣)漢字。在使用12864LCD前先必須了解以下功能器件才能進行編程。12864內(nèi)部功能器件及相關(guān)功能如下：1）指令寄存器(IR) IR是用于寄存指令碼，與數(shù)據(jù)寄存器數(shù)據(jù)相對應(yīng)。當D/I=0時，在E信號下降沿的作用下，指令碼寫入IR。2

34、）數(shù)據(jù)寄存器(DR) DR是用于寄存數(shù)據(jù)的，與指令寄存器寄存指令相對應(yīng) 。當D/I=1時，在下降沿作用下，圖形顯示數(shù)據(jù)寫入DR，或在E信號高電平作用下由DR讀到DB7DB0數(shù)據(jù)總線。DR和DDRAM之間的數(shù)據(jù)傳輸是模塊內(nèi)部自動執(zhí)行的。3）忙標志：BF BF標志提供內(nèi)部工作情況。BF=1表示模塊在內(nèi)部操作，此時模塊不接受外部指令和數(shù)據(jù)。BF=0時，模塊為準備狀態(tài)，隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù)。利用STATUS READ指令，可以將BF讀到DB7總線，從檢驗?zāi)K之工作狀態(tài)。4）顯示控制觸發(fā)器DFF此觸發(fā)器是用于模塊屏幕顯示開和關(guān)的控制。DFF=1為開顯示（DISPLAY OFF），DDRAM的內(nèi)容就顯

35、示在屏幕上，DFF=0為關(guān)顯示（DISPLAY OFF）。DDF的狀態(tài)是指令DISPLAY ON/OFF和RST信號控制的。5）XY地址計數(shù)器XY地址計數(shù)器是一個9位計數(shù)器。高3位是X地址計數(shù)器，低6位為Y地址計數(shù)器，XY地址計數(shù)器實際上是作為DDRAM的地址指針，X地址計數(shù)器為DDRAM的頁指針，Y地址計數(shù)器為DDRAM的Y地址指針。X地址計數(shù)器是沒有記數(shù)功能的，只能用指令設(shè)置。Y地址計數(shù)器具有循環(huán)記數(shù)功能，各顯示數(shù)據(jù)寫入后，Y地址自動加1，Y地址指針從0到63。6）顯示數(shù)據(jù)RAM（DDRAM）DDRAM是存儲圖形顯示數(shù)據(jù)的。數(shù)據(jù)為1表示顯示選擇，數(shù)據(jù)為0表示顯示非選擇。DDRAM與地址和顯

36、示位置的關(guān)系見DDRAM地址表。7）Z地址計數(shù)器Z地址計數(shù)器是一個6位計數(shù)器，此計數(shù)器具備循環(huán)記數(shù)功能，它是用于顯示行掃描同步。當一行掃描完成，此地址計數(shù)器自動加1，指向下一行掃描數(shù)據(jù)，RST復(fù)位后Z地址計數(shù)器為0。Z地址計數(shù)器可以用指令DISPLAY START LINE預(yù)置。因此，顯示屏幕的起始行就由此指令控制，即DDRAM的數(shù)據(jù)從哪一行開始顯示在屏幕的第一行。此模塊的DDRAM共64行，屏幕可以循環(huán)滾動顯示64行。3課程的方案論證與設(shè)計本章主要介紹了在制作前的設(shè)計思路和計劃。3.1系統(tǒng)整體方案的論證測量距離方法有很多種，短距離可以用尺，遠距離有激光測距等，超聲波測距適用于高精度中長距離測

37、量。因為超聲波在標準空氣中傳播速度為331.45米/秒，由單片機負責計時，單片機使用11.0592M晶振，所以此系統(tǒng)測量精度理論上可以達到毫米級。 目前比較普遍的測距的原理：通過發(fā)射具有特征頻率的超聲波對被攝目標的探測，通過發(fā)射出特征頻率的超聲波和反射回接受到特征頻率的超聲波所用的時間，換算出距離，如超聲波液位物位傳感器，超聲波探頭，適合需要非接觸測量場合，超聲波測厚，超聲波汽車測距告警裝置等。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、

38、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，本設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。目前超聲波測距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設(shè)計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機為核心的測距儀器可以實現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各

39、方面因素，可以采用AT89C51單片機作為主控制器，它控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開始時間及脈寬，響應(yīng)回波時刻并測量、計數(shù)發(fā)射至往返的時間差。利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波；超聲波信號的接收采用鎖相環(huán)LM567對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控制。一旦探頭接到回波，若接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由RC值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?”（此時鎖相環(huán)已進入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監(jiān)控。可對測得數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并采用溫度補償，使測量誤差降到更低限度；AT89C51還控制顯示電路，用動態(tài)掃描

40、法實現(xiàn)LCD液晶顯示。3.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10所示。它主要由單片機、超聲波發(fā)射及接收電路、超聲波傳感器、LCD液晶顯示器電路及電源電路組成。系統(tǒng)主要功能包括：（1）超聲波的發(fā)射、接收，并根據(jù)計時時間計算測量距離；（2）LCD液晶顯示器顯示距離；（3）當系統(tǒng)運行不正常時，用電平式開關(guān)與上電復(fù)位電路復(fù)位。圖10 超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.3系統(tǒng)的主程序眾所周知C語言程序有利于實現(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計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C語言和匯

41、編語言混合編程。因為本設(shè)計對時間要求精度較高的部分全部由單片機內(nèi)部的定時器完成，而C語言編程被廣泛使用，所以本設(shè)計全部使用C語言編程。單片機發(fā)出40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LCD 顯示。首先，給超聲波測距系統(tǒng)同上5V電壓的電源，打開開關(guān)，LCD顯示器顯示距離為000cm。然后超聲波模塊發(fā)出超聲波，此時定時器開始計時。當超聲波接收模塊收到了超聲波的回波時，計時器停止計時并且把數(shù)據(jù)傳送給單片機進行計算。否則，超聲波發(fā)射裝置繼續(xù)發(fā)出超

42、聲波直到接收到回波。4電子元件焊接（做實物）最后就是制作實物，在制作過程中焊接是主要的手段。依據(jù)PCB所生成的圖來焊接。4.1焊接工具電烙鐵新烙鐵使用前，應(yīng)用細砂紙將烙鐵頭打光亮，通電燒熱，蘸上松香后用烙鐵頭刃面接觸焊錫絲，使烙鐵頭上均勻地鍍上一層錫。這樣做，可以便于焊接和防止烙鐵頭表面氧化。舊的烙鐵頭如嚴重氧化而發(fā)黑，可用鋼挫挫去表層氧化物，使其露出金屬光澤后，重新鍍錫，才能使用。電烙鐵要用220V交流電源，使用時要特別注意安全。應(yīng)認真做到以下幾點：1.電烙鐵插頭最好使用三極插頭。要使外殼妥善接地。2.使用前，應(yīng)認真檢查電源插頭、電源線有無損壞。并檢查烙鐵頭是否松動。3.電烙鐵使用中，不能用

43、力敲擊。要防止跌落。烙鐵頭上焊錫過多時，可用布擦掉。不可亂甩，以防燙傷他人。4.焊接過程中，烙鐵不能到處亂放。不焊時，應(yīng)放在烙鐵架上。注意電源線不可搭在烙鐵頭上，以防燙壞絕緣層而發(fā)生事故。5.使用結(jié)束后，應(yīng)及時切斷電源，拔下電源插頭。冷卻后，再將電烙鐵收回工具箱。4.2焊前處理與焊接技術(shù)焊接前，應(yīng)對元件引腳或電路板的焊接部位進行焊前處理。 焊接時，要保證每個焊點焊接牢固、接觸良好。要保證焊接質(zhì)量。1.右手持電烙鐵。左手用尖嘴鉗或鑷子夾持元件或?qū)Ь€。焊接前，電烙鐵要充分預(yù)熱。烙鐵頭刃面上要吃錫，即帶上一定量焊錫。2.將烙鐵頭刃面緊貼在焊點處。電烙鐵與水平面大約成60角。以便于熔化的錫從烙鐵頭上流

44、到焊點上。烙鐵頭在焊點處停留的時間控制在23秒鐘。3.抬開烙鐵頭。左手仍持元件不動。待焊點處的錫冷卻凝固后，才可松開左手。4.用鑷子轉(zhuǎn)動引線，確認不松動，然后可用偏口鉗剪去多余的引線。 焊接處應(yīng)該錫點光亮，圓滑而無毛刺，錫量適中。錫和被焊物融合牢固。不應(yīng)有虛焊和假焊。虛焊是焊點處只有少量錫焊住，造成接觸不良，時通時斷。假焊是指表面上好像焊住了，但實際上并沒有焊上，有時用手一拔，引線就可以從焊點中拔出。這兩種情況將給電子制作的調(diào)試和檢修帶來極大的困難。只有經(jīng)過大量的、認真的焊接實踐，才能避免這兩種情況。焊接電路板時，一定要控制好時間，太長，電路板將被燒焦，或造成銅箔脫落。從電路板上拆卸元件時，可

45、將電烙鐵頭貼在焊點上，待焊點上的錫熔化后，將元件拔出。制作出的實物如圖11圖11 超聲波測距儀實物結(jié)論結(jié)論 利用51系列單片機設(shè)計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定,能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應(yīng)用中可忽略不計；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，可以通過改變一些硬件的應(yīng)用實現(xiàn)對超聲波的快速鎖定或根據(jù)自己的需要在程序中加入測距軟件補償?shù)拇a，使誤差進一步減小，可以滿足更高要求。 本設(shè)計完整地做出之后可測量十米以內(nèi)的距離。因為超聲波的特性，測距時保

46、證傳感器與被測物間，以及測量軸線上沒有障礙物；且要盡量保證傳感器軸線與被測物表面垂直；實際測距范圍與被測物表面材料等因素有關(guān)，一般不要測量表面為毛料的物體表面。參考文獻參考文獻1 胡萍.超聲波測距系統(tǒng)的研制.計算機與現(xiàn)代化，2003.102 時德剛，劉嘩.超聲波測距的研究.計算機測量與控制，2002.103 華兵.MCS-51單片機原理應(yīng)用.武漢：武漢華中科技大學出版社，2002 .54 李華.MCU-51系列單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學出版 社，1993.65 陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大 學出版社，1999.46 徐淑華，程退安，姚萬生.

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49、721 楊姣秀.基于單片機的超聲波測距儀的設(shè)計.200822 深圳市捷深科技有限公司.HC-SR04超聲波測距模塊說明書23 Tom R.Watt .Cooling our tomorrows economically ，ASHRAE Journal.24 Army Kayla. Improving efficiency in existing chillers with optimization technology ，ASHRAE Journal.25 D.Pearl mutter ， Eerily ， Y.Etzion ，I.A.Meir，H.Di ，Refine theuse of t

50、he evaporation in an experimental down-draft cool tower ，Energys .199526 olton W. Instrumentation&process measurement. Longman Scientific&Technical. 199127 Vizimuller. RF design guide-systems, circuits, and equations M. Boston： Artech House，1995.致謝致謝 從開始做論文到論文基本完成，經(jīng)歷了很長一段時間，從開始的一知半解到現(xiàn)在的全面了解算是經(jīng)歷了一個漫長

51、的過程。在這個過程中有無數(shù)人給了我莫大的幫助。 首先要感謝的是我的指導(dǎo)老師XXX老師。XXX老師在我還沒有頭緒的時候提示我該向哪個方向去思考，在我確定方向后，在我遇到困難的時候提示并幫助我該怎么做。特別是論文的整體設(shè)計給我很大的幫助，還有在我論文都定稿前認真的審閱了我的論文，放棄自己的休息時間，指出我的錯誤和不足的地方，在這里深表感謝！ 其次我要感謝和我度過四年大學生活的同學，因為沒有你們的幫助我是無法順利地完成這個課題的！還有個別同學的專業(yè)知識讓我深表佩服，以及他助人為樂的精神讓我無法忘卻，深深感謝！ 還有我的母校，它給我提供了良好的學習環(huán)境，使我可以在這里學習自己想學習和自己要掌握的知識和技能。學校是個令人難忘的地方，在這里的時間是我無法忘記的。 一定要謝的還有我的父母，他們總是竭盡所能的給我提供更好的環(huán)境，讓我心里充滿感激，感謝之情無法言言喻！ 大學給我留下了我人生不可磨滅的印象，給我留下了美好的回憶。最后祝愿我的母校祝越來越美麗。祝福老師們身體健康，工作順利！同學們都能找到稱心的工作！附錄附錄附錄1 整體電路圖附錄2 程序清單#include /包含單片機寄存器的頭文件#include /包含_nop_()函數(shù)定義的頭文件#defin