超聲波測(cè)距液晶屏畢業(yè)論文(共26頁(yè))

1、基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)(xtng)設(shè)計(jì)摘要(zhiyo):本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)技術(shù)(jsh)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)前方物體距離的測(cè)量。根據(jù)超聲波指向性強(qiáng),能量消耗慢,在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)的特點(diǎn),利用超生波傳感器對(duì)前方物體進(jìn)行感應(yīng)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)中的程序?qū)Τ暡▊鞲衅靼l(fā)射和接收的超聲波信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算處理，最后將處理結(jié)果在LCD1602上顯示。STC89C52單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng),此系統(tǒng)根據(jù)超聲波在空氣中傳播反射原理,把超聲波傳感器作為接口部件,利用超聲波在空氣中傳播的時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離,設(shè)計(jì)了一套超聲波檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個(gè)基本模塊構(gòu)成，用接

2、收部分接收超聲波。本設(shè)計(jì)利用兩個(gè)中斷，在發(fā)射信號(hào)時(shí)，打開定時(shí)器中斷0和外部中斷0使定時(shí)器計(jì)時(shí)，接收到發(fā)射超聲波信號(hào)時(shí)，外部中斷0關(guān)閉中斷，這時(shí)定時(shí)器中斷0計(jì)錄的時(shí)間就為超聲波傳播經(jīng)過(guò)測(cè)距儀到前方物體的來(lái)回時(shí)間。利用公式S=TV2（V為超生波傳播速度，本設(shè)計(jì)設(shè)定值340m/s）,經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理得到距離值S并且通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)STC89C52，HC-SR04超聲波傳感器，LCD1602目錄(ml)第一章 緒論(xln)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

3、介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減。它也有自已的特性，如它的頻率可以非常高，達(dá)到兆赫級(jí)，因此，它在介質(zhì)中傳播時(shí)能量可以集中在很小的范圍(fnwi)內(nèi)，具有良好的成束性，也就是方向性好。1.有關(guān)于(guny)超聲波的簡(jiǎn)單介紹1.1 課題研究背景超聲波1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?。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

4、位高度的測(cè)量等。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。1.2 課題研究意義由于超聲測(cè)距是一種非接觸2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，對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。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、公路限高料位

5、測(cè)量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別與定位、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)乃至地形地貌探測(cè)等許多領(lǐng)域中?？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(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

6、方面也得到了廣泛的應(yīng)用。1.3國(guó)內(nèi)外相關(guān)(xinggun)研究情況國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)3量主要(zhyo)集中在對(duì)010 m固體和液體的測(cè)量(cling)，一般測(cè)量精度高，回波穩(wěn)定4。近年來(lái)隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)別等方面。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國(guó)外在提高超聲波測(cè)距方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也作了大量相關(guān)的研究。南昌航空工業(yè)學(xué)院的江澤濤5在溫度對(duì)液體中超聲波速度的影響一文中，洋細(xì)地分析了溫度對(duì)超聲波在液體中傳播速度的影響，導(dǎo)出了超聲波速度同液體壓縮系數(shù)及密度的關(guān)系，研究了壓縮系數(shù)及密度同溫

7、度的關(guān)系，進(jìn)而研究了溫度對(duì)聲速及聲時(shí)的影響， 用實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同的液體成分下的聲時(shí)同溫度的關(guān)系。Figneroa JF，Lamancusa JS6在A method for accurate detection of time of arrival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system一文中，提出一種新的計(jì)時(shí)方法，該方法的原理是回波時(shí)延由峰值時(shí)延和相位時(shí)延相加而得，分別用不同的檢測(cè)方法得到峰值時(shí)延和相位時(shí)延，相加后即得回波的傳播時(shí)間。2.課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求主要內(nèi)容根據(jù)所學(xué)知識(shí)，設(shè)計(jì)一個(gè)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。（1）硬件設(shè)計(jì)：選擇單

8、片機(jī)型號(hào)和超聲波模塊，設(shè)計(jì)主要的電路模塊，主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、鍵盤接口模塊、超聲波接口電路模塊和顯示模塊；（2）軟件設(shè)計(jì)：使用Keil C51設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件，并完成聯(lián)機(jī)調(diào)試，軟件設(shè)計(jì)的主要模塊有：系統(tǒng)初始化、鍵盤掃描、超聲波測(cè)距和測(cè)量結(jié)果顯示。 （3）需要(xyo)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)指標(biāo)：探測(cè)(tnc)距離：2cm-450cm 精度(jn d)：可達(dá)10mm 第二章 超聲波測(cè)距原理1.研究方案及選擇1.1方案一：基于ARM7的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)以S3C2410為核心，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該芯片對(duì)其外圍電路的適時(shí)控制,并提供給外圍電路各種所需的信號(hào),包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)和譯碼顯示信號(hào)

9、等等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本，并且由于采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去8。頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40kHz左右，具有一定間隔調(diào)制脈沖波信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。系統(tǒng)由測(cè)距系統(tǒng)、控制和顯示部分組成。發(fā)射電路接收電路S3C2410溫度補(bǔ)償LCD顯示圖2.1基于ARM的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖1.2方案二：采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，主要是在軟件上運(yùn)用VHDL（Very High Speed Integrated C

10、ircuit Hardware Description Language）編寫程序使用MAX+plus II軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高頻率可達(dá)175.4MHz，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,

11、還需要一塊用來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在FPGA中還要用硬件描述語(yǔ)言(VHDL語(yǔ)言)編寫程序來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)編程也復(fù)雜。1.3方案(fng n)三：采用(ciyng)51單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距系統(tǒng)(xtng)采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，再由超聲波發(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(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為340m

12、/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)距障礙物的距離(s)，即：S=vt/2原理框圖如2.2所示。 t 障礙物 s 超聲波發(fā)射 超聲波接收 圖2.2 超聲波的測(cè)距原理方案(fng n)一統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)距、自動(dòng)探傷和實(shí)時(shí)顯示功能，集探傷、測(cè)距等多種功能于一體，所有運(yùn)算、處理、顯示都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化；并且操作(cozu)簡(jiǎn)單。使用方便，所有功能都有按鍵控制；測(cè)量速度快、準(zhǔn)確，結(jié)果顯示直觀；儀器依靠電池供電，設(shè)有低功耗模式；體積小，攜帶方便，適用于室內(nèi)、野外等各種條件下作業(yè)。方案(fng n)三計(jì)硬件簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，測(cè)距范圍適中。測(cè)量誤差可以控制在士1 c m左右。系統(tǒng)軟件采用合理算法，提高了

13、測(cè)量精度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。另外其使用的51系列單片機(jī)以8051為內(nèi)核，兼容MCS-51系列單片機(jī)，內(nèi)部含有Flash存儲(chǔ)器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫；用靜態(tài)時(shí)鐘方式，可以節(jié)省電能；支持ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從電路板取下來(lái)就可以擦寫程序；晶振頻率高達(dá)24M，運(yùn)行速度更快，價(jià)格也比較便宜；增了看門狗電路，防止程序“走飛”，更加安全可靠。與第二種方案相比，第三種使用的是單片機(jī)，編譯語(yǔ)言可以用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以比較簡(jiǎn)單。2.超聲波測(cè)距的原理2.1 超聲波的基本理論 超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保

14、障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(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。超聲技術(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。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動(dòng)輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測(cè)超聲。超聲波是聽覺閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在1010Hz，其中通常的頻率大約在103之間。超聲波在超聲場(chǎng)（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長(zhǎng)與超聲場(chǎng)相比，超聲場(chǎng)很大，超聲波就像處在一種無(wú)限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長(zhǎng)與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲

15、波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過(guò)程中有如下的特性和作用：1 超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生(chnshng)三中形式的振蕩波：橫波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)(zhndng)方向垂直于傳播方向的波；縱波質(zhì)點(diǎn)(zhdin)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。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。 超聲波在氣體和液體中，其傳播速度C=（）式中 介質(zhì)的密度

16、； 絕對(duì)壓縮系數(shù)。 可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度。（T為環(huán)境溫度）。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。 （細(xì)棒） （薄板） （無(wú)限介質(zhì)）式中 E楊氏模具； 泊松系數(shù)； K體積彈性模具； G剪片彈性模。(2)橫波聲速公式為 （無(wú)限介質(zhì)） 在固體中，介于05之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。 2 超聲波的物理性質(zhì)當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面(pngmin)上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰的介質(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，如圖2.1.1所示： (1) 超聲波的反射(fnsh)

17、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(jimin)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，如圖2.1.1所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩式求得：圖 2.1.1 聲波反射 式中：分別為聲波的入射角和反射角； 分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速滿足折射定律關(guān)系式：。當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即，則： 如果sin，入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中沒有折射波。如果超聲波斜入射到兩個(gè)固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時(shí)，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)

18、生反射橫波和折射橫波。(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。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下： 式中：距離聲源x=0處的聲壓(shn y)和聲強(qiáng)； 超聲波(shn b)與聲波間的距離； A衰減系數(shù)，單位(dnwi)為（奈培/厘米）。(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。若以兩個(gè)頻率相同，振幅和不等，波程差為d的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為，其中為波長(zhǎng)。從上式看出，當(dāng)d=0或d=（為整數(shù)）時(shí)，合成振幅達(dá)到最大值；當(dāng)d=時(shí)，合成振幅為最小值。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)d的奇數(shù)倍時(shí)，兩波相互抵消合成幅度為0。由于超

19、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)。 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。(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

20、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。 4 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說(shuō)，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時(shí)，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)空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會(huì)發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動(dòng)作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)頻

21、率相同的微弱的交流信號(hào)。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)(jigu)如下： 圖 2.1.2 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 2.1.3 超聲波外部(wib)結(jié)構(gòu) 2.2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)(xtng)原理在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致有以下方法： 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離； 測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測(cè)距離為 S=12vt。本測(cè)量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本

22、不變 。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ３暡y(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì): 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15時(shí)）。X2是聲波返回的時(shí)刻，X1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，X2-X1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定X2-X1=0.03S，則有340m0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： 圖 2.1.4測(cè)距原理(yunl)超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖(kungt)如

23、下圖所示：LCD顯示單片機(jī)控制器超聲波發(fā)射超聲波接收 圖 2.1.5 系統(tǒng)(xtng)框圖第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì)3.2 超聲波發(fā)射和接收電路設(shè)計(jì)超聲波是一種振動(dòng)頻率超過(guò)20 kHz的機(jī)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(yuǎn)，在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到障礙物在入射到它的反射面上就會(huì)產(chǎn)生反射波6。由于超聲波的以上幾個(gè)特點(diǎn)，所以超聲波被廣泛地應(yīng)用于物體距離的測(cè)量、厚度等方面6。而且，超聲波的測(cè)量是一種比較理想的的非接觸式的測(cè)距方法6。當(dāng)進(jìn)行距離的測(cè)量時(shí)，由安裝在同一水平線上的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，并且同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)7。首先由超聲波發(fā)射探頭向倒車的方向

24、發(fā)射超聲波并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播的途中一旦遇到障礙物后就會(huì)被反射回來(lái)，當(dāng)接收探頭收到反射波后就會(huì)給負(fù)脈沖到單片機(jī)使其立刻停止計(jì)時(shí)6.7。這樣，定時(shí)器就能夠準(zhǔn)確的記錄下了超聲波發(fā)射點(diǎn)至障礙物之間往返傳播所用的時(shí)間t（s）7。由于在常溫下超聲波在空氣中的傳播速度大約為340 m/s7，所以障礙物到發(fā)射探頭之間的距離為：S=340t/2=170t 因?yàn)?yn wi)單片機(jī)內(nèi)部(nib)定時(shí)器的計(jì)時(shí)實(shí)際上就是對(duì)機(jī)器(j q)周期T的計(jì)數(shù)，而本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘頻率fosc取12 MHz，設(shè)計(jì)數(shù)值N，則： T12/fosc=1s t=NTN0.000001（s） S170NT170N/1000

25、000（m） 在程序中按式S170NT170N/1000000計(jì)算距離。3.2.1 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)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(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)選用74LS04芯片進(jìn)行信號(hào)放大，超聲波發(fā)射電路如圖3.5所示。圖3.5 超聲波發(fā)射電路工作時(shí)，由單片機(jī)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(hào)，再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動(dòng)超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。3.2.2 超聲波接收電路設(shè)計(jì)由于超聲波

26、在空氣中的傳播過(guò)程中是有衰減(shui jin)的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)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CX20106A芯片(xn pin)電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大(fngd)、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(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，當(dāng)即單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。CX20106A芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能，當(dāng)測(cè)量的距離比較近時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載；而當(dāng)測(cè)量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號(hào)微弱，前置放

27、大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對(duì)它的帶通濾波器的頻率進(jìn)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(chǎng)對(duì)芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A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，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。超聲波接收電路如圖3.6所示。圖3.6 超聲波接收電路3.2.3 HR-SR04超聲波集成(j chn)模塊1、產(chǎn)品(chnpn)特點(diǎn)：HC-SR04 超聲波測(cè)距模塊(m kui)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。 基本工作

28、原理：(1)采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高電平信號(hào); (2)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； (3)有信號(hào)返回，通過(guò) 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;2、實(shí)物圖：如右圖接線，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。圖一 實(shí)物圖3、電氣(dinq)參數(shù)：電氣參數(shù)HC-SR04 超聲波模塊工作電壓DC 5 V工作電流15mA工作頻率40Hz最遠(yuǎn)射程4m最近射程

29、2cm測(cè)量角度15 度輸入觸發(fā)信號(hào)10uS 的 TTL 脈沖輸出回響信號(hào)輸出 TTL 電平信號(hào)，與射程成比例規(guī)格尺寸45*20*15mm4、超聲波時(shí)序(sh x)圖：圖二、 超聲波時(shí)序(sh x)圖 以上時(shí)序圖表明你只需要提供一個(gè) 10uS 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個(gè) 40kHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式：uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或是：距離=高電平時(shí)間*聲速（340M/S）/2；建議測(cè)量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信

30、號(hào)的影響。注：1、此模塊(m kui)不宜帶電連接(linji)，若要帶電(di din)連接，則先讓模塊的 GND 端先連接，否則會(huì)影響 模塊的正常工作。2、測(cè)距時(shí)，被測(cè)物體的面積不少于 0.5 平方米且平面盡量要求平整，否則影響測(cè)量的結(jié)果5、實(shí)物規(guī)格：復(fù)位電路 單片機(jī)在RESET端加一個(gè)大于20ms正脈沖即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：圖3.2.2 復(fù)位(f wi)電路在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓(diny)同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個(gè)正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即ms。一般(ybn)取R1，C22uF。 當(dāng)人按下按

31、鈕S1時(shí)，使電容C1通過(guò)R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。R1一般取200。3.2.3 時(shí)鐘電路 當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘電路時(shí)，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來(lái)接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3M24M，電容選擇30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容33pF。 圖3.2.3 時(shí)鐘(shzhng)電路3.2.4 按鍵(n jin)電路 我們通過(guò)P1.0來(lái)啟動(dòng)測(cè)量，程序中通過(guò)查詢P1.0的電平來(lái)檢測(cè)是否按鍵(n jin)被按下，電路原理如下： 當(dāng)按下按鍵時(shí)P1.0為低電平，單片機(jī)通過(guò) 查詢到低電平開始測(cè)量距離，當(dāng)松開按鍵，P1.0即為高電平。在軟件中通過(guò)

32、軟件延時(shí)來(lái)消除按鍵的機(jī)械抖動(dòng)。 圖3.2.4按鍵電路3.2.5 蜂鳴器電路報(bào)警(bo jng)模塊通過(guò)(tnggu)單片機(jī)給定不同頻率利用(lyng)蜂鳴器發(fā)出不同聲音。報(bào)警模塊電路圖如圖3.10所示。圖3.10 報(bào)警模塊電路圖3.6 LCD顯示電路 本設(shè)計(jì)采用LCD液晶顯示屏顯示。其具有體積小、功耗低、界面美觀大方等優(yōu)點(diǎn)，這里使用YB1602液晶屏，1602顯示模塊用點(diǎn)陣圖形顯示字符，顯示模式分為2行16個(gè)字符。它具有16個(gè)引腳，其正面左起為第一腳，如下圖所示：第一腳GND：接地。第二腳VCC：+5V電源。第三腳VO：對(duì)比度調(diào)整端。使用時(shí)通過(guò)接一個(gè)10K的電阻來(lái)調(diào)節(jié)。第四腳RS:寄存器選擇信

33、號(hào)線。第五腳RW:讀寫信號(hào)線。第六腳E：使能端，當(dāng)E由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)執(zhí)行命令。第714腳：8位數(shù)據(jù)線D0D7。第十五腳BLA:背光電源正極輸入端。第十六腳BLK:背光電源負(fù)極輸入端。 圖3.5.2 LCD顯示(xinsh)電路操作控制表操作讀狀態(tài)寫指令讀數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)輸入RS=0，RW=1，E=1RS=0，RW=0，D07=指令碼，E=H脈沖RS=1，RW=1，E=1RS=1，RW=0，D07=數(shù)據(jù)，E=H脈沖 表3.6.1 LCD1602操作(cozu)指令 1602液晶模塊(m kui)內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字

34、母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如A。1602通過(guò)D0D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置： (初始化)0011 0000 0 x38設(shè)置162顯示，57點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化)0000 1DCB D顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(1有效)0000 01NS N=1

35、(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1 &光標(biāo)加1)，N=0(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示左移)s=0 當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示不移動(dòng)數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)其他設(shè)置：01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針=0，所有顯示=0)；02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指針 =0)34 系統(tǒng)(xtng)整體電路根據(jù)本章前面對(duì)設(shè)計(jì)的各個(gè)相關(guān)模塊的分別講述講述，再結(jié)合單片機(jī)的引腳功能，從而得到(d do)系統(tǒng)整體電路圖，如圖3.11所示。第四章 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是模塊化的思路

36、來(lái)進(jìn)行(jnxng)設(shè)計(jì)和編寫程序，程序主要由系統(tǒng)主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序完成單片機(jī)的初始化，超聲波的發(fā)射和接收、計(jì)算超聲波發(fā)射點(diǎn)與障礙物之間的距離、數(shù)碼管顯示和蜂鳴器報(bào)警等。系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的主要的功能是發(fā)射超聲波、接受超聲波、計(jì)算測(cè)量距離、數(shù)據(jù)計(jì)算、蜂鳴器報(bào)警和數(shù)碼管顯示。4.1 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu) (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)距離計(jì)算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、 (4)本次(bn c)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(chngx)編譯，Keil功能強(qiáng)大使用方便。主程序