超聲波身高測量儀(自己寫的)

1、浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文目錄摘 要.2引 言.4第一章 系統(tǒng)方案設(shè)計.51.1 設(shè)計要求 .51.2 設(shè)計思路 .51.2.1 超聲波的接收與處理 .51.2.2 身高測量算法構(gòu)思 .51.2.3 硬件部分調(diào)試分析構(gòu)思 .61.2.4 設(shè)計思路總結(jié) .6第二章 設(shè)計原理及設(shè)計框圖.72.1 設(shè)計原理 .72.2 設(shè)計框圖 .7第三章 傳感器和電源的比較與選擇.93.1 傳感器設(shè)計的方案選擇 .93.1.1 超聲波 T/R40-10 傳感器設(shè)計電路 .93.1.2 超聲波 LM1812 傳感器設(shè)計電路 .93.2 電源電路設(shè)計的方案選擇.103.2.1 采用二極管穩(wěn)壓電路設(shè)計：

2、 .103.2.2 采用 7805 三端穩(wěn)壓器電源： .11第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.124.1 單片機系統(tǒng)及顯示電路 .124.2 超聲波發(fā)射電路 .144.3 超聲波檢測接收電路 .144.4 共陰極七段 LED 數(shù)碼管 .15第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計.165.1 程序流程圖 .165.2 主程序設(shè)計 .175.3 超聲波發(fā)射子程序和接收中斷程序設(shè)計 .175.3.1 超聲波發(fā)射子程序.175.3.2 超聲波接收中斷程序.18第六章 電路調(diào)試與分析.206.1 硬件部分調(diào)試與分析 .206.2 程序調(diào)試與分析 .20參考文獻.21附 錄 .22附錄 A 主要原理圖.22附錄 B 產(chǎn)品及市場成品

3、圖.23附錄 C C 語言程序 .24浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 1 頁 共 27 頁超聲波身高測量儀摘 要:論文首先介紹了超聲波測身高的基本原理，隨后對幾種可性的方案進行了方案論證，確定最后的設(shè)計方案，并對整個的設(shè)計方案作了詳細的介紹。在此本設(shè)計中硬件設(shè)計電路主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接受電路組成。軟件設(shè)計由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。本次設(shè)計用超聲波良好的反射性能，采用回波測距法來實現(xiàn)。使用在空氣中效率較高的中心頻率為 40KHz 的超聲波探頭來完成發(fā)射與接收功能，用四位數(shù)字顯示以達到 1cm 的分辨率和 1

4、-3m 的測量范圍。公式如下：d=s/2=（c*t）/2 。d 為被測物與測發(fā)生器的距離，s 為聲波的來回路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用的時間。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞： AT89C52 超聲波 發(fā)射 接收浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 2 頁 共 27 頁Ultrasonic height measuring instrumentAbstract：Paper first introduces the basic principle of ultrasonic distance

5、measurement, then the solution of several can be carried out of the demonstration program to determine the final design, and design a whole were described in detail. In this design, hardware design of the circuit mainly by the SCM system and the display circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic

6、 testing to accept circuit. Software design from the main program, subroutine ultrasound, ultrasound receiver interrupt program and display routines and other parts. The design of ultrasonic sound reflection properties, the use of echo ranging method to achieve. Higher efficiency in air using a cent

7、er frequency of 40KHz ultrasound probe to complete transmit and receive functions, with four figures in order to achieve a resolution of 0.1cm and 1-3cm of the measuring range. The following formula: d = s / 2 = (c * t) / 2. d for the measured object and measuring the distance between generator, s i

8、s the sound of the round-trip distance, c is the speed of sound, t is the sound back and forth the time spent. On this basis, the overall design of the system program, and finally achieved through various hardware and software modules. With the relevant parts of the hardware circuit, the program flo

9、w chart. Keywords: AT89C52,Ultrasonic,Launch,Receive浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 3 頁 共 27 頁引 言超聲波測身高就是利用反射特性，通過發(fā)生器不斷發(fā)射出 40KHz 超聲波遇到障礙物后反射會反射波，在通過接收器接收發(fā)射波信號，并將其轉(zhuǎn)換為電信號。相比于其他技術(shù)，超聲波定位技術(shù)體積小、成本高，制作也簡易。非常適合短距離的測量定位。人體身高距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距

10、離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，況且它適合與高溫，高粉塵，高濕度和高強電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。其用途極度廣泛，例如:測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等。超聲測距儀在先進的機器人技術(shù)上也有應(yīng)用，把超聲波源安裝在機器人身上，由它不斷向周圍發(fā)射超聲波并且同時接收由障礙物反射回波來確定機器人的自身位置，用它作為傳感器控制機器人等等。單片機一般由中央處理器 CUP、存儲器和輸入輸出 I/O 組成。自 1979 年第一臺單片機誕生以來，單片機作為微型計算機一個分支，以其體積小、功能多、應(yīng)用靈活等諸多優(yōu)勢，得到越來越廣泛的應(yīng)用。展望未來，超聲波測身高作為一種新型的非常重要有用的工具在

11、各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高定位更高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。本設(shè)計采用超聲波在空氣中運行原理設(shè)計的一種光機電一體化的身高測量儀。下面介紹本次設(shè)計的具體實現(xiàn)方法。浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 4 頁 共 27 頁第一章系統(tǒng)方案設(shè)計方案設(shè)計是整個設(shè)計首要解決的問題，沒有好的方案就沒有好的設(shè)計。下面做本次設(shè)計方案的詳細介紹。1.1 設(shè)計要求設(shè)計一個超聲波測身高的作品，以空氣中超聲波傳播速度為確定條件，利用超聲波的發(fā)射與反射時間差來測量待測的身高距離。要求電路簡潔，制作方便、性能可靠。測量范圍不低于 13 米，測量精度為 1cm，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果

12、，測量結(jié)果以每 1cm 往上遞增，當(dāng)高位為“0”時，則不顯示，以達到省電的目的，當(dāng)測量距離低于最小距離時，則顯示最小距離“30”cm。1.2 設(shè)計思路超聲波是指頻率高于 20KHz 的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。1.2.1 超聲波的接收與處理接收頭采用與發(fā)射頭配對的 UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運算放大器 IC1A 和 IC1B 兩極放大后加至 IC2。IC2 是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼。集成塊

13、LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率 f0=1/1.1R8C3，電容 C4 決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié) R8 在發(fā)射的載頻上，則 LM567 輸入信號大于 25mV，輸出端 8 腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?，作為中斷請求信號，送至單片機處理。1.2.2 身高測量算法構(gòu)思超聲波發(fā)生器在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)遇到被測物體后阿佘回來。被接收器所接收到。發(fā)出超聲波信號到接受到返回信號所用的時間，就可以算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。公式如下：d=s/2=（c*t）/2 。d 為被測物與測發(fā)浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 5 頁 共 27 頁生器的距離，s 為聲波的來回路程，c 為聲速，t

14、 為聲波來回所用的時間。1.2.3 硬件部分調(diào)試分析構(gòu)思在硬件方面將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，從而提高抗干擾能力。聲波發(fā)射和接收采用 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，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm 。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。在軟件方面根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 1m3m，測距儀最大誤差不超過 1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求

15、。同時可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。由于采用的電路使用了很多的集成電路。對集成電路有很大的要求，對元器件方面五特別的要求。因為外圍的元器件不是很多，所以在調(diào)試方面應(yīng)該不會出現(xiàn)很大的問題，但在焊接方面需要留心，最好無誤。1.2.4 設(shè)計思路總結(jié)由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離較遠，因而超聲波可以用于距離的測量。比如本次身高的測量。超聲波測身高的原理一般首先測出超聲波從發(fā)射到遇到人體頭部返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與人體頭部之間的距離。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

16、機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。利用超聲波檢測身高，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 331.45 米/秒，由單片機負(fù)責(zé)計時，單片機使用 12MHz 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用 AT89C52 單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成。浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 6 頁 共 27 頁第二章設(shè)計原理及設(shè)計框圖2.1 設(shè)計原理該原理是主要利用超聲波在空氣中的傳播

17、速度為已知。根據(jù)測量聲波發(fā)射到反射回來的時間差計算實際身高距離。由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射和檢測接收電路三部分組成。采用AT89C52 來實現(xiàn)對 CX20106A 紅外接收芯片和 TCT40-10 系列超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機發(fā)出信號，經(jīng)過放大輸出，經(jīng)過鎖相環(huán)檢波處理，氣動單片機的中斷程序，測得時間 t，同時對系統(tǒng)軟件進行分析、辨別、計算,得出數(shù)據(jù)，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 顯示結(jié)果。超聲波的驅(qū)動信號用單片機的定時器完成。單片機通過 P1.0 引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器

18、所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離 S。設(shè)其往返時間為 t，速度為 v，則得距離為 s=vt/2 。傳感器通過聲波的波長和發(fā)射聲波以及接收到返回聲波的時間差就能確定人的身高，在發(fā)送脈沖的同時，接收器的計數(shù)器啟動并開始計數(shù)，直到接收傳感器接收反射回波后，計數(shù)停止，該時間差相當(dāng)于測量的距離，從而測算出人體的身高。2.2 設(shè)計框圖由單片機產(chǎn)生 40KHz 左右的脈沖并輸出，經(jīng)調(diào)制器將脈沖信號放大和振蕩器振蕩后，由超聲波發(fā)射器發(fā)射出超聲波，遇到障礙物返回被超聲波接收器接收到后，經(jīng)過接收檢測裝置對接受信號進行處理和計時器計時后，由單片機計算超聲波發(fā)射器到障礙物之

19、間的距離，并將計算結(jié)果由顯示器顯示。為此設(shè)計了超聲波測身高原理框圖如下（圖 2.1）:浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 7 頁 共 27 頁超聲波發(fā)射器放大電路放大電路單片機控制LED 顯示掃描驅(qū)動鎖相環(huán)檢波超聲波接收器定時器圖 2.1 超聲波測身高原理框圖浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 8 頁 共 27 頁第三章傳感器和電源的比較與選擇3.1 傳感器設(shè)計的方案選擇超聲波測身高設(shè)計電路主要由電源電路、單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接受電路組成。下面方案選擇具體介紹。3.1.1 超聲波 T/R40-10 傳感器設(shè)計電路電路主要由以下電路構(gòu)成：超聲波傳感

20、器 T/R40-10、超聲波發(fā)射與接收構(gòu)成的收發(fā)電路；中央控制處理器 AT89C52 組成的主機電路；輸出顯示電路等。它是一種性能優(yōu)良的發(fā)射與接收配對的傳感器。該電路主要用電磁式輸出與輸入振蕩電路，所輸入的信號經(jīng)過放大，直接發(fā)送到單片機 AT89C52 單片機進行處理，通過編程可以進行自動控制。該電路的主要特點有： 該產(chǎn)品的互換性好，響應(yīng)速度快，抗干擾能力強，外圍電路簡單，不需要布線直接通過發(fā)射模塊進行無線發(fā)射。因此體積小。 該電路的測量精度很高，能在 TA = +25oC、UCC = +5V 的條件下，測量誤差不超過 2cm。3.1.2 超聲波 LM1812 傳感器設(shè)計電路電路采用 LM18

21、12 并有時基電路來控制 LM1812 的發(fā)送與接收（LM1812 即發(fā)送又接收） ?？刂凭嚯x可用 5 千歐的電位器來調(diào)節(jié)。LM1812 是一種性能優(yōu)良，且既能發(fā)送又能接收超聲波的通用型超聲波集成器件。芯片內(nèi)包括：脈沖調(diào)制 C 類振蕩器，高增益接收器，脈沖調(diào)制檢測器及噪音抑制器。它除了可用于遙控器、報警器、自動門控制及通信方面外，還可用于工業(yè)上的料位或液位的測量與控制、測距及測厚等方面，應(yīng)用廣泛。采用 LM1812 的特點有：（1）檢測器輸出可驅(qū)動 1A 的峰值電流（2）器件內(nèi)部有保護電路（3）在電路中使用時不用外接晶體管驅(qū)動浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 9 頁 共 27 頁（

22、4）使用時不用外接散熱器（5）器件具有互換性（6）可以使用一個發(fā)送/接收換能器工作，也可使用兩個換能器分別發(fā)送和接收超聲波（7）發(fā)送功率可達 12W（峰值）所以此方案響應(yīng)速度慢，抗干擾能力相對較弱，外圍電路相對較復(fù)雜。通過以上方案的分析，決定根據(jù)方案一作為設(shè)計方案。無論是在性能、特點、還是電路材料上，或者是在原理圖上、設(shè)計上等都具有簡單、使用性強等特點。32 電源電路設(shè)計的方案選擇電源系統(tǒng)通常由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。各種電子線路均需要直流電源來供電，而電網(wǎng)能提供給我們的電源卻是交流的，這就需要有一個轉(zhuǎn)換電路把交流電壓變成比較穩(wěn)定的直流電電壓。電源變壓器將電網(wǎng)提供的交流

23、電壓變換到電子線路所需的交流電壓范圍，同時還可起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用，可升壓也可降壓。實現(xiàn)這種功能的電路就叫直流穩(wěn)壓電源，簡稱直流電源。下面方案選擇具體介紹。3.2.1 采用二極管穩(wěn)壓電路設(shè)計：在圖 3.1 中，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為 5.1V，即當(dāng) D1 陰極加電壓超過 5.1V 時，二極管陰極電壓就會保持 5.1V 不變。在電路中 R1 的作用是限流，這是由于 D1 陰極電壓超過 5.1V 穩(wěn)壓值后，穩(wěn)壓二極管被反向擊穿，流過 D1 的電流將迅速增大，此時 R1 上的電壓也會隨之而增大，以保證穩(wěn)壓管功耗限制在安全區(qū)內(nèi)。此時即使輸入電壓在一定的范圍增加，輸出端都會保持穩(wěn)定電壓。但若反向電

24、流增大到一定數(shù)值后，穩(wěn)壓二極管則會被徹底擊穿而損壞。電路如圖 3.1 所示，該電路是用硅穩(wěn)壓二極管的反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓的。不過該電路設(shè)計現(xiàn)在應(yīng)用不廣泛，一般都采用集成穩(wěn)壓電路，所以此方案不選用。R 1270D1+-+-V iV o浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 10 頁 共 27 頁圖 3.1 二極管穩(wěn)壓電路3.2.2 采用 7805 三端穩(wěn)壓器電源：集成穩(wěn)壓器是將直流穩(wěn)壓電路的調(diào)整管、穩(wěn)壓管、比較放大器和多種保護電路集成到一塊芯片上的單片集成穩(wěn)壓電源。它具有體積小、可靠性高、使用簡單安全等特點。而三端集成穩(wěn)壓器又是集成穩(wěn)壓器最常用的一種。7805 是固定式三端集成穩(wěn)壓器，其輸

25、出為+5v。它輸出最大電流可達 1A（需加散熱片） 。溫度范圍為 0C125C。如圖 3.2 所示，7805 是由它只有三個外部接線端子，即輸入端、輸出端和公共端（輸出腳 VO，輸入腳 Vi和接地腳 GND）組成。三端固定式集成穩(wěn)壓器有正穩(wěn)壓器78XXX 系列和負(fù)穩(wěn)壓器 79XXX 系列。78L05 輸出額定電壓為 5V，最大輸出電流為100mA。78 系列與 79 系列的輸出引腳號不同，在使用時應(yīng)特別注意。電路中C1為主濾波電容，對額定輸出電流 100mA，500mA，1.5A 的穩(wěn)壓電路，C1最好分別用 220F、1000F、3300F 以上，以取得良好的濾波效果，C2、C3在印制板上要盡

26、可能靠近集成穩(wěn)壓器的輸入輸出端以消除可能產(chǎn)生的高頻自激振蕩。它們的輸入電壓至少比輸出的額定電壓大 3V 以上（本設(shè)計中輸入電壓為 12V） ，才能有良好的穩(wěn)定電壓輸出，但兩者差別太大，集成穩(wěn)壓器上的管耗大，發(fā)熱量也大。1234D1C1220uC20.1vinvoutgndLM7805C3100uC40.1V CC220V8V圖 3.2 7805 穩(wěn)壓電源電路浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 11 頁 共 27 頁第四章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計4.1 單片機系統(tǒng)及顯示電路單片機采用 AT89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用

27、P1.0 端口輸出超聲波轉(zhuǎn)換器所需的 40KHz 方波信號，利用外中斷 0 口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS245 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管驅(qū)動。單片機系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示：浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 12 頁 共 27 頁OUTS5RSTC110UFV CCR42KIN12MV CCP123P134P145P156P167P178RESET9RX D10TX D11IN T012IN T113T014T115WR16RD17X 218X 119P112P101GND20V CC40P0039P0

28、138P0237P0336P0435P0534P0633P0732EA/V P31ALE/P30PSEN29P2728P2627P2526P2425P2324P2223P2122P2021A02A13A24A35A46A57A68A79E19DIR1B018B117B216B414B315B513B612B711GND10V CC20U1AT89C52U274LS24512345678161514131211109U31KV CCV CCV CCR54K7R64K7R74K7R84K7V CC12345678161514131211109U4510C230PC330PV CCQ19012Q29

29、012Q39012Q49012abfcgde117421105abcdefg3dpdpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedps112s29s38s46DS1SMG056-4圖 4.1 單片機系統(tǒng)及顯示電路浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 13 頁 共 27 頁4.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機 P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的

30、發(fā)射強度。單片機產(chǎn)生 40KHz 的脈沖，由 P1.0 口輸出，經(jīng) 74LS04 六反向器將脈沖信號放大后，由壓電超聲波轉(zhuǎn)換器 T40-10 發(fā)射超聲波。壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器。如沒加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接收轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。U4A74ALS04U4C74ALS04U4D74ALS04U4B74ALS0

31、4U4E74ALS04R201KR191KTUS_T 1V CCP1.0圖 4.2 超聲波發(fā)射電路輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R19、R20 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。4.3 超聲波檢測接收電路考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近，可以利用集成電路 CX20106A 制作超聲波檢測接收電路如圖 4.3。這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測距超聲波頻率 40KH

32、z 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 14 頁 共 27 頁1N1C 12C 23GND4F O5C 36OUT7V C C8U7C X 20106ARUS _R 1C 70.056uFC 8300pFR 2310KR 22200KR 21200KC 93.3uFC 103.3uFV C CINV C C圖 4.3 超聲波接收電路驗證明用 CX20106A 接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾力。4.4 共陰極七段 LED 數(shù)碼管數(shù)碼管是常用的數(shù)值數(shù)

33、據(jù)顯示組件，通常實現(xiàn)一位數(shù)碼管顯示的控制，是使用靜態(tài)的控制方式，將顯示的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管后程序可做其他事情，這在程序設(shè)計上十分容易。但是在設(shè)計多位數(shù)碼管顯示控制時，靜態(tài)的控制方式就比較浪費 I/O 的控制線了，對于多位數(shù)碼管顯示的實現(xiàn)，最常用的認(rèn)識方法是掃描法。當(dāng)工作時，每次只點亮一位數(shù)字進行顯示，延遲一小段時間后再點亮下一位數(shù)字進行顯示，因為人們視覺暫留的現(xiàn)象，而感覺 4 位數(shù)字同時被點亮。浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 15 頁 共 27 頁第五章系統(tǒng)軟件設(shè)計超聲波測身高的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射子程序及超聲波接收中斷程序組成。5.1 程序流程圖軟件分為兩部分, 主程序

34、和中斷服務(wù)程序, 如圖5.1所示。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務(wù)子程序完成超聲波回波接收, 外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。 開始超聲波脈沖發(fā)射接收超聲波脈沖初始化計數(shù)并儲存數(shù)據(jù) 0.5s關(guān)閉定時器中斷關(guān)閉讀取時間值設(shè)置距離結(jié)束標(biāo)志輸出數(shù)據(jù)中斷打開返回數(shù)碼管顯示聲波接收到？NY開始測量圖 5.1 主程序及外中斷程序流程圖浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 16 頁 共 27 頁5.2 主程序設(shè)計主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P

35、0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 0.1ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用 12MHz 的晶振，機器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,設(shè)計時取 20時的聲速為 344m/s 則有： d=(C*T0)/2=172T0/10000cm（其中 T0 為計數(shù)器 T0 的計數(shù)值）。 測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式顯示,然后再發(fā)超

36、聲波脈沖重復(fù)測量過程。5.3 超聲波發(fā)射子程序和接收中斷程序設(shè)計超聲波發(fā)射子程序的作用是通過 P1.0 端口發(fā)送 2 個左右的超聲波信號頻率約40KHz 的方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。5.3.1 超聲波發(fā)射子程序#defin

37、e k1 P3_4 #define csbout P3_5 /超聲波發(fā)送 #define csbint P3_7 /超聲波接收 #define csbc=0.034 #define bg P3_3 unsigned char csbds,opto,digit,buffer3,xm1,xm2,xm0,key,jpjs;/顯示標(biāo)識 unsigned char convert10= 0 x3F,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f;/09 段碼 unsigned int s,t,i, xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx

38、1; bit cl; 浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 17 頁 共 27 頁 void csbcj(); void delay(j); /延時函數(shù) void scanLED(); /顯示函數(shù) void timeToBuffer(); /顯示轉(zhuǎn)換函數(shù) void keyscan(); void k1cl(); void k2cl(); void k3cl(); void k4cl(); void offmsd();5.3.2 超聲波接收中斷程序void main() /主函數(shù) EA=1; /開中斷 TMOD=0 x11; /設(shè)定時器 0 為計數(shù)，設(shè)定時器 1 定時 ET0=1; /定

39、時器 0 中斷允許 ET1=1; /定時器 1 中斷允許 TH0=0 x00; TL0=0 x00; TH1=0 x9E; TL1=0 x57; csbds=0; csbint=1; csbout=1; cl=0; opto=0 xff; jpjs=0; sj1=45; sj2=200; sj3=400; k4cl(); TR1=1; 浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 18 頁 共 27 頁 while(1) keyscan(); if(jpjssj3) buffer2=0 x76; buffer1=0 x76; buffer0=0 x76; else if(ssj1) buffe

40、r2=0 x40; buffer1=0 x40; buffer0=0 x40; else timeToBuffer(); else timeToBuffer(); /將值轉(zhuǎn)換成 LED 段碼 offmsd(); scanLED(); /顯示函數(shù) if(ssj2) bg=0; bg=1; 浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 19 頁 共 27 頁第六章電路調(diào)試與分析6.1 硬件部分調(diào)試與分析超聲波發(fā)射和接收采用 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，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無特

41、殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。在對該電路進行調(diào)試時，VCC應(yīng)輸出 5V 直流穩(wěn)定的電壓，接通電源后電源指示燈亮，正常發(fā)光。一對電源部分進行調(diào)試。先將整流、濾波部分元件焊上，然后接上電源變壓器，用交流檔測變壓器輸出電壓為 12V 左右，再用直流檔測整流濾波后的電壓為直流14.4V 左右，測試正常后，接上三端穩(wěn)壓(7805)后再測其輸出電壓，為 5V0.25V，這些數(shù)據(jù)說明電源部全部工作正常。二根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C7 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。三硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試

42、運行。根據(jù)實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量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。四在實際測身高調(diào)試中，當(dāng)測量距離在 13m 范圍內(nèi)時，測量值與實際值相差2cm 左右；當(dāng)測量距離在 1.5m2.5m 時，測量值與實際值相差 3cm 左右。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。6.2 程序調(diào)試與分析多步調(diào)試：完成程序后，我首先采用了多步調(diào)試，時間正常顯示與更新，但定時到了繼電器不會吸合。由是我采用斷點調(diào)試。斷點調(diào)試：在程序中插入斷點，即為斷點調(diào)試。但由于不太會用，所以也未能找到錯誤。單步調(diào)試：由于程序在設(shè)計過程中產(chǎn)

43、生了錯誤，而多步調(diào)試及斷點調(diào)試又找不出錯誤所在，這時就要采用單步調(diào)試，終于找到錯誤所在。經(jīng)過思考與多次調(diào)試，錯誤被更正。浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 20 頁 共 27 頁參 考 文 獻1羅忠輝.提高超聲波測距精度的方法J.機械設(shè)計與制造，2005 年 1 月第一期.2張有志.一種新型超聲波測距系統(tǒng)J.山東大學(xué)學(xué)報，2003 年 2 月第 3 卷第 1 期.3王霞、曹茂永。超聲測距數(shù)字信號采集系統(tǒng)J.電測與儀表，2000 年第 8 期.4劉曄。王峰等。超聲波測距儀的研究J.計算機測量與控制.2002，10（7）：480-482.5老虎工作室 趙晶.電路設(shè)計與制版-Protel

44、99 高級應(yīng)用M.北京：人民有點出版社，2000.6張謙琳.超聲波檢測原理和方法.北京：中國科技大學(xué)出版社，2006.10.7蘇偉、鞏壁建.超聲波測距誤差分析.傳感器技術(shù)，2004.8張義和.Protel PCB99 設(shè)計與應(yīng)用技巧M.北京：科學(xué)出版社，2000.9隋衛(wèi)平.高精度實時超聲波測距技術(shù)研究D.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士論文，2003年 1 月.10恒清、張靖.加強單片機系統(tǒng)抗干擾能力的方法.通化師范學(xué)院學(xué)報，2004.10.浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 21 頁 共 27 頁浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 22 頁 共 27 頁附錄附錄 A 主要原理圖 OU

45、TS5RSTC110UFVCCR42KIN12MVCCP123P134P145P156P167P178RESET9RXD10TXD11INT012INT113T014T115WR16RD17X218X119P112P101GND20VCC40P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732EA/VP31ALE/P30PSEN29P2728P2627P2526P2425P2324P2223P2122P2021A02A13A24A35A46A57A68A79E19DIR1B018B117B216B414B315B513B612B711GND10VCC20U1AT89

46、C52U274LS24512345678161514131211109U31KVCCVCCVCCR54K7R64K7R74K7R84K7VCC12345678161514131211109U4510C230PC330PVCCQ19012Q29012Q39012Q49012abfcgde117421105abcdefg3dpdpabfcgdedpabfcgdedpabfcgdedps112s29s38s46U5SMG056-4U4A74ALS04U4C74ALS04U4D74ALS04U4B74ALS04U4E74ALS04R201KR191KTUS_T1VCCP1.0單單單單單單單單單單單單單

47、單1N1C12C23GND4FO5C36OUT7VCC8U7CX20106ARUS_R1C70.056uFC8300pFR2310KR22200KR21200KC93.3uFC103.3uFVCCINVCC單單單單單單單浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 23 頁 共 27 頁附錄 B 產(chǎn)品及市場成品圖浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 24 頁 共 27 頁附錄 C C 語言程序 #include #include #pragma interrupt_handler intt0:10 /T0 溢出中斷 #pragma interrupt_handler icp_timer

48、1:6 /T1 捕捉中斷 #pragma data:code /設(shè)定數(shù)據(jù)區(qū)為程序存儲器 const unsigned char tab1=0X28,0XEE,0X32,0XA2,0XE4, 0XA1,0X21,0XEA,0X20,0XA0;/七段譯碼字型表(lm,cm) const unsigned char tab2=0X08,0XCE,0X12,0X82,0XC4, 0X81,0X01,0XCA,0X00,0X80;/七段譯碼字型表(m) #pragma data:data /設(shè)定數(shù)據(jù)區(qū)回到數(shù)據(jù)存儲器 unsigned char ledbuff=0X08,0X28,0X28;/顯示緩沖區(qū)

49、unsigned char count; unsigned char newcount; unsigned char oldcount; void intt0(void)/T0 中斷定時程序，定時 58US,即測距 1CM. TCNT0=0XC6; count+; void icp_timer1(void)/ICP1 捕捉中斷，捕捉頻率 38.541.6 if (96=ICR1=104) SREG&=0X7f; newcount=count-13; ICR1=0; TCNT1=0; TCCR1B=0X81; void delay_1us(void)/1us 浙江商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2011 屆畢業(yè)論文第 25 頁 共 27 頁 asm(no