基于51單片機的超聲波測距系統(tǒng)的畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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中的傳播規(guī)律，如在介質的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質后被介質吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質，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，超聲波測距技術被廣泛應用于人們日常工作和生活之中。</p&g

2、t;<p>　　系統(tǒng)的設計主要包括兩部分，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、接收電路、顯示電路和電源電路，另外還有復位電路和LED控制電路等。采用以STC89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個電路采用模塊化設計，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,在經過

3、放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機接收,計數器停止工作并得到時間。溫度測量后送到單片機,通過程序對速度進行校正, 結合兩者實現(xiàn)超聲波測距的功能。軟件程序主要由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機進行數據發(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)數據正確顯示在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。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖。</p>&l

4、t;p>　　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。再設計的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。</p><p>　　關鍵詞 STC89C51 超聲波 測距</p><p><b>　　目 錄</b></p><

5、;p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1課題背景及重要意義2</p><p>　　1.2國內超聲檢測發(fā)展綜述2</p><p>　　1.3超聲波測距存在的問題與課題的意義2</p><

6、;p>　　1.4本文主要研究內容3</p><p>　　第2章 超聲波測距原理與方法4</p><p>　　2.1超聲波簡介4</p><p>　　2.1.1 超聲波的三種形式5</p><p>　　2.1.2 超聲波的物理性質5</p><p>　　2.1.3 超聲波對聲場產生的作用5</p&

7、gt;<p>　　2.2超聲波傳感器介紹6</p><p>　　2.2.1 超聲波測距原理及結構6</p><p>　　2.2.2超聲波傳感器選擇8</p><p>　　2.2.3超聲波測距的原理9</p><p>　　2.2.4發(fā)射脈沖寬度10</p><p>　　2.2.5測量盲區(qū)10&l

8、t;/p><p>　　2.3本章小結11</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設計12</p><p>　　3.1 發(fā)射電路設計13</p><p>　　3.1.1發(fā)射電路設計方案13</p><p>　　3.1.2發(fā)射電路常用方案14</p><p>　　3.1.3 超聲波發(fā)射器的注意

9、事項14</p><p>　　3.2 接收電路設計15</p><p>　　3.3單片其他電路設計17</p><p>　　3.3.1 LCD顯示部分17</p><p>　　3.3.2報警部分18</p><p>　　3.4本章小結18</p><p>　　第4章 軟件設計和測量結

10、果分析18</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件設計18</p><p>　　4.2外部中斷子程序20</p><p>　　4.3定時器中斷子程序20</p><p>　　4.4 實現(xiàn)重要功能的程序分析21</p><p>　　4.4.1 實現(xiàn)溫度讀取功能21</p><p>　　4.

11、4.2 實現(xiàn)根據溫度轉化聲速21</p><p>　　4.4.3 實現(xiàn)距離計算22</p><p>　　4.5本章小結22</p><p><b>　　第5章 結論22</b></p><p><b>　　參考文獻23</b></p><p><b>　　

12、第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及重要意義</p><p>　　近年來，隨著電子測量技術的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經濟發(fā)展，電子測量技術應用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，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中的傳播規(guī)律，如在介質的分界面處發(fā)生反射和折射

13、現(xiàn)象，在進入介質后被介質吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質，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，超聲波測距技術被廣泛應用于人們日常工作和生活之中。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內部、液位高度的測量等。</p><p>　　由于超聲測距是一種非接觸檢測技術，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

14、染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農業(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)境中進行距離準確度在線標定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進行差值設定，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

15、，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標要求，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了廣泛的應用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車雷達的研制方面也得到了廣泛的應用。</p><p>　　1.2國內超聲檢測發(fā)展綜述</p><p>　　在基于傳統(tǒng)的測力距離存

16、在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強度大，方向性好等特點，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術在工業(yè)控制、勘探測量、機器人定位和安全防范等領域得到了廣泛的應用。</p><p>　　超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數字電路構建，但是基于這些

17、傳統(tǒng)電路構建的系統(tǒng)往往可靠性差，調試困難，可擴展性差，所以基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。</p><p>　　1.3超聲波測距存在的問題與課題的意義</p><p>　　我就影響超聲測距誤差的幾個因素做了分析

18、，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCM-T40KI和一支接收探頭UCM-R40KI的收發(fā)分體式傳感器。本節(jié)在此基礎上就如何具體設計本系統(tǒng)進行詳細分析。系統(tǒng)計劃在實驗室內實現(xiàn)小范圍測距，測試距離約為0.2m—3m米，系統(tǒng)整體結構如圖所示。</p><p>　　圖1-1系統(tǒng)設計方案圖</p><p>　　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

19、時開啟內部計數器T0。由于單片機端口輸出功率很弱，為使測量距離滿足要求，驅動超聲傳感器UCM-40T發(fā)射超聲波距離足夠遠，故在此電路上加功率放大電路。</p><p>　　從接收傳感器探頭UCM-40T傳來的超聲回波很微弱(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的。本系統(tǒng)設計此部分電路時采用一級放大和帶通濾波電路，中心頻率40KHz左右，放大濾波電路均采用了高速精密運算放大器

20、TL082，輸出信號大約在5V左右。</p><p>　　由于放大電路輸出的信號是連續(xù)的正弦波疊加信號，而單片機所能接受的中斷響應信號常為下降沿脈沖信號，故信號在放大電路后通過LM393構成的比較電路，將正弦信號轉換成方波信號，用方波的負跳變作單片機的中斷輸入，使得單片機知道已接收到超聲信號，內部計數器停止計時。</p><p>　　1.4本文主要研究內容</p><p

21、>　　本系統(tǒng)硬件部分由STC89C51控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路、聲音報警電路和LCD顯示電路組成。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： </p><p>　　圖1-2系統(tǒng)設計總框圖</p><p>　　由單片機STC89C51編程產生10us以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出，即在模塊中經過放大電路，驅動超聲波發(fā)射探頭

22、發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機中定時器的值。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離，并由單片機控制顯示出來。</p><p>　　由時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應中斷程序，定時

23、器停止計數。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。</p><p><b>　　圖 1-3時序圖</b></p><p>　　第2章 超聲波測距原理與方法</p><p><b>　　2.1超聲波簡介</b></p><p>　　超聲波技術是一門以物理、電子、機械、以

24、及材料科學為基礎的、各行各業(yè)都可使用的通用技術之一。超聲波技術是通過超聲波的產生、傳播以及接收的物理過程完成的。該技術在國民經濟中，對提高產品質量，保障生產安全和設備安全運作，降低生產成本，提高生產效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。</p><p>　　2.1.1 超聲波的三種形式</p><p>　　超聲波在介質中可以產生三種形式的振蕩波：橫波，質點振動方向垂直于傳

25、播方向的波；縱波，質點振動方向與傳播方向一致的波；表面波，質點振動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。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。</p><p>　　2.1.2 超聲波的物理性質</p><p>　　(1) 超聲波的反射和折射</p><p>　　當超聲波傳播

26、到兩種特性阻抗不同介質的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質內部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。</p><p><b>　　(2)超聲波的衰減</b></p><p>　　超聲波在一種介質中傳播，其聲壓和聲強按指數函數規(guī)律衰減。</p><p><b>　　(3)超聲波的干涉</

27、b></p><p>　　如果在一種介質中傳播幾個聲波，于是產生波的干涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。</p><p>　　2.1.3 超聲波對聲場產生的作用</p><p><b>　　(1) 機械作用</b></p><p>　　超聲波傳播過程中，會引起介質質點交替的壓縮與

28、伸張，構成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機械效應。超聲波引起質點的運動，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點的加速度卻很大，有時足以達到破壞介質的程度。</p><p><b>　　(2) 空化作用</b></p><p>　　在流體動力學指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣

29、泡閉合時產生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學過程稱為空化。</p><p><b>　　(3) 熱學作用</b></p><p>　　如果超聲波作用于介質時被介質所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質產生強烈的高頻振蕩介質相互摩擦產生熱熱量，這種能量使介質溫度升高。 </p><p>　　2.2超聲波傳感器

30、介紹</p><p>　　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生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。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>　　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

31、電晶片和一個共振板。當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，便產生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當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。超聲波傳感器結構如下：</p><p>　　圖 2-1超聲波傳感器外部結構 圖 2-2超聲波傳感器內部結構 </p>&l

32、t;p>　　2.2.1 超聲波測距原理及結構</p><p>　　電能或機械能轉換成聲能，接收端則反之。本次設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，產生超聲波。反

33、之，如果兩電極間未外加電壓，當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，輸出的個數越多，能量越大，所能測的距離也越遠。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。</p><p>　　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。本設計采用往返時間檢測法測距。其原

34、理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關。測試傳輸時間可以得出距離。</p><p>　　假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關系式(2-1)</p><p>　　s=vt／2

35、 (2-1)</p><p>　　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。</p><p>　　v=331．4+0．607T (2-2)</p><p>　　式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質中的傳播速度單位為m／s。</p>&

36、lt;p>　　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就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，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。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣

37、的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習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”。</p><p>　　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

38、的特性:把這種材料置于電場之中，它就產生一定的應變;相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。</p><p>　　傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵后產生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電

39、信號，是正壓電效應。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中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內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，它就會產生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等

40、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生頻率與超聲機械波相同的電信號。</p><p>　　圖2-3雙壓電晶片示意圖</p><p>　　雙壓電晶片如圖2-3所示，當在AB間施加交流電壓時，若A片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。</p

41、><p>　　圖2-4雙壓電晶片的等效電路圖</p><p>　　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為機械共振回路的電容和電感，為損耗串聯(lián)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。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸

42、，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。</p><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

43、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，所以能產生高效率的高頻電壓。</p><p>　　2.2.2超聲波傳感器選擇</p><p>　　超聲波傳感器有多種結構形式，可分成直探頭(接收縱波)、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

44、溫型、密封放水型等多種產品。一般電子市場上出售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。</p><p>　　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。本文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超

45、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，其特性參數如表2-5所示。</p><p>　　表2-5傳感器特性參數表</p><p>　　2.2.3超聲波測距的原理</p><p>　　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

46、硬件控制和軟件設計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經氣體介質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，本設計將采用渡越時間法。</p><p>　　圖 2-6 測距原理</p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關，一般來說，溫度每升高1攝

47、氏度，聲速增加0.6米／秒。表2-7列出了幾種溫度下的聲速：</p><p>　　表2-7 聲速與溫度的關系表</p><p>　　在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速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算法的方法來加以校正。</p><p>　　

48、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溫度的關系可表示為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　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。 （系統(tǒng)中應用該式進行溫度補償）</p><p&g

49、t;　　如果為了進一步提高測量精度，本設計中將根據需要利用軟件方式增加角度補償的設計：。 （系統(tǒng)中應用該式進行角度補償）</p><p>　　2.2.4發(fā)射脈沖寬度</p><p>　　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。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。但是根據實際的經

50、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。在具體設計中，比較了 25µs(l個40KHz方波脈沖)， 100µs(4個40KHz方波脈沖)，200µs(8個40KHz方波脈沖)， 800µs(32個40KHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離(2m內)發(fā)射 200µs(8個40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長距離(2m外)發(fā)射

51、 800µs(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，并且接收準確響應速度快。</p><p><b>　　2.2.5測量盲區(qū)</b></p><p>　　在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內放大器的放大倍

52、數會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據阻塞區(qū)內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下: </p><p>　　圖2-8傳感器回波測距原理分析圖</p><p&g

53、t;　　如圖所示，當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振(由于機械慣性作用)。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平Vm;另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超

54、聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定的閾值Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。由圖2-8可見，從b點以后，接收的信號低于閩值，相當于測距的遠限。另外，從圖中A點以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。從c點以后，發(fā)射信號低出閾值Vm，接收信號才基本擺脫發(fā)射信號干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時，把oc這段時間規(guī)定為

55、盲區(qū)時間。從距離上說，根據盲區(qū)時間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此，cb為可測距范圍;b點就為測距遠限，其外部就為測量不到的區(qū)域</p><p><b>　　2.3本章小結</b></p><p>　　本章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減;通過詳細分析超聲傳感器的內部結構以及影響超聲傳感器的幾個重要參數給出本系統(tǒng)設計中所用超聲傳感器

56、的特性參數;分析了超聲波測距的基本原理，并在此基礎上給出了測距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度和測量盲區(qū)對超聲測距精度的影響。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設計</p><p>　　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、超聲波檢測接收電路和溫度補償電路四部分組成。隨著超聲波測量技術的不斷提高，用超聲波測量任何目標物體，都存在著超聲波的

57、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（都是利用壓電晶體將電能轉換為機械振動彈性能，即在媒質中產生超聲波），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，這也是設計超聲測量儀器的關鍵和難點所在。</p><p>　　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，同時開啟內部計數器T0。由于單片機端口輸出功率很弱，在此電路上加功

58、率放大電路使測量距離滿足要求，驅動超聲傳感器UCM-40T1發(fā)射超聲波距離足夠遠。</p><p>　　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行放大、濾波，信號經過P2.7端口送入單片機中進行處理。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部計

59、數得到的時間數據，轉換為距離信息，通過三位LED數碼管顯示。</p><p>　　3.1 發(fā)射電路設計</p><p>　　超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T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生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產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

60、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行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T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。</p>&l

61、t;p>　　3.1.1發(fā)射電路設計方案</p><p>　　一、發(fā)射電路輸出波形分析</p><p>　　1.發(fā)射波形的重復性</p><p>　　為獲得高分辨力，發(fā)射電路設計應保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復性;此外，所發(fā)射的超聲波應盡量單純，即發(fā)射波的各個振動應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。為避免超聲

62、波在障礙物表面反射時造成的各種損失和干擾。</p><p>　　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”應與晶片振動規(guī)律相同。發(fā)射電路設計的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復性。</p><p>　　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

63、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近，設置發(fā)射脈沖個數。</p><p>　　2.發(fā)射波形電壓及功率</p><p>　　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

64、的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠近，所以考慮電壓的同時應該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。</p><p>　　3.1.2發(fā)射電路常用方案</p><p>　　由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設計的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及其功率。本系統(tǒng)用單片機P1.0發(fā)射一組方波脈沖信號，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強度的超聲信號，

65、所以在此間加入一個單電源乙類互補對稱功率放大電路，如圖3-2所示。</p><p>　　圖3-2 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項</p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，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約

66、為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。</p><p>　　存在4個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。</p><p>　　測距誤差主要來源于以下幾個方面：</p><p>　　（1）超聲波波束

67、對探測目標的入射角的影響；</p><p>　?。?）超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)；</p><p>　?。?）超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質的特性。傳播媒質的溫度、壓力、密度對聲速都將產生直接的影響，因此需對聲速加以修正。</p><p

68、>　?。?）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當很小的時候，可直接按式進行距離的計算；當夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　實際的調試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭

69、都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45°。</p><p>　　接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設計方法。</p><p>　　3.2 接收電路設計</p><p>　　接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因

70、諧振而形成逐步加強的機械振動。因壓電效應晶片兩面出現(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，驅動后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時刻。</p><p>　　前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于

71、后續(xù)電路的設計。</p><p>　　圖3-3前置放大電路圖</p><p>　　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

72、個高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻R、和R構成，組成反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。</p><p>　　由電路的基本知識，可列出:</p><p>　　I （3-2)</p><p>　　I

73、 (3-3)</p><p>　　根據放大器理想化的兩個重要概念:</p><p>　　1.集成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，故常稱為虛短。</p><p>　　2.集成運放兩輸入端幾乎不取用電流，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。</p

74、><p>　　故可知本電路中:U，且I所以有</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運算關系，式中的負號表示與反相。電路的電壓放大倍數為:</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　利用反相

75、比例放大器可實現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結構簡單，只需要調節(jié)和阻值即可實現(xiàn)調節(jié)電壓放大倍數。圖中運放的同相輸入端接有電阻，參數選擇時應使兩輸入端外接直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。</p><p>　　根據本設計系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數十毫伏

76、)，故分別取;;，即放大電路將輸入信號放大200倍。</p><p>　　3.3單片其他電路設計</p><p>　　3.3.1 LCD顯示部分</p><p>　　本設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、顯示內容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點，與數碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用

77、時，可將P0與LCD的數據線相連，P2口與LCD的控制線相連，如圖所示。</p><p>　　其中，TC1602第4腳RS為寄存器選擇，第5腳RW為讀寫信號線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～D7為8位雙向數據線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機端的D0～D7是接到LCD／602的D1～D0，正好相反，因此在編寫軟件時需要做處理，使讀取正確。</p><p><b>　

78、　3.3.2報警部分</b></p><p>　　采用一個蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經過一個三極管9012的放大。報警部分的連線，如圖3-10所示。</p><p><b>　　圖3-10報警電路</b></p><p><b>　　3.4本章小結</b></p>

79、<p>　　本章主要介紹了基于單片機的超聲測距系統(tǒng)的具體硬件設計電路。對其中主要硬件單元:發(fā)射電路、接收電路、檢測電路以及顯示電路的設計給出原理圖并進行了分析計算。</p><p>　　第4章 軟件設計和測量結果分析</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)軟件設計</b></p><p><b>　　系統(tǒng)程序結構：</

80、b></p><p>　　(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；</p><p>　　(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；</p><p>　　(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；</p><p>

81、　　(4)本次設計使用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進行程序編譯，Keil功能強大使用方便。</p><p>　　主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個子程序的調度管理等部分。</p><p>　　如圖4-1所示描述了各個模塊的關系：</p><p>　　圖 4-1系統(tǒng)軟件方框圖</p><p&

82、gt;<b>　　系統(tǒng)主程序：</b></p><p>　　本設計主程序的思想如下：</p><p>　　(1)溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為mm；</p><p>　　(2)溫度每隔900ms采樣一次，DS18B20在12位精度下轉換周期為750ms ,故900ms滿足該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次。</p>&l

83、t;p>　　(3)按鍵S為測量啟動鍵；</p><p>　　(4)系統(tǒng)采用AT89S52的內時鐘：12MHz；</p><p>　　(5)沒有使用看門狗功能；</p><p>　　(6)超聲波發(fā)送一定時間后才開始啟動檢測，避免直達信號造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為112mm；</p><p>　　4.2外部中斷子程序</p>

84、<p>　　如圖所示，中斷服務程序是響應單片機的外部中斷。在系統(tǒng)主程序中，發(fā)射的4OKHz脈沖信號遇到障礙物反射后，經接收檢測電路產生外中斷信號至單片機。在中斷服務程序中，首先進行必要的現(xiàn)場保護，再把進入中斷服務程序處的計數值讀出并對該數據進行處理，計算得到相應的距離值，同時轉換為十進制，最后送到P2口顯示輸出。</p><p>　　4.3定時器中斷子程序</p><p>　

85、　定時器中斷子程序流程圖如圖4-2所示。由于51單片機是16位定時器，最大計時時間為65536us，當測量的距離很遠的時候，定時器就會發(fā)生溢出;所以必須對溢出中斷進行相應的設置才能使得單片機正常工作。同時由于電路的測量距離有限最遠為5米，當測量距離超出5米時，接收探頭就不能檢測回波，即不能產出外部中斷更不可能關閉定時器。</p><p>　　圖4-2 定時中斷子程序流程</p><p>　

86、　4.4 實現(xiàn)重要功能的程序分析</p><p>　　4.4.1 實現(xiàn)溫度讀取功能</p><p>　　uint Read_Temperature(void) //讀取溫度,返回整數值</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uint c;</b></

87、p><p>　　reset(); //復位18b20芯片</p><p>　　tu=0; //先置位溫度正負標示為正</p><p><b>　　if(r)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>

88、　　write(0xCC); // 跳過多傳感器識別skio rom</p><p>　　write(0xBE); //發(fā)讀內部9字節(jié)內容指令</p><p>　　c=read(); //讀兩個字</p><p>　　reset(); //讀完兩個字節(jié)后復位</

89、p><p>　　write(0xCC); // 跳過多傳感器識別skio rom</p><p>　　write(0x44); // 發(fā)啟動溫度變換指令</p><p>　　if(c>0x1000){c=c+1;tu=1;} //若溫度小于0,tu=1</p><p>　　c>>=4;

90、 //去掉低四位即為整數溫度值，無需*0.0625</p><p><b>　　return c;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　else{return r; } //返回0XFF表示未檢測到18B20芯片</p><

91、;p><b>　　}</b></p><p>　　4.4.2 實現(xiàn)根據溫度轉化聲速</p><p>　　int C_speed(void) //根據溫度查算聲速值</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar y;&l

92、t;/b></p><p>　　y=Read_Temperature(); //采溫度</p><p>　　if(r){ //若溫度有變化則按溫度值取聲速</p><p><b>　　{</b></p><p>　　T_C=y; //溫度值＝變化后的

93、溫度值</p><p>　　if(tu==0)speed=332+T_C*0.607; //溫度為正則+聲速</p><p>　　else speed=332-T_C*0.607; //溫度為負則-聲速</p><p><b>　　}</b></p><p>　　}else speed=346.5;

94、 //若1820不存在即無法讀取溫度，聲 </p><p>　　速＝346.5M/S（取25度）</p><p>　　return speed;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.4.3 實現(xiàn)距離計算</p><p>　　float Dis_count()//

95、距離計算函數</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　float cm;</b></p><p>　　cm=TH1*256+TL1;</p><p>　　cm-=7610; //減去限制10M的初值+可調誤差值</p><p>　

96、　cm*=speed; //計算距離uS*34650m</p><p>　　cm/=20000; //轉換為s 單程</p><p>　　return cm;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　4.5本章小結</b></p>

97、;<p>　　本章主要結合超聲測距系統(tǒng)的硬件設計方案，給出具體實現(xiàn)時單片機涉及到的軟件結構及其相關編程。主要包括整個程序的算法思想，采用模塊化設計，大量采用子程序設計的方法，大大縮短編程開發(fā)周期，方便程序閱讀以及程序查錯。程序采用先在計算機上進行軟件仿真，后灌進單片機中和硬件結合調試。</p><p><b>　　第5章 結論</b></p><p>　

98、　本設計是以AT89C51為核心，借助于模數電技術和單片機技術的結合，解決了超聲波測距的一些難題。靈活的運用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測距原理、硬件電路實現(xiàn)和軟件設計方法基礎上，完成了超聲波測距的設計要求。利用單片機的運算和控制功能，利用超聲波的特性設計出的一種簡單的測距系統(tǒng)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波的

99、應用將越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計.北京：清華大學出版社，2006</p><p>　　[2] 蔡菲娜.單片微型計算機原

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