畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì).doc

四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于at89s51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)前言 隨著工業(yè)，建筑業(yè)，農(nóng)業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展，一些在早期社會(huì)，曾被人類廣泛應(yīng)用的米尺不在滿足人類的要求，于是出現(xiàn)了現(xiàn)在人類所應(yīng)用的間接測(cè)量工具。在測(cè)量方面，尤其工業(yè)，據(jù)了解，我國(guó)一些工業(yè)領(lǐng)域曾經(jīng)使用過接觸式測(cè)量?jī)x，但普遍存在著這樣一些問題，比如觸點(diǎn)的接觸不良，抗粉塵的能力差，誤動(dòng)作，經(jīng)常失靈，不可調(diào)整，容易被雜物纏繞而誤報(bào)等缺點(diǎn)，工作不可靠，影響設(shè)備的正常使用。針對(duì)以上這些缺點(diǎn)。我們考慮研究一種非接觸測(cè)量?jī)x器。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，非接觸測(cè)量出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距，激光測(cè)距及超聲波測(cè)距等。前幾種方法由于技術(shù)難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測(cè)距由于其科研技術(shù)難度相對(duì)較低，且成本低廉，適于民用推廣。所以現(xiàn)在我們所見到一些測(cè)量?jī)x基本上都是利用超聲波來測(cè)距的。 超聲波作為一種檢測(cè)技術(shù)，采用的是非接觸式測(cè)量，這個(gè)特點(diǎn)可使測(cè)量?jī)x器不受被測(cè)介質(zhì)的影響。這樣就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測(cè)物對(duì)測(cè)量?jī)x器腐蝕，觸點(diǎn)接觸不良造成的誤測(cè)情況。且對(duì)被測(cè)的元件無磨損，使測(cè)量?jī)x器使用壽命加長(zhǎng)，牢固耐用，而且還降低了能量消耗，節(jié)省人力和勞動(dòng)的強(qiáng)度。從長(zhǎng)遠(yuǎn)利益看，是多向節(jié)能型研究。 超聲波測(cè)距與其它非接觸式的檢測(cè)方式方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法它不受光線，被測(cè)對(duì)象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對(duì)于被測(cè)物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量，機(jī)械手控制，車輛自動(dòng)導(dǎo)航，物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辯力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。 超聲波是一種指向性強(qiáng)，能量消耗慢的波。它在介質(zhì)中傳播的距離比較遠(yuǎn)。因而超聲波經(jīng)常被用于測(cè)量距離，可解決超長(zhǎng)度的測(cè)量。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，反射、折射、干涉、衍射、散射等。與物理緊密聯(lián)系，應(yīng)用靈活。并且更適合與高溫，高粉塵，高濕度和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。無論從可靠性還是從精度方面，超聲波測(cè)距做得都比較好。利用超聲波檢測(cè)即時(shí)迅速，方便，計(jì)算簡(jiǎn)單，又易于做到實(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。具有廣泛的發(fā)展前景。另外，在控制方面，單片機(jī)其卓越的性能，要本設(shè)計(jì)中得到了很好的體現(xiàn)，尤其在檢測(cè)，控制領(lǐng)域中，具有以下特點(diǎn)： 小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，它能方便地組裝成各種智能測(cè)試，控制設(shè)備及各種智能儀器表。 可靠性好，適應(yīng)范圍廣，單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)測(cè)控環(huán)境要求設(shè)計(jì)的，能適應(yīng)各種惡劣的環(huán)境，這是其它原件無法比擬的。 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)，單片機(jī)的邏輯控制功能很強(qiáng)，指令系統(tǒng)有各種控制功能所用的指令。 本文論述了采用單片機(jī)技術(shù)研制成功的用超聲波測(cè)距儀的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方案容易。采用軟件控制，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。可在潮濕高溫，多塵等惡劣環(huán)境下工作。并且靈敏度高，可靠性強(qiáng)。而且這個(gè)測(cè)距系統(tǒng)還可以經(jīng)過簡(jiǎn)單的修改就能實(shí)現(xiàn)其它的檢測(cè)要求。例如：超聲波測(cè)距儀廣泛被應(yīng)用于汽車的倒車、建筑施工的工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、聯(lián)合收割機(jī)、管道長(zhǎng)度等的實(shí)時(shí)測(cè)量場(chǎng)合。根據(jù)調(diào)查，目前國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)，但是專用集成電路的成本很高，并且沒有數(shù)據(jù)顯示，操作使用很不方便。因此本設(shè)計(jì)采用了以at89s51單片機(jī)為核心低成本，高精度，led數(shù)字顯示超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)果的硬件電路設(shè)計(jì)方法。整個(gè)設(shè)計(jì)對(duì)其它所用器件也進(jìn)行了介紹和對(duì)比。綜合了各器件的功能，耐用性，市場(chǎng)價(jià)位等多方面因素，選件謹(jǐn)慎、適用。硬件設(shè)計(jì)方面利用所學(xué)的知識(shí)和理論聯(lián)系實(shí)際的方法，本著和大學(xué)課本密切聯(lián)系的原則來完成設(shè)計(jì)任務(wù)。在文中還詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的主要芯片（at89s51，cx20106a, tct40-10）的性能和特點(diǎn)。軟件設(shè)計(jì)方面采用mcs-51語言，通俗易懂。通過實(shí)際測(cè)試使用證明，該超聲波測(cè)試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)距精度高，性能良好，可廣泛應(yīng)用到實(shí)際中以方便觀察測(cè)試結(jié)果。 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)原理和目的2、5本課題的研究，是為了利用超聲波，來測(cè)量比較有難度的距離，通過一系列原件（at89s51, cx20106a ,tct40-10，led數(shù)碼管）組成一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，來達(dá)到對(duì)困難距離的測(cè)量，得到一個(gè)精確度在0.01m以內(nèi)的精確距離數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測(cè)量。超聲波是指頻率大于20khz的機(jī)械波。為了用超聲波作為檢測(cè)手段，就必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波，然而完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上把它稱為超聲波探頭或超聲波換能器。超聲波傳感器包括發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送聲波和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在超聲波發(fā)射時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的測(cè)量可以用尺，遠(yuǎn)距離的測(cè)量可以用激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距則適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0m頻率的晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法tof（timeofflight）。利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物后返回所經(jīng)歷的時(shí)間t，再乘以超聲波的速度就得到聲源與障礙物之間的距離的二倍（2s），在把得到的距離除以2就得到了發(fā)射儀與被測(cè)物體之間的距離。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，同時(shí)在發(fā)射的時(shí)刻開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就會(huì)立即返回來，超聲波接收器收到反射波就會(huì)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)距離障礙物之間的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。然而在實(shí)際環(huán)境中，空氣溫度是一個(gè)不可不考慮的因素之一，因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械膫鬏斔俣仍诤艽蟮某潭壬鲜且軠囟鹊挠绊?，不同的溫度超聲波擁有不同的傳輸速度，因此一般都還需要一個(gè)溫度補(bǔ)償，來計(jì)算出當(dāng)前空氣溫度下，超聲波的傳播速度，不同溫度下超聲波傳輸速度見表1.1-1。表1.1-1 不同溫度下超聲波傳輸速度溫度-30-20-100102030速度m/s312318326332339342349關(guān)于溫度補(bǔ)償，由于超聲波傳播速度與環(huán)境溫度有如公式1.1-1所示關(guān)系： (1.1-1)式中t為攝氏溫度，c為在該溫度下的超聲波傳播速度（單位為 m/s）。當(dāng)溫度知道的情況下，通過該式就可以知道該溫度下超聲波的傳播速度了。用溫度去校正超聲波的傳播速度，這就是溫度補(bǔ)償。關(guān)于溫度傳感器的選擇，在傳統(tǒng)的中、低溫測(cè)溫領(lǐng)域中采用的方法有熱敏電阻，半導(dǎo)體溫度傳感器等。這些方法都有一定的缺陷，如線性差，電路復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化需要a/d轉(zhuǎn)換等。這導(dǎo)致了在工程應(yīng)用中的一系列問題，如造價(jià)高，互換性差，調(diào)試不方便等。在本設(shè)計(jì)中，采用了一種高性能，低價(jià)格，數(shù)字化的溫度傳感器ds18b20來采集溫度，該數(shù)字溫度傳感器為獨(dú)特的1-wire總線接口，僅占用mcu一只引腳，具有操作簡(jiǎn)單，溫度測(cè)量快，精度高（提供912位溫度讀數(shù)），測(cè)量溫度范圍為55到125攝氏度，在10到85攝氏度范圍內(nèi)精度為0.5攝氏度等優(yōu)點(diǎn)?？尚行苑治觯焊鶕?jù)式子在mcu中建一溫度速度表（溫度速度表精確到小數(shù)點(diǎn)后1位），由溫度傳感器輸出的溫度去查表，便找到了在該溫度下的超聲波傳播速度c，再由l=ct便可以得出被測(cè)量距離。a.設(shè)環(huán)境溫度為t0=25攝氏度，此時(shí)超聲波傳播速度為： (1.1-2)測(cè)量5m的距離用時(shí)：（?。?(1.1-3)b. 設(shè)數(shù)字溫度傳感器給出的溫度為t=24.5攝氏度,得出超聲波傳播速度為： (1.1-4)速度誤差為： (1.1-5)測(cè)量5m產(chǎn)生的距離誤差為： (1.1-6)c.設(shè)數(shù)字溫度傳感器給出的溫度為t=25.5攝氏度，得出超聲波傳播速度為： (1.1-7)速度誤差為： (1.1-8)測(cè)量5m產(chǎn)生的距離誤差為： (1.1-9)由此可以看出，采用溫度補(bǔ)償法測(cè)量出的距離精度高，使用方便。本課題將使用at89s51, cx20106a紅外接收專用放大電路，tct40-10超聲波傳感器和數(shù)字化的溫度傳感器ds18b20設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀。建立一個(gè)超聲波測(cè)距儀，主要工作有：完成硬件設(shè)計(jì),即at89s51與cx20106a紅外接收專用放大電路，tct40-10超聲波傳感器和數(shù)字化的溫度傳感器ds18b20之間的硬件設(shè)計(jì)；軟件設(shè)計(jì),即at89s51,cx2016a,tct40-10,ds18b20的軟件設(shè)計(jì)以及驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。超聲波作為測(cè)距，已經(jīng)在很多領(lǐng)域起著非常重要的作用。利用超聲波檢測(cè)往往比較方便、迅速、計(jì)算簡(jiǎn)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,因此在移動(dòng)機(jī)器人,汽車安全,海洋測(cè)量等上得到了廣泛的應(yīng)用。因此利用超聲波測(cè)距，能在人們?nèi)粘：涂茖W(xué)研究中，測(cè)量到不容易被測(cè)量的距離，如液位測(cè)量、礦井深度、彎道長(zhǎng)度等等，減少了測(cè)量成本和測(cè)量危險(xiǎn)。1.2 設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離的測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。所以，本設(shè)計(jì)采用at89s51單片機(jī)作為主要的主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描的方法實(shí)現(xiàn)led數(shù)字顯示，用單片機(jī)的定時(shí)器完成超聲波的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖1.2-1所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制器超聲波發(fā)送超聲波接收led顯示掃描驅(qū)動(dòng)圖1.2-1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)主要由超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路、單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路三部分組成。采用at89s51單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外接收芯片和tct40-10系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過引腳經(jīng)過反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)int0引腳，當(dāng)int0引腳的電平從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離，其系統(tǒng)的原理框圖如圖1.2-2所示。定時(shí)器控 制顯示器調(diào)制器振蕩器超生發(fā)射器計(jì)時(shí)器接受檢測(cè)超生接收器圖1.2-2 系統(tǒng)原理框圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1 單片機(jī)at89s51的基本設(shè)計(jì)1at89s51是一個(gè)功耗低，性能高的cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲(chǔ)器，此器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造而成，兼容標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令系統(tǒng)和80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲(chǔ)單元，功能如此強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)at89s51可作為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。由于本設(shè)計(jì)的各項(xiàng)功能都可以用atmel公司的8951單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，而且它的售價(jià)相當(dāng)?shù)土?，在電子市?chǎng)的價(jià)格一個(gè)也就6元錢左右，因此選擇它為本課題的主控制器，其外形圖如圖2.1-1所示。圖2.1-1 at89s51的外形圖at89s51具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 4k bytes flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ram），40個(gè)引腳，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)全雙工串行通信口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。除此之外，at89s51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可以為0hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。當(dāng)處于空閑模式下，cpu暫停工作，而ram定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，當(dāng)處于掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。而且這種芯片還具有tqfp、pdip和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)于不同產(chǎn)品的需求。2.2 cx20106a紅外接收放大模塊的設(shè)計(jì)cx20106a是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號(hào)接收集成電路，廣泛應(yīng)用于視頻、音頻、空調(diào)、風(fēng)扇等各種遙控系統(tǒng)中作遙控信號(hào)接收電路。內(nèi)部電路由前置放大器、自動(dòng)偏置電平控制電路（ablc）、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路組成。由于考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38khz與測(cè)距超聲波頻率40khz較為接近，所依可利用它作為超聲波檢測(cè)電路，其邏輯框圖如圖2.2-1所示。前置放大電路限幅放大器帶通濾波器檢波器和比較器積分器斯密特觸發(fā)器ablc12345678 圖2.2-1 cx20106a邏輯框圖cx20106a的主要技術(shù)特點(diǎn)有以下幾點(diǎn)： 低電壓供電，其典型值為5v。 功耗低，vcc=5v時(shí)，其典型功耗為9mw。 帶通濾波器的中心頻率可通過改變引腳5和電源之間的電阻進(jìn)行調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的范圍為3060khz。由于沒有使用電感，能夠不受磁場(chǎng)的感染，因此抗干擾能力強(qiáng)。 能與pin光電二極管直接連接。 集電極開路輸出，能直接驅(qū)動(dòng)ttl或coms電路。 8引腳單列直插式塑料封裝。接下來再讓我們來看看它的極限參數(shù)見表2.2-1，cx20106a引腳功能說明及其參考數(shù)據(jù)見表2.2-2。表2.2-1 cx20106a的極限參數(shù)參數(shù)名稱符號(hào)參數(shù)值單位電源電壓vcc17v輸入信號(hào)電壓vin5v允許功耗pd0.6w工作環(huán)境溫度t1-20+75貯存溫度t2-55+150表2.2-2 引腳功能說明及其參考數(shù)據(jù)引腳符號(hào)功能說明電壓（v）1in遙控信號(hào)輸入端該腳和地之間聯(lián)結(jié)著pin光電二極管，該集成塊1腳輸入阻抗約為405k。2.12c1rc網(wǎng)絡(luò)連接端該腳與地之間接有rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用來確定前置放大器頻率特性和增益。電阻值大，容量值小，則增益低；反之則高。但電容不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會(huì)降低。2.63c2檢波電容連接端該腳與地之間接有檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低；電容量小，則為峰值檢波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大，容易造成遙控誤動(dòng)作。1.54gnd接地端接地。05fo帶通濾波器中心頻率設(shè)置端該腳與電源間所接電阻器，是用來設(shè)置帶通濾波器的中心頻率fo，電阻值為200k時(shí)，中心頻率fo=40khz；電阻值為220k時(shí)，則中心頻率fo=38khz。1.46c3積分電容連接端該腳所接的積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pf，當(dāng)其容量值變大，則外部噪波干擾增強(qiáng)，遙控距離變短。17out遙控指令信號(hào)輸出端該端口為集電極開路輸出端。該腳和電源間連接一只約為22k電阻后，輸出脈沖低電平的標(biāo)準(zhǔn)值約為0.2v4.68vcc供電電源端5v0.3v工作電源電壓輸入端5最后再讓我們?cè)倏纯碿x20106a集成塊內(nèi)電路方框圖與它的典型應(yīng)用電路，如圖2.2-2所示。 圖2.2-2 cx20106a集成塊內(nèi)電路方框圖與其典型應(yīng)用電路2.3 tct40-10超聲波傳感器的設(shè)計(jì)3超聲波的四個(gè)具體特性有：波長(zhǎng)與輻射，反射，溫度效應(yīng)，衰減。波長(zhǎng)與輻射：波的傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來表示。電磁波的傳播速度是3108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20時(shí))。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。超聲波設(shè)備的外表面尺寸易于獲得精確的輻射。反射：要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測(cè)到它們。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到表面振動(dòng)幅度很大的物體。溫度效應(yīng)：聲波傳播的速度“c”可以用下列公式表示。式中，t=溫度 ()也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離時(shí)，始終檢查周圍溫度是十分必要的。衰減：傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。超聲波的頻率越高，衰減率就越高，波的傳播距離也就越短。tct40-10是一款常用的超聲波發(fā)射接收器件，由一塊發(fā)射端t和一塊接收端r共同組成，其外觀圖如圖2.3-1所示，超聲波的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖如圖2.3-2所示。圖2.3-1 tct40-10外觀圖電級(jí)壓電晶片共振板圖2.3-2 超聲波轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能是利用壓電晶體的諧振工作。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.3-2所示，它具有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)外加脈沖信號(hào)在它的兩極，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)從而產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器;如果沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)略有不同。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2.3-3所示：圖2.3-3 超聲波發(fā)射電路原理圖超聲波接收電路采用的是集成電路cx20106a，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控器常用的載波頻率38khz與測(cè)距超聲波頻率40khz比較接近，可以用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。若適當(dāng)改變c4的大小，就可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波接收電路原理圖如圖2.3-4所示：圖2.3-4 超聲波接收原理圖而整個(gè)超聲波測(cè)距的原理，就是如圖2.3-5所示：超聲波測(cè)距儀tr障礙物圖2.3-5 超聲波測(cè)距原理圖2.4 ds18b20溫度傳感器的設(shè)計(jì)ds18b20數(shù)字溫度計(jì)是dallas公司生產(chǎn)的1wire，即單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單，體積小的特點(diǎn)。因此用它來組成一個(gè)測(cè)溫系統(tǒng)，具有線路簡(jiǎn)單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計(jì)，十分方便。ds18b20的主要特性有以下幾點(diǎn)：l 溫度轉(zhuǎn)換及輸出。l 單總線數(shù)據(jù)通信。l 12位分辨率，精度可達(dá)0.5。l 12位分辨率時(shí)的最大工作周期為750ms。l 可選擇寄生工作方式。l 檢測(cè)溫度范圍為-55+125。l eprom，限溫報(bào)警功能。l 在ds18b20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào)。l 實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。ds18b20的外觀圖，如圖2.4-1所示： 圖2.4-1 ds18b20外觀圖 再來看看它的引腳圖，如上圖2.4-2所示：圖2.4-2 ds18b20引腳圖ds18b20有多種封裝形式，本課題使用的是常見的3長(zhǎng)針腳的封裝形式。其引腳功能如表2.4-1所示：表2.4-1 ds18b20引腳說明引腳名稱功能1gnd地信號(hào)2dq數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。開漏單總線接口引腳。當(dāng)被用著在寄生電源下，也可以向器件提供電源。3vdd可選擇的vdd引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。由于ds18b20采用的是1wire總線協(xié)議方式，就是在一根數(shù)據(jù)線上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對(duì)于at89s51單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對(duì)ds18b20芯片的訪問，ds18b20 與at89s51連接圖如圖2.4-3所示。圖2.4-3 at89s51與ds18b20連接圖2.5 led數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì)at89s51采用的是12mhz高精度的晶振，以獲得比較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用p1.0端口輸出超聲波轉(zhuǎn)化器所需要的40khz方波信號(hào)，利用外中斷0口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用的是既簡(jiǎn)單又實(shí)用的4位共陽led數(shù)碼管，段碼用74ls244驅(qū)動(dòng)，位碼用pnp三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖2.5-1所示：圖2.5-1 單片機(jī)及其顯示原理圖2.6 整體系統(tǒng)原理圖如圖2.6-1所示圖2.6-1 整體原理圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1 軟件設(shè)計(jì)分析4、6超聲波測(cè)距的軟件設(shè)計(jì)主要是由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行初始化，設(shè)置定時(shí)器t0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，把總中斷允許位ea置位，并給顯示端口p0和p2清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，必需延遲0.1ms(這就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用頻率為12mhz的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器t0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算就可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離： （3.1-1） （3.1-2）這樣就可以計(jì)算出測(cè)距儀與障礙物之間的距離。測(cè)出距離后得結(jié)果將以十進(jìn)制bcd碼方式顯示led,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程，求多次測(cè)量的平均值（誤差最小化）。3.2 主程序框圖超聲波測(cè)距系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)思路如圖3.2-1所示：開始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待發(fā)射超聲波顯示結(jié)果0.5s計(jì)算距離圖3.2-1 超聲波測(cè)距主程序框圖3.3 超聲波系統(tǒng)子程序設(shè)計(jì)超聲波發(fā)生子程序的作用是通過p1.0端口發(fā)送2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約為40khz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器t0打開進(jìn)行計(jì)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)入中斷服務(wù)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)志字賦值為1。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)志字賦值為2以表示此次測(cè)距不成功。整個(gè)軟件系統(tǒng)如圖3.3-1，圖3.3-2，圖3.3-3所示：開始單片機(jī)初始化定時(shí)中斷子程序有回波嗎yn定時(shí)中斷入口定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波發(fā)射完了嗎停止發(fā)射返回yn外部中斷入口關(guān)閉外部中斷讀取時(shí)間值計(jì)算距離結(jié)果輸出開啟外部中斷返回外部中斷子程序圖3.3-1 主程序流程圖 圖3.3-2 定時(shí)中斷服務(wù)子程序 圖3.3-3外部中斷服務(wù)子程序4 系統(tǒng)調(diào)試超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用的是15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，安裝的時(shí)候需保持兩個(gè)換能器中心軸線相平行并且相距48cm，其余元件沒有特殊要求。如果能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，那么可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍的要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，從而獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調(diào)試好之后，便可以將程序編譯好并下載到單片機(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，此測(cè)距儀能測(cè)的距離范圍為0.27m5m，測(cè)距儀的最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完成之后應(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。5 結(jié)束語本課題到這里就基本結(jié)束了，對(duì)于本人制作的超聲波測(cè)距儀，必定還有很多的不足之處，一定要從實(shí)驗(yàn)查出紕漏，進(jìn)一步完善。本課題采用的at89s51等器件都是電子市場(chǎng)上非常容易找到的，而且價(jià)格低廉，功能齊全，能滿足設(shè)計(jì)需要，達(dá)到理想的效果。關(guān)于現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)，超聲波測(cè)距已經(jīng)是一種非常成熟的技術(shù)，而且它的成本低，適合于大多數(shù)需要比較精確的數(shù)據(jù)的地方，例如井深，液位，汽車倒車?yán)走_(dá)等地方。它已經(jīng)為我們的工業(yè)生產(chǎn)，資源探索，日常生活的一門重要測(cè)量距離解決手段，為我們帶來了方便。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，超聲波測(cè)距的精度一定能更進(jìn)一步精確，從未能解決更多不易解決的問題。超聲波測(cè)距一定是將來一種最重要的短距離測(cè)量方法，一定能在我們的更多領(lǐng)域起到不可或缺的作用。設(shè)計(jì)過程中所遇到的困難一個(gè)接一個(gè)，超聲波怎么發(fā)送怎么接收，采用什么芯片，收到回波后怎么樣計(jì)算。 問題一：發(fā)不出去，超聲波發(fā)的40khz（通過程序調(diào)整占空比，發(fā)送）。 問題二：不知是否接到，65ms中斷一次，發(fā)送40khz脈沖，然后查看電平變化。 問題三：收到了怎么計(jì)算，（其中t0為計(jì)數(shù)器t0的計(jì)數(shù)值）。經(jīng)過同學(xué)的幫助，圖書館查找資料，網(wǎng)上尋求幫助等方法終于解決了這些問題，經(jīng)過這次的制作使我體會(huì)到在學(xué)習(xí)單片機(jī)中制作作品的好處，也對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)有了更深刻體會(huì)，這是一次全新的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，讓我受益匪淺。要完成一個(gè)項(xiàng)目知識(shí)是必不可少的，怎么樣去查閱資料，收集與課設(shè)要用的有關(guān)的知識(shí)就顯得極為重要。其次，要完成一件工作，還得專心致志才行，細(xì)心耐心，這次的項(xiàng)目花費(fèi)了不少的時(shí)間，不論理解原理還是焊接都是如此。第三，在焊接時(shí)出現(xiàn)了不少的問題有時(shí)候一時(shí)半會(huì)結(jié)局不掉，所以遇到困難要冷靜，要多想解決辦法，多嘗試。附錄1：源程序主程序：void main() uchar i;delay(1000);tmod=0x90;tl1=0x00;th1=0x00;tr1=1;for(i=10;i0;i-) trslate=!trslate; /*發(fā)送*/ nop(); nop();nop();nop();nop();do /*等待*/while(tt1=1);tr1=0;ea=0;flag1=th1;flag2=tl1;js(); /*計(jì)算距離*/while(1)for(i=100;i0;i-)display(); /*反復(fù)顯示*/超聲波發(fā)射程序:#include #include #define nop() _nop_()main()while(1)p1=！p1; /*25us去反一次，符合40khz的要求*/ nop(); nop(); nop(); nop(); nop();從發(fā)送到接收時(shí)間的計(jì)算程序：#includesbit tt1=p33;uchar flag1，flag2；main()tmod=0x