超聲波2593752754

1、第一章 緒 論1.1選題背景隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動(dòng)測(cè)量技術(shù)不斷更新，非接觸式測(cè)量技術(shù)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。在很多工控場(chǎng)合，測(cè)量的物體是不能夠直接接觸到的，或者是測(cè)量物體不宜直接接觸, 這個(gè)時(shí)候就要用到非接觸式的測(cè)量?jī)x器。自物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此超聲波技術(shù)得到廣泛運(yùn)用。而在超聲波測(cè)量領(lǐng)域，尤其是在測(cè)距領(lǐng)域，結(jié)合各種其他技術(shù)的應(yīng)用，超聲波測(cè)量變得十分普及。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，縱向分辨率較高。超聲波對(duì)色彩、光照度、外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲測(cè)距對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁

2、干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力，在液位測(cè)量、機(jī)器人避障和定位、倒車(chē)?yán)走_(dá)、物體識(shí)別等方面有著廣泛的運(yùn)用。與其他測(cè)距方法相比，超聲波測(cè)距方法有其自己的特點(diǎn)：(1) 相對(duì)于聲波，超聲波具有定向性好、能量集中、在傳輸過(guò)程中的衰減較小、反射能力較強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。(2) 相對(duì)于光學(xué)方法，超聲波的波速小，可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；對(duì)色彩、光照度、電磁場(chǎng)不敏感，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。特別是在海洋勘測(cè)方面具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。(3) 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)

3、用將越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，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(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。1.2設(shè)計(jì)意義距離在很多場(chǎng)合和控制中需要實(shí)時(shí)檢測(cè)，所以，測(cè)距就成為數(shù)據(jù)采集中重要的一環(huán)。盡管測(cè)距有多種方式，比如：激光測(cè)距、微波測(cè)距、紅外線測(cè)距和超聲波測(cè)距等。但是超聲波測(cè)距不失為一種簡(jiǎn)單可行的方法。雖然超聲波測(cè)距電路多種多樣，可是有的電路復(fù)雜、技術(shù)難度大，有的調(diào)試?yán)щy，有的元件不易購(gòu)買(mǎi)，這就在一些方面限制了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的電路，成本低廉、性能可靠、所用元件易購(gòu)，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，電路實(shí)現(xiàn)容易，工作穩(wěn)定可靠。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在

4、介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單。超聲波智能測(cè)距儀具有廣泛的實(shí)際用途，超聲波測(cè)距儀廣泛應(yīng)用于生活、軍事等各個(gè)領(lǐng)域，如施工建筑單位對(duì)空間距離的測(cè)量、汽車(chē)倒車(chē)防撞系統(tǒng)、潛水艇的超聲波探測(cè)定位系統(tǒng)。超聲波測(cè)距技術(shù)在社會(huì)生活中已有廣泛的應(yīng)用，如汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)等，它們測(cè)距精度一般較低。目前對(duì)超聲波高精度測(cè)距系統(tǒng)的需求越來(lái)越大。展望未來(lái)，超聲波作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高精度，更大應(yīng)用范圍，更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。1.3近年來(lái)

5、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展1.3.1超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)在國(guó)外的發(fā)展一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年F.Galton的氣哨實(shí)驗(yàn)，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個(gè)鮮為人知的東西，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對(duì)超聲波的研究造成了一定程度的影響。在第一次世界大戰(zhàn)中，對(duì)超聲波的研究逐漸受到重視。法國(guó)人Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對(duì)低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來(lái)檢測(cè)水中是否存在潛艇并進(jìn)行水下通信。1929年，Sokolov首先提出用超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建議。相隔2年，1931年Mulhauser獲準(zhǔn)一項(xiàng)關(guān)于超聲檢測(cè)方法的德國(guó)專利，不過(guò)他并

6、未做更多的工作。4年之后，1934年sokolov首次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果，他用了各種方法做了實(shí)驗(yàn)，用來(lái)檢測(cè)穿過(guò)試件的超聲能量，其中之一是用簡(jiǎn)單的光學(xué)方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。德國(guó)人Bergrnann在他的論著ULTRASONIC中，詳細(xì)的論述了有關(guān)超聲波的大量早期資料，該論著一直被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作。美國(guó)的Firestone首次介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測(cè)技術(shù)發(fā)展到了更重要的階段。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因?yàn)樗凶顝V泛的通用性，其檢測(cè)結(jié)果也最容易解釋。這種方法除可用于手工檢測(cè)外，還可與采用先進(jìn)技術(shù)的自動(dòng)系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問(wèn)世以

7、來(lái)，根據(jù)相同的原理，有無(wú)數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進(jìn)和精化。目前，在超聲無(wú)損檢測(cè)中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最為廣泛的一種。1.3.2超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展超聲波測(cè)距技術(shù)作為檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用。由于其信號(hào)的高頻特性，超聲測(cè)距早期僅使用模擬量信號(hào)的分析，大部分檢測(cè)設(shè)備僅有A掃描形式，需要通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的人員對(duì)信號(hào)進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對(duì)分析人員的要求較高，因此，人為因素對(duì)檢測(cè)的結(jié)果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動(dòng)化檢測(cè)。八十年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國(guó)內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類

8、數(shù)字化超聲波測(cè)距設(shè)備，并已成為超聲波檢測(cè)的發(fā)展方向。廈門(mén)大學(xué)的某位學(xué)者研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測(cè)距中通過(guò)兩次探測(cè)求取回波包絡(luò)曲線來(lái)得到回波的起點(diǎn)，通過(guò)這樣處理后超聲波傳播時(shí)間的精度得到了很大的提高。另外，也有大量的文獻(xiàn)研究采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和小波變換理論來(lái)提高傳輸時(shí)間的精度。這些處理方法都取得了較好的效果。目前國(guó)內(nèi)外在超聲波檢測(cè)領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)展速度很快。國(guó)內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。隨著測(cè)距技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲測(cè)距系統(tǒng)功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲測(cè)距系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲測(cè)距儀能夠具

9、有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 2000A 型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來(lái)，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開(kāi)發(fā)。與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。第二章 系統(tǒng)方案的論證2.1

10、超聲波的定義波是由某一點(diǎn)開(kāi)始的擾動(dòng)所引起的，并按預(yù)定的方式傳播或傳輸?shù)狡渌c(diǎn)上。聲波是一種彈性機(jī)械波。人們所感覺(jué)到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動(dòng)的反應(yīng)，能引起人們聽(tīng)覺(jué)的機(jī)械波頻率在20Hz20kHz，超聲波是頻率大于20kHz的機(jī)械波14。超聲波應(yīng)用有三種基本類型：透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門(mén)、接近開(kāi)關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，用脈沖激勵(lì)超聲波探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)在與其接觸的介質(zhì)中傳播，便形成了超聲波。2.2超聲波測(cè)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(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，

11、途中碰到障礙物就立即返回來(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)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(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)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大

12、，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。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。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖1所示。圖1 超聲波的測(cè)距原理 （2-1） （2-2）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: ( 2-3)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(shí)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(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(34)變

13、為: ( 2-5) 所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H.如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)該通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。? 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（）-30-20-100102030100聲速（m/s）3133193253233383443493862.3超聲波測(cè)距方法的選擇超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距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，

14、由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0MHZ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)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。2.4超聲波傳感器2.4.1超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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。它們所產(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

15、相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。此次超聲波測(cè)距系統(tǒng)的超聲波傳感器選用型號(hào)為T(mén)/R40-16。超聲波換能器采用收發(fā)分體式，分別是一支超聲波發(fā)射換能器TCT40-16T和一支超聲波接收換能器TCT40-16R。超聲波信號(hào)通過(guò)超聲波發(fā)射換能器發(fā)射至空氣中，遇被測(cè)物反射后回波被超聲波接收換能器接收。2.4.2壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖2所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖a所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖b所示極性的

16、電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。若外部施加的極性變反，如圖c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。圖2 壓電逆效應(yīng)圖2.4.3單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成單片機(jī)AT89S51發(fā)出短暫的40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。限制超聲波系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地

17、、溫度的高低以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離。開(kāi)始測(cè)量超聲波信號(hào)開(kāi)定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測(cè)電聲換能器電聲換能器驅(qū)動(dòng)電路圖3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖顯示單元選擇顯示單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一，它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲(chǔ)器地址以及存儲(chǔ)器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？梢宰鲲@示器的有：LED,LCD,CRT等。CRT就是常見(jiàn)的顯像管式的顯示器。優(yōu)點(diǎn)是顏色視覺(jué)效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點(diǎn)是體積大耗電多，有微量的X射線輻射。LED就是發(fā)光二極管。LED一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點(diǎn)那就是屏幕尺寸

18、可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對(duì)比度等都不如CRT顯示器。但是考慮到本設(shè)計(jì)需要顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，安全等原因。所以選擇采用128*64液晶模塊。溫度傳感器的選擇大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)。AD590的測(cè)溫范圍為-55+150。AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以

19、承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。但是考慮到成本問(wèn)題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用無(wú)需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無(wú)需備用電源測(cè)量。溫度范圍為-55&#

20、176;C至+125 。-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C,溫度傳感器可編程的分辨率為912位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、溫度補(bǔ)償模塊、供電 單元模塊、鍵盤(pán)單元模塊等共七個(gè)組成。單片機(jī)主控芯片使用51系列AT89S51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出

21、端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，該電路簡(jiǎn)單，調(diào)試工作小較小。鍵盤(pán)單元模塊 超聲波接收模塊超聲波發(fā)射模塊單片機(jī)控制系統(tǒng)（AT89S51）顯示模塊溫度補(bǔ)償模塊供電單元模塊圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)由單片機(jī)AT89S51控制，如圖4 所示。單片機(jī)采用AT89S51。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P1.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P3.5端口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)

22、用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過(guò)接收電路處理后，向單片機(jī)P3.5輸入一個(gè)低電平脈沖。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到P3.5由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間與聲速相乘再除以2即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯示出來(lái)。3.1 AT89S51單片機(jī)的功能及特點(diǎn)AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4K bytes的課反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司

23、的高密度。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89S51單片機(jī)可以為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.1.1主要性能參數(shù)Ø 與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。Ø 4K字節(jié)可以重復(fù)擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器。Ø 1000吃擦寫(xiě)周期。Ø 全靜態(tài)操作：0Hz24Hz。Ø 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。Ø 128*8字節(jié)內(nèi)部RAM。Ø 32個(gè)可編程I/O口線。Ø 6個(gè)中斷源。Ø 可編程串行UART通道。Ø 低

24、功耗空閑和掉電模式。3.1.2功能特性概述AT89S51提供以下功能：Ø 4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器；Ø 128字節(jié)內(nèi)部RAM；Ø 32個(gè)I/O口線；Ø 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器；Ø 一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)；Ø 一個(gè)雙工串行口通信；Ø 片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51可以降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式。空閑方式停止CPU的工作，當(dāng)允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。圖3-1，AT89S5

25、1單片機(jī)3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。如圖6所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由AT89S51單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機(jī)的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個(gè)30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復(fù)位電路中，單片機(jī)RESET管腳一方面經(jīng)20 pF的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開(kāi)關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新

26、啟動(dòng)。因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。圖6 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.3超聲波發(fā)射收電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)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換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。表2 反相器74LS04參數(shù)最大額定值電源電壓-0.5 to +7.0VDC輸

27、入電壓-1.5 to Vcc+1.5V直流輸出電壓-0.5 to Vcc+0.5V鉗位二極管電流±20mA直流輸出電流，每個(gè)引腳（輸出）±25mA功耗600mW發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖7所示，單片機(jī)P1.7端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波

28、換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。圖7 超聲波發(fā)射電路3.4超聲波檢測(cè)接收電路圖8 超聲波測(cè)距接收單元由于反射回來(lái)的超聲波信號(hào)非常微弱，所以接收電路需要將其進(jìn)行放大。接收電路如圖3-5所示。接收到的信號(hào)加到BG1、BG2組成的兩級(jí)放大器上進(jìn)行放大。每級(jí)放大器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號(hào)通過(guò)檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)，即把多個(gè)脈沖波解調(diào)成多個(gè)大脈沖波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號(hào)即兩二極管之間電容電壓。該接收電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，制作難度小。3.5顯示電路顯示單元部分采用12864液晶模塊。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用于顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持，安全等警告信號(hào)。其

29、顯示單元電路如圖6-7所示。3.5.1 12864液晶資料帶中文字庫(kù)的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得

30、多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。3.5.2 12864液晶基本特性12864液晶基本特性如表9所示。表3 12864液晶基本特性低電源電壓VDD:+3.0-+5.5V顯示分辨率128×64點(diǎn)內(nèi)置漢字字庫(kù)8192個(gè)16×16點(diǎn)陣漢字內(nèi)置128個(gè)16×8點(diǎn)陣字符時(shí)鐘頻率2MHz顯示方式STN、半透、正顯驅(qū)動(dòng)方式1/32DUTY，1/5BIAS視角方向6點(diǎn)背光方式側(cè)部高亮白色LED通訊方式串行、并口可選負(fù)壓內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路片選信號(hào)無(wú)需片選信號(hào)工作溫度0 - +55存儲(chǔ)溫度-20 - +60圖3-7顯示單元電路3.6供電電路本測(cè)距系統(tǒng)由于采用的是L

31、ED數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為30-45mA，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的可靠正常工作，系統(tǒng)的供電方式主要交流AC6-9伏，同時(shí)為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了第二種方式，即由USB口供電，調(diào)試時(shí)直接由電腦USB口供電。6伏交流是經(jīng)過(guò)整流二極管D1-D4整流成脈動(dòng)直流后，經(jīng)慮波電容C1慮波后形成直流電，為保證單片機(jī)系統(tǒng)的可電，供電路中由5伏的三端稱壓集成電路進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出5伏的真流電供整個(gè)系統(tǒng)用電，為進(jìn)一步提高電源質(zhì)量，5伏的直流電再次經(jīng)過(guò)C3、C4濾波。圖12 供電單元電路圖3.7溫度補(bǔ)償電路DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感

32、器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75 ms和750 ms內(nèi)完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫(xiě),溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。由于聲速受氣溫的影響比較大，所以本文通過(guò)P3.6口控制DS18B20，來(lái)對(duì)超聲波測(cè)距中聲速進(jìn)行修正，盡量減少測(cè)距中的誤差。圖14 溫度補(bǔ)償電路3.8無(wú)線通信電路作為一種常用的通訊接口器件，R

33、S-485/RS-422 芯片可以在許多半導(dǎo)體公司中找到對(duì)應(yīng)的型號(hào)，比如ADI 公司（器件前綴為ADM）。大部分工業(yè)RS-485總線的客戶應(yīng)用如下的電路連接方式如圖1所示，其485電路主要由2或3個(gè)快速光耦，RS-485收發(fā)器件以及隔離電源模塊組成，優(yōu)點(diǎn)是連接簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，缺點(diǎn)是用的器件較多，占用的PCB面積大，而且光電耦合器的在速度限制、功耗以及LED老化上受到限制。圖1 通信接口電路3.9 鍵盤(pán)接口電路第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序需要有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），所以控制程序可采用C語(yǔ)言編程。4.1 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射