基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告（論文）</p><p>　　報(bào)告（論文）題目：基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p><b>　　中北大學(xué)</b></p><p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p>　　指導(dǎo)教師：

2、 教研室主任： 系主任：</p><p>　姓 名：XX專 業(yè)：XXX班 級(jí)：XXX學(xué)號(hào)：XXXXXXXX</p><p>　指導(dǎo)教師：XXX職 稱：XXXX完成時(shí)間：XXXX年X月X日</p><p>　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　設(shè)計(jì)目標(biāo)：利用超聲波

3、的指向性強(qiáng)、能量消耗慢、傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)生活中很多場(chǎng)合如汽車倒車、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距的工作。</p><p>　技術(shù)要求：1、熟練使用AT89C51單片機(jī)、超聲波發(fā)射器、超聲波接收換能器各種儀器。掌握其原理，學(xué)以致用。設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。2、對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(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。3、對(duì)設(shè)計(jì)

4、的電路進(jìn)行分析。</p><p>　所需儀器設(shè)備：AT89C51單片機(jī)、超聲波發(fā)射器、超聲波接收換能器</p><p>　成果驗(yàn)收形式：原理圖、仿真結(jié)果</p><p>　參考文獻(xiàn)：《單片機(jī)原理與接口技術(shù)》、《傳感器應(yīng)用A》、《電子測(cè)量技術(shù)》</p><p>　時(shí)間安排15周---6周立題論證39周---13周仿真調(diào)試</p>

5、<p>　27周---8周方案設(shè)計(jì)414周---16周成果驗(yàn)收</p><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(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)

6、量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小?lt;/p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(jī)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(fù)位電路和LED控制電路等。我采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由信號(hào)發(fā)射和接收、供電、溫度測(cè)量、顯示等模塊組成

7、。發(fā)射探頭的信號(hào)經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波被發(fā)射后按原路返回,在經(jīng)過(guò)放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機(jī)接收,計(jì)數(shù)器停止工作并得到時(shí)間。溫度測(cè)量后送到單片機(jī),通過(guò)程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正, 結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的功能。軟件程序主要由主程序、預(yù)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對(duì)超聲波速度的校正，還有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LED上。另外程序控制單片機(jī)消除

8、各探頭對(duì)發(fā)射和接收超聲波的影響。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。</p><p>　　實(shí)際的環(huán)境對(duì)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(duì)超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會(huì)使測(cè)量差生很大的誤差。再設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。</p><p>　　關(guān)鍵詞 AT89C51 超聲波 測(cè)距</p><

9、p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題背景及重要意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述1</p>

10、<p>　　1.3超聲波測(cè)距存在的問(wèn)題與課題的意義2</p><p>　　1.4本文主要研究?jī)?nèi)容3</p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距原理與方法5</p><p>　　2.1超聲波簡(jiǎn)介5</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(zhì)5&l

11、t;/p><p>　　2.1.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用5</p><p>　　2.2超聲波傳感器介紹6</p><p>　　2.2.1 超聲波測(cè)距原理及結(jié)構(gòu)6</p><p>　　2.2.2超聲波傳感器選擇9</p><p>　　2.2.3超聲波測(cè)距的原理9</p><p>　　2.2.

12、4發(fā)射脈沖寬度10</p><p>　　2.2.5測(cè)量盲區(qū)11</p><p>　　2.3本章小結(jié)12</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.1.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案14</p><p>　　3.1.2發(fā)射

13、電路常用方案14</p><p>　　3.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)15</p><p>　　3.2 接收電路設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.3單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì)17</p><p>　　3.3.1 LCD顯示部分21</p><p>　　3.3.2報(bào)警部分22</p><p>

14、;　　3.4本章小結(jié)22</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析23</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.2外部中斷子程序27</p><p>　　4.3定時(shí)器中斷子程序27</p><p>　　4.4 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析28</p><p

15、>　　4.4.1 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能28</p><p>　　4.4.2 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速29</p><p>　　4.4.3 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算29</p><p>　　4.5本章小結(jié)30</p><p><b>　　第5章 結(jié)論31</b></p><p><b>　　致

16、 謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　附錄134</b></p><p><b>　　附錄235</b></p><p>　　基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) </p><p&g

17、t;<b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題背景及重要意義</p><p>　　近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介

18、質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。</p><p>　　由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等

19、惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、

20、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)超聲檢測(cè)發(fā)展綜述</p><p>

21、　　在基于傳統(tǒng)的測(cè)力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測(cè)量就是一種距離測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過(guò)給電或脈沖來(lái)檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)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(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測(cè)量距離就可以解決這些問(wèn)題，因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測(cè)量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者

22、數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)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(cè)距存在的問(wèn)題與課題的意義</p><p>　　我就影響超聲

23、測(cè)距誤差的幾個(gè)因素做了分析，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(chǔ)上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)計(jì)劃在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測(cè)距，測(cè)試距離約為0.2m—3m米，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。</p><p>　　圖1-1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖</p><p>　　發(fā)射電路采用單片機(jī)端口編程輸出40kHz左右

24、的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器TO。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為使測(cè)量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器UCM-40T發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，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(lái)的超聲回波很微弱(幾十個(gè)mV級(jí))，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級(jí)放大和帶通濾波電路，中心頻率4OKHz左右，放大濾波電路均采用了

25、高速精密運(yùn)算放大器TL082，輸出信號(hào)大約在5V左右。</p><p>　　由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào)，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào)，故信號(hào)在放大電路后通過(guò)LM393構(gòu)成的比較電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。</p><p>　　顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，主要是處于節(jié)

26、省硬件的考慮。通過(guò)單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離信息，通過(guò)3位LED數(shù)碼管顯示，數(shù)據(jù)XXX，單位cm。</p><p>　　語(yǔ)音播報(bào)部分就是將所測(cè)得的距離實(shí)時(shí)地，以模擬真人發(fā)音的形式報(bào)出來(lái)，例如“現(xiàn)在距離目標(biāo)物還有XXXcm”或“現(xiàn)在所測(cè)得距離為XXXcm”。這樣可以在視覺(jué)有限或不宜用眼觀察的情況下發(fā)揮更大的用處，或近距離配合視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)此測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)或方便之處得到最大程度的發(fā)揮，使用起來(lái)非常的靈活方

27、便。本系統(tǒng)采用一種長(zhǎng)時(shí)間非易失性語(yǔ)音芯片ISD2560,它采用模擬存儲(chǔ)技術(shù)，音質(zhì)好，錄放音方便，且可以方便地進(jìn)行任意語(yǔ)音元素的組合。</p><p>　　1.4本文主要研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本系統(tǒng)硬件部分由AT89C51控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測(cè)量電路、聲音報(bào)警電路和LCD顯示電路組成。汽車行進(jìn)時(shí)LCD顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過(guò)AT89C51數(shù)據(jù)

28、處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路會(huì)鳴叫，提醒司機(jī)注意車距。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： </p><p>　　圖1-2系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖</p><p>　　由單片機(jī)AT89C51編程產(chǎn)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(jīng)過(guò)放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來(lái)

29、后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過(guò)接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來(lái)。</p><p>　　由時(shí)序圖可以看出，超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射端在T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介

30、中傳播的時(shí)間t，由此便可計(jì)算出距離。</p><p><b>　　圖 1-3時(shí)序圖</b></p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距原理與方法</p><p><b>　　2.1超聲波簡(jiǎn)介</b></p><p>　　超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技

31、術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。</p><p>　　2.1.1 超聲波的三種形式</p><p>　　超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致

32、的波；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟āM波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。</p><p>　　2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)</p><p>　　(1) 超聲波的反射和折射</p><p>　　當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部

33、分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。</p><p><b>　　(2)超聲波的衰減</b></p><p>　　超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。</p><p><b>　　(3)超聲波的干涉</b></p><p

34、>　　如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。</p><p>　　2.1.3 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用</p><p><b>　　(1) 機(jī)械作用</b></p><p>　　超聲波傳播過(guò)程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起

35、機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。</p><p><b>　　(2) 空化作用</b></p><p>　　在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一

36、系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程稱為空化。</p><p><b>　　(3) 熱學(xué)作用</b></p><p>　　如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 </p><p>　　2.2超聲波傳感器介紹</p><p>

37、;　　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(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。他們所產(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>　　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)它的兩極外加脈沖信號(hào)，

38、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，如果兩極間未外加電壓，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器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下：</p><p>　　圖 2-1超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 2-2超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) </p><p>　　2.2.1 超聲波測(cè)距原理

39、及結(jié)構(gòu)</p><p>　　電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。本次設(shè)計(jì)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(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)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(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(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)，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

40、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)，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(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(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>　　超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空

41、氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。</p><p>　　假定s為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關(guān)系式(2-1)</p><p>　　s=vt／2 (2-1)<

42、;/p><p>　　在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式(2-2)對(duì)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(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。</p><p>　　超聲波為直線傳播方式，頻

43、率越高，繞射能力越弱，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。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)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(dòng)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(dòng)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(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中

44、習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)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(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)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。其具有下列的特性:把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定

45、的應(yīng)變;相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。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(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后

46、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(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有

47、超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。</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(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，若A片的電場(chǎng)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(dòng)。</p><p>　　圖2-4雙

48、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(jī)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(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率?o。發(fā)射超聲波時(shí)，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(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一

49、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(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)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(guò)金屬板(振動(dòng)板)接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)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(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的

50、方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波;接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)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(jié)構(gòu)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、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出

51、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(cè)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(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。本文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCM-T40KI

52、和一支接收傳感器UCM-R4OKI組成，其特性參數(shù)如表2-5所示。</p><p>　　表2-5傳感器特性參數(shù)表</p><p>　　2.2.3超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　超聲波測(cè)距方法主要有三種：1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢

53、測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離l。設(shè)l為測(cè)量距離，t為往返時(shí)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(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。</p><p>　　圖 2-6 測(cè)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(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米／秒。表2-7列出了幾

54、種溫度下的聲速：</p><p>　　表2-7 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。</p><p>　　在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時(shí)器測(cè)量超

55、聲波傳播時(shí)間，利用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)距精度?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離：L=1/2(331.4+0.6T)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償）</p><p>　　如果為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)中

56、將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)：。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補(bǔ)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(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波

57、及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25µs(l個(gè)40KHz方波脈沖)， 100µs(4個(gè)40KHz方波脈沖)，200µs(8個(gè)40KHz方波脈沖)， 800µs(32個(gè)40KHz方波脈沖)的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射 200µs(8個(gè)40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長(zhǎng)距離(2m外)發(fā)射 800µs(32個(gè)40KHz脈沖

58、方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。</p><p><b>　　2.2.5測(cè)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(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞

59、。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)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(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，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(cè)距原理分析圖</p><p>　　如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖

60、然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振(由于機(jī)械慣性作用)。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)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(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振

61、衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值Vm，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。由圖2-8可見，從b點(diǎn)以后，接收的信號(hào)低于閩值，相當(dāng)于測(cè)距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中A點(diǎn)以后，接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加，難以分辨。從c點(diǎn)以后，發(fā)射信號(hào)低出閾值Vm，接收信號(hào)才基本擺脫發(fā)射信號(hào)干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高時(shí)，把oc這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說(shuō)，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就

62、可以求得盲區(qū)距離。因此，cb為可測(cè)距范圍;b點(diǎn)就為測(cè)距遠(yuǎn)限，其外部就為測(cè)量不到的區(qū)域</p><p><b>　　2.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過(guò)程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減;通過(guò)詳細(xì)分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個(gè)重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù);分析了超聲波測(cè)距的基本原理，并在

63、此基礎(chǔ)上給出了測(cè)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(cè)量盲區(qū)對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路和溫度補(bǔ)償電路四部分組成。隨著超聲波測(cè)量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測(cè)量任何目標(biāo)物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問(wèn)題。不論超聲波傳感器的大小、形狀

64、、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(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波），要提高超聲測(cè)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(shè)計(jì)超聲測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。</p><p>　　發(fā)射電路采用單片機(jī)P1.0端口編程輸出40KHz左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測(cè)量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器

65、UCM-40T1發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。</p><p>　　由于從接收傳感器探頭UCM40T傳來(lái)的超聲波回波很微弱（幾十個(gè)mV級(jí)），又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)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(duì)接收探頭接受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，信號(hào)經(jīng)過(guò)P2.7端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。通過(guò)單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過(guò)三位L

66、ED數(shù)碼管顯示。</p><p>　　3.1 發(fā)射電路設(shè)計(jì)</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(hào)。40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機(jī)P1.0端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，4

67、0 kHz方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)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(qū)動(dòng)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(shí)間。</p><p>　　3.1.1發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案

68、</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(fù)性</p><p>　　為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性;此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。&

69、lt;/p><p>　　由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)時(shí)推動(dòng)附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)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(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近;本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系

70、統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。</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(hào)損失及接收機(jī)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(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20Vp-p，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓5V，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所

71、以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)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(shè)計(jì)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(jī)P1.0發(fā)射一組方波脈沖信號(hào)，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(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號(hào)，所以在此間加入一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大

72、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(xiàng)</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(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可

73、以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。</p><p>　　存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)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(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：</p><p>　　（1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；</p>

74、;<p>　?。?）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)；</p><p>　　（3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。</p><p>　?。?）由于超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)

75、進(jìn)行距離的計(jì)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(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為：</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p>　　實(shí)際的調(diào)試過(guò)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?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭

76、有效測(cè)量夾角為45°。</p><p>　　接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)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。</p><p>　　3.2 接收電路設(shè)計(jì)</p><p>　　接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片

77、兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大有用信號(hào)的同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。</p><p>　　前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。</p>&l

78、t;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(shù)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(shí)，換能器的輸出電壓很小(數(shù)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個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻R

79、、和R構(gòu)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(shí)，可列出:</p><p>　　I （3-2)</p><p>　　I (3-3)<

80、/p><p>　　根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念:</p><p>　　1.集成運(yùn)放兩個(gè)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(yùn)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><p>　　故可知本電

81、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(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號(hào)表示與反相。電路的電壓放大倍數(shù)為:</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且電

82、路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)和阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接有電阻，參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即，靜態(tài)時(shí)使輸入級(jí)偏置電流平衡并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對(duì)輸出端的影響，故又稱為平衡電阻。</p><p>　　根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取;;，即放大電路將輸入信號(hào)放大2

83、00倍。</p><p>　　3.3單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì)</p><p>　　顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而己。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD于顯示的距離范圍在4米之內(nèi)，選用3位LED示，表示距離的XXXcm數(shù)

84、值。液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求由數(shù)碼管，通過(guò)單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)顯示，表示距離的XXXcm數(shù)值。</p><p>　　LED數(shù)碼管顯示與單片機(jī)接口通常涉及以下幾個(gè)問(wèn)題:</p><p>　　1.LED數(shù)碼管顯示用共陰極管還是共陽(yáng)極管</p><p>　　2.由數(shù)碼轉(zhuǎn)換為筆劃信息借軟件譯碼還是硬件譯碼</p><p>　　3.顯示掃描采用動(dòng)態(tài)掃描還是

85、靜態(tài)掃描</p><p>　　問(wèn)題1采用共陰極數(shù)碼管還是共陽(yáng)極數(shù)碼管沒(méi)有太明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。如圖3-4（a）所示數(shù)碼管，每個(gè)數(shù)碼管內(nèi)部，由8個(gè)發(fā)光二極管組成，其中七個(gè)組成8字形的七段筆劃，分別編號(hào)為a、b、c、d、e、f、g，還有一個(gè)為小數(shù)點(diǎn)，標(biāo)為DP。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一段筆劃或點(diǎn)就發(fā)亮，控制不同二極管導(dǎo)通就能顯示出不同符號(hào)。發(fā)光二極管的陰極連在一起的稱為共陰極數(shù)碼管，如圖3-4（b）所示；發(fā)光二極管的陽(yáng)極

86、連在一起的稱為共陽(yáng)，如圖3-4（c）所示。兩種數(shù)碼管僅在單片機(jī)編程時(shí)數(shù)碼對(duì)應(yīng)的筆劃信息碼不同。</p><p>　　圖3-4 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　問(wèn)題2軟件譯碼是將各數(shù)碼的筆劃信息構(gòu)成一個(gè)表格預(yù)儲(chǔ)于內(nèi)存，以后根據(jù)要顯示的每一數(shù)碼執(zhí)行一段查表程序，查得相應(yīng)筆劃信息再送數(shù)碼管顯示;硬件譯碼則采用CD4511、74LS46、74LS47、74LS48、74LS49等BCD碼七段鎖存

87、、譯碼、驅(qū)動(dòng)芯片直接譯出筆劃信息。</p><p>　　問(wèn)題3動(dòng)態(tài)掃描顯示接口是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣泛的一種顯示方式之一。其接口電路是把所有顯示器的8個(gè)筆劃段a—h同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極COM是各自獨(dú)立地受I/O線控制。CPU向字段輸出口送出字形碼時(shí)，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)顯示器亮，則取決于COM端，而這一端是由I/O控制的，所以我們就可以自行決定何時(shí)顯示哪一位了。而所謂動(dòng)態(tài)掃描

88、就是指我們采用分時(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間是極為短暫的(約1ms)，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位顯示器并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感。采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮LED數(shù)碼管無(wú)位選信號(hào)，各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的;每數(shù)碼管應(yīng)顯示數(shù)碼的筆劃信息也分路同時(shí)送給。其原理比較簡(jiǎn)單。靜態(tài)掃描顯示

89、編程容易，顯示比較清晰，亮度一般較高;但要求占用很多I/O接口線和增用不少硬件芯片，成本較高。因此，動(dòng)態(tài)掃描用得更多。</p><p>　　圖3-5 顯示部分電路圖</p><p>　　針對(duì)以上3個(gè)問(wèn)題，實(shí)際考慮節(jié)約單片機(jī)的接口資源以及減少硬件芯片成本投入，本單元電路設(shè)計(jì)如圖3-5所示，采用3位共陰極數(shù)碼顯示管，顯示字符由單片機(jī)P2口送至鎖存器74HC574鎖存，再經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)芯片ULN2O

90、03驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，P0.1-P0.3分別控制每一位的動(dòng)態(tài)顯示。</p><p>　　74HC574為三態(tài)輸出D型上升沿觸發(fā)器，圖3-6為其引腳圖，在輸入使能端有效時(shí)，當(dāng)時(shí)鐘脈沖CK有上升沿跳變，觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，將鎖存的8路輸入數(shù)據(jù)(即單片機(jī)P2口送出的字符數(shù)據(jù))送出顯示。其功能表，如表3-1</p><p><b>　　所示。</b></p><

91、p>　　OE 1 20 Vcc 1B 1 16 1C</p><p>　　1D 2 19 1Q 2B 2 15 2C</p><p>　　2D 3 18 2Q 3B 3 14 3C</p><p>　　3D 4 17

92、 3Q 4B 4 13 4C</p><p>　　4D 5 16 4Q 5B 5 12 5C</p><p>　　5D 6 15 5Q 6B 6 11 6C</p><p>　　6D 7 14 6Q 7B 7

93、10 7C</p><p>　　7D 8 13 7Q 8B 8 9 COM </p><p>　　8D 9 12 8Q</p><p>　　9D 10 11 CLK</p><p>　　圖3-6 74HC574引腳圖 圖3-

94、7 ULN2003引腳圖</p><p>　　表3-1 74HC574功能表</p><p>　　ULN2003為顯示驅(qū)動(dòng)芯片，抬升單片機(jī)的輸出電流，提高負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力。其引腳如圖3-7所示，其內(nèi)部含七對(duì)達(dá)林頓放大管，其主要功能:當(dāng)輸入為高電平時(shí)，輸出為低電平;輸入為低電平時(shí)，輸出為高電平。本課題讓單片機(jī)P0.1-P0.3經(jīng)此芯片提升驅(qū)動(dòng)能力從而控制數(shù)碼管的位選，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)掃描輸出。<

95、;/p><p>　　由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。這里采用的主要元器件是是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P1.1口相連，就可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，如圖3-8所示。</p><p>　　3.3.1 LCD顯示部分</p><

96、;p>　　本設(shè)計(jì)顯示部分采用字符型TC1602液晶顯示所測(cè)距離值。TC1602顯示的容量為2行16個(gè)字。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點(diǎn)，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。使用時(shí)，可將P0與LCD的數(shù)據(jù)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(hào)線，第6腳E為使能端。第7～14腳：D0～

97、D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的D0～D7是接到LCD／602的D1～D0，正好相反，因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確。</p><p><b>　　3.3.2報(bào)警部分</b></p><p>　　采用一個(gè)蜂鳴器，由P1.2輸出一定頻率的信號(hào)，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過(guò)一個(gè)三極管9012的放大。報(bào)警部分的連線，如圖3-10所示。<

98、;/p><p><b>　　圖3-10報(bào)警電路</b></p><p><b>　　3.4本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要介紹了基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)的具體硬件設(shè)計(jì)電路。對(duì)其中主要硬件單元:發(fā)射電路、接收電路、檢測(cè)電路以及顯示電路的設(shè)計(jì)給出原理圖并進(jìn)行了分析計(jì)算。</p><p>　　第

99、4章 軟件設(shè)計(jì)和測(cè)量結(jié)果分析</p><p><b>　　4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　系統(tǒng)程序結(jié)構(gòu)：</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，

100、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(bǔ)償與距離計(jì)算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、溫度補(bǔ)償子程序等；</p><p>　　(4)本次設(shè)計(jì)使用C語(yǔ)言編寫程序，C語(yǔ)言相比匯編有許多的優(yōu)勢(shì)；編譯器使用Keil Version2進(jìn)行程序編譯，Keil功能強(qiáng)大使用方便。</p><p>　　主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以

101、及各個(gè)子程序的調(diào)度管理等部分。</p><p>　　如圖4-1所示描述了各個(gè)模塊的關(guān)系：</p><p>　　圖 4-1系統(tǒng)軟件方框圖</p><p><b>　　系統(tǒng)主程序：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)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

102、；</p><p>　　(2)溫度每隔900ms采樣一次，DS18B20在12位精度下轉(zhuǎn)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><p>　　(3)按鍵S為測(cè)量啟動(dòng)鍵；</p><p>　　(4)系統(tǒng)采用AT89S52的內(nèi)時(shí)鐘：12MHz；</p><p>　　(5)沒(méi)有使用看門狗功能；</

103、p><p>　　(6)超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測(cè)，避免直達(dá)信號(hào)造成誤判。所以系統(tǒng)最小測(cè)量約為112mm；</p><p><b>　　系統(tǒng)主程序如下：</b></p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　

104、uchar i,j;</p><p>　　for(i=0;i<255;i++)</p><p>　　for(j=0;j<255;j++); //延時(shí)，等待系統(tǒng)外圍復(fù)位完成 </p><p>　　sys_init(); //初始化</p><p>　　display();

105、 //顯示</p><p>　　sta_flag=0; //標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位 </p><p>　　waitforstarting: //檢測(cè)按鍵</p><p>　　while(START);</p><p>　　for(i=0;i<20;i++)</p>

106、;<p>　　delay1ms();</p><p><b>　　if(START)</b></p><p>　　goto waitforstarting;</p><p>　　BUZZER=0; //蜂鳴器鳴音一次提示按鍵按下</p><p><b>　　i=100000

107、;</b></p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　BUZZER=1;</b></p><p><b>　　i=100000;</b></p><p>　　while(i--);</p><p>　　TR0=1;

108、 //啟動(dòng)定時(shí)器0</p><p><b>　　ET0=1;</b></p><p>　　testtemp(); //啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換</p><p>　　while(1) </p><p><b>　　{ </b><

109、/p><p>　　if(sta_flag) //60MS到了，超聲波已經(jīng)發(fā)送 </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　while(0==CSBIN); //等待超聲波返回</p><p><b>　　TR1=0;</b></p>

110、<p>　　jsh=TH1; //停止計(jì)數(shù)</p><p><b>　　jsl=TL1;</b></p><p>　　if(15==count) //1S到，檢測(cè)溫度</p><p><b>　　{</b></p><p>　　temp=wd()

111、; </p><p><b>　　count=0;</b></p><p>　　testtemp(); //重新啟動(dòng)轉(zhuǎn)換</p><p>　　display(); //刷新顯示</p><p><b>　　}</b></p><p&g