數(shù)字超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)論文[帶圖紙]

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　由于現(xiàn)代生產(chǎn)要求，人們發(fā)現(xiàn)需要實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的生產(chǎn)測(cè)距，而超聲波測(cè)距是一種性能良好的測(cè)距方式，主要應(yīng)用于倒車(chē)?yán)走_(dá)、工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，本文設(shè)計(jì)了一種以AT89S51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化LED顯示超聲波測(cè)距儀，并使用一些常用的芯片如：74LS04等。系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接受放大電路以及顯示電路構(gòu)成。

2、由芯片AT89S51控制計(jì)算超聲波從發(fā)射到接受的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。本系統(tǒng)具有易檢測(cè)、軟件功能完善，工作可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本文論述了單片機(jī)技術(shù)研制成功的超聲波測(cè)距儀的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)方案。采用軟件矯正，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。實(shí)際使用表明，極大的提高了安全性、可靠性和準(zhǔn)確度。</p><p>　　關(guān)鍵詞 測(cè)距儀；超聲波；傳感器；單片機(jī)&l

3、t;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Because of modern production requirements, it was discovered that the need to achieve the production of non-contact distance measurement, and ultraso

4、nic distance measurement is a good performance of the ranging approach is mainly used in reversing radar sites as well as some industrial field,this paper designed a to AT89S51 MCU as the core of the low-cost,high-precis

5、ion,micro-LED display of ultrasonic range finder,and use some commonly used devices such as:74LS04,etc..System consists of microcon</p><p>　　This paper discusses the successful development of microcomputer t

6、echnology,the basic principles of ultrasonic range finder,measurement method of calculating implementations.Use of software calibration,improved accuracy and machine reliability.The actual use of that greatly improves sa

7、fety,reliability and accuracy.</p><p>　　Keywords distance meter;ultrasonic;sensor;microcontroller</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要.........................................

8、................... I</p><p>　　Abstract....................................................... II</p><p>　　第1章 概述..................................................... 1</p><p>　　1.1

9、設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀............................................... 1</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)的思路............................................... 1</p><p>　　1.3設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)......................................... 1</p>

10、;<p>　　第2章 超聲波測(cè)距的原理.......................................... 3</p><p>　　2.1超聲波的介紹............................................. 3</p><p>　　2.1.1什么是超聲波.....................................

11、.. 3</p><p>　　2.1.2超聲波的特性及特點(diǎn)................................. 3</p><p>　　2.1.3超聲波的應(yīng)用....................................... 3</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距儀的原理..................................

12、..... 4</p><p>　　2.2.1超聲波發(fā)生器....................................... 4</p><p>　　2.2.2壓電式超聲波發(fā)生器的原理........................... 4</p><p>　　2.2.3超聲波測(cè)距的原理.................................

13、.. 4</p><p>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì).................................................. 7</p><p>　　3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)................................................. 7</p><p>　　3.2芯片AT89S51介紹...............

14、.......................... 7</p><p>　　3.3傳感器的選取............................................ 10</p><p>　　3.3.1傳感器的定義及作用................................ 10</p><p>　　3.3.2傳感器德特性.......

15、............................... 10</p><p>　　3.3.3傳感器的選用...................................... 10</p><p>　　3.4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)........................................ 13</p><p>　　3.5測(cè)距顯示電路設(shè)計(jì)

16、........................................ 13</p><p>　　3.6超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì).................................... 15</p><p>　　3.7超聲波接受電路的設(shè)計(jì).................................... 16</p><p>　　3.8探

17、測(cè)電路的設(shè)計(jì).......................................... 16</p><p>　　3.9系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì).......................................... 17</p><p>　　第4章 系統(tǒng)的調(diào)試............................................... 20</p>

18、;<p>　　4.1軟硬件的調(diào)試............................................ 20</p><p>　　4.2儀器精度分析及如何提高超聲波測(cè)距精度.................... 20</p><p>　　結(jié)論..........................................................

19、 23</p><p>　　致謝........................................................... 25</p><p>　　參考文獻(xiàn)....................................................... 26</p><p>　　附錄1..................

20、........................................ 27</p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀</b></p><p>　　目前國(guó)內(nèi)一般使用專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是專(zhuān)用集成電路的成本很高，并且顯示距離也比較困難，操作使用也

21、不是很方便，而本設(shè)計(jì)研究的測(cè)距儀成本低廉，性能優(yōu)良，市場(chǎng)前景極為廣闊，對(duì)提高我國(guó)汽車(chē)工業(yè)實(shí)際水平，具有較大的時(shí)間意義，在整個(gè)倒車(chē)過(guò)程中自動(dòng)測(cè)量車(chē)尾到最近障礙物的距離，并用數(shù)字顯示出來(lái)，在倒車(chē)到極限距離時(shí)會(huì)發(fā)出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車(chē)。本設(shè)計(jì)可望成為駕駛員特別是貨車(chē)以及公共汽車(chē)駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車(chē)如冷藏車(chē)、集裝箱車(chē)、垃圾車(chē)、食品車(chē)、載貨車(chē)、公共汽車(chē)等的倒車(chē)交通事故，另外還特別適用于夜間輔助倒車(chē)、

22、倒車(chē)入庫(kù)以及進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)停車(chē)到位，甚至還能防止盜賊扒車(chē)。</p><p>　　展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要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(mǎn)足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿(mǎn)足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛

23、艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無(wú)庸置疑，未來(lái)的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。</p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)的思路</b></p>&

24、lt;p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用以AT89S51單片機(jī)為核心，來(lái)設(shè)計(jì)一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀。</p><p>　　超聲波測(cè)距可測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再在LED上顯示出來(lái)。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，以用來(lái)控制電路的工作狀態(tài)。限制的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度，反射面的質(zhì)地，反射面和入射波之間的夾角以及接受換能器的靈敏度。接受換能器

25、對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成。</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)位置監(jiān)控，也可用于如液位、井

26、深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。要求測(cè)量范圍在1.10-4.00m，測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果，能夠手工設(shè)定報(bào)警量值。</p><p>　　系統(tǒng)組成的設(shè)計(jì)：各部分硬件的選取很有講究，要十分合理。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是：</b></p><p>　　超聲波信號(hào)的接收、發(fā)射的設(shè)計(jì)</p

27、><p><b>　　顯示電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　流程圖及程序的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　2.1 超聲波的介紹</p><p>　　2.1.1 什么是超聲波</p><p>　　

28、聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物體的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過(guò)空氣煤質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。</p><p>　　超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)射器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感

29、器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在接收回波的時(shí)候，則將超聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。</p><p>　　2.1.2 超聲波的特性及特點(diǎn)</p><p>　　超聲波具有如下特點(diǎn)：</p><p>　　超聲波可以在氣體、液體、固體、固溶體等介質(zhì)中有效傳播。</

30、p><p>　　超聲波可傳播很強(qiáng)的能量。</p><p>　　超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。</p><p>　　超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。</p><p><b>　　超聲波具有的特點(diǎn)：</b></p><p>　　超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中

31、。</p><p>　　超聲波能在各種不同煤質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。</p><p>　　超聲與傳聲煤質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲煤質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶嘿|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。（治療）</p><p>　　超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超

32、聲波的煤質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波以直線方式傳播，頻率越高，環(huán)繞能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，這就使得超聲波使用變得非常簡(jiǎn)單。</p><p>　　2.1.3 超聲波的應(yīng)用</p><p>　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用與倒車(chē)?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)

33、現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)與否。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。超聲波測(cè)距作為輔助視覺(jué)系統(tǒng)與其他視覺(jué)系統(tǒng)（如CCD圖像傳感器）配合使用，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)視覺(jué)功能，具有自動(dòng)探測(cè)前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車(chē)的功能，是未來(lái)高級(jí)小汽車(chē)和載重車(chē)輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、

34、美國(guó)和歐洲等各大汽車(chē)公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪﹂_(kāi)發(fā)在高級(jí)汽車(chē)上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒-克萊斯勒公司日前成功開(kāi)發(fā)出供商用車(chē)（尤指卡車(chē)）使用的電子剎車(chē)系統(tǒng)，它利用車(chē)載前視雷達(dá)感應(yīng)器探測(cè)前方景物，由車(chē)載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來(lái)判斷當(dāng)前路況是否需要啟動(dòng)自動(dòng)剎車(chē)裝置。</p><p>　　2.2 超聲波測(cè)距器的原理</

35、p><p>　　2.2.1 超聲波發(fā)生器</p><p>　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)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(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，另一類(lèi)是機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括電壓型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液銷(xiāo)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)

36、生器。</p><p>　　2.2.2 壓電式超聲波發(fā)生器的原理</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩級(jí)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，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為

37、超聲波接收器了。</p><p>　　2.2.3 超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。它通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S。一般采用渡越時(shí)間法：即S=CT/2，其中S為測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)量物體之間的距離，C為聲波在介質(zhì)（此處為空氣）中的傳播速度，T為超聲波發(fā)射

38、到返回的時(shí)間間隔。</p><p>　　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。下表列出了幾種溫度下的聲速：</p><p>　　表2-1 聲速與溫度的關(guān)系表</p><p>　　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，則可通過(guò)改變硬件電路增加

39、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。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為：</p><p><b>　　(式2-1)</b></p><p>　　聲速確定后，只要測(cè)的超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。</p><p>　　由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)

40、中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，另一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量低速行駛車(chē)輛與飛機(jī)的距離，當(dāng)車(chē)輛與飛機(jī)的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車(chē)輛與飛機(jī)之間的距離

41、，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車(chē)輛與飛機(jī)碰撞、拖掛等事故。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51單片機(jī)系統(tǒng)和聲光報(bào)警、距離顯示等設(shè)備組成。如圖2-1所示</p><p>　　圖2-1 超聲波測(cè)距報(bào)警裝置原理框圖</p><p>　　發(fā)射部分由高頻率振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲波換能器組成。單脈沖發(fā)生器在振蕩器的每個(gè)周期內(nèi)都被觸發(fā)，產(chǎn)生固定脈寬的脈

42、沖序列，來(lái)自單片機(jī)的編碼信號(hào)對(duì)脈沖序列進(jìn)行編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大后，通過(guò)超聲換能器發(fā)射超聲波。</p><p>　　接收部分由超聲換能器、接收放大器和編碼解調(diào)器組成。接收到的超聲波發(fā)射信號(hào)經(jīng)超聲換能器轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)后，送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，并通過(guò)距離顯示器顯示車(chē)輛與飛機(jī)之間的距離，當(dāng)該距離小于設(shè)定的告警距離時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。</p><p>　　在多臺(tái)車(chē)輛同時(shí)作業(yè)時(shí)，某臺(tái)車(chē)輛發(fā)射的超

43、聲波信號(hào)可能被其他車(chē)輛接收，從而因造成系統(tǒng)混亂而產(chǎn)生誤報(bào)。為解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)對(duì)不同的車(chē)輛進(jìn)行不同的編碼調(diào)制，使每輛車(chē)只能接收到其本身發(fā)射的信號(hào)。</p><p>　　為有效消除干擾，編碼調(diào)解采用積累檢測(cè)解調(diào)。V1為被放大后的含有干擾的接收信號(hào)，經(jīng)門(mén)限檢測(cè)電路與門(mén)限電壓V0比較后輸出脈沖V2（當(dāng)V1>V2時(shí)，輸出脈沖，反之無(wú)輸出）。單穩(wěn)電路1和單穩(wěn)電路2相互配合與或非門(mén)共同構(gòu)成一個(gè)可以重新觸發(fā)的單穩(wěn)電路，通

44、過(guò)此單穩(wěn)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖序列的延時(shí)積累，其輸出為V3，V3經(jīng)積分器積分后輸出V4，最后經(jīng)整形電路整形后輸出，V5并送入單片機(jī)處理。</p><p>　　系統(tǒng)中的發(fā)射和接收部分由單片機(jī)控制輪流工作。在單片機(jī)編碼發(fā)送完畢后，即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉發(fā)射部分的單脈沖發(fā)生器；當(dāng)接收一定時(shí)間后再轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)重發(fā)編碼時(shí)，同時(shí)關(guān)閉接收放大器。因此，為保證測(cè)距正確，接收時(shí)間必須根據(jù)實(shí)際量程來(lái)限制時(shí)，眾所周知，聲波傳播的距離s、速

45、度c及傳播時(shí)間t之間的關(guān)系為：若系統(tǒng)量程為5m，則接收時(shí)間T應(yīng)滿(mǎn)足：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)

46、作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示：</p><p><b>　　電聲</b></p><p>　　圖3-1 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)框圖</p><p>　　系統(tǒng)框圖中的單片機(jī)AT89S51用來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)單元，超聲波接收電路用來(lái)接收要接收的信號(hào)，超聲波發(fā)射電路

47、用來(lái)發(fā)射需要發(fā)射的信號(hào)，存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)接收的信號(hào)，用數(shù)碼管LED顯示距離。</p><p>　　3.2 芯片AT89S51介紹</p><p>　　3.2.1 AT89S51單片機(jī)的概述</p><p>　　由于此單片機(jī)應(yīng)用在測(cè)距儀上，所以本設(shè)計(jì)選用了低功耗、低價(jià)格、小管腳（40腳）的AT89S51單片機(jī)。如圖3-2所示：</p><p>　

48、　AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80S51引腳結(jié)構(gòu)，AT89S51具有40個(gè)引腳，4K Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門(mén)狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器

49、。</p><p><b>　　引腳功能介紹：</b></p><p><b>　　Vcc:電源電壓。</b></p><p><b>　　GND:地。</b></p><p>　　P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)

50、動(dòng)8個(gè)TTL。</p><p>　　邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)：“1”可作為高阻抗輸入端用。</p><p>　　在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。</p><p>　　圖3-2 AT89S51芯片引腳圖</p><p>　　在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序

51、校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。</p><p>　　Flash編程和程序校驗(yàn)期間，

52、P1接收低8位地址。</p><p>　　表3-1 P1口的功能</p><p>　　5、P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。</p><

53、p>　　Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其他控制信號(hào)。</p><p>　　P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門(mén)電路。對(duì)P3口寫(xiě)入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端口，作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。</p><p>　　P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要

54、的用途是它的第二功能，如表3.2所示：</p><p>　　表3-2 P3口的功能</p><p>　　7、RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFRAUXR的DISRTO位（地址8EH）可打開(kāi)或關(guān)閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開(kāi)狀態(tài)。</p><p>　　8

55、、ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。</p><p>　　9、EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電

56、平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。</p><p>　　如EA端為高電平（接Vvv端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。</p><p>　　Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。</p><p>　　10、PSEN：程序存儲(chǔ)允許輸出時(shí)外部程序存儲(chǔ)器的讀選信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令

57、或數(shù)據(jù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期為兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的PSEN信號(hào)。</p><p>　　XTAL1：振蕩器反向放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　XTAL2：振蕩器反相放大器的輸入端。</p><p>　　3.3 傳感器的選取</p><p>　　3.3.1 傳感器的定義及作用<

58、;/p><p>　　一、廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)（IEC:International Electrotechnical Committee）的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理（模擬或數(shù)字）能力的傳感器”。

59、傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。</p><p><b>　　二、傳感器的作用</b></p><p><b>　　1、信息的收集；</b></p><p>　　2、信息數(shù)據(jù)的交換；</p><p>　　3、控制信息的采集。</p><p>　

60、　3.3.2 傳感器的特性</p><p>　　1、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好；</p><p>　　2、防塵耐濕、耐高低溫、耐沖擊、耐振動(dòng)等嚴(yán)酷環(huán)境條件；</p><p>　　3、收發(fā)兼用，使用方便。</p><p>　　3.3.3 傳感器的選用</p><p>　　超聲波傳感器千差萬(wàn)別，即使對(duì)于相同種類(lèi)的測(cè)定量也

61、可以采用不同工作原理的傳感器，因此要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)綜合考慮了測(cè)量條件、傳感器的性能和傳感器的使用條件三方面，選用MA40S2R接收器和MA40S2S發(fā)送器。傳感器的標(biāo)稱(chēng)頻率為40KHz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。超聲波傳感器的符號(hào)及等效電路如圖3-3：</p><p>　　

62、圖3-3 傳感器符號(hào)及等效電路圖</p><p>　　超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分在標(biāo)稱(chēng)頻率附近使用，為此，要采用措施擴(kuò)展頻帶，比如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率要大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整與阻抗匹配。</p><p>　　圖3-4為MA40S2R/S傳感器的頻率特性，由圖知，發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱(chēng)頻率為中心逐

63、漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免溢出標(biāo)稱(chēng)頻率。</p><p>　　圖3-4 傳感器頻率特性</p><p>　　圖3-5為MA40S2R/S傳感器的方向性特性，傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防范報(bào)警裝置等。</p><p>　　圖3-5 傳感器方向性特性</p><p>　　圖3-6表示傳感器

64、的溫度隨頻率的變化特性，對(duì)于這種傳感器，溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。</p><p>　　圖3-6 溫度頻率特性曲線圖</p><p>　　圖3-7表示阻抗隨頻率變化的特性。</p><p>　　圖3-7 阻抗頻率特性曲線圖</p><p>　　經(jīng)分析可知，頻率為4

65、0KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40KHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖信號(hào)。</p><p>　　3.4 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理如圖3-8所示。</p><p&

66、gt;　　AT89S51通過(guò)外部引腳輸出一個(gè)脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級(jí)，經(jīng)升級(jí)變換推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時(shí)，輸出一個(gè)高電平啟動(dòng)，進(jìn)行充電。發(fā)射結(jié)束時(shí)高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，并開(kāi)始對(duì)分壓器放電并輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個(gè)高增益、低噪聲放大器，在對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后將檢測(cè)回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時(shí)輸出的高電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射

67、器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致錯(cuò)誤檢測(cè)。超聲波測(cè)距可測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再?gòu)腖ED上顯示。我們還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，用來(lái)控制電路的工作狀態(tài)。限制的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度，反射面的質(zhì)地，反射面和入射波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。</p><p>　　圖3-8 理想狀態(tài)下超聲波測(cè)距原理<

68、;/p><p>　　3.5 測(cè)距顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示管有兩種，一種是共陽(yáng)極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽(yáng)極相連接的發(fā)光二極管組成；另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由四個(gè)陽(yáng)極相連接的發(fā)光二極管組成。二者原理不同但功能相同。其外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 LED的管腳和電路原理</p><p>

69、　　共陰極LED數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱(chēng)為位選端），因此稱(chēng)為共陰極LED數(shù)碼顯示器，8個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱(chēng)為段選端，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接高電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；而共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示管是將二極管的陽(yáng)極連接在一起，形成共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示塊的公共端，該公共端必須接高電平，同理在共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示塊中如某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。</

70、p><p>　　用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。</p><p>　　靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字型代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯

71、示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)再發(fā)送新的數(shù)據(jù)。</p><p>　　另一種方法是動(dòng)態(tài)掃描顯示。由于單片機(jī)本生具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，所以采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼地方式能大大簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。它用分時(shí)的方法輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由

72、于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。</p><p>　　靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較少；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的顯示電路采用四個(gè)共陽(yáng)LED四位數(shù)碼管，位碼用P

73、NP三極管驅(qū)動(dòng)。如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10 測(cè)距顯示電路</p><p>　　3.6 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　發(fā)射電路主要由74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出40KHz方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波

74、換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。如圖3-11所示。</p><p>　　圖3-11 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.7 超聲波接收電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波接收電路主要CX20106A和超聲波換能器構(gòu)成，CX20106A是一款紅外的專(zhuān)用芯片，考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的超聲波頻率40KHz較為接近，故利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如

75、圖3.12所示。</p><p>　　3.8 探測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　物體探測(cè)電路可以用光電傳感器來(lái)制作。但光電傳感器不能探測(cè)透明的物體。紅外線傳感器在探測(cè)物體時(shí)需要有像人和動(dòng)物那樣與周?chē)幸欢ǖ臏囟炔钸@個(gè)條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制，對(duì)于透明的或其它物體都可以探測(cè)。超聲波傳感器探測(cè)物體有直接探測(cè)方式與發(fā)射探測(cè)方式。</p><p>　　直接探

76、測(cè)方式的接收/發(fā)射器要相互配置。如果接收超聲波（有信號(hào)電壓）時(shí)，說(shuō)明接收/發(fā)射器中間沒(méi)有被測(cè)物體。反之，接收不到超聲波（無(wú)電壓信號(hào)）時(shí)，則中間有被測(cè)物體。發(fā)射探測(cè)方式的接收/發(fā)射器可以較近配置，有發(fā)射波時(shí)，說(shuō)明存在被測(cè)物體。發(fā)射探測(cè)方式的接收/發(fā)射器有單獨(dú)使用與公用兩種方式，公用方式就是一個(gè)超聲波傳感即用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。具體區(qū)別如表3-3所示。</p><p>　　圖3-12 超聲波接

77、收電路</p><p>　　表3-3 傳感器探測(cè)物體地區(qū)別</p><p>　　3.9 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)就是以AT89S51單片機(jī)為核心。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開(kāi)始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢(xún)接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果

78、用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。雖然用一個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)器電路也可以測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，但利用AT89S51單片機(jī)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)。</p><p>　　為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序框圖如下圖3-13。</p><p><b>　　N</b></p><p><b>　　Y</b>

79、</p><p>　　圖3-13 主程序框圖</p><p>　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1

80、。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。</p><p>　　定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。如圖3-14和3-15。</p><p><b>　　N</b></p><p>

81、<b>　　Y</b></p><p>　　圖3-14定時(shí)中斷服務(wù)子程序</p><p>　　圖3-15外部中斷服務(wù)子程序</p><p><b>　　第四章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　4.1 軟硬件的調(diào)試</p><p>　　超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲

82、波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1(T發(fā)射)和TCT40-10S1(R接收)，中心頻率為40KHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4-8cm，其余元件五特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序

83、編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為1-60cm，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完成后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。</p><p>　　4.2 儀器精度分析及如何提高超生測(cè)距精度</p><p>

84、;　　本章將要分析溫度對(duì)超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測(cè)對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響，超聲波傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超聲波數(shù)字測(cè)距儀。實(shí)驗(yàn)表明，注意以上三方面的因素能夠提高超生測(cè)距精度。</p><p>　　超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人壁障和定位、汽車(chē)倒車(chē)、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超生測(cè)距有脈沖回波法、

85、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收發(fā)射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間ts，在已知超聲波聲速Cs的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離S，即：S=CT/2。</p><p>　　由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波發(fā)射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。本章從引起

86、超聲波測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響；回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了以AT89S51單片機(jī)為核心，采用40KHz壓電超聲傳感器，應(yīng)用廣泛的超聲測(cè)距儀。空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成分的影響。例如：20 度時(shí)，T=

87、293.15，CS=344.2m/s；40度時(shí)，T=313.15，CS=355.8m/s；-20度時(shí)，T=253.15，CS=319.9m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精度確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過(guò)程，超聲波會(huì)有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。</p><p>　　設(shè)在距

88、離超聲接收器x處有被測(cè)物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù)（萬(wàn)倍級(jí)）和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。</p><p>　　制造超聲波傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測(cè)距常用壓電材料傳感器，例如TR4

89、0壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅度會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：S=d·E，其中d為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波的幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)針對(duì)溫度、回波和所加脈沖電壓對(duì)超聲測(cè)距精

90、度的影響，在設(shè)計(jì)超聲測(cè)距儀時(shí)，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構(gòu)成了超聲測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的中心控制和信號(hào)處理單元為單片機(jī)AT89S51，超聲傳感器采用TR40(40KHz）收發(fā)超聲傳感器。</p><p>　　發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門(mén)和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī)P1.1口控制是否工作。發(fā)射電路主要任務(wù)是提

91、高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。</p><p>　　接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止及時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路由檢波回路、濾波放大電路和整體電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，

92、以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。</p><p>　　由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)：超聲測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。軟件修正利用

93、下面公式：S=CT/2</p><p>　　在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作裝置后，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了超聲測(cè)距實(shí)驗(yàn)。發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個(gè)數(shù)多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其振動(dòng)慣量而獲得充分的振動(dòng)，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時(shí)測(cè)距的盲區(qū)也大（測(cè)距盲區(qū)指的是可以測(cè)量的最小距離），一般選擇由8個(gè)脈沖組成。電路在6米處的測(cè)量結(jié)果，幅值較小，測(cè)量過(guò)程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，這說(shuō)明功率消耗比較大?？梢?/p>

94、看出，本電路的測(cè)量距離明顯提高，而且管子基本沒(méi)有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定?？梢?jiàn)，本電路的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的推導(dǎo)，器件選擇合理，各參數(shù)得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配。</p><p>　　轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現(xiàn)良好，在距離9.5m處仍能得到較清晰的回波，使大范圍的超聲測(cè)距成為可能。使用脈沖回波法測(cè)量距離，在考慮溫度對(duì)聲速的影響、回波檢測(cè)對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響以及超聲傳感器所加電壓對(duì)壓電轉(zhuǎn)

95、換效率的影響時(shí)，超聲測(cè)距精度可以提高。所以在制作超聲傳感器所加電壓對(duì)壓電轉(zhuǎn)換效率的影響時(shí)，超聲測(cè)距精度可以提高。所以在制作超聲測(cè)距裝置時(shí)，應(yīng)增加溫度測(cè)量環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)高放大倍數(shù)和高Q值的濾波放大電路，并提高加在超聲傳感器上的電壓幅值。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)AT89S51芯片。以及其它常

96、用芯片如：74LS04、CX20106A等來(lái)設(shè)計(jì)超聲波的接發(fā)收電路，實(shí)現(xiàn)了超聲波從發(fā)射到接收的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量誤差小。</p><p>　　在經(jīng)多次的實(shí)踐中超聲波測(cè)得的距離還不是很長(zhǎng)，還應(yīng)該在這方面大大研究改進(jìn)，使其功能更加完善并在各個(gè)地方中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　由于時(shí)間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計(jì)沒(méi)有成功做出實(shí)物。但是對(duì)

97、設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。</p><p>　　超聲波測(cè)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(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀

98、。</p><p>　　超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷0口來(lái)檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的4個(gè)七段共陽(yáng)數(shù)碼管組成動(dòng)態(tài)掃描電路。</p>

99、<p>　　超聲波發(fā)射電路主要由反相器4069和超聲波發(fā)射換能器FSQ構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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

100、蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。</p><p>　　超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙

101、控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容Cs的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試不會(huì)太難。一般只要電路焊接無(wú)誤，稍加調(diào)

102、試應(yīng)該會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無(wú)特別要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠成功的完成，要特別感謝焦文良老師的教導(dǎo)，我從他身上學(xué)到了很多東西，他認(rèn)真的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我受益匪淺。在此我還要感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程中所有給予我真

103、誠(chéng)熱情幫助的老師和同學(xué)，才使我能順利完成設(shè)計(jì)。</p><p>　　最后，也要感謝各位老師能抽出時(shí)間來(lái)對(duì)我的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)論，謝謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1 賈伯年.傳感器技術(shù).南京：東南大學(xué)出版社，2000</p><p>　　2 趙晶.Protel99高級(jí)應(yīng)用.北京：人民郵電

104、出版社，2000</p><p>　　3 周學(xué)毛.匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).北京：高等教育出版社，1997</p><p>　　4 李葉紫.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用教程.北京：清華大學(xué)出版社，2002</p><p>　　5 馬西秦.自動(dòng)檢測(cè)技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002</p><p>　　6 樓然苗.51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例.北京：北京航空航天

105、大學(xué)出版社，1999</p><p>　　7 羅萬(wàn)鈞.匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì).陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，1995</p><p>　　8 劉守亦.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù).陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，1995</p><p>　　9 肖玲尼.Protel99印刷電路.北京：清華大學(xué)出版社，2003</p><p>　　10 梁立編.程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與C語(yǔ)言

106、.陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，1998</p><p><b>　　附錄1</b></p><p>　　Ultrasonic distance meter</p><p>　　Abstract: An ultrasonic distance meter cancels out the effects of temperature and hu

107、n variations by including a measuring unit and a reference unit,In each of the units,a repetitive series of pulses is generated,each having a repetition rate directly related to the respective distance between an electro

108、acoustic transmitter and an electroacoustic.</p><p>　　Modern manufacturing is an important pillar of the national economy and overall national strength and its GDP accounted for a general national GDP 20%~55

109、%. In the composition of a country's business productivity, manufacturing technology around 60% of the general role. Experts believe that the various countries in the world economic competition, mainly manufacturing