基于單片機測距的裝置設計

1、畢 業(yè) 設 計（論 文)論文題目：基于單片機測距的裝置設計摘 要超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優(yōu)點.所以，在利用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中,超聲波測距是目前應用最普遍的一種,它廣泛應用于煤位高度、防盜、倒車雷達、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。本設計詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性,以及Atmel公司的AT89S51單片機為核心的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎上，設計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT89S51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法，由于溫度對超聲波影響較大，設計中添加

2、了溫度補償電路.該系統(tǒng)電路設計合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業(yè)使用的要求。關鍵詞：AT89S51； 超聲波; 溫度； 補償；ABSTRACTUltrasonic has strong directional， energy consumption is slow， transmission distance is farther, etc. So， the use of the sensor technology and automatic control technology of combining the measuremen

3、t program, ultrasonic ranging is the application of the most common one.It is widely used in coal a height, guard against theft， backing up radar, water level measurement， construction site and some industrial field.The design detailed introduces the principle and characteristics of ultrasonic senso

4、rs。 and the Atmel company AT89S51 as the core of the performance and characteristics.And analysis the ultrasonic ranging based on the theory of the ideas and design ranging system needed to consider the question.The design is given based on AT89S51 as the core of low cost, high precision， miniaturiz

5、ation digital display ultrasonic rangefinder hardware circuit and software design method.Because the temperature effect is big， so in design add temperature compensation circuit. The system circuit design reasonable， stable, the performance good， detection speed, simple calculation， easy to do realt

6、ime control， and in the measurement precision can reach the requirements of industrial use。keywords：AT89S51; ultrasonic； temperature； compensation；目 錄1 緒 論11.1 課題研究意義11。2 測距傳感器12 超聲波測距設計概述22。1 超聲波的基本性質(zhì)22.2 超聲波測距原理32。3 超聲波傳感器的選型42.4 超聲波的影響因素43 系統(tǒng)硬件設計53.1 單片機系統(tǒng)設計53。1。1 單片機的選擇53.1.2 單片機引腳功能73。1。3 單片機最小

7、系統(tǒng)103.2 超聲波發(fā)射和接收電路設計103.2。1 超聲波發(fā)射電路設計113。2.2 超聲波接收電路設計113。3 溫度傳感器的選擇133.3.1 DS18B20的特征143.3。2 DS18B20的引腳分布圖及其功能143。4 顯示模塊的選擇164 系統(tǒng)軟件設計164。1 超聲波測距的算法設計164.2 主程序設計164。3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序174。4 溫度補償子程序195 電路的安裝與調(diào)試215.1 電路安裝要注意問題215。2 電路的調(diào)試225。2。1 調(diào)試電路常用的儀器225。2。2 調(diào)試電路前的檢查225。2.3 調(diào)試步驟225.2。4 調(diào)試注意事項236 系

8、統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)及誤差分析246。1 實測比較246。2 溫度誤差分析246。3 時間誤差分析246。4 感應角的誤差分析25結(jié) 論26參考文獻27附錄一29附錄二30附錄三31英文原文38中文譯文46致 謝52中國礦業(yè)大學徐海學院2012屆本科畢業(yè)設計1中國礦業(yè)大學徐海學院2012屆本科生畢業(yè)設計1 緒 論1。1 課題研究意義由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇，不受光線、被測對象顏色等的影響，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、不污染、高可靠、長壽命等特點。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應用越來越廣泛，而超聲

9、波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(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,在進入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。因此可廣泛應用于礦業(yè)、紙業(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、食品、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進行距離準確度在線標定,可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制,可進行差值設定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應用.隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?/p>

10、中。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。1。2 測距傳感器（1)激光測距傳感器激光傳感器利用激光的方向性強和傳光性好的特點,它工作時先由激光傳感器對準障礙物發(fā)射激光脈沖,經(jīng)障礙物反射后向各個方向散射，部分散射光返回到接受傳感器，能接受其微弱的光信號，從而記錄并處理光脈沖發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時間即可測定距離，即用往返時間的一半乘以光速就能得到距離。其優(yōu)點是測量的距離遠、速度快、測量精確度高、量程范圍大，缺點是對人體存在安全問題,而且制作的難度大成本也比較高。（2）紅外線測距傳感器紅外線測距傳感器利用的就是紅外線信號在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強度

11、也不同,根據(jù)這個特點從而對障礙物的距離的遠近進行測量的。其優(yōu)點是成本低廉，使用安全，制作簡單,缺點就是測量精度低，方向性也差,測量距離近.(3）超聲波傳感器超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于20 kHz的機械波。超聲波傳感器在工作的時候就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，當超聲波傳感器發(fā)射超聲波時，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去，當接收超聲波時,超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到單片機控制芯片。超聲波具有振動頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小而且方向性好還能夠為反射線定向傳播等優(yōu)點,而且超聲波傳感器的能量消耗緩慢有利于測距.在中、長距離測量時，超聲波傳感器的精度和方向性都

12、要大大優(yōu)于紅外線傳感器，但價格也稍貴。從安全性，成本、方向性等方面綜合考慮，超聲波傳感器更適合設計要求.根據(jù)對以上三種傳感器性能的比較，雖然能明顯看出來激光傳感器是比較理想的選擇,但是它的價格卻比較高，而且安全度不夠高。超聲波傳感器測距時具有較強的抗干擾能力和較短的響應時間，因此選用超聲波傳感器作為此設計方案的傳感器探頭.2 超聲波測距設計概述2。1 超聲波的基本性質(zhì)聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機械振動密切相關，可以由物體的撞擊、運動所產(chǎn)生的機械振動 以波的形式向外傳播。根據(jù)振動所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)：

13、（1）超聲波的傳播類似于光線,遵循幾何光學的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦,因此可以利用這些性質(zhì)進行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同;（2）超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強的波束，波長愈短方向性愈強，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體;(3)能夠產(chǎn)生窄的脈沖,為了提高探測精度和分辨率。要求探測信號的脈沖極窄,但是一般脈沖寬度是波長的幾倍，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器；(4）功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強大的能量。聲波作用于物體時，

14、物體的分子也要隨著運動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣,頻率越高,分子運動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運動速度的平方.超聲頻率高，故可以給出大的功率.2.2 超聲波測距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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時.超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離（s），即：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射

15、回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時.超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s,即:s=340t/2。 只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖2。1所示：圖2.1 超聲波的測距原理 (21）（22）式中：L-兩探頭之間中心距離的一半。又知道超聲波傳播的距離為： （23）式中：v-超聲波在介質(zhì)中的傳播速度； t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。將（22)、（23）代入（2-1）中得： (2-4）其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)（例如在溫度T=30度時，V=349m/s）；當

16、需要測量的距離H遠遠大于L時，則（24）變?yōu)椋?（25） 所以，只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H。2.3 超聲波傳感器的選型本設計選用的是通用型的TCT40-16T/R1壓電陶瓷超聲傳感器,測量范圍在0.2m20m,標稱頻率是40KHz，在3085的溫度范圍內(nèi)，發(fā)射聲壓及靈敏度(在中心頻率下）與初始值相比的變化,不大于6dB。適用于家用電器及其它電子設備的超聲波遙控裝置；超聲測距及汽車倒車防撞裝置；液面探測；超聲波近接開關及其它應用的超聲波發(fā)射與接收.2.4 超聲波的影響因素穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件。而超聲波在空氣中傳播時，其速度受到了溫度、濕度

17、、粉塵、大氣壓、氣流等因素的影響。其中溫度影響最大，因此要采用溫度補償，以減少錯誤?，F(xiàn)在最需要溫度監(jiān)測系統(tǒng)的溫度傳感器的方法。超聲波波速與溫度的關系如表21。超聲波波速與溫度的關系表21溫度（)30-20100102030100聲速（ms）313319325331338344349386可見溫度對聲速影響很大,測量時必須進行溫度補償。3 系統(tǒng)硬件設計硬件電路主要由單片機系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路和溫度補償電路四部分組成，本系統(tǒng)采用AT89C51單片機作為主控制器，使用4位數(shù)碼管作為系統(tǒng)顯示屏，超聲波發(fā)射驅(qū)動需要的40 kHz脈沖由單片機P1。0發(fā)出，使用定時器進行計時和

18、控制，超聲波接收使用CX20106A作為接收主控芯片，選用合適的溫度傳感器進行溫度校正。超聲波測距的系統(tǒng)框圖如圖3。1示。圖3。1 超聲波測距的系統(tǒng)框圖3.1 單片機系統(tǒng)設計3.1。1 單片機的選擇一般在系統(tǒng)的設計當中,能否完成設計任務最重要的就在于系統(tǒng)的核心器件是否選擇合適,而單片機更是是系統(tǒng)控制的核心，所以對單片機的選擇更是異常重要。如果選擇了一個合適的單片機不僅可以最大地簡化系統(tǒng)的操作,而且其功能可能是最好的,可靠性也比較高，對整個系統(tǒng)來說更方便。目前，市面上的單片機的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。在一般的情況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有:（1）單片機

19、最基本性能參數(shù)指標。例如:執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量，I/O口的引腳數(shù)量等。（2）單片機的某些增強的功能。（3）單片機的存儲介質(zhì)。例如：對于程序存儲器來說,最好選用的是Flash的存儲器。(4）單片機的封裝形式。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、PLCC封裝及表面貼附等。（5）單片機對工作的溫度范圍的要求.例如:在進行設計戶外的產(chǎn)品時，就必須要選用工業(yè)級的芯片，以達到溫度范圍的要求.(6)單片機的功耗。例如,如果信號線取電只能提供幾mA的電流，所以為了能滿足低功耗的要求這個時候選用STC的單片機是最合適的.（7）單片機在市面上的銷售渠道是否暢通、其價格是否便宜。（8）單片機技術(shù)

20、的支持網(wǎng)站如何，賣家提供的芯片資料是否足夠完善，是否包含了用戶手冊，設計方案舉例，相關范例程序等.（9）單片機的保密性是否很好,單片機的抗干擾的性能如何等.51系列單片機它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源等方面與標準的52系列的單片機可以完全的兼容。51系列的單片機執(zhí)行速率快（最高時鐘頻率為90MHz），功耗低，在系統(tǒng)、在應用可編程，不占用用戶的資源。根據(jù)本系統(tǒng)設計的實際要求，選擇AT89S51單片機做為本設計的單片機使用，它是由ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的CMOS 8位單片機.89S51單片機具有以下幾個性能特點:4 k字節(jié)的閃存片內(nèi)程序存儲器,128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器，32個外部輸入和

21、輸出口，2個全雙工串行通信口，看門狗電路,5個中斷源,2個16位可編程定時計數(shù)器,片內(nèi)震蕩和時鐘電路且全靜態(tài)工作并由低功耗的閑置和掉電模式。單片機的引腳功能圖如圖3.2所示。圖3.251單片機的引腳功能圖3。1。2 單片機引腳功能(1）電源引腳Vcc（40腳)：正電源的引腳，工作電壓是5V。GND(20腳）：接地端.（2）時鐘電路的引腳XTAL1和XTAL2為了產(chǎn)生時鐘信號，在89S51單片機的芯片內(nèi)部已經(jīng)設置了一個反相放大器，其中XTAL1端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端，XTAL2端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。單片機使用的工作方式是自激振蕩的方式，XTAL1和XTAL2外接的是12MH

22、z的石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率進行振蕩,從而就可以產(chǎn)生時鐘信號。時鐘信號電路如圖 3。3所示。圖3.3 時鐘信號電路（3）復位RST（9腳）當振蕩器運行時，只要有兩個機器周期即24個振蕩周期以上的高電平在這個引腳出現(xiàn)時，那么就將會使單片機復位,如果將這個引腳保持高電平，那么51單片機芯片就會循環(huán)不斷地進行復位.復位后的P0口至P3口均置于高電平，這時程序計數(shù)器和特殊功能寄存器將全部清零。本課題設計的單片機復位電路如圖3。4所示。圖3。4 單片機復位電路圖（4)輸入輸出口（I/O口）引腳P0口是一個三態(tài)的雙向口，既可以作為數(shù)據(jù)和地址的分時復用口，又可以作為通用輸入輸出口。P0口在有

23、外部擴展存儲器時將會被作為地址/數(shù)據(jù)總線口,此時P0口就是一個真正的雙向口；而在沒有外部擴展存儲器時，P0口也可以作為通用的I/O接口使用,但此時只是一個準雙向口；另外，P0口的輸出級具有驅(qū)動8個LSTTL負載的能力即輸出電流不小于800uA。P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，而P1口只有通用I/O接口一種功能，而且P1口能驅(qū)動4個LSTTL負載；在使用時通常不需要外接上拉電阻就能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管；在端口置1時，其內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用。對于輸出功能,在單片機工作的時候，可以通過用程序指令控制單片機引腳輸出高電平或低電平.例如：指令CLR是清零的意思，CLR

24、 P1。0的意思就是讓單片機的P1。0端口輸出低電平;而指令SETB是置1的意思，SETB P1。0的意思就是讓單片機P1.0端口輸出高電平。P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，而且P2口具有驅(qū)動4個LSTTL負載的能力。P2端口置1時,內(nèi)部上拉電阻將端口的電位拉到高電平，作為輸入口使用；在對內(nèi)部的Flash程序存儲器編程時，P2口接收高8位地址和控制信息，而在訪問外部程序和16位外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口就送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2引腳上的內(nèi)容在此期間不會改變。P3口也是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口能驅(qū)動4個LSTTL負載，這8個引腳還用于

25、專門的第二功能.P3口作為通用I/O口接口時，第二功能輸出線為高電平。P3口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口電位拉到高電平，作輸入口使用;在對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，此端接控制信息.P3口的第二功能,如表3。1所示。表3。1  P3口第二功能表P3引腳兼用功能P3.0串行通訊輸入口（RXD）P3.1串行通訊輸出口（TXD）P3.2外部中斷0請求輸入端(INT0)P3。3外部中斷1請求輸入端（INT1）P3.4定時器0輸入端（T0）P3。5定時器1輸入端(T1）P3。6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端(/WR）P3。7外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端（/RD）（5）其它控制或復用引腳（a

26、）ALE/PROG(30腳）：地址鎖存有效信號輸出端。在訪問片外存儲器時，ALE（地址鎖存允許）以每機器周期兩次進行信號輸出，其下降沿用于控制鎖存P0口輸出的低8位地址；在不訪問片外存儲器的時候,ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號（此頻率是振蕩器頻率的1/6），而在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時,ALE脈沖會跳空一個，此時是不可以做為時鐘輸出.對片內(nèi)含有EPROM的機型在編程時，這個引腳用于輸入編程脈沖/PROG的輸入端。（b）/PSEN（29腳）:片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平時有效。當89S51從外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機器周期內(nèi)輸出2個脈沖即兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線P0口讀回指令

27、或常數(shù)。但在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，/PSEN將不會有脈沖輸出。（c)/EA/Vpp(31腳）：/EA為片外程序存儲器訪選用端。當該引腳訪問片外程序存儲器時，應該輸入的是低電平,要使89S51只訪問片外程序存儲器，這時該引腳必須保持低電平;而在對Flash存儲器編程時，用于施加Vpp編程電壓。3.1。3 單片機最小系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)是其他拓展系統(tǒng)的最基本的基礎，單片機最小系統(tǒng)是指一個真正可用的單片機最小配置系統(tǒng)即單片機能工作的系統(tǒng)。對于80S51單片機，由于片內(nèi)已經(jīng)自帶有了程序存儲器，所以只要單片機外接時鐘電路和復位電路就可以組成了單片機的最小系統(tǒng)了。單片機的應用系統(tǒng)如圖3。5所示.圖3。5 單

28、片機應用系統(tǒng)原理圖3。2 超聲波發(fā)射和接收電路設計超聲波是一種振動頻率超過20 kHz的機械波，它可以沿直線方向傳播,而且傳播的方向性好，傳播的距離也較遠,在介質(zhì)中傳播時遇到障礙物在入射到它的反射面上就會產(chǎn)生反射波。由于超聲波的以上幾個特點，所以超聲波被廣泛地應用于物體距離的測量、厚度等方面。而且，超聲波的測量是一種比較理想的的非接觸式的測距方法。3。2.1 超聲波發(fā)射電路設計超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成.超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機械波發(fā)射出去,單片機所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實際上就是一個信號的放大電路，本設

29、計選用74LS04芯片進行信號放大，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發(fā)生器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器送到超聲波的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波發(fā)生器兩端,可以提高超聲波的發(fā)射強度.輸出端采用兩個反向器并聯(lián),用以提高驅(qū)動能力,超聲波發(fā)射電路如圖3。6所示圖3.6 超聲波發(fā)射電路工作時,由單片機產(chǎn)生40 kHz的脈沖從P1。0口向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號,再經(jīng)74LS04放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。3。2。2 超聲波接收電路設計由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠,那么超聲波接收電路所接收到的超聲

30、波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對超聲波信號進行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能,比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機去請求中斷,當即單片機停止計時，并開始去進行數(shù)據(jù)的處理。CX20106A芯片的前置放大器具有自動增益控制的功能，當測量的距離比較近時，放大器不會過載;而當測量距離比較遠時，超聲波信號微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠

31、很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力,而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設計的要求。超聲波接收電路如圖3.7所示。CX20106管腳圖如圖3。8所示。圖3。7 超聲波接收電路圖3。8 CX20106管腳圖以下是CX20106A的管腳注釋。 1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。 2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R13或減小C1，將使負反饋量增大,放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C7的改變會影響到頻率特性，一

32、般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R1=4.7,C1=1F。 3腳：該腳與地之間連接檢波電容,電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低;若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作,推薦參數(shù)為3.3f。 4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如,取R=200k時，f042kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz. 6腳： 該腳與地之間接一個積分電容,標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短. 7腳:遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上

33、拉電阻到電源端,推薦阻值為22k，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。 8腳：電源正極,4。55V。3。3 溫度傳感器的選擇方案一:使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應阻值電阻相串聯(lián)分壓,利用熱敏電阻阻值隨溫度變化而變化的特性，采集這兩個電阻變化的分壓值,并進行A/D轉(zhuǎn)換。此設計方案需用A/D轉(zhuǎn)換電路，增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線并不是嚴格線性的,會產(chǎn)生較大的測量誤差。方案二：采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,此類傳感器為數(shù)字式傳感器而且僅需要一條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，易于與單片機連接，可以去除A/D模塊，降低硬件成本,簡化系統(tǒng)電路。另外，數(shù)字式溫度傳感器還具

34、有測量精度高、測量范圍廣等優(yōu)點。因此本次設計采用方案二較合理。3.3.1 DS18B20的特征溫度對聲速的影響較大，若不進行補償，將會帶來測量誤差,為了提高系統(tǒng)的測量精度，設計了溫度補償電路.系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來采集溫度,DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的1wire總線串行數(shù)字溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同,DS18B20可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,以供單片機處理，它還具有微型化、低功耗、抗干擾能力強、易于與微處理器接口等優(yōu)點，適合于各種溫度測控系統(tǒng)。DS18B20具有以下特點:1、采用單線技術(shù),與單片機通信只須一個引腳；2、通過識別芯片各自唯一的產(chǎn)品序列號

35、從而實現(xiàn)單線多掛接，簡化了分布式溫度檢測的應用。3、實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫。4、可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為35.5V;5、不需備份電源；6、測量范圍為-55+125度,在-10+82度范圍內(nèi)的誤差為±0.5度7、數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇,可配置實現(xiàn)912V的溫度讀數(shù)；8、將12位的溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量所需時間不超過750ms;9、用戶定義的、非易失性的溫度告警設置，用戶可自行設定告警的上下限溫度；10、告警尋找命令可以識別和尋址那些溫度超出設計預設告警界限的器件.數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號,然后通

36、過串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協(xié)議是使用該器件的關鍵。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復位脈沖、應答脈沖時隙；寫“0"、讀“1"時隙,讀“0"、讀“1”時隙。初始化后，傳感器輸出兩個字節(jié)的溫度，進行數(shù)據(jù)處理后得到實際溫度的值，利用公式31可計算補償聲速.c=331。4+0。61T（31)式中，T為實際溫度（），c為補償后的聲速.3。3.2 DS18B20的引腳分布圖及其功能DS18B20的引腳圖如圖3.9所示.圖3。9 DS18B20引腳圖引腳功能說明：NC（1、2、6、7、8腳)：空引腳,懸空不使用；VDD（3腳）：可選電源腳，電源電壓范圍35。5

37、V。當工作于寄生電源時,此引腳必須接地；DQ(4腳）：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。漏極開路,常態(tài)下高電平.DS18B20采集電路如圖3。10所示.采用數(shù)字式溫度傳感器DS18B20,它是數(shù)字式溫度傳感器，具有測量精度高，電路連接簡單特點,此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，使用P1.3與DS18B20的I/O口連接加一個上拉電阻，Vcc接電源，GND接地。圖3。10 DS18B20采集電路3。4 顯示模塊的選擇方案一：采用LED液晶顯示屏，液晶顯示屏的顯示功能強大，可顯示大量文字,圖形，顯示多樣，清晰可見，但是價格昂貴,需要的接口線多，所以在此設計中不采用LED液晶顯示屏。方案二：采用點陣式數(shù)碼管顯

38、示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合,如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對較高，所以也不用此種作為顯示.方案三：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描,LED數(shù)碼管價格適中，對于顯示數(shù)字最合適,而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時,占用的單片機口線少.所以采用了LED數(shù)碼管作為顯示.4 系統(tǒng)軟件設計超聲波測距的軟件設計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收子程序、顯示子程序及溫度補償子程序組成。下面對超聲波測距器的算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接收中斷程序,溫度補償程序逐一介紹.4。1 超聲波測距的算法設計超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出的一個超聲波信號,當超聲波遇到被

39、測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計算出發(fā)生信號到接受返回信號所用的時間,就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。聲速c與溫度有關，應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。然后根?jù)公式41計算出結(jié)果。    S=（331。4+0.61T）T0/20000 （41)式中S為被測物的距離 ,T為實際溫度（)，T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值。4.2 主程序設計主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器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。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

40、。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，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按公式4.1計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離.測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式LED,然后再發(fā)送超聲波脈沖重復測量過程.主程序流程圖如圖4.2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 計算距離 顯示結(jié)果圖4。2 主程序流程圖4.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生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

41、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，立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關閉計時器T0停止計時,并將測距成功標志字賦值1。如果當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關閉,并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。定時中斷子程序流程圖如圖4。3所示，外部中斷子程序流程圖如圖4。4所示。 外部中斷入口 關外部中斷 讀取時間值 計算距離 結(jié)果輸出 開外部中斷返回 發(fā)送完否？ 定時中斷入口 定時初始化 發(fā)射超聲波 停止發(fā)射 返回NY 圖4.3 定時中斷子程序流程圖 圖4。4 外

42、部中斷子程序流程圖部分程序如下：/發(fā)送程序/void TIMER1（） interrupt 3vout=!vout；k+;if（k>=4）/超聲波肪沖個數(shù)控制（為賦值的一半）*/k=0；TR1=0;ET1=0；for（j=200;j>0;j）；/1ms延時避開盲區(qū)*/for（j=200；j0；j-);for（j=200；j>0；j）；EX0=1;/開啟外部中斷0/接收程序/void PINT0(void） TR0=0；TR1=0；ET1=0;EA=0；EX0=0;rec_flag=1;/接收成功標志位置1/time=TH0；time=time256+TL0;time=time

43、120；/補償軟件或硬件帶來的誤差/distance=time0。017；4.4 溫度補償子程序/*ds18b20延遲子函數(shù)*/void delay_18B20（uint i）while（i-）;/*ds18b20初始化函數(shù)*/void Init_DS18B20（void) uchar x=0；DQ=1； /DQ復位 ds18b20通信端口 delay_18B20（8）； /稍做延時DQ=0； /單片機將DQ拉低delay_18B20（80）; /精確延時 大于 480usDQ=1; /拉高總線delay_18B20（4）；x=DQ; /稍做延時后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗d

44、elay_18B20(20)；/*ds18b20讀一個字節(jié)*/uchar ReadOneChar（void）uchar i=0；uchar dat=0;for (i=8;i>0;i） DQ=0; / 高電平拉成低電平時讀周期開始 dat>=1; DQ=1； / 給脈沖信號 if（DQ） dat|=0x80； delay_18B20（4)；return（dat）；/*ds18b20寫一個字節(jié)*/void WriteOneChar（uchar dat) uchar i=0； for (i=8；i0;i-) DQ=0； /從高電平拉至低電平時，寫周期的開始 DQ=dat&0x01

45、； /數(shù)據(jù)的最低位先寫入 delay_18B20（5）; /60us到120us延時 DQ=1； dat>=1； /從最低位到最高位傳入/*讀取ds18b20當前溫度*/void ReadTemperature(）uchar a=0；uchar b=0；uchar t=0；Init_DS18B20（)；WriteOneChar（0xCC）； / 跳過讀序號列號的操作WriteOneChar（0x44）； / 啟動溫度轉(zhuǎn)換delay_18B20(100）; / this message is wery importantInit_DS18B20（)；WriteOneChar（0xCC)；

46、/跳過讀序號列號的操作WriteOneChar（0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個寄存器) delay_18B20(100）；a=ReadOneChar(）； /讀取溫度值低位b=ReadOneChar（）； /讀取溫度值高位 temp1=b<<4； /高8位中后三位數(shù)的值temp1+=（a0xf0）4； /低8位中的高4位值加上高8位中后三位數(shù)的值 /temp1室溫整數(shù)值/temp2=a&0x0f; /小數(shù)的值/xs=temp2*0.0625*10; /小數(shù)位，若為0。5則算為5來顯示 xs小數(shù)5 電路的安裝與調(diào)試5.1 電路安裝要注意問題電路設計完成以后要進行

47、電路的安裝，在安裝要注意以下幾個方面的問題。（1）準備好常用的工具和材料。要將各種電子元器件及結(jié)構(gòu)各異的零部件裝配成符合要求的電子產(chǎn)品,一套基本的工具是必不可少的，如烙鐵、鉗子、改錐、鑷子和焊錫。正確使用得心應手的工具,可大大提高工作效率,保證裝配質(zhì)量。(2)所有的電子元器件在安裝前要全部測試，有條件的還要進行元器件老化處理,以保證元器件的質(zhì)量.(3）有極性的電子元器件安裝時其標志最好方向一致，以便于檢查和更換.集成電路的方向要保持一致,以便正確布線和查線。（4）布線要按信號的流向有序連接，連接要做到橫平豎直，不允許跨接在集成電路上。另外導線的選擇要粗細適中，避免導線與電路板之間接觸不良。5。

48、2 電路的調(diào)試5。2。1 調(diào)試電路常用的儀器（1)萬用表。它可以測量交直流電壓、交直流電流、電阻、電容、半導體二極管和三極管,具有精度高、使用方便、應用廣泛等特點。（2）示波器。利用示波器可以對電路中的各點電位進行測量和觀察波形，同時可以比較任意兩點波形的相位關系.示波器具有高的靈敏度、高的交流阻抗、對負載影響小等特點，使用示波器時應注意的是使用示波器的頻率一定要大于被測信號的頻率。（3)信號發(fā)生器。應為經(jīng)常要在加信號的情況下進行測試,則在調(diào)試和故障診斷時最好備有信號發(fā)生器，如FG63型函數(shù)發(fā)生器，它可以產(chǎn)生正弦波、三角波及方波等波形.5。2。2 調(diào)試電路前的檢查電路安裝完以后，不要急于通電,

49、首先要根據(jù)電路原理圖認真的檢查電路板正確連接。主要直接觀察電源、地線、信號線、元器件之間連接是否短路，連接是否有接觸不良，元器件是否漏焊，二極管、三極管和電解電容的極性有無錯誤等。5.2.3 調(diào)試步驟對電子系統(tǒng)的調(diào)試一般采用化整為零,分塊調(diào)試，一般分為以下幾個步鄹。(1） 不通電檢查電路焊接安裝完畢后,不要急于通電,先要認真檢查電路板連接是否正確，是否有虛焊、漏焊和錯焊的地方,包括錯線、少線和多線。直觀檢查電源線、地線、信號線以及元件引腳之間有無短路；連接處有無接觸不良；二極管、三極管及電解電容等引腳有無錯誤連接，集成電路是否插對等。為了避免作出錯誤的判斷通常采用兩種查線方法：一是按照設計的電

50、路圖檢查焊接電路，把電路圖上的連線按一定的順序在焊接好的電路板上逐一對應檢查，這種方法比較容易找出錯誤;另一種方法是按照實際電路來對照電路原理圖，按兩個元器件的引腳連線去檢查。（2) 通電檢查在確認電路連接沒有錯誤的情況下接通電源。電源接通后不要急于測量數(shù)據(jù),而是首先觀察是否有無異?，F(xiàn)象,如有無冒煙，是否聞到異常味道、手摸元器件是否發(fā)燙,電源是否有短路現(xiàn)象等。如有異常應立即關斷電源，排除故障后再重新通電測試.(3） 分塊調(diào)試把電路按照功能分成不同的模塊，分別對不同的模塊進行調(diào)試。調(diào)試順序通常是按照信號的流向進行，這樣可把前級測試過的輸出作為后一級的輸入信號,為最后統(tǒng)調(diào)創(chuàng)造條件.分塊調(diào)試包括靜態(tài)

51、調(diào)試和動態(tài)調(diào)試，靜態(tài)調(diào)試是在沒有外加信號的條件下測試電路各點電位，通過靜態(tài)測試可以及時發(fā)現(xiàn)已損壞的器件或其他故障；動態(tài)測試是在信號源的作用下,借助示波器觀察各點波形,進行波形分析，測量動態(tài)指標。把動態(tài)和靜態(tài)測試的結(jié)果與設計的指標加以比較，經(jīng)深入分析后，對電路與參數(shù)提出合理的修正。調(diào)試電路過程中應對測試結(jié)果做詳盡的記錄.（4） 整機調(diào)試各單元電路調(diào)試好以后，還要將它們連接成整機進行調(diào)試.整機調(diào)試主要觀察和測量動態(tài)性能，把測量結(jié)果與設計指標逐一對比,找出問題的解決方法，然后對電路及參數(shù)進行修正，直到整機的性能完全符合設計要求為止.5。2。4 調(diào)試注意事項 (1） 超聲波探頭表面嚴禁用手及其它物體觸

52、摸以免產(chǎn)生信號滯后性及損壞。（2） 所有集成器件最好拔下烙鐵插頭再焊接，以免損壞.（3） 通電調(diào)試時要接5V直流電源。(4） 接收電路應用鐵皮屏蔽以增加抗干擾的性能。（5） 被測物體表面必須平坦。(6) 測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可發(fā)射超聲波的物體。（7) 在測距中應保證測距儀與被測物體距離為定值,要和被測物體成一條直線，使測得距離讀數(shù)的準確性。6 系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)及誤差分析6.1 實測比較根據(jù)實物測量出一些數(shù)據(jù)，它與標準值之間的比較如表6-1。表61 實際測量值與標準值的比較實測值標準值0。31m0。30m0。51m0。50m0。72m0.70m0。93m0.90m1。23m1。20m1

53、.53m1。50m1。74m1.70m 實測值：用做出的實物測的到障礙物的距離值； 標準值：用直尺測出到障礙物的距離值.因受發(fā)射功率限制，測量范圍在0。2m2。5m。6。2 溫度誤差分析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系。對于超聲波測距精度要求達到1mm時,就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。 美國國家半導體公司的DS18B20溫度傳感器的溫度測試分辨率為0。0625,55至+125準確度為±1。0,I2C總線接口.用AT89S51的通用I/O端口能很容易的模擬I2C總線的讀寫時序，DS18B20的高精度溫

54、度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的傳播速度。6。3 時間誤差分析當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度C=344m/s （20室溫），忽略聲速的傳播誤差.測距誤差st（0。001/344) 0。000002907s 即2。907ms。 在超聲波的傳播速度是準確的前提下,測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級,就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的AT89S51單片機定時器能方便的計數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用AT89S51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。6。4 感應角的誤差分析兩個超聲波探頭即發(fā)射探頭和接收探頭和障礙物之間存在一個幾何角度,反射波入射到探頭存在一定的角度,當這個角度過大時,這就會造成測量較大的誤差，或者說根本接收不到回波信號。特別是在障礙物的距離較小的時候這個誤差就成為了距離測量的主要誤差的原因，但是這種誤差