基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距儀畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在空氣介質(zhì)中，超聲測(cè)距傳感器因其性能好，價(jià)格低廉、使用方便，在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人定位系統(tǒng)、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)、城市交通管理和高速公路管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及河道、油井和倉庫及料位的探測(cè)中都有應(yīng)用。由于超聲波傳播不易受干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量儀等都可以通

2、過超聲波來實(shí)現(xiàn)。為此，深入研究超聲波的產(chǎn)生與傳播規(guī)律、開發(fā)高性能超聲波換能器及其收發(fā)電路，對(duì)于超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　本設(shè)計(jì)介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測(cè)距儀的原理：由AT89C51控制定時(shí)器產(chǎn)生超聲波脈沖并計(jì)時(shí)，計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，從而得到實(shí)測(cè)距離。并且在數(shù)據(jù)處理中采用了溫度補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整，用四位LED數(shù)碼管切換顯示距離和溫度。</p><p

3、>　　整個(gè)硬件電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、顯示電路等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路原理及程序設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)距準(zhǔn)確度高、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)后的作品可用于需要測(cè)量距離參數(shù)的各種應(yīng)用場(chǎng)合。</p><

4、;p>　　關(guān)鍵詞：AT89C51；超聲波；測(cè)距；電路</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The features of the good performance,low cost，easy use are inearnated in the ultrasonic distance measurement sensor.Th

5、e ultrasonic distance measurement sensor is usually used at thescene robot positioning system，automatic vehicle navigation，the safety of vehicles traveling support system，the uran traffic management and the highway manag

6、ement monitoring system，as well as the detect in rivers，oil wells，storages and materials.The ultrasonic wave transmssion is not easy todisturb，its energy consumpt</p><p>　　The design introduces the principle

7、 of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMC-controlled: AT89C51 controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and time,count the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive round-

8、trip,thus obtains the measured distance.And the temperature compensation adjustment is used in the data processing, with four LED nixie tubes display distance or temperature by switching.</p><p>　　The entire

9、 hardware circuit is composed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit, and other modules. The probe signals are integrated analysised by SCMC to achieve the vari

10、ous functions of ultrasonic distance measurement instrument. Based on this has designed system's overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The relevant parts

11、have the hardware schematics and process flow chart.It</p><p>　　Keywords:AT89C51; Ultrasonic wave; Measure distance; circuit</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘

12、 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景1</p><p>　　1.2 課題的提出及研究意義2</p><p>　　1.2.1 課題的提出2</p>&

13、lt;p>　　1.2.2 課題的研究意義2</p><p>　　2 超聲波的介紹及超聲波測(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4</p

14、><p>　　2.2 超聲波測(cè)距的原理及誤差分析5</p><p>　　2.2.1 超聲波測(cè)距的原理5</p><p>　　2.2.2 超聲波測(cè)距誤差分析5</p><p>　　2.3 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的原理6</p><p>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

15、7</p><p>　　3.2 AT89C51單片機(jī)簡介8</p><p>　　3.2.1 AT89C51單片機(jī)的功能8</p><p>　　3.2.2 AT89C51單片機(jī)主要特性9</p><p>　　3.2.3 AT89C51管腳說明9</p><p>　　3.3 DS18B20溫度傳感器簡介11&l

16、t;/p><p>　　3.4 T40、R40超聲波傳感器簡介12</p><p>　　3.4.1 超聲波傳感器的基本介紹12</p><p>　　3.4.2 超聲波傳感器的主要應(yīng)用12</p><p>　　3.4.3 超聲波傳感器的工作原理13</p><p>　　3.5 LM7805端穩(wěn)壓集成電路14</

17、p><p>　　3.5.1 LM7805介紹14</p><p>　　3.5.2 LM7805的特點(diǎn)14</p><p>　　3.5.3 LM7805的實(shí)際應(yīng)用14</p><p>　　3.6 LM567鎖相環(huán)15</p><p>　　3.6.1 LM567的概述15</p><p>　　

18、3.6.2 LM567的功能敘述15</p><p>　　3.6.3 LM567主要參數(shù)15</p><p>　　3.7 超聲波發(fā)射器電路16</p><p>　　3.8 超聲波檢測(cè)接受電路17</p><p>　　3.9 顯示電路18</p><p>　　3.10 LM7805電平轉(zhuǎn)換電路19</p

19、><p>　　3.11 AT89C51復(fù)位電路20</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 主程序流程21</p><p>　　4.2 子程序設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2.1超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序23</p><p>　　4.2.2測(cè)溫

20、子程序25</p><p>　　4.2.3距離計(jì)算子程序26</p><p><b>　　5 總結(jié)27</b></p><p><b>　　致 謝28</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)29</b></p><p>　　附錄A

21、國外相關(guān)文章30</p><p>　　附錄B中文翻譯33</p><p>　　附錄C超聲波測(cè)距電路原理圖35</p><p>　　附錄D程序清單36</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景</p><p>　　利用超

22、聲波測(cè)量已知標(biāo)準(zhǔn)位置與目標(biāo)物體表面之間距離的方法叫做超聲波測(cè)距法。</p><p>　　超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。</p><p>　　從技術(shù)上看，超聲波測(cè)距系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)70年代已經(jīng)實(shí)用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。</p><p>　　近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技

23、術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。</p><p>　　隨著機(jī)器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展,它的應(yīng)用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。如此廣泛的應(yīng)用使得提高人們對(duì)機(jī)器人的了解顯得尤為重要。機(jī)器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋線、測(cè)距等功能。超聲波測(cè)距相對(duì)其他測(cè)距技術(shù)而言成本低廉,測(cè)量精度較高,不受環(huán)境的限制,應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感

24、器等結(jié)合共同實(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量儀、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本課題的研究是非常有實(shí)用和有商業(yè)價(jià)值的。</p>

25、;<p>　　由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如超聲波測(cè)距儀和物位測(cè)量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器

26、人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。</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：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)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(dòng)型等；機(jī)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。

27、</p><p>　　1.2 課題的提出及研究意義</p><p>　　1.2.1 課題的提出</p><p>　　測(cè)距的原理和方法有很多，根據(jù)其信息載體的不同可歸納為光學(xué)方法、無線電方法和超聲波方法。前兩者在某些地方有局限性，相比之下，超聲波方法具有突出的優(yōu)點(diǎn)，首先，超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于測(cè)量透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體);其次，超聲波對(duì)外界

28、光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中;最后，超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。因此超聲波作為非接觸測(cè)量手段，己越來越引起人們的重視。</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)為基于超聲波的測(cè)距。</p><p>　　1.2.2 課題的研究意義</p><p>　　超聲波測(cè)距是一種極有潛力的方法，近

29、距范圍內(nèi)超聲測(cè)距有其不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點(diǎn)。超聲測(cè)量另一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)是:環(huán)境介質(zhì)可以為空氣、液體或固體，適用范圍廣泛。更重要的是超聲波檢測(cè)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下(高、低溫，高、低壓，強(qiáng)輻射，有毒氣、液體環(huán)境等)受到傷害，還大大提高了測(cè)量精度，可靠性高;另外，超聲波測(cè)距還可以應(yīng)用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機(jī)器人避障系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人避障的超聲測(cè)距系統(tǒng)、智能機(jī)器人管家和簡易智能電動(dòng)車自動(dòng)避障系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、自動(dòng)泊

30、車系統(tǒng)、自動(dòng)剎車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，超聲波測(cè)距也有其重要的應(yīng)用。</p><p>　　目前超聲波測(cè)距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)各種測(cè)距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機(jī)為核心的測(cè)距儀器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測(cè)、顯示、報(bào)警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。以8051為內(nèi)核的單片機(jī)系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件齊全、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。尤其值得

31、一提的是，出8位CPU外，還具備一個(gè)很強(qiáng)的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的位微計(jì)算機(jī)，即包含完整的位CPU，位RAM、ROM（EPROM），位尋址寄存器、I/O口和指令集。所以，8051是雙CPU的單片機(jī)。位處理在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程測(cè)控等方面極為有效；而8位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有明顯長處。</p><p>　　2 超聲波的介紹及超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　2.1

32、 超聲波的介紹</p><p>　　2.1.1 什么是超聲波</p><p>　　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)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動(dòng)頻率大于20000Hz以上的，其每秒的振動(dòng)次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的一般上限（20000Hz），人們

33、將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)模式，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲波頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲成象所用的頻率范圍在 2∽5兆Hz之間，常用為3∽3.5兆Hz（每秒振動(dòng)1次為1Hz，1兆Hz=10^6Hz,即每秒振動(dòng)100萬次，可聞波的頻率在16－20，000HZ 之間）。</p>

34、<p>　　超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，該特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。

35、聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的?？栈饔茅ぉぎ?dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油

36、）發(fā)生乳化，且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。</p><p>　　頻率高于2×10千赫茲的聲波。研究超聲波的產(chǎn)生、傳播、接收，以及各種超聲效應(yīng)和應(yīng)用的聲學(xué)分支叫超聲學(xué)。產(chǎn)生超聲波的裝置有機(jī)械型超聲發(fā)生器（例如氣哨、汽笛和液哨等）、利用電磁感應(yīng)和電磁作用原理制成的電動(dòng)超聲發(fā)生器、以及利用壓電晶體的電致伸縮效應(yīng)和鐵磁物質(zhì)的磁致伸縮效應(yīng)制成的電聲換

37、能器等。</p><p>　　2.1.2超聲波的特性及特點(diǎn)</p><p><b>　　超聲波的特性</b></p><p>　　1超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 </p><p>　　2超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 </p><p>　　3超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象

38、。 </p><p>　　4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>　　超聲波是聲波大家族中的一員。 </p><p>　　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)是指物質(zhì)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)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。 </p&g

39、t;<p>　　超聲波是指振動(dòng)頻率大于20KHz以上的，人在自然環(huán)境下無法聽到和感受到的聲波。 </p><p><b>　　超聲波的特點(diǎn)</b></p><p>　　1超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 </p><p>　　2超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。 </p><p>

40、　　3超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息。</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)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(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) 。</p><p>　　2.1.3超聲波的應(yīng)用</p><p&g

41、t;　　超聲波在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有極其廣泛的應(yīng)用。包括超聲波檢測(cè)、超聲波探傷、功率超聲、超聲波處理、超聲波診斷、超聲波治療等。超聲波在工業(yè)中可用來對(duì)材料進(jìn)行檢測(cè)和探傷，可以測(cè)量氣體、液體和固體的物理參數(shù)，可以測(cè)量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等，還可以對(duì)材料的焊縫、粘接等進(jìn)行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應(yīng)用于切割、焊接、噴霧、乳化、電鍍等工藝過程中。超聲波清洗是一種高效率的方法，已經(jīng)用于尖端和精密工業(yè)。大功率超聲可用于機(jī)械加工，使超聲波

42、在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應(yīng)用。應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)上三大影象診斷方法之一，與X線、同位素分別應(yīng)用于不同場(chǎng)合，例如超聲波理療、超聲波診斷、腫瘤治療和結(jié)石粉碎等。在農(nóng)業(yè)中，可以用超聲波對(duì)有機(jī)體細(xì)胞的殺傷的特性來進(jìn)行消毒滅菌，對(duì)作物種子進(jìn)行超聲波處理，有利于種子發(fā)芽和作物增產(chǎn)。此外超聲波的液體處理和凈化可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中，例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。微波超聲的重點(diǎn)放在微波電子器件，已經(jīng)制成了超

43、聲波延遲線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波器等。</p><p>　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長度等場(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)器人失卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確于否。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)距作為輔助視覺系統(tǒng)與其它視覺系

44、統(tǒng)（如CCD圖像傳感器）配合使用，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)視覺功能，具有自動(dòng)探測(cè)前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車的功能，是未來高級(jí)小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪﹂_發(fā)在高級(jí)汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS、和高檔微機(jī)等。</p><p>　　2.2 超聲波測(cè)距的原理及誤差分析</p><p>　　超聲波發(fā)射器向某

45、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，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/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=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。</p><p>　　2.2.1 超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中

46、的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。 　　</p><p>　　測(cè)距的公式表示為：L=C×T 　　</p><p>　　式中L為測(cè)量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測(cè)量距離傳播的時(shí)間差(T為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半)。 　　</p>

47、<p>　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。 　　</p><p>　　由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過分析超聲波測(cè)距

48、誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒級(jí)，以及用LM92溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度。</p><p>　　2.2.2 超聲波測(cè)距誤差分析</p><p>　　根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=C×T，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 　　</p><p><b>

49、　　1）時(shí)間誤差 　　</b></p><p>　　當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差s△t<(0.001/344) ≈0.000002907s 即2.907μs。 　　</p><p>　　在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于1mm的誤

50、差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1μs的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1mm的測(cè)量范圍內(nèi)。 　　</p><p>　　2）超聲波傳播速度誤差 　　</p><p>　　超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 　　</p><p>　　

51、已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： 　　</p><p>　　式中： r —?dú)怏w定壓熱容與定容熱容的比值，對(duì)空氣為1.40， 　　</p><p>　　R —?dú)怏w普適常量，8.314kg·mol-1·K-1， 　　</p><p>　　M—?dú)怏w分子量，空氣為28.8×10-3kg·mol-1， 　　</p><

52、;p>　　T —絕對(duì)溫度，273K+T℃。 　　</p><p>　　近似公式為：C=C0+0.607×T℃ 　　</p><p>　　式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s； 　　</p><p>　　T為實(shí)際溫度(℃)。 　　</p><p>　　對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。

53、例如當(dāng)溫度0℃時(shí)超聲波速度是332m/s, 30℃時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。</p><p>　　超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)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

54、率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。</p><p>　　2.3 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的原理</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。</p><p>　　限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在

55、4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲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。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1

56、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大，以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較震蕩電路、單片機(jī)電路、鍵盤輸入電路、電

57、源電路、復(fù)位電路、顯示電路、溫度測(cè)量電路及溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示；</p><p>　　圖3-1超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用比較電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，用溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到

58、單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進(jìn)行下一次測(cè)試。</p><p>　　3.2 AT89C51單片機(jī)簡介</p><p>　　3.2.1 AT89C51單片機(jī)的功能</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash P

59、rogrammable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高

60、效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。</p><p>　　該系列單片機(jī)引腳如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 AT89C51單片機(jī)</p><p>　　3.2.2 AT89C51單片機(jī)主要特性</p><p>　　與MCS-51 兼容</p&g

61、t;<p>　　4K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器</p><p>　　壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年</p><p>　　全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz</p><p><b>　　三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定</b></p><p>　　128×8

62、位內(nèi)部RAM</p><p><b>　　32可編程I/O線</b></p><p>　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　5個(gè)中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電

63、模式</p><p>　　片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路</p><p>　　AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量兩級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM

64、，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。</p><p>　　3.2.3 AT89C51管腳說明</p><p><b>　　VCC：供電電壓。</b></p><p><b>　　GND：接地。</b></p>&l

65、t;p>　　P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須接上拉電阻。 　　</p><p>　　P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸

66、出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為低八位地址接收。</p><p>　　P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是

67、由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。</p><p>　　P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部

68、上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。</p><p>　　P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： </p><p>　　口管腳 備選功能</p><p>　　P3.0 RXD（串行輸入口）</p><p>　　P3.1 TXD（串行輸出口）</

69、p><p>　　P3.2 /INT0（外部中斷0）</p><p>　　P3.3 /INT1（外部中斷1）</p><p>　　P3.4 T0（記時(shí)器0外部輸入）</p><p>　　P3.5 T1（記時(shí)器1外部輸入）</p><p>　　P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）</p><p>　

70、　P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）</p><p>　　P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。</p><p>　　RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。</p><p>　　ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平

71、時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。</p><p>　　/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通

72、信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。</p><p>　　/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VP

73、P）。</p><p>　　XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。</p><p>　　XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，

74、因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。</p><p>　　3.3 DS18B20溫度傳感器簡介</p><p>　　溫度傳感器主要由熱敏元件組成。熱敏元件品種教多，市場(chǎng)上銷售的有雙金屬片、銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。以半導(dǎo)體熱敏電阻為探測(cè)元件的溫度傳感器應(yīng)用廣泛，這是因?yàn)樵谠试S工作條件范圍內(nèi)，半導(dǎo)體熱敏電阻器具有體積小、靈敏度高、精

75、度高的特點(diǎn)，而且制造工藝簡單、價(jià)格低廉。半導(dǎo)體熱敏電阻按溫度特性熱敏電阻可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而增加）和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻（電阻隨溫度上升而下降）。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是美國Dallas 半導(dǎo)體公司的不銹鋼封裝的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。DS18B20是采用專門設(shè)計(jì)的不銹鋼外殼，僅有0.2mm的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用導(dǎo)熱性高的密封膠，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度

76、延遲。DS18B20支持“一線總線”接口（1-Wire），測(cè)量溫度范圍為 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內(nèi),精度為±0.5°C?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。</p><p>　　DS18B20采用3腳PR-35封裝；</p><p>　　DS18B20數(shù)字化溫度傳感器的主要性能如下

77、：</p><p>　　1)適用電壓為3V～5V；</p><p>　　2)9～12位分辨率可調(diào)，對(duì)應(yīng)的可編程溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃、0.0625℃；</p><p>　　3)TO-92、SOIC及CSP封裝可選；</p><p>　　4)測(cè)溫范圍：-55℃～125℃；</p><p>　

78、　5)精度：-10℃～85℃范圍內(nèi)±0.5℃；</p><p>　　6)無需外部元件，獨(dú)特的一線接口，電源和信號(hào)復(fù)合在一起；</p><p>　　7)每個(gè)芯片唯一編碼，支持聯(lián)網(wǎng)尋址，零功耗等待。</p><p>　　該系列溫度傳感器引腳如圖3.3</p><p>　　圖3.3 DS18B20溫度傳感器</p>&

79、lt;p>　　3.4 T40、R40超聲波傳感器簡介</p><p>　　3.4.1 超聲波傳感器的基本介紹</p><p>　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透

80、明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。</p><p>　　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)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。</p><p>　　超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收

81、超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。</p><p>　　3.4.2 超聲波傳感器的主要應(yīng)用</p><p>　　超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要

82、是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定

83、了回聲的振幅的高低。</p><p>　　在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。</p><p&

84、gt;　　超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用</p><p>　　超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。</p><p>　　超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相

85、關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。</p><p>　　3.4.3 超聲波傳感器的工作原理</p><p>　　超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳

86、播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量儀器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。</p><p>　　超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。

87、壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為

88、40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。</p><p>　　由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成

89、。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè).而實(shí)際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。</p>

90、<p>　　3.5 LM7805端穩(wěn)壓集成電路</p><p>　　3.5.1 LM7805介紹</p><p>　　用lm78/lm79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號(hào)中的lm78或lm79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如lm7806表示輸出電壓

91、為正6V，lm7909表示輸出電壓為負(fù)9V。</p><p>　　因?yàn)槿斯潭煞€(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用</p><p>　　3.5.2 LM7805的特點(diǎn)</p><p>　　1）最大輸出電流1A</p><p>　　2）輸出電壓為5V，6V，8V，9V，10V，12V，15V，18V，24V</p><

92、p><b>　　3）熱過載保護(hù)</b></p><p><b>　　5）短路保護(hù)</b></p><p>　　6）輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)</p><p>　　3.5.3 LM7805的實(shí)際應(yīng)用</p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用

93、）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時(shí)，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。</p><p>　　當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個(gè)1.5A，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個(gè)別集成穩(wěn)壓電路失效時(shí)導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。</p><p>　　在lm78

94、 、lm79系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是TO-220 和TO-202 兩種封裝。</p><p>　　3.6 LM567鎖相環(huán)</p><p>　　3.6.1 LM567的概述</p><p>　　LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器，LM567的內(nèi)部電路及詳細(xì)工作過程非常復(fù)雜(具體的可參考:音頻*567芯片詳解)，這里僅將其基本功能概述如下：當(dāng)LM567的③腳輸

95、入幅度≥25mV、頻率在其帶寬內(nèi)的信號(hào)時(shí)，⑧腳由高電平變成低電平，②腳輸出經(jīng)頻率/電壓變換的調(diào)制信號(hào)；如果在器件的②腳輸入音頻信號(hào)，則在⑤腳輸出受②腳輸入調(diào)制信號(hào)調(diào)制的調(diào)頻方波信號(hào)。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。LM567如圖3.4所示。</p><p>　　3.6.2 LM567的功能敘述</p>

96、<p>　?、?、②腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。②腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。</p><p>　?、倌_所接電容的容量應(yīng)至少是②腳電容的2倍。</p><p>　?、勰_是輸入端，要求輸入信號(hào)≥25mV。</p><p>　?、荨ⅱ弈_外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率f2，f

97、2≈1/1.1RC。</p><p>　?、嗄_是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個(gè)集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。 　　LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。</p><p>　　3.6.3 LM567主要參數(shù)</p><p>　　工作溫度范圍:0°C to +70°C</p>

98、<p>　　SVHC(高度關(guān)注物質(zhì)):No SVHC (18-Jun-2010) </p><p><b>　　封裝類型:SOP</b></p><p>　　電源電壓 最大:9V</p><p>　　電源電壓 最小:4.75V</p><p>　　表面安裝器件:表面安裝 帶座</p><

99、p><b>　　封裝形式:SOP</b></p><p>　　最高頻率:500kHz</p><p><b>　　電源電流:10mA</b></p><p>　　輸入電壓 最大:9V</p><p><b>　　輸出數(shù):1</b></p><p>

100、　　輸出電壓 最大:1V </p><p>　　輸出電流 最大:0.1A</p><p><b>　　針腳數(shù):8</b></p><p>　　圖3.4 LM567鎖相環(huán)</p><p>　　3.7 超聲波發(fā)射器電路</p><p>　　超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3.5所示。發(fā)射電路主要由反相器74L

101、S04和超聲波發(fā)射換能器T40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。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1、R2一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。</p&

102、gt;<p>　　圖3.5 超聲波發(fā)射電路原理圖</p><p>　　3.8 超聲波檢測(cè)接受電路</p><p>　　超聲波接收電路由超聲波傳感器、兩級(jí)放大電路和鎖相環(huán)電路組成。超聲波接收電路如圖3.6所示。超聲波傳感器接收到的反射波信號(hào)非常微弱，兩級(jí)放大電路用于對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大。鎖相環(huán)電路接收到頻率符合要求的信號(hào)后向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。鎖相環(huán)LM567內(nèi)部壓控

103、振蕩器的中心頻率為 ，鎖定帶寬與C3有關(guān)。由于發(fā)送的超聲波頻率為40kHz，幫調(diào)整相關(guān)元件使鎖相環(huán)的中心頻率為40kHz，只響應(yīng)該頻率的信號(hào)，避免了其他頻率信號(hào)的干擾。</p><p>　　當(dāng)超聲波傳感器接收到超聲波信號(hào)后，送入兩級(jí)放大器放大，放大后的信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)檢波，如果頻率為40kHz，則從8腳發(fā)出低電平中斷請(qǐng)求信號(hào)送單片機(jī)P3.3端，單片機(jī)檢測(cè)到低電平后停止定時(shí)器的工作。</p><p

104、>　　圖3.6 超聲波接收電路</p><p><b>　　3.9 顯示電路</b></p><p>　　顯示電路如圖3.7，四位LED組成動(dòng)態(tài)掃描電路，由AT89C51的P0口輸出要顯示的數(shù)值對(duì)應(yīng)的8位二進(jìn)制數(shù)碼（數(shù)碼管顯示值“1”=P0口輸出“11111001”）。動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，由P2口控制LED的的四個(gè)數(shù)碼管中數(shù)碼管的選通。當(dāng)距離測(cè)量結(jié)束并調(diào)用顯示程序，就

105、會(huì)顯示距離大小，顯示兩位小數(shù)。當(dāng)按下按鍵k2時(shí)，將會(huì)顯示溫度值，延時(shí)5s后恢復(fù)顯示距離值。</p><p><b>　　圖3.7 顯示電路</b></p><p>　　3.10 LM7805電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　LM7805電平轉(zhuǎn)換電路如圖3.8所示。為方便起見，本設(shè)計(jì)采用的是9V電池為發(fā)光二極管D1、二極管D2、電容C1及三端穩(wěn)壓

106、器LM805供電，直流電送入三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后，三端穩(wěn)壓器LM7805輸出+5V穩(wěn)恒直流電，為電路中的電容C2、C3、C4提供電源。LED是電源指示燈，通電后發(fā)光。</p><p>　　圖3.8 LM7805電平轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　3.11 AT89C51復(fù)位電路</p><p>　　AT89C51復(fù)位有一個(gè)專用的外部引腳RESET，外部可通過

107、此引腳輸入一個(gè)正脈沖使單片機(jī)復(fù)位。所謂復(fù)位，就是強(qiáng)制單片機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到確定的初始狀態(tài)，并使系統(tǒng)重新從初始狀態(tài)開始工作。本設(shè)計(jì)采用的是電平式開關(guān)與上電復(fù)位電路，為了能使運(yùn)行中的系統(tǒng)，經(jīng)人工干預(yù)，強(qiáng)制系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。其電路圖如3.9所示；</p><p>　　圖3.9 AT89C51復(fù)位電路</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><

108、;p><b>　　4.1 主程序流程</b></p><p>　　超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用C語言和匯編語言混

109、合編程。</p><p>　　因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)對(duì)時(shí)間要求精度較高的部分全部由單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對(duì)時(shí)間精度要求也高，但經(jīng)詳細(xì)計(jì)算所得出的C程序已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有程序也能作到對(duì)溫度的準(zhǔn)確讀取，所心本設(shè)計(jì)全部使用C語言編程，這樣能使設(shè)計(jì)中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。</p><p>　　軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主程序、超聲波發(fā)生子程序

110、、超聲波接收中斷子程序、溫度測(cè)量子程序、距離計(jì)算子程序、顯示子程序、鍵盤掃描處理程序等模塊組成，圖5.1為主程序流程圖。</p><p>　　系統(tǒng)上電后，首先系統(tǒng)初始化，不斷掃描按鍵k1，若按鍵k1按下，則開始測(cè)量空氣溫度，然后將P1.0置位，使定時(shí)器T0開始定時(shí)，控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波，同時(shí)使定時(shí)器T1開始定時(shí)。CPU循環(huán)檢測(cè)P3.3引腳，當(dāng)P3.3為低電平時(shí)接收到回波，立即使T1停止工作，保存定時(shí)器的計(jì)數(shù)