基于51單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(共35頁)

1、 單片機系統(tǒng)(xtng)課程設(shè)計報告書題目(tm)：基于(jy)51單片機的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計院系名稱： 信息工程學(xué)院 專業(yè)名稱： 電子信息工程 班 級： 信息1201B 學(xué) 號： 12341301xx 姓 名： x x 指導(dǎo)教師 禹定臣 PAGE 1 摘 要超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(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。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷(bdun)提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。系統(tǒng)的設(shè)計主要包括兩部

2、分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機電路、發(fā)射電路、接收(jishu)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。我采用以AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示(xinsh)超聲波測距儀的硬件電路。整個電路采用模塊化設(shè)計，由信號發(fā)射和接收、供電、溫度測量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機的計時器開始計時，超聲波被發(fā)射后按原路返回,在經(jīng)過放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機接收,計數(shù)器停止工作并得到時間。溫度測量后送到單片機,通過程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正, 結(jié)合兩者實現(xiàn)超聲波測距的功能。軟件程序主要由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射

3、子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對超聲波速度的校正，還有實現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LED上。另外程序控制單片機消除各探頭對發(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。實際的環(huán)境對超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會使測量差生很大的誤差。再設(shè)計的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。關(guān)鍵詞 AT89C51 超聲波 測距目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327128987 摘 要 PAGEREF _Toc327128987

4、 h 1 HYPERLINK l _Toc327128989 第1章 緒論(xln) PAGEREF _Toc327128989 h 1 HYPERLINK l _Toc327128990 1.1課題背景(bijng)及重要意義 PAGEREF _Toc327128990 h 1 HYPERLINK l _Toc327128994 第2章 超聲波測距原理(yunl)與方法 PAGEREF _Toc327128994 h 5 HYPERLINK l _Toc327128995 2.1超聲波簡介 PAGEREF _Toc327128995 h 5 HYPERLINK l _Toc327128996

5、 2.1.1 超聲波的三種形式 PAGEREF _Toc327128996 h 5 HYPERLINK l _Toc327128997 2.1.2 超聲波的物理性質(zhì) PAGEREF _Toc327128997 h 5 HYPERLINK l _Toc327128998 2.1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用 PAGEREF _Toc327128998 h 5 HYPERLINK l _Toc327128999 2.2超聲波傳感器介紹 PAGEREF _Toc327128999 h 6 HYPERLINK l _Toc327129000 2.2.1 超聲波測距原理及結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc32

6、7129000 h 6 HYPERLINK l _Toc327129001 2.2.2超聲波傳感器選擇 PAGEREF _Toc327129001 h 9 HYPERLINK l _Toc327129002 2.2.3超聲波測距的原理 PAGEREF _Toc327129002 h 9 HYPERLINK l _Toc327129003 2.2.4發(fā)射脈沖寬度 PAGEREF _Toc327129003 h 10 HYPERLINK l _Toc327129006 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc327129006 h 13 HYPERLINK l _Toc327129008 3

7、.1發(fā)射電路設(shè)計方案 PAGEREF _Toc327129008 h 14 HYPERLINK l _Toc327129011 3.2 接收電路設(shè)計 PAGEREF _Toc327129011 h 16 HYPERLINK l _Toc327129013 3.3單片機顯示電路設(shè)計 PAGEREF _Toc327129013 h 17 HYPERLINK l _Toc327129014 3.3.1 LCD顯示部分 PAGEREF _Toc327129014 h 21 HYPERLINK l _Toc327129015 HYPERLINK l _Toc327129018 第4章 軟件設(shè)計和測量結(jié)果

8、分析 PAGEREF _Toc327129018 h 23 HYPERLINK l _Toc327129019 4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc327129019 h 23 HYPERLINK l _Toc327129033 4.2 實現(xiàn)重要功能的程序分析 PAGEREF _Toc327129033 h 28 HYPERLINK l _Toc327129034 4.2.1 實現(xiàn)溫度讀取功能 PAGEREF _Toc327129034 h 28 HYPERLINK l _Toc327129035 4.2.2 實現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速 PAGEREF _Toc327129035 h 29

9、HYPERLINK l _Toc327129036 4.2.3 實現(xiàn)距離計算 PAGEREF _Toc327129036 h 29 HYPERLINK l _Toc327129041 系統(tǒng)原理圖 PAGEREF _Toc327129041 h 34源 HYPERLINK l _Toc327129042 程序 PAGEREF _Toc327129042 h 35 PAGE 33基于單片機的超聲測距系統(tǒng)(xtng)設(shè)計 第1章 緒論(xln)1.1課題背景(bijng)及重要意義近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精

10、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，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(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。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，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、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛

11、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、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?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、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，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到

12、了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，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。第2章 超聲波測距原理(yunl)與方法2.1超聲波簡介(jin ji)超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機械、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)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。該技術(shù)在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率(xio l)特別具有潛在能力。因此，我國對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)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點振

13、動方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟āM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，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，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。(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

14、成一個包括最大最小的揚聲場。2.1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機械作用超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2) 空化作用(zuyng)在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生(chnshng)沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。(3) 熱學(xué)(rxu)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上

15、也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動

16、，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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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 超聲波測距原理及結(jié)構(gòu)電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計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械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，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工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。

17、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，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，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，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(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，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。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，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程(lchng)的遠(yuǎn)近有關(guān)。測試傳

18、輸時間可以得出距離。假定s為被測物體(wt)到測距儀之間的距離，測得的時間為ts，超聲波傳播速度為vms1表示(biosh)，則有關(guān)系式(2-1)s=vt2 (2-1)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(2-2)對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，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。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

19、器有兩大類，即電聲型與流體動力型。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，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。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

20、性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變;相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。A壓電晶片B傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，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，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，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，價格低廉，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

21、和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機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，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。 圖2-3雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2-3所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時，若A片的電場方向(fngxing)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。圖

22、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,并聯(lián)電阻Cm和Lm為機械共振(gngzhn)回路的電容和電感，為損耗串聯(lián)(chunlin)電阻。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率o。發(fā)射超聲波時，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，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，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其

23、上面用引線通過金屬板(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。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。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波;接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。2.2.2超聲波傳感器選擇(xunz)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(zn b)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)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。一般電子市場上出售

24、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，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。本文中選用(xunyng)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傳感器特性參數(shù)表型號UCM-T40K1UCM-R40KQ結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接收中心頻率頻帶寬靈敏度聲壓指向角

25、容量2.2.3超聲波測距的原理超聲波測距方法主要有三種：1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離l。設(shè)l為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計將采用渡越時間法。圖 2-6 測距原理(yunl)由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關(guān)(yugun)，一般來說，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

26、：表2-7 聲速與溫度(wnd)的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米秒）313319325323338344349386在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速c是基本不變的，計算時取c為340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時器測量超聲波傳播時間，利用DS18B20測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為： (2-3)聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離：L=1/2(331.4+0.6T)t。

27、（系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補償）如果為了進(jìn)一步提高測量精度，本設(shè)計中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補償?shù)脑O(shè)計：。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補償）2.2.4發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計中，比較了 25s(l個40KHz方波脈沖)， 100s(4個40KHz方波脈沖)，200s(8個40KHz方波脈沖)， 800s(32個40KHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度

28、，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射 200s(8個40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長距離(2m外)發(fā)射 800s(32個40KHz脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時單片機編程避開盲區(qū)。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。第3章 系統(tǒng)(xtng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收(jishu)電路和溫度補償電路四部分組成。隨著超聲波測量(cling)技術(shù)的不斷提高，用超聲波測量任何目標(biāo)物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。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（

29、都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機械振動彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波），要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點所在。 發(fā)射電路采用單片機P1.0端口編程輸出40KHz左右的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器T0。由于單片機端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測量距離滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器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傳來的超聲波回波很微弱（幾十個mV級），又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮。這里使用CX 20106A集成電路對接收探頭接受到的信號進(jìn)行放大、濾波，信

30、號經(jīng)過P2.7端口送入單片機中進(jìn)行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動態(tài)掃描顯示。通過單片機編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過三位LED數(shù)碼管顯示。3.1 發(fā)射電路設(shè)計超聲波發(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。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由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

31、足測量距離要求，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間。圖3-1 超聲波發(fā)射電路框圖3.1.1發(fā)射(fsh)電路設(shè)計方案一、發(fā)射電路輸出(shch)波形分析1.發(fā)射(fsh)波形的重復(fù)性為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計應(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)射波的各個振動應(yīng)近似為同一頻率的振動，以便接收時可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個振動波峰。為避免

32、超聲波在障礙物表面反射時造成的各種損失和干擾。由于超聲波是換能器壓電晶片振動時推動附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計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。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近;本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個數(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)射信號損失及接收機的靈敏度，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

33、外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20Vp-p，以及單片機正常工作輸出最大電壓5V，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。3.2 接收(jishu)電路設(shè)計接收(jishu)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的機械振動。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信號，而不能提供電流信號。所以需要一個前置放大電路將這一微小交變電壓信號充分放大，同時考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大有用信號的同時加入濾波電路，驅(qū)動后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時刻。前置放

34、大電路單元的作用是對有用的信號進(jìn)行放大，并抑制(yzh)其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計。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，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高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻R、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。由電路的基本知識，可列出:I （3-2)I (3-

35、3)根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念:1.集成(j chn)運放兩個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( chn)稱為虛短。2.集成運放兩輸入(shr)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。故可知本電路中:U，且I所以有 (3-4)上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運算關(guān)系，式中的負(fù)號表示與反相。電路的電壓放大倍數(shù)為: (3-5)利用反相比例放大器可實現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡單，只需要調(diào)節(jié)和阻值即可實現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運放的同相輸入端接有電阻，參數(shù)選擇時應(yīng)使兩輸入端外接直

36、流通路等效電阻平衡，即，靜態(tài)時使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運算放大器的兩個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輸出端的影響，故又稱為平衡電阻。根據(jù)本設(shè)計系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取;，即放大電路將輸入信號放大200倍。3.3單片機顯示電路設(shè)計顯示器是一個典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而己。最簡單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD于顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，選用3位LE

37、D示，表示距離的XXXcm數(shù)值。液晶屏。綜合課題的實際要求由數(shù)碼管，通過單片機編程實現(xiàn)顯示，表示距離的XXXcm數(shù)值。LED數(shù)碼管顯示與單片機接口通常涉及以下幾個問題:1.LED數(shù)碼管顯示用共陰極管還是共陽極管2.由數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息借軟件譯碼還是硬件譯碼3.顯示掃描采用動態(tài)掃描還是靜態(tài)掃描問題1采用共陰極數(shù)碼管還是共陽極數(shù)碼管沒有太明顯的優(yōu)缺點。如圖3-4（a）所示數(shù)碼管，每個數(shù)碼管內(nèi)部，由8個發(fā)光二極管組成，其中七個組成8字形的七段筆劃，分別編號為a、b、c、d、e、f、g，還有一個為小數(shù)點，標(biāo)為DP。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一段筆劃或點就發(fā)亮，控制不同二極管導(dǎo)通就能顯示出不同符號。發(fā)光

38、二極管的陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，如圖3-4（b）所示；發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽，如圖3-4（c）所示。兩種數(shù)碼管僅在單片機編程時數(shù)碼對應(yīng)的筆劃信息碼不同。 圖3-4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖問題2軟件譯碼是將各數(shù)碼的筆劃信息構(gòu)成一個表格預(yù)儲于內(nèi)存，以后根據(jù)要顯示的每一數(shù)碼執(zhí)行一段查表程序，查得相應(yīng)筆劃信息再送數(shù)碼管顯示;硬件譯碼則采用(ciyng)CD4511、74LS46、74LS47、74LS48、74LS49等BCD碼七段鎖存、譯碼、驅(qū)動芯片直接譯出筆劃信息。問題3動態(tài)(dngti)掃描顯示接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個筆劃段ah同名端

39、連在一起，而每一個顯示器的公共極COM是各自獨立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時顯示哪一位了。而所謂動態(tài)掃描就是指我們采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間(shjin)是極為短暫的(約1ms)，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)，不會有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點亮LED數(shù)碼管無位

40、選信號，各數(shù)碼管是同時點亮的;每數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時送給。其原理比較簡單。靜態(tài)掃描顯示編程容易，顯示比較清晰，亮度一般較高;但要求占用很多I/O接口線和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，動態(tài)掃描用得更多。圖3-5 顯示(xinsh)部分電路圖針對以上3個問題，實際考慮節(jié)約單片機的接口資源以及(yj)減少硬件芯片成本投入，本單元電路設(shè)計如圖3-5所示，采用3位共陰極數(shù)碼顯示管，顯示字符由單片機P2口送至鎖存器74HC574鎖存，再經(jīng)顯示驅(qū)動芯片ULN2O03驅(qū)動數(shù)碼管顯示，P0.1-P0.3分別控制每一位的動態(tài)顯示。74HC574為三態(tài)輸出(shch)D型上升沿觸發(fā)器，圖3-6為

41、其引腳圖，在輸入使能端有效時，當(dāng)時鐘脈沖CK有上升沿跳變，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將鎖存的8路輸入數(shù)據(jù)(shj)(即單片機P2口送出的字符數(shù)據(jù))送出顯示。其功能表，如表3-1所示。OE 1 20 Vcc 1B 1 16 1C1D 2 19 1Q 2B 2 15 2C2D 3 18 2Q 3B 3 14 3C3D 4 17 3Q 4B 4 13 4C4D 5 16 4Q 5B 5 12 5C5D 6 15 5Q 6B 6 11 6C6D 7 14 6Q 7B 7 10 7C7D 8 13 7Q 8B 8 9 COM 8D 9 12 8Q9D 10 11 CLK圖3-6 74HC574引腳圖 圖3-7 U

42、LN2003引腳圖表3-1 74HC574功能表INPUTSOUTPUT Q CLK DL HL L L H or L XH X XHLQ0ZULN2003為顯示(xinsh)驅(qū)動芯片，抬升單片機的輸出電流，提高負(fù)載驅(qū)動能力。其引腳如圖3-7所示，其內(nèi)部含七對達(dá)林頓放大管，其主要功能:當(dāng)輸入為高電平時，輸出為低電平;輸入為低電平時，輸出為高電平。本課題讓單片機P0.1-P0.3經(jīng)此芯片提升驅(qū)動能力從而控制數(shù)碼管的位選，實現(xiàn)數(shù)據(jù)動態(tài)掃描輸出。由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補償功能。這里采用的主要元器件是是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS

43、18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機的P1.1口相連，就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖3-8所示。圖 3-8 DS18B20 溫度測量電路 3.3.1 LCD顯示(xinsh)部分本設(shè)計顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測距離值。TC1602顯示的容量為2行16個字。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，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀(migun)。使用時，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。圖 3-9 TC1602液晶顯示電路 其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳R

44、W為讀寫信號線，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，單片機端的D0D7是接到LCD602的D1D0，正好相反(xingfn)，因此在編寫軟件時需要做處理，使讀取正確。第4章 軟件設(shè)計和測量(cling)結(jié)果分析4.1系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計系統(tǒng)(xtng)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)溫度補償與距離計算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、溫度補償子程序等；(4)本次設(shè)計使用

45、C語言編寫程序，C語言相比匯編有許多的優(yōu)勢；編譯器使用Keil Version2進(jìn)行程序編譯，Keil功能強大使用方便。主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個子程序的調(diào)度管理等部分。如圖4-1所示描述了各個模塊的關(guān)系：圖 4-1系統(tǒng)軟件方框圖系統(tǒng)主程序：本設(shè)計(shj)主程序的思想如下：(1)溫度(wnd)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(mnz)該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次。(3)按鍵S為測量啟動鍵；(4)系統(tǒng)采用AT89S52的內(nèi)時鐘：12MHz；(5)沒有使用看門狗功能

46、；(6)超聲波發(fā)送一定時間后才開始啟動檢測，避免直達(dá)信號造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為112mm；系統(tǒng)主程序如下：void main(void)uchar i,j;for(i=0;i255;i+)for(j=0;j255;j+); sys_init(); display(); sta_flag=0; waitforstarting: while(START);for(i=0;i20;i+)delay1ms();if(START)goto waitforstarting;BUZZER=0; i=100000;while(i-);BUZZER=1;i=100000;while(i-);TR0=1;

47、 ET0=1;testtemp(); while(1) if(sta_flag) while(0=CSBIN); TR1=0;jsh=TH1; jsl=TL1;if(15=count) temp=wd(); count=0;testtemp(); display(); computer(); hextobcd(); sta_flag=0; void sys_init(void) uchar i;for(i=0;i0 x1000)c=c+1;tu=1; c=4; return c;elsereturn r; 4.2.2 實現(xiàn)根據(jù)溫度(wnd)轉(zhuǎn)化聲速 int C_speed(void) ucha

48、r y; y=Read_Temperature(); if(r) T_C=y; if(tu=0)speed=332+T_C*0.607; else speed=332-T_C*0.607; else speed=346.5; return speed;4.2.3 實現(xiàn)距離(jl)計算float Dis_count()float cm;cm=TH1*256+TL1;cm-=7610; cm*=speed; cm/=20000; return cm;系統(tǒng)(xtng)原理圖源程序#include#include#include#define uchar unsigned char#define ui

49、nt unsigned intuchar code dispBUF33=Temperature: Distance: mm ;uchar numcode10=0,1,2,3,4,5,6,7,8,9;uint num29=0;uchar jsh,jsl; /計數(shù)器的高低(god)位uchar count=0; /10秒計次數(shù)(csh)uint distance; /距離(jl)uint temp; /溫度變量uchar bdata flag; /DS18B20存在標(biāo)準(zhǔn) sbit RS=P20; /LCD RSsbit RW=P21; /LCD RWsbit E =P22; /LCD Esbit

50、DQ=P27; /DS18B20數(shù)字端口sbit Busy = P07; /LCD 忙void Delay(uint time);void delay1ms(uint ms);void delay();void delay15(uchar us);void BUMA(void);void B20_WDAT(uchar dat);uchar B20_RDAT(void);void Init_18B20(void); /初始化18B20void Write_Comm(uchar); /寫入LCD命令 void Write_Data(uchar); /寫入LCD數(shù)據(jù)void Init_LCD(voi

51、d);sbit sta_flag =flag0; /10MS到標(biāo)準(zhǔn)位，flag即通用標(biāo)志位，當(dāng)sta_flag=1時，表示到了10ms sbit fuhao =flag1; /溫度的符號位sbit START =P10; /啟動(qdng)測距sbit CNT =P25; /發(fā)射(fsh)超聲波sbit CSBIN =P26; /返回(fnhu)信號sbit BUZZER =P37; /*定時器1溢出*/void timer1(void)interrupt 2 using 1TR1=0;/關(guān)閉定時器/計數(shù)器1/*定時器0溢出中斷函數(shù)，每60MS溢出*/void timer0(void)inte

52、rrupt 1 using 0/定時器0 TH0=0 x15;TL0=0 xA0;/定時器0設(shè)定初值TH1=0;TL1=0;/計數(shù)器1清零sta_flag=1;count+;_nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_();CNT=1; _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); CNT=0;_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();TR1=1;delay15(50); /*系統(tǒng)初始化*/void SYS_

53、INIT() uchar i;for(i=0;i29;i+) numi=0;TMOD=0 x11; TH0 =0 x15; TL0 =0 xA0; P0 =0;CNT=0; CSBIN=1; EA =1; /*距離(jl)計算*/void JULIJS() float c,d,s;uint t;if(temp0 x8000) c=331.4+0.61*temp*0.0625; elsec=331.4-0.61*temp*0.0625;t=jsh*256+jsl-120; d=(c*t*0.001)/2;d*=d;s=d-7.98;distance=sqrt(s); / /*轉(zhuǎn)換成2進(jìn)制*/vo

54、id HEXtoBCD()float tp;unsigned long int tmp;fuhao=0;if(temp0 x8000)tp=temp*0.0625;else BUMA();tp=temp*0.0625;fuhao=1;tp*=10; tmp=tp;num12=tmp/100;if(fuhao)num12=num12|0 x80; num13=tmp/10-(tmp/100)*10;tmp=distance;num25=tmp/1000;tmp%=1000;num26=tmp/100;tmp%=100;num27=tmp/10;tmp%=10;num28=tmp/1; /*溫度轉(zhuǎn)換(zhunhun)函數(shù)*/void TESTTEMP()Init_18B20(); if(flag)B20_WDAT(0 xCC); B20_WDAT(0 x44); /*讀取溫度(wnd)函數(shù)*/uint GET_WD(void)uint a = 0, b = 0, t = 0;Init_18B20();B20_WDAT(0 xCC); B20_WDAT(0 xBE); a = B20_RDAT(); b = B20_RDAT(); ）t = b;t 0; i