基于51超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于51超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)容摘要超聲波是指頻率在20KHZ以上的聲波，它屬于機(jī)械波。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)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Ｏ到y(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括發(fā)射電路、接收電路、單片機(jī)電路、電源電路和顯示電路，另外還有LCD控制電路和復(fù)位電路等。我采用以AT89S51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。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。軟件程序由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、預(yù)置子程序、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LCD上。另外程序控制單片機(jī)消除各探頭對(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。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。在設(shè)計(jì)的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。關(guān)鍵詞AT89S51超聲波測(cè)距DESIGNFORTHEULTRASONICRANGINGSYSTEMABSTRACTISTHEFREQUENCYAT20KHZULTRASONICSOUNDWAVESABOVE,ITISAMECHANICALWAVEALSOFOLLOWTHEGENERALMECHANICALULTRASONICWAVEPROPAGATIONINELASTICMEDIA,SUCHASREFLECTIONANDREFRACTIONATTHEINTERFACEMEDIAINTOTHEMEDIAAFTERTHEDECAYOCCURS,SUCHASDIELECTRICABSORPTIONITISBECAUSEOFTHESEPROPERTIES,SOTHATULTRASOUNDCANBEUSEDTOMEASURETHEDISTANCEWITHINCREASINGLEVELSOFTECHNOLOGY,ULTRASONICRANGINGTECHNOLOGYISWIDELYUSEDAMONGPEOPLESDAILYWORKANDLIFEDESIGNOFTHESYSTEMCONSISTSOFTWOPARTS,NAMELYHARDWAREANDSOFTWAREPROGRAMSTHEHARDWARECIRCUITINCLUDESATRANSMITTERCIRCUIT,ARECEIVERCIRCUIT,THEMICROCONTROLLERCIRCUIT,APOWERSUPPLYCIRCUITANDADISPLAYCIRCUIT,INADDITIONTOTHELCDCONTROLCIRCUITANDARESETCIRCUITIUSEDTOAT89S51CORE,LOWCOST,HIGHPRECISION,MINIATURIZEDULTRASONICRANGEFINDERDIGITALDISPLAYHARDWARECIRCUITSTHEENTIRECIRCUITISMODULARINDESIGN,THESIGNALTRANSMISSIONANDRECEPTION,POWER,TEMPERATUREMEASUREMENTANDDISPLAYMODULESIGNALAMPLIFICATIONANDDETECTIONPROBELAUNCHAFTERLAUNCHOUTMCUTIMERISSTARTED,THEORIGINALWAYBACKAFTERTHEULTRASOUNDWASLAUNCHED,AFTERAMPLIFICATIONBANDPASSFILTERINGPLASTICANDOTHERSECTORS,THENTHEMICROCONTROLLERRECEIVESTHECOUNTERTOSTOPWORKINGANDGETTHETIMEAFTERTHETEMPERATUREMEASUREMENTTOTHEMICROCONTROLLER,THESPEEDTHROUGHTHEPROCESSOFCORRECTINGACOMBINATIONOFBOTHTOACHIEVEULTRASONICRANGINGFUNCTIONSOFTWAREPROGRAMFROMTHEMAINPROGRAM,LAUNCHSUBROUTINERECEIVESSUBROUTINE,PRESETROUTINES,SUBROUTINESANDOTHERDISPLAYMODULESITCONTROLSTHEMICROCONTROLLERFORDATATRANSMISSIONANDRECEPTION,ATACERTAINTEMPERATURECORRECTIONOFULTRASONICVELOCITY,ASWELLASDATAONTHELCDDISPLAYCORRECTLYANOTHERPROCEDURECONTROLSTHEMICROCONTROLLERTOELIMINATETHEINFLUENCEOFTHEPROBEFORTRANSMITTINGANDRECEIVINGULTRASONICWAVESACCOMPANIEDBYTHERELEVANTPARTOFTHEHARDWARESCHEMATICS,PROGRAMFLOWTHEACTUALENVIRONMENTOFGREATINFLUENCEONTHEULTRASONICWAVE,SUCHASANEXTERNALELECTROMAGNETICINTERFERENCEPOWERINTERFERENCECHANNELINTERFERENCE,ETC,THETEMPERATUREOFTHEAIRISALSOAGREATINFLUENCEONTHESPEEDOFTHEULTRASONICWAVEBESIDESMEASURINGTHEPOWERSUPPLYALSOMAKEGREATERROROFPOORSTUDENTSREDESIGNPROCESSTOCONSIDERTHESEFACTORS,ANDGIVESSOMESOLUTIONSKEYWORDSAT89S51ULTRASONICWAVERANGING目錄前言11超聲波測(cè)距系統(tǒng)介紹211超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容212超聲波測(cè)距原理與方法3121超聲波簡(jiǎn)介4122超聲波的物理量性質(zhì)413超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用514超聲波傳感器介紹515超聲波的測(cè)距原理及結(jié)構(gòu)716超聲波傳感器選擇9161超聲波測(cè)距的原理1017發(fā)射脈沖波形1318本章小結(jié)152系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1521發(fā)射電路設(shè)計(jì)15211發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案16212發(fā)射電路方案16213超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)1622接收電路設(shè)計(jì)1623單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì)173軟件設(shè)計(jì)與測(cè)量結(jié)果分析1731系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)174結(jié)束語355致謝35附錄35參考文獻(xiàn)35基于51超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)前言近年來，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。超聲波指的是20KHZ以上的聲波。超聲波同樣遵循一般機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，比如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生折射及反射現(xiàn)象，進(jìn)入介質(zhì)后而被介質(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。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、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。國(guó)外超聲波測(cè)距儀技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品齊全，性能比較穩(wěn)定，市場(chǎng)需求量大，測(cè)量精度高，測(cè)量誤差小。1超聲波測(cè)距系統(tǒng)介紹11超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容本系統(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DS18B2和LCD顯示電路組成。并采用LCD顯示環(huán)境溫度，當(dāng)移動(dòng)被測(cè)物體時(shí)，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過AT89C51數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到LCD上。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖111所示。AT89C51發(fā)射電路接收電路DS18B12LCD圖111系統(tǒng)設(shè)計(jì)總框圖由單片機(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)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)障礙物反射回來，超聲波接收頭接收此信號(hào)，然后通過接收電路的處理，指定接收口就變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機(jī)中定時(shí)器的值。由圖112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中傳播的時(shí)間T，由此便可計(jì)算出距離。圖112時(shí)序圖12超聲波測(cè)距原理與方法121超聲波簡(jiǎn)介超聲波技術(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)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。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。122超聲波的三種形式超聲波在介質(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、波的傳播方向一致；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波、橫波之間。橫波只能傳播在固體里，縱波能在氣體、液體和固體中傳播，表面波隨深度的增加而衰減更快。一般采用縱波形式的超聲波來測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量。123超聲波的物理性質(zhì)超聲波的反射和折射當(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)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，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。超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。超聲波如果在一種介質(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)。13超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用機(jī)械作用超聲波傳播過程中，一般會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的伸張與壓縮，造成了壓力的變化，引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，盡管位移和速度不大，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)足以破壞介質(zhì)?？栈饔昧黧w動(dòng)力學(xué)指出，在聲場(chǎng)作用下振動(dòng)的液體中的微氣泡在達(dá)到一定聲壓值的時(shí)候，氣泡會(huì)迅速膨脹，之后就突然閉合，而在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程就叫做為空化。熱學(xué)作用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。14超聲波傳感器介紹總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類一類是利用機(jī)械方式產(chǎn)生出超聲波，一類是利用電氣方式產(chǎn)生出超聲波。機(jī)械方式有液哨、氣流旋笛和加爾統(tǒng)笛等；電氣方式則包括電動(dòng)型、磁致伸縮型和壓電型等。他們產(chǎn)生出的超聲波頻率、功率和聲波特性都各自不相同，因此用途也不盡相同，壓電式超聲波發(fā)生器是目前比較常用的發(fā)生器。實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個(gè)壓電晶片、一個(gè)共振板。當(dāng)壓電式超聲波發(fā)生器的兩極外加脈沖信號(hào)，頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率的時(shí)候，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。相反，未在兩極間加電壓時(shí)，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)來轉(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)如圖141和圖142所示圖141傳感器的外部結(jié)構(gòu)圖142傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)15超聲波的測(cè)距原理及結(jié)構(gòu)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12211對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。151TV607314式中，V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為MS，T為實(shí)際溫度單位為。超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，因此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即流體動(dòng)力型與電聲型。流體動(dòng)力型中包括有氣體、液體兩種類型的哨笛。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和磁致伸縮傳感器。壓電傳感器的探頭由楔塊、壓電晶片和接頭等組成。壓電材料可分為壓電陶瓷和晶體兩類。屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等，屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，其具有下列的特性把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的變化相反，如果對(duì)它施以外力，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)。超聲波傳感器通常由雙壓電陶瓷片制成的。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價(jià)格低廉，非常適合于氣體和液體介質(zhì)。當(dāng)壓電陶瓷改變交流電壓的大小和方向，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形是與在一定范圍內(nèi)所施加的電壓大小和方向成比例的。即在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，以促進(jìn)這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。如果在壓電陶瓷片上，這將使得機(jī)械變形時(shí)，壓電陶瓷片的機(jī)械變形，產(chǎn)生與機(jī)械超聲波相同頻率的電信號(hào)。圖151雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片的等效電路如圖12211所示，R是電損耗，C0為靜電電容，R是損耗串聯(lián)電阻，聯(lián)電阻CM、LM是機(jī)械共振回路的電容和電感。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率0，發(fā)射超聲波時(shí)，加在它兩端的交變電壓的頻率必須和它的固有諧振頻率保持一致。在這種情況下，超聲波傳感器具有很高的靈敏度。當(dāng)改變壓電材料常數(shù)和改變壓電陶瓷片，由超聲波換能器的頻率特性很容易改變使用的固有諧振頻率的幾何形狀16超聲波傳感器選擇在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高；頻率取得太低，外界的雜音干擾會(huì)相應(yīng)的變多。文中所采用的探頭是40KHZ的收發(fā)分體式超聲傳感器，由發(fā)射傳感器UCMT40KI和接收傳感器UCMR4OKI組成，其特性參數(shù)如表161所示。表161傳感器特性參數(shù)表型號(hào)UCMT40K1UCMR40KQ結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接收中心頻率401KHZ381KHZ頻帶寬205KHZ205KHZ靈敏度110DBV/UBAR65DBV/UBAR聲壓115DBMIN0DB002MPA70DBMIN0DB1V/UBAR指向角7580容量250025PF250025PF161超聲波測(cè)距的原理超聲波測(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LCT/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。圖12231測(cè)距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速就增加06米秒。表1611列出了幾種溫度下的聲速表1611聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）3020100102030100聲速（米/秒）311319325331337343349389在使用時(shí)，假設(shè)溫度變化不是大的話，則可以當(dāng)做聲速C不變，計(jì)算的時(shí)候取C的大小為340M/S。只是測(cè)距精度要求很高的時(shí)候，就可以在硬件電路基本上保持不變的情況下通過軟件來加以校正以及改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法。在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(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（1611）/604316274531SMTTC，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L1/2331406TT（系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償）。17發(fā)射脈沖波形超聲測(cè)距常用的發(fā)射脈沖波形如圖27所示有衰減振蕩脈沖、單個(gè)尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。單個(gè)尖脈沖衰減振蕩脈沖窄等幅波脈沖寬等幅波脈沖圖171超聲波測(cè)距常用發(fā)射脈沖波形18本章小結(jié)本章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(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)；析了超聲波測(cè)距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測(cè)距的幾種常用方法以及傳感器指向角、環(huán)境溫度、工作頻率、發(fā)射脈沖波形。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)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。發(fā)射電路采用單片機(jī)P10端口編程輸出大概40KHZ的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0單片機(jī)端口輸出功率比較弱，所以加大加功率放大電路使測(cè)量距離能夠滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器UCM40T發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。由于從接收傳感器探頭UCM40T傳來的超聲波回波很微弱，只有幾十個(gè)MV級(jí)，同時(shí)又有著較強(qiáng)的噪聲，所以必須考慮放大信號(hào)和抑制噪聲。這里使用CX20106A集成電路對(duì)接收探頭接收濾波，信號(hào)經(jīng)過P27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，通過三位LED數(shù)碼管顯示。21發(fā)射電路設(shè)計(jì)40KHZ左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法使用軟件如單片機(jī)軟件編程輸出或采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用前者。編程由單片機(jī)P10端口輸出40KHZ左右的方波脈沖信號(hào)，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40KHZ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TCT4016T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖31所示。圖中輸出端上拉電阻R31，一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，另一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。圖21超聲波發(fā)射電路211發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案一、發(fā)射電路輸出波形分析1，發(fā)射波形電壓及功率傳感器的發(fā)射電壓大小一般是由發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度決定；考慮實(shí)際發(fā)射傳感器最大輸入電壓為20V，而單片機(jī)輸出的最大正常工作電壓為5V，功率傳感器傳輸?shù)男盘?hào)直接決定超聲波距離傳感器信號(hào)的發(fā)射，所以在相同的時(shí)間內(nèi)電壓應(yīng)考慮如何增加他們的功率，以使發(fā)射電路是比較合理的。2發(fā)射波形的重復(fù)性各個(gè)振動(dòng)的發(fā)射波應(yīng)是以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和接收相同的振動(dòng)波峰，以避免由于反射面和干涉障礙物造成的各種損失。為了獲得高的分辨率，超聲發(fā)射器的電路設(shè)計(jì)應(yīng)確保良好的發(fā)射波形的重復(fù)性。為了保證發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)必須合理。一般發(fā)射電路通常按發(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)。212發(fā)射電路方案從上面的分析可以知道，發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。本系統(tǒng)單片機(jī)的P10發(fā)出了一組方波脈沖信號(hào)，輸出波形穩(wěn)定可靠，但由于輸出電流和輸出功率非常低，所以還不足以推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)射足夠的超聲波信號(hào)，所以在這里加入了一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對(duì)稱功率放大電路，如圖2121所示。圖2121超聲波發(fā)射電路213超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)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，超聲波接收器收到反射波后就會(huì)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，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即為S340T/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。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。誤差一般由以下幾個(gè)方面引起的探測(cè)目標(biāo)的入射角會(huì)受超聲波波束影響；待測(cè)距離的遠(yuǎn)近關(guān)系著超聲波回波聲強(qiáng)，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)量時(shí)不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；傳播速度的影響。超聲波傳播速度的穩(wěn)定與準(zhǔn)確度是保證測(cè)量精度的必要條件，而超聲波的傳播速度又受傳播媒質(zhì)特性的影響。傳播媒質(zhì)的壓力、溫度、密度都將對(duì)聲速產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(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S2SCT/V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（2131）2COSTS實(shí)際的調(diào)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?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、接收頭有效測(cè)量夾角為45。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。22接收電路設(shè)計(jì)接收部分主要由接收換能器和放大電路組成。里面的放大電路是一個(gè)三級(jí)運(yùn)算放大器A1，功能是將從目標(biāo)處反射回來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大整形后送入計(jì)數(shù)控制電路部分。由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，回波信號(hào)很小，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅度也較小，此要求將信號(hào)放大60萬倍左右。采用三級(jí)放大前兩級(jí)放大100倍，用高精密放大器LM318，帶寬為15MHZ，充分滿足要求；第三級(jí)采用LF353運(yùn)算放大器，寬為4MHZ。放大后的交流信號(hào)經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號(hào)整形為一個(gè)方波信號(hào)，輸出信號(hào)送入555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。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)。圖221前置放大電路圖電路如圖221所示，超聲波換能器的輸出電阻比較大，因此要有足夠大的前置放大器的輸入阻抗INPUTIMPEDANCE換能器的輸出電壓的前置放大電路是由一個(gè)高輸入阻抗及高精度放大器TL082和電阻RP，R2和R3組成的反向放大電路，從而可降低在地上的噪聲。由電路可列出22120RUIF2222III理想化放大器后；1可以認(rèn)為集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入端之間凈輸入的電壓U為零，若把它理想化，則有U0，但不是短路，所以叫它為虛短。0U2可以認(rèn)為集成運(yùn)放的兩輸入端沒有電流通過，則凈輸入電流I0，但不是斷開，所以叫它為虛斷。故可知本電路中U0，UU0所以有（223）IR230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U與IU反相。電路的電壓放大倍數(shù)為224230UAIUF根據(jù)本設(shè)計(jì)需要，接收傳感器輸出電壓很小數(shù)十毫伏，故分別取1K；200K；1K，即放大電路將輸入信號(hào)放大200倍。2R3PR23單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的LED通以恒定的電流即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機(jī)中CPU開銷小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。當(dāng)需要顯示的位數(shù)增加時(shí)，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(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，這時(shí)LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示，其仿真電路如圖231所示。圖231顯示部分電路圖但是聲音的速度在不同的溫度下可能會(huì)有所改變，所以采用了溫度補(bǔ)償功能了提高系統(tǒng)的精度。這里采用的主要元器件是DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有智能化、體積小、精度高、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。將DS18B20數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的P11口相連，就可以實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量，如圖232所示。圖232DS18B20溫度測(cè)量電路3軟件設(shè)計(jì)與測(cè)量結(jié)果分析31系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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；基于數(shù)碼管的顯示模塊，分為初始化子程序、寫入子程序以及顯示子程序；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；本次設(shè)計(jì)使用C語言編寫程序，C語言相比匯編有許多的優(yōu)勢(shì)；編譯器使用KEILVERSION4進(jìn)行程序編譯，KEIL功能強(qiáng)大使用方便12。主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個(gè)子程序的調(diào)度管理等部分。如圖311所示描述了各個(gè)模塊的關(guān)系圖311系統(tǒng)軟件方框圖本設(shè)計(jì)程序的思想如下溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為MM；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。按鍵S為測(cè)量啟動(dòng)鍵；系統(tǒng)采用AT89S51的內(nèi)時(shí)鐘12MHZ；沒有使用看門狗功能；DS18B20初始化溫度補(bǔ)償溫度超聲波發(fā)射超聲波接受距離計(jì)算數(shù)碼管顯示超聲波發(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；如圖312所示N圖312主程序流程圖4結(jié)束語本設(shè)計(jì)是以AT89C51為核心，借助于模數(shù)電技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測(cè)距的一些難題。靈活的運(yùn)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(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求。利用單片機(jī)的運(yùn)算和控制功能，利用超聲波的特性開始外部中斷子程序定時(shí)中斷子程序單片機(jī)初始化有回波嗎Y設(shè)計(jì)出的一種簡(jiǎn)單的測(cè)距系統(tǒng)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)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，隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)中，我們的設(shè)計(jì)思維，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力得到了很大的提高，也對(duì)電子設(shè)計(jì)有了很大的興趣?，F(xiàn)在的社會(huì)是科技的社會(huì)，在以后的學(xué)習(xí)生活中，我們會(huì)更加努力學(xué)習(xí)培養(yǎng)自己獨(dú)立思考的能力，從而更加適應(yīng)社會(huì)。5致謝在一個(gè)學(xué)期的設(shè)計(jì)和學(xué)習(xí)當(dāng)中，我逐步了解了整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容和過程，并且學(xué)到了很多新的東西。通過對(duì)實(shí)際工程的了解、設(shè)計(jì)不但使我加深了對(duì)理論知識(shí)的理解，對(duì)專業(yè)知識(shí)的全面認(rèn)識(shí)，更重要的是將理論知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)踐中，應(yīng)用到了實(shí)際工程中，真正做到了學(xué)以致用、理論與實(shí)踐相結(jié)合。同時(shí)，通過對(duì)設(shè)計(jì)中困難的克服，也鍛煉了我的思考問題、解決問題的能力以及自學(xué)能力，在這次設(shè)計(jì)中我也對(duì)本專業(yè)前沿的一些知識(shí)和發(fā)展方向有了了解，開闊了我的眼界、擴(kuò)大了我的知識(shí)面，這些都將為我以后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。在這次論文設(shè)計(jì)過程中，我學(xué)會(huì)了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計(jì)電路和調(diào)試電路。動(dòng)手能力得到很大的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學(xué)到的知識(shí)。在以后工作和學(xué)習(xí)中我要加強(qiáng)對(duì)使用電路的設(shè)計(jì)和選用能力。附錄INCLUDE