畢業(yè)設(shè)計---超聲波測距儀設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計</b></p><p><b>　?。?011屆）</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計主要利用單片機實現(xiàn)控制超聲波測距系統(tǒng)，單片機控制定時器計時、軟件產(chǎn)生約40KHZ的方波信號觸發(fā)發(fā)射傳感器，控制超聲波的發(fā)射

2、和接收。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用AT89s52單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出了能準確測量兩點間距離的超聲波測距儀。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大，整形電路，該電路簡單，調(diào)試工作較小。</p><p>　　該測距儀主要由單片機控制電路、超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路及顯示電路構(gòu)成。利用所設(shè)計出的超聲波測距儀，對不同距離進行了測試，并進行了的誤差分析。該系統(tǒng)

3、電路設(shè)計合理簡單、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量誤差方面能達到簡單工業(yè)實用的要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波測距；AT89s52；超聲波傳感器；定時器；方波信號</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　This ultrasonic ranging system

4、 designer mainly controlled by Micro Control Unit, MCU controls the timer, the software produces about 40KHZ square wave signal triggered emission sensors, to control the transmit and receive ultrasound. The AT89s52 MCU

5、to control the data process and design to accurately measure the distance between two points in the ultrasonic range finder. The Transmitter circuit drives the output from the MCU to send ultrasound directly. Receiver ci

6、rcuit consists of transistor a</p><p><b>　　朗讀</b></p><p>　　顯示對應(yīng)的拉丁字符的拼音</p><p><b>　　字典</b></p><p>　　Key words：ultrasonic distance；AT89s52；ultras

7、onic sensors；timer；square wave；</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 引言 -------------------------------------------------------------------------------------1</p><p>　　2

8、 概述 ---------------------------------------------------------------------------------2</p><p>　　2.1超聲波測距系統(tǒng)概述 ---------------------------------------------------------------2</p><p>　　2.2 設(shè)計方案

9、思路 ------------------------------------------------------------------3</p><p>　　2.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵 ------------------------------------------------------------3</p><p>　　2.4主要設(shè)計技術(shù)指標 -------------

10、-----------------------------------------------------3</p><p>　　3 總體設(shè)計 --------------------------------------------------------------------------------- 4</p><p>　　3.1 發(fā)射傳感器觸發(fā)---------------

11、------------------------------------------------------4</p><p>　　3.2 發(fā)射傳感器驅(qū)動 --------------------------------------------------------------------4</p><p>　　3.3接收信號處理----------------------------

12、----------------------------------------------5</p><p>　　3.4超聲波的衰減 ------------------------------------------------------------------- 11</p><p>　　3.5數(shù)碼管驅(qū)動顯示 -------------------------------

13、-------------------------------- 5</p><p>　　4 硬件設(shè)計 ---------------------------------------------------------------------------------6</p><p>　　4.1 AT89s52單片機 -------------------------------

14、--------------------------------------6</p><p>　　4.2超聲波傳感器---------------------------------------------------------------------------8</p><p>　　4.3超聲波測距 ----------------------------------------

15、-----------------------------------9</p><p>　　4.4數(shù)碼管驅(qū)動------------------------------------------------------------------------11</p><p>　　5 軟件設(shè)計 -----------------------------------------------

16、---------------------------------14</p><p>　　5.1 總體方案 -----------------------------------------------------------------------14</p><p>　　5.2 程序流程 --------------------------------------------

17、------------------------------14</p><p>　　5.3 模塊說明 --------------------------------------------------------------------------14</p><p>　　6 制作與調(diào)試步驟---------------------------------------------

18、--------------------------------18</p><p>　　6.1 硬件電路的布線與焊接 -------------------------------------------------------18</p><p>　　6.2 調(diào)試步驟 --------------------------------------------------------

19、--------------------18</p><p>　　7 系統(tǒng)測試結(jié)果及誤差分析 -------------------------------------------------------------- 18</p><p>　　8 結(jié)論 ----------------------------------------------------------------

20、------------------------20</p><p>　　致謝 ----------------------------------------------------------------------------------------------21</p><p>　　參考文獻 ------------------------------------------

21、----------------------------------------------22附錄 ----------------------------------------------------------------------------------------------23</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　超聲

22、測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可

23、靠等特點。</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。 </p><p>　　本設(shè)計采用AT89s52單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出了能精確測量兩點間距離

24、的超聲波測距儀。該測距儀主要由單片機控制電路、超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路、及顯示電路構(gòu)成。</p><p><b>　　2 概述</b></p><p>　　2.1 超聲波測距系統(tǒng)概述</p><p>　　超聲測距儀是根據(jù)超聲波遇到障礙物反射回來的特性進行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，超聲波在空氣中傳

25、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中斷停止計時。 通過不斷檢測產(chǎn)生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差T，然后求出距離L?；镜臏y距公式為：</p><p>　　L=(△t/2)*C</p><p>　　式中 L——要測的距離 </p><p>　　T——發(fā)射波和反射波之間的時間間隔 </p>

26、<p>　　C——超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為340m/s</p><p>　　聲速確定后，只要測出超聲波往返的時間，即可求得距離L。</p><p>　　超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限; 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為: 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，

27、經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機開始計時，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時。 </p><p>　　超聲波測距有以下幾個方面的發(fā)展趨勢：</p><p>　?。?）價格比較低廉的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于

28、建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。</p><p>　?。?）提高超聲波測距精度的方法，根據(jù)測距系統(tǒng)應(yīng)用具體環(huán)境的不同提高精度的方法，但基本都是圍繞著減小測量渡越時間的誤差和減小環(huán)境溫度的影響兩個方面提出的。</p><p>　　2.2 本設(shè)計方案思路</p><p>　　本設(shè)計以AT89s52單片機為控制核心，產(chǎn)生驅(qū)動信號，超聲波發(fā)射電路，接收電路信號處理，檢測，完

29、成時間的測量為主要設(shè)計內(nèi)容。</p><p>　　單片機編程用引腳端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，去觸發(fā)超聲波發(fā)射傳感器，接收傳感器接收到微弱信號后進行多級放大，濾波，整形，檢波，送到單片機引腳判斷低電平信號。計算測距時間采用定時器計時完成。由時間再轉(zhuǎn)化成距離顯示即可。</p><p>　　2.3 研發(fā)方向和技術(shù)關(guān)鍵</p><p>　?。?）三位

30、數(shù)碼管動態(tài)顯示編程，軟件消影技術(shù)</p><p>　?。?）合理設(shè)計產(chǎn)生40KHZ的方波信號，提高超聲波發(fā)射傳感器的性能；</p><p>　?。?）接收傳感器收到微弱信號的處理，檢測；</p><p>　?。?）52單片機定時器，中斷子程序的控制設(shè)計。</p><p>　　2.4 主要技術(shù)指標</p><p>　　

31、（1）盲區(qū)： 小于30cm</p><p>　?。?）測量范圍： 30cm—300cm</p><p>　　（3）測距誤差： 不超過1cm</p><p>　?。?）顯示電路： 三位 LED數(shù)碼管顯示</p><p><b>　　3 總體設(shè)計</b></p><p>　

32、　按照系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機主控芯片使用Atmel公司的AT89s52系列單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設(shè)計中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，電路簡單。</p><p>　　硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波

33、接收電路四部分。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，從而減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，P1.1端口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的P0口，位碼輸出端口分別為單片機的P2.0、P2.1、P2.2口,數(shù)碼管位驅(qū)運用PNP三極管8850三極管驅(qū)動。</p><p>　　超聲波接收頭接收到反射

34、的回波后，經(jīng)過接收電路處理后，向單片機P1.1輸入一個低電平方波。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器T0計時，當檢測到P1.1由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計時器計時。單片機將測得的時間與聲速相乘再除以2即可得到測量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測得的結(jié)果顯示出來。</p><p>　　3.1發(fā)射傳感器觸發(fā)</p><p>　　由于傳感器的中心頻率是40KHZ，本系

35、統(tǒng)采用的是高精度的12MHZ晶振，方波的周期為1/40ms，即25µs，半周期為12.5µs。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于單片機系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機的時間分辨率是1µs，所以只能產(chǎn)生半周期為12µs或13µs的方波信號，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產(chǎn)生約41.67kHz的方波信號來觸

36、發(fā)超聲波發(fā)射傳感器。</p><p>　　3.2發(fā)射傳感器驅(qū)動</p><p>　　超聲波發(fā)送部份為了簡化電路,沒加設(shè)置專門的超聲波驅(qū)動電路,而是用單片機的P1.0引腳輸出端加了一個上拉電阻后，從而增加驅(qū)動電流，就直接驅(qū)動超聲波發(fā)送頭。理論上，驅(qū)電電壓只有5伏。</p><p><b>　　3.3超聲波的衰減</b></p>&l

37、t;p>　　超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： </p><p>　?。?）擴散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強均隨至聲源的距離的增加而減弱。

38、 </p><p>　?。?）散射衰減:當聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋?（3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時，由于

39、介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。</p><p>　　超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，

40、底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴重。另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。</p><p><b>　　3.4接收信號處理</b></p><p>　　由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要對其進行放大。接收到的信號加到BG1三極管、BG2三極管組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的進行放大。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，

41、即把多個方波波解調(diào)成多個大方波波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。</p><p>　　3.5 數(shù)碼管驅(qū)動顯示</p><p>　　顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的P0口，位碼輸出端口分別為單片機的P2.0、P2.1、P2.2口,數(shù)碼管位驅(qū)運用PNP三極管8850三極管驅(qū)動。軟件編程實現(xiàn)動態(tài)顯示，并且軟件消影。

42、</p><p><b>　　4 硬件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 AT89s52單片機</p><p><b>　　主要性能</b></p><p>　?。?）與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容</p><p>　?。?）8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器<

43、;/p><p>　?。?） 1000次擦寫周期</p><p>　?。?） 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz</p><p>　?。?）32個可編程I/O口線</p><p>　?。?）三個16位定時器/計數(shù)器</p><p><b>　?。?）八個中斷源</b></p><p>

44、　　（8）全雙工UART串行通道</p><p>　?。?）l 低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　（10）掉電后中斷可喚醒</p><p>　?。?1） 看門狗定時器</p><p>　　AT89S52管腳圖</p><p><b>　　功能特性描述</b></p><

45、p>　　AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)F

46、lash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。</p>

47、<p>　　圖4-1單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：A T 8 9s52單片機、晶振、按鍵復位電路、電源濾波部份構(gòu)成。</p><p><b>　　按鍵復位電路原理：</b></p><p>　　按鍵后電容器被短路放電、RST直接和VCC相連，就是高電平，此時進入“復位狀態(tài)”。松手后：電源開始對電容器

48、充電，此時，充電電流在電阻上，形成高電平送到RST，仍然是“復位狀態(tài)”；稍后，充電結(jié)束，電流降為0，電阻上的電壓也將為0，RST降為低電平，開始正常工作。</p><p>　　4.2 超聲波傳感器</p><p>　　超聲波發(fā)生為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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

49、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。它們所產(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。</p><p>　　4.2.1 壓電式超聲波發(fā)生器原理</p><p>　　壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)

50、的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖4-2所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。</p><p>　　圖4-2壓電逆效應(yīng)圖</p>

51、;<p>　　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，

52、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。</p><p>　　采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為40kHz)上施加40kHz的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發(fā)送40kHz頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面

53、為負極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進行振動，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。</p><p>　　現(xiàn)以MA40S2R接收器和MA40S2S發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表4-3示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標稱頻率為40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各

54、自使用并聯(lián)諧振頻率。</p><p>　　表4-3超聲波傳感器MA40S2R/S的特性</p><p>　　圖4-4傳感器的方向性</p><p>　　圖4-4表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。</p><p><b>　　4.3超聲波測距</b>&

55、lt;/p><p>　　超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限; 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為: 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機開始計時，超聲波在空氣中傳播

56、，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時。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化，其對應(yīng)值如表4-5，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離( s ) ，即: s= vt/2</p><p>　　表4-5聲速與溫度的關(guān)系</p><p>　　圖4-6超聲波發(fā)射和接收電路</p><p>　　超聲波發(fā)射、接收電路如圖4-6。超聲

57、波發(fā)射部份由電阻R2及超聲波發(fā)送頭T40板成；接收電路由Q1,Q2組成的兩組三級管放大電路組成；檢波電路、比較整形電路由C6、D2、D3及Q3組成。</p><p>　　40kHz的方波由AT89s52單片機的P 1.0驅(qū)動超聲波發(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，最后輸出一負跳變，輸入單片機的P1.1腳。&

58、lt;/p><p>　　圖4-7 超聲波測距時序圖</p><p><b>　　4.4 數(shù)碼管驅(qū)動</b></p><p>　　數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)數(shù)碼管由7 個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極，通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字,這就是它的工作原理?；镜陌雽w數(shù)碼管是由7 個條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖

59、1 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字"0～9"及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點，增加了1 個點狀</p><p>　　的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為"a，b，c，d，e，f，g，dp"。數(shù)碼管按各發(fā)光二極管電極的連接方式分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種。</p><p>　　共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的

60、陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM 接到地線GND 上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖3 所示。</p><p>　　共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM 接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰</p&g

61、t;<p>　　極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陽數(shù)碼管內(nèi)部連接如下圖：</p><p>　　數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我</p><p>　　們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。</p><p>　?、?動態(tài)顯示驅(qū)動：數(shù)碼管動態(tài)顯示

62、接口是單片機中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示</p><p>　　方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8 個顯示筆劃“a, b, c, d, e, f, g, dp“的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的I/O 線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼

63、管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。通過分時輪流控制各個數(shù)碼管的的COM 端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位數(shù)碼管的點亮時間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，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，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O 端口，而且功耗更低。</p&

64、gt;<p>　?、陟o態(tài)顯示驅(qū)動：靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O 端口進行驅(qū)動，或者使用如BCD 碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O 端口多，如驅(qū)動5 個數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8＝40 根I/O 端口來驅(qū)動，要知道一個89S52單片機可用的I/O 端口才32 ，實際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬件電路

65、的復雜性。</p><p>　　數(shù)碼管的8段，對應(yīng)一個字節(jié)的8位，a對應(yīng)最低位，dp對應(yīng)最高位。所以如果想讓數(shù)碼管顯示數(shù)字0，那么共陰數(shù)碼管的字符編碼為00111111，即0x3f；共陽數(shù)碼管的字符編碼為11000000，即0xc0?？梢钥闯龉碴?，共陰數(shù)碼管兩個編碼的各位正好相反。</p><p>　　圖4-5數(shù)碼管驅(qū)動顯示電路</p><p>　　為此本設(shè)計中采用

66、動態(tài)顯示驅(qū)動數(shù)碼管，并且軟件消影。每一位數(shù)碼管顯示了它前一位要顯示的字符和它本身要顯示的字符的重疊效果。要想避免“拖影”就必須在每位數(shù)碼管顯示完后將其關(guān)閉，我們可以加入“P0 = 0xff;”，這樣各位數(shù)碼管都不會選中，然后下一位再顯示時就不會有影響了，這就是所謂的消“影”。</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計</b></p><p>&l

67、t;b>　　5.1 總體方案</b></p><p>　　該系統(tǒng)的信號產(chǎn)生與數(shù)據(jù)處理傳送部分，由AT89s52單片機主控芯片，方波信號產(chǎn)生，中斷程序，定時器計時，低電平檢測，數(shù)碼管顯示程序設(shè)計。</p><p>　　5.2 主程序流圖</p><p>　　5.3 測距子程序流程圖</p><p>　　對于89s52的程序

68、設(shè)計，由于所需實現(xiàn)的功能較簡單，采用C語言編程的形式。編譯器采用Keil uVision3。該編譯器是52系列單片機程序設(shè)計的常用工具，既可用匯編，也支持C語言編譯。同時具有完善的調(diào)試功能。</p><p>　　5.4主要程序模塊說明</p><p><b>　?。?）主程序：</b></p><p>　　EA=1; //開中斷&

69、lt;/p><p>　　TMOD=0x11; //設(shè)定時器0為計數(shù)，設(shè)定時器1定時</p><p>　　ET0=1; //定時器0中斷允許</p><p>　　ET1=1; //定時器1中斷允許</p><p><b>　　TH0=0x00;</b></p><p><b>　　TL0=0x

70、00;</b></p><p><b>　　TH1=0x9E;</b></p><p><b>　　TL1=0x57;</b></p><p><b>　　csbds=0;</b></p><p><b>　　csbint=1;</b><

71、/p><p><b>　　csbout=1;</b></p><p><b>　　cl=0;</b></p><p>　　opto=0xff;</p><p><b>　　sj1=25;</b></p><p><b>　　sj2=100;<

72、/b></p><p><b>　　sj3=400;</b></p><p>　　TR1=1; //設(shè)定時值1為20ms</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　csbcj(

73、);//調(diào)用超聲波測距程序</p><p>　　if(s>sj3)//大于時顯示"CCC"</p><p><b>　　{</b></p><p>　　buffer[2]=0x39;</p><p>　　buffer[1]=0x39;</p><p>　　buff

74、er[0]=0x39;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else if(s<sj1)//小于時顯示"- - -"</p><p><b>　　{</b></p><p>　　buffer[2]=0x40;</p><p>

75、;　　buffer[1]=0x40;</p><p>　　buffer[0]=0x40;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　else timeToBuffer( );//調(diào)用轉(zhuǎn)換段碼功能模塊</p><p>　　offmsd( );//調(diào)用判斷百位數(shù)為零模塊，百位為零時不顯示</p>

76、;<p>　　scanLED( );//調(diào)用顯示函數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　?。?）數(shù)碼管顯示程序：</p><p>　　digit=0x04; //用于選擇位</p>&

77、lt;p>　　for( i=0; i<3; i++) //3位數(shù)顯示</p><p><b>　　{</b></p><p>　　P2=~digit&opto; //依次顯示各位數(shù)</p><p>　　P0=~buffer[i]; //顯示數(shù)據(jù)送P0</p><p>　　delay(20)

78、; //延時處理</p><p>　　P0=0xff; //P0口置高電平（關(guān)閉）消影</p><p>　　if((P2&0x10)==0) //判斷3位是否顯示完</p><p><b>　　key=0;</b></p><p>　　digit>>=1;

79、 //循環(huán)右移1位</p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　?。?）超聲波測距程序：</p><p>　　void csbcj( ) //超聲波測距子程序</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　

80、　if(cl==1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR1=0;</b></p><p><b>　　TH0=0x00;</b></p><p><b>　　TL0=0x00;</b></p&

81、gt;<p>　　i=20;//超聲波方波個數(shù)10個約40KHZ</p><p>　　while(i--)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　csbout=!csbout;</p><p><b>　　}</b></p><p>&l

82、t;b>　　TR0=1;</b></p><p>　　i=150;</p><p>　　while(i--) //此處延時防止超聲波干擾</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　}</b></p><p

83、><b>　　i=0;</b></p><p>　　while(csbint) //判斷接收回路是否收到超聲波的回波</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　i++;</b></p><p>　　if(i>=2450)//如果達到一定

84、時間沒有收到回波,則將csbint置零,退出接收回波處理程序</p><p><b>　　csbint=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　TH1=0x9E;</b&

85、gt;</p><p><b>　　TL1=0x57;</b></p><p>　　t=TH0;</p><p>　　t=t*256+TL0;</p><p>　　s=(t*csbc/2)+4;//計算測量結(jié)果軟件矯正4cm</p><p><b>　　TR1=1;</

86、b></p><p><b>　　cl=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　（4）中斷程序：</b></p><p>　　void time

87、r1int (void) interrupt 3 using 2 //終斷處理程序，1秒測量一次</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TH1=0x9E;</b></p><p><b>　　TL1=0x57;</b></p><p><

88、b>　　csbds++;</b></p><p>　　if(csbds>=15)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　csbds=0;</b></p><p><b>　　cl=1;</b></p><

89、p><b>　　}}</b></p><p>　　6 制作與調(diào)試步驟</p><p>　　6.1 硬件電路的布線與焊接</p><p>　　6.1.1 總體特點</p><p>　　該系統(tǒng)所涉及的各部分硬件電路，總體的特點是：</p><p>　?。?）電路原理簡單，所用的器件均為常

90、用器件。</p><p>　?。?）利用Altium Designer 6.9畫PCB，制作電路板，方便器件安裝，焊接</p><p>　　6.1.2 電路劃分</p><p>　　為方便焊接與調(diào)試，把電路劃分為兩大塊：</p><p>　?。?）單片機最小系統(tǒng)和數(shù)碼管顯示為一塊電路板；</p><p>　?。?）超

91、聲波測距發(fā)射和接收電路為一塊電路板；</p><p><b>　　6.1.3 焊接</b></p><p>　　焊接前應(yīng)熟悉各芯片的引腳，焊接時參照PCB電路圖，仔細地連接引腳。按照以下原則進行焊接：</p><p>　　（1）先焊接各芯片的電源線和地線，這樣確保各芯片有正確的工作電壓；</p><p>　?。?）同類

92、的芯片應(yīng)順序焊接，在一片焊接并檢查好之后，其他的同類芯片便可以參照第一片進行焊接。這樣便可大大節(jié)省時間，也可降低出錯率。</p><p><b>　　6.2 調(diào)試步驟</b></p><p>　　調(diào)試的步驟是先焊接各個模塊，焊接完每個模塊以后，再進行模塊的單獨測試，以確保在整個系統(tǒng)焊接完能正常的工作，器件安裝完畢后。</p><p>　?。?

93、）首先編寫簡單顯示程序測試觀察數(shù)碼管能否正常顯示，并且在起初發(fā)現(xiàn)動態(tài)顯示時有黑影子，因為采用軟件消影子解決問題。</p><p>　　（2）再調(diào)試超聲波發(fā)射和接收模塊，這個是本設(shè)計的最難點，先是編寫程序讓P1.0引腳產(chǎn)生40KHZ的方波信號，通過示波器測得硬件產(chǎn)生的方波頻率為41.6KHZ，可以符合觸發(fā)發(fā)射傳感器，而且耳朵貼近可以聽到傳感器吱吱的聲音，這個說明發(fā)射傳感器已經(jīng)工作了。通電后將固定在紙盒上的的超聲波頭

94、對著墻面往復移動，看數(shù)碼管的顯示結(jié)果會不會變化，在測量范圍內(nèi)能否正常顯示。</p><p>　　7 系統(tǒng)測試結(jié)果及誤差分析</p><p>　　表7-1是利用本文設(shè)計的測距儀進行實際測量的結(jié)果。由表中數(shù)據(jù)可見, 在30～300cm 范圍內(nèi)誤差相對較??；小于30cm 范圍內(nèi)誤差較大，這是因為超聲波距離測量存在一定范圍的盲區(qū),盲區(qū)的出現(xiàn)是因為發(fā)出信號必須有一個上升時間, 還有當距離太近時計算機

95、系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號, 所以距離小于0.27米測量誤差明顯增加。</p><p>　　300cm以后的數(shù)據(jù)誤差明顯增大, 這是由于發(fā)射功率不夠大, 接收到的信號很微弱, 引入了一些干擾因素。但有軟件編程引入補償數(shù)值后總的實驗結(jié)果誤差在厘米級,基本上可以滿足設(shè)計測量要求。</p><p>　　表7-1系統(tǒng)測試結(jié)果</p><p><b>　　8

96、 結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計方案達到了任務(wù)書的要求，實現(xiàn)了利用超聲波反射測量距離的功能，并且實際測量誤差也較小?；趩纹瑱C設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。</p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著

97、很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設(shè)計，還能進一步提高自己的電路設(shè)計水平，深入對單片機的理解和應(yīng)用。</p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計對于我來說，既是一次機遇，又是一次挑戰(zhàn)。通過這次的畢業(yè)設(shè)計，我學到了很多東西，通過自己的實踐，增強了動手能力。通過實際工程的設(shè)計也使我了解到書本知識和實際應(yīng)用的差別。在實際應(yīng)用中遇到很多的問題，這都需要我對問題進行具體的分析，并一步一步地去解決它。</p><p&

98、gt;<b>　　致謝</b></p><p>　　在這幾個月的時間里，從對課題的理解，方案的設(shè)計，到電路的制作，再到論文的寫作，中間有著自己的努力，更有著老師和同學的關(guān)心和巨大的幫助。</p><p>　　感謝xx老師在很忙的情況下，為我講解課題的要點，引領(lǐng)設(shè)計的思路。他對學生認真負責的態(tài)度讓我由衷地敬佩。</p><p>　　感謝***等同

99、學給予我無私的幫助，他們對我所遇到的難題的解答讓我受益匪淺。</p><p>　　感謝母校和老師們在大學四年中對我的培養(yǎng)。</p><p><b>　　……………</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 一種超聲波測距儀的設(shè)計與實現(xiàn),中國測試技術(shù),2008

100、,6 </p><p>　　[2] 提高超聲波測距精度方法綜述, 電訊技術(shù),2010,9</p><p>　　[3] 基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng), 儀表技術(shù)與傳感器,2007,3</p><p>　　[4] 超聲波測距誤差分析,傳感器技術(shù),2004,3</p><p>　　[5] 單片機原理與C51編程，西安交通大學出版社 &l

101、t;/p><p>　　[6] 高惠芳.單片機原理及系統(tǒng)設(shè)計 杭州電子科技大學電子信息學校，2009</p><p>　　[7] 王安敏,張凱基于AT89C52 單片機的超聲波測距系統(tǒng) 儀表技術(shù)與傳感器</p><p>　　[8] 張珩，劉亞杰AT89C52 超聲波測距倒車防撞報警系統(tǒng) 現(xiàn)代電子技術(shù)</p><p>　　[9] 沙愛軍，基于單