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超低功耗超声波测距仪
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超声波测距仪毕业论文参考(含原理图、程序)
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超声波测距仪毕业论文参考(含原理图、程序)
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超声波测距系统
盐城工学院本科生毕业论文 (2010)超声波测距系统的设计与实现1 概 述从技术上看，超声波测距系统在上个世纪70年代已经实用化，从70年代末期开 始广泛应用于生产领域。于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的 距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以 通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做 到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在工农业生产 上到了广泛的应用。2 课题研究背景与意义2.1 课题研究背景 超声波是指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。近年来，随着电子测 量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术 应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是 指频率在20kHz以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹 性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被 介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量 中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活 之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液 位高度的测量等。 2.2 课题研究意义 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较 其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不 污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水 处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用 油、奶制品） 、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境 中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差 值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊 环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实 现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机 器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的 位置信息 （距离和方向） 因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。 。 同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也 得到了广泛的应用。1超声波测距系统的设计与实现3 方案设计和选择根据本次设计的要求，方案的选择应力求实用性强，性价比高，使用简单。 3.1 超声波测距的基本原理 谐振频率高于 20kHz 的声波被称为超声波。超声波为直线传播方式，频率越高， 绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或 称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电 能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波； 反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。 3.1.1 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体 上讲，超声波发生器可以分为两大类：一 类是用电气方式产生超声波，一类是 用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械 方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生 的超声波的频率、功率和声 波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生 器。 3.1.2 压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生 器内部结构如图 1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉 冲信 号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并 带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板 接收到超声波 时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就 成为超声波接收器了。 3.1.3 超声波测距原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声 波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就 立即停 止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时 间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波， 在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡 就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空 气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍 物面的距离 s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速 V 与温度有关。在使用时，如果传播介质温 度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距 精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，2盐城工学院本科生毕业论文 (2010)只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。 如图 3-1 所示：t超声波发射 S H θ 障碍物超声波接收图 3-1 超声波的测距原理H = S cos θ（3-1）θ = arctg (L ) H（3-2）式中:L---两探头之间中心距离的一半. 又知道超声波传播的距离为:2 S = vt( 3-3)( 3-4) 其中,超声 波的传 播 速度 v 在一 定的温 度下是一个 常数( 例 如在温度 T=30 度 时,V=349m/s);当需要测量的距离 H 远远大于 L 时,则(3―4)变为: 1 H = vt 2 所以,只要需要测量出超声波传播的时间 t,就可以得出测量的距离 H. 3.2 单片机 AT89S52 单片机一词最初源于“Single-Chip Microcomputer”，简称“SCM”。单片机 也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一个逻辑功能的芯片 （芯片也称为集成电路块，它是 1958 年 9 月 12 日，在 Robert Noyce 的领导下，科 研小组发明集成电路后开始出现的一个名称），而是把一个微型计算机系统集成到 一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便式中:v―超声波在介质中的传播速度; t―超声波从发射到接收所需要的时间. 将（3―2）（3―3）代入（3-1）中得： 、 1 L H = vt cos[arctg ] 2 H( 3-5)3超声波测距系统的设计与实现宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。近年来，微处理器已广泛应用于多种领 域，尤其是在智能仪器仪表中的应用更是如此，这不仅引起了产品本身的变革，也 深深地影响设计的理念的变革。智能仪器仪表作为一种智能系统，其核心在于微处 理器。基于微处理器的智能系统设计，已成为目前电子设计领域的一个热点。智能 系统是一个复杂的系统，一般包含微处理器、按键与显示人机界面、A/D 转换、D/A 转换等基本功能部件，同时也包含与应用领域相关的其他特殊部件。智能系统一般 需要在恶劣的环境下长期连续地工作，因此在满足功能的基础上，其可靠性也是设 计时需要考虑的一个方面，目前已经普遍应用于通信、雷达、遥控和自动控制等各 个领域中。在本次毕业设计中我选用的是 AT89S52 单片机。 AT89S52 是一个低功耗， 高性能 CMOS 8 位单片机， 片内含 8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用 ATMEL 公 司的高密度、 非易失性存储技术制造， 兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构， 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，功能强大的微型计算机 的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 3.2.1 一般说明 AT89S52 具有如下特点： 个引脚， Bytes Flash 片内程序存储器， 40 8k 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5 个中断优先 级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗 （WDT）电路，片内时钟振荡器。 AT89S52 的数据存储包括 256 字节的内部 RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K 字 节的片内 EEPROM 和可扩展至 64K 的外部数据存储器。 此外，AT89S52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空 闲模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉 电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复 位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品的需 求。 3.2.2 极限参数表 3-1 AT89S52 极限参数 参数 操作温度 储存温度范围 EA/Vpp 脚相对于 Vss 的电压 其他任何脚相对于 Vss 的电压 每个 IO 脚的最大 IOL 额定值 0～+70 或-40～+85 -65～+150 0～+13.0 -0.5～+6.5 15 单位 °C °C V V mA4盐城工学院本科生毕业论文 (2010)3.3 超声波传感器 3.3.1 超声波的特性 声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。当声的频率高到超过人耳听觉的 频率极限(根据大量实验数据统计，取整数为 20000 赫兹)时，人们就会觉察不出周 围声的存在，因而称这种高频率的声为“超”声。人的听觉范围如图 2-5 所示。图 3-5 人的听觉范围超声波的特性有： （1）束射特性 由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚 焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射 角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现 象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。 （2）吸收特性 声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因 为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。 对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就 比较弱，在固体中传播时吸收是最小的。 （3）超声波的能量传递特性 超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具 有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由 于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率―样，分子振动 的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能 量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果 声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波 要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就 可以供给物质分子足够大的功率。 （4）超声波的声压特性5超声波测距系统的设计与实现当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作 用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。 3.3.2 超声波换能器 完成产生超声波和接收超声波这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为 超声换能器，或者超声波探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声 波，也可以接收超声波。小功率超声探头多用作探测方面。它有许多不同的结构， 可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰 姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材 料可以有许多种。由于晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性 能都是不同的，我们使用前必须预先了解清楚该探头的性能参数。 超声波传感器的主要性能指标包括： （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压 的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头 使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声 探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。 人类能听到的声音频率范围为：20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围 的声音，即 20Hz 以下频率的声音称为低频声波，20kHz 以上频率的声音称为超声波。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。为此，利用 超声波的这种性能就可制成超声波传感器。另外，超声波在空气中的传播速度较慢， 为 340m／s，这就使得超声波传感器使用变得非常简便。我们选用压电式超声波传感 器。它的探头常用材料是压电晶体和压电陶瓷，是利用压电材料的压电效应来进行 工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波，可作为 发射探头；而利用正压电效应，将超声振动波转换成电信号，可作为接收探头。 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多种超声波发生器。总体 上讲，超声波发生器大体可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类 是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械 方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波 特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。共振板gon压电晶片 电极 电极6盐城工学院本科生毕业论文 (2010)图 3-6 超声波传感器结构压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内 部结构如图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其 频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动， 便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压 迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。如图 4-4所示。 3.4 CAD 简介 CAD 在早期是英文 Computer Aided Drafting (计算机辅助绘图)的缩写，随着计 算机软、硬件技术的发展，人们逐步的认识到单纯使用计算机绘图还不能称之为计 算机辅助设计；真正的设计是整个产品的设计，它包括产品的构思、功能设计、结 构分析、加工制造等。二维工程图设计只是产品设计中的一小部分；于是 CAD 的缩 写也由 Computer Aided Drafting 改为 Computer Aided Design（计算机辅助设计）， CAD 也不再仅仅是辅助绘图，而是整个产品的辅助设计。早在 20 世纪 70 年代军工部 门就是利用计算机来完成飞机，火箭等航空，航天器的设计工作。电子线路 CAD 的 基本含义是使用计算机来完成电子线路的设计过程，包含电路原理图的编辑，电路 功能的仿真，工作环境的模拟，印制板的设计（自动布局，自动布线）与检测等等。 电子线路 CAD 软件还能迅速形成各种各样的报表文件，如元件清单报表，为元器件 的采购及工程欲算等提供了方便，便于新型电子器件和集成电路的应用。 随着电子技术的飞速用日趋广泛，电子电路也变得越来越复杂，这给电路的设 计工作带来更的难度。因此通过计算机进行电子电路的辅助设计成为设计制作电路 板的一个基本手段。Protel99SE 是澳大利亚 Protel Technology 公司于 2000 年推出 的一款基于 Windows 95/98 以上环境下的全 32 位 EDA Electronic Design Automation （ 电子设计自动化）道路设计自动化软件，是一个客户/服务器应用程序。而且 Protel99SE 包含众多的服务器程序，总体上可以分为 5 种，分别为：原理图设计、 PCB 设计（包含信号完整性分析）、自动布线器、原理图混合信号仿真、PLD 设计。 由于其性能优越，Protel99SE 已经成为电路设计不可缺少的理想辅助设计工具。4 硬件电路设计介绍了本设计方案选择的情况，下面将着重按照前面所分析和采用的设计方案 来完成具体的电路设计。 4.1 整体电路设计 整体电路的控制核心为单片机 AT89S52。 超声波发射和接收电路中都对相应信号 进行整形及放大，以保证测量结果尽可能精确。超声波探头接 OUT 口实现超声波的 发射和接收。另外还有温度测量电路测量当时的空气温度，等到把数据送到单片机 后使用软件对超声波的传播速度进行调整，使测量精度能够达到要求。整体结构图7超声波测距系统的设计与实现包括超声波发射电路,超声波接收电路,单片机电路,显示电路与温度测量电路等几 部分模块组成。而超声波发射与接收电路还要加入放大电路。在发射后把信号放大， 接收前也要把还再次放大。 整体电路结构图如图 4-1。图 4-1 超声波测距原理图单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将 接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中 断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送 LED 显示。图 4-2 超声波发送原理图8盐城工学院本科生毕业论文 (2010)4.2 超声波测距系统设计 4.2 超声波发射器的注意事项 4.2.1 超声波发射器的注意事项 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波 在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，超声波接收器收到反射波就立 即停止计时。超声波在空气中的传播速度约为 340m/s，根据计时器记录的时间 t， 就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s)，即为：s=340t/2，这就是所谓的时 间差测距法。 存在 4 个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射 回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。 测距误差主要来源于以下几个方面： （1）超声波波束对探测目标的入射角 α 的影响； （2）超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定 是第一个回波的过零点触发； （3）超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精 度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密 度对声速都将产生直接的影响，因此需对声速加以修正。 （4）由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射 和反射之间的夹角，其大小为 2 α ，当 α 很小的时候，可直接按式 S = CVt 2 进行距 离的计算；当夹角很大的时候，必须进行距离的修正，修正的公式为： c?t S = cosα× （4-1） 2 实际的调试过程中，要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置，这是 因为每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角，这里用到的发射、接收头 有效测量夹角为 45°。 接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离。为了 增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超 声波发射／接收的设计方法。 4.2.2 超声波发射电路 超声波测距技术经过几年的研究和发展，已经有了很多比较成熟的技术和设计 方案，使本次设计能有很多可借鉴的资料，从中学到了很多宝贵的知识。对自己设 计电路有很大帮助。 超声波发射电路，要求功率尽量大些，发射距离大于 1.5 米，电路力求简单实 用。我参考电路图如图 4-3,4-4,4-5,4-6。吸取几个图的优点而避免他们的缺点，然 后结合分析设计超声波的发射与接收电路。 40kHZ 超声波发射电路之一，电路中晶体管 VT1、VT2 组成强反馈稳频振荡器， 振荡频率等于超声波换能器 T40-16 的共振频率。T40-16 是反馈耦合元件，对于电路9超声波测距系统的设计与实现来说又是输出换能器。T40-16 两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。 S 是电源开关，按一下 S，便能驱动 T40-16 发射出一串 40kHZ 超声波信号。电路工 作电压 9V，工作电流约 25mA。发射超声波信号大于 8m。电路不需调试即可工作。这 样电路很简单与实用。图 4-3 40khz 超声波发射电路40kHZ 超声波发射电路之二，由 VT1、VT2 组成正反馈回授振荡器。电路的振荡 频率决定于反馈元件的 T40-16，其谐振频率为 40kHZ±2kHZ。频率稳定性好，不需 作任何调整，并由 T40-16 作为换能器发出 40kHZ 的超声波信号。电感 L1 与电容 C2 调谐在 40kHZ 起作谐振作用。本电路适应电压较宽（3~12V） ，且频率不变。电感采 用固定式，电感量 5.1mH。整机工作电流约 25mA。发射超声波信号大于 8m。图 4-440khz 超声波发射电路40kHZ 超声波发射电路之三，它主要由四与非门电路完成振荡及驱动功能，通过超声 换能器 T40-16 辐射出超声波去控制接收机。其中门 YF1 与门 YF2 组成可控振荡器，10盐城工学院本科生毕业论文 (2010)当 S 按下时，振荡器起振，调整 RP 改变振荡频率，应为 40kHZ。振荡信号分别控制 由 YF4、YF3 组成的差相驱动器工作，当 YF3 输出高电平时，YF4 一定输出低电平； YF3 输出低电平时，YF4 输出高电平。此电平控制 T40-16 换能器发出 40kHZ 超声波。 电路中 YF1~YF4 采用高速 CMOS 电路 74HC00 四与非门电路，该电路特点是输出驱动 电流大（大于 15mA） ，效率高等。电路工作电压 9V，工作电流大于 35mA，发射超声 波信号大于 10m。图 4-540khz 超声波发射电路40kHZ 超声波发射电路之四， LM555 时基电路及外围元件构成 40kHZ 多谐振荡 由 器电路，调节电阻器 RP 阻值，可以改变振荡频率。由 LM555 第 3 脚输出端驱动超声 波换能器 T40-16，使之发射出超声波信号。电路简单易制。电路工作电压 9V，工作 电流 40~50mA。发射超声波信号大于 8m。LM555 可用 NE555 直接替代，效果一样。 经过认真仔细的考虑和分析，本人选择使用 NE555 加外围电路构成多谐振荡器 来产生频率为 40KHz 的方波，再经过整形放大后来驱动超声波发射器发出超声波。 NE555 是一种用途很广的时基单元集成电路，其工作电压范围较宽，可在 4.5～ 18V 范围内工作， 其驱动电流可达 200mA。 NE555 的内部中心电路是三极管 Q15 和 Q17 加正反馈组成的 RS 触发器。输入控制端有直接复位 Reset 端，通过比较器 A1，复位 控制端的 TH、比较器 A2 置位控制的 T。输出端为 F，另外还有集电极开路的放电管 DIS。它们控制的优先权是 R、T、TH。利用 NE555 可以组成相当多的应用电路，甚至 多达数百种应用电路，在各类书刊中均有介绍，例如家用电器控制装置、门铃、报11超声波测距系统的设计与实现警器、信号发生器、电路检测仪器、元器件测量仪、定时器、压频转换电路、电源 应用电路、自动控制装置及其它应用电路都有着广泛的应用，这是因为 NE555 巧妙 地将模拟电路和数字电路结合在一起的缘故。图 4-640khz 超声波发射电路图 4-7 555 内部结构与引脚本次设计中 NE555 电路的工作原理是：单片机 TXD 口发出低电平，三极管 Q5 为 PNP 管所以导通，C 极向外输出高电平。555 芯片 8 脚接到高电平开始工作，4 脚 被拉高， 多谐振荡电路不工作， 当接到单片机的低电平信号后振荡器开始工作。 Vcc 经外接电阻 R1 和 R2 向电容 C 充电，当 C 上的电压 Vc 上升到 2Vcc/3 时，反相比较 器 A1 翻转输出低电平，RS 触发器复位，即 V＝0，3 脚输出为“0”，则三极管导通， C 经三极管和 P1 放电，当 Vc 下降到 Vcc/3 时，同相比较器 A2 翻转输出低电平，即 S＝0，RS 触发器置位，3 脚输出变为“1”，三极管又截止，C 又开始充电，如此周 而复始，输出端便可获得周期性的矩形脉冲波，NE555 的内部电路。由电路可知电容12盐城工学院本科生毕业论文 (2010)C 的放电时间 t1＝R2Cln2，充电时间 t2＝（R1+R2）Cln2，即可得出输出脉冲的频率 为：f＝1/t1+t2。所以调节 R1 和 R2 即可改变脉冲频率使之等于 40KHz。如图 4-6 所 示。图 4-8 方波产生电路为了使 40KHz 的方波信号更为可靠，要对其进行整形及放大。信号由 NE555 的 3 脚向外输出，经过二极管 D2 整形，滤去低于低电平 的部分，只保留零电平以上部 分。整形后的信号经由三极管 Q1、Q2 放大，此时的信号已经很可靠，可以满足本次 设计的需要。信号由 OUT 口输出，送入超声波探头中。此外在超声波发射电路中还 加入了消除余振部分以保证电路可以更好的为超声波发射器提供信号，也使测量结 果更为精确。因为超声波探头是一个感性元件，在一定程度上会表现出电感的性质。 所以当发射电路停止向其输入脉冲信号后，如果没有合适的能量释放回路，则在其 感性的作用下，超声波探头内部振荡仍会持续一段时间，仍然发射超声波，会对测 量结果产生影响。加入这个电路就是为了在停止发送超声波的时候将发射器内部的 能量释放到地，使其立即停止工作。单片机控制发送超声波的 TXD 口和消除余振的 INT0 口都是 P3 口的低四位，只需要由程序控制两个管脚输出相同的电平。在 TXD 口 为高电平时停止发射超声波，此时 INT0 口也为高电平，使得三极管 Q3 导通，即打 开消除余振功能，将剩余的能量接地。两个动作几乎是同时的，可以提高此后计时 的准确性。电路如图 4-9 所示。图 4-9 方波消除余波电路13超声波测距系统的设计与实现图 4-10 发射电路模块4.2.3 超声波接收电路 在本次设计中选择了前置放大电路＋带通滤波电路＋后级放大电路的类似电路。 通过波形整形，积分器，检波器，带通滤波，限幅放大和前置放大等实现接收超声 波的功能。如图 4-11 所示： 由于在距离较远的情况下，超声波的回波很弱，因而转换为电信号的幅值也较 小，为此要求将信号放大 60 万倍左右。如图 4-11 所示电路有三级放大：前两级种 放大 100 倍，采用高速精密放大器 LM318， 其带宽为 15MHz，放大倍数为 100 倍时， 能充分满足要求；第三级采用 LF353 运算放大器，带宽为 4MHz，对于 62 倍的放大倍 数，能充分满足条件。放大后的交流信号经光电隔离送入比较器，比较器的作用是 将交流信号整形输出一个方波信号，此方波信号上升沿使 D 触发器触发，向 CPU 发 中断申请。在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并结合温度换算出的速 度算出发射到接收的距离如图 4-12 所示：图 4-11 40KHz 超声波接收电路14盐城工学院本科生毕业论文 (2010)图 4-12 40KHz 超声波接收电路图 4-12 所示电路为双稳态超声波接收机电路，由 VT5、VT6 及相关辅助元件构 成双稳态电路，当 VT4 每导通一次（发射机工作一次），触发信号经 C7、C8 向双稳 电路送进一个触发脉冲，VT5、VT6 状态翻转一次，当 VT6 从截止状态转变成导通状 态时，VD5 截止，VT7 截止，继电器 K 释放； 当再来一个触发信号时，VT6 由导通转 变为截止状态，VD5 导通，VT7 导通，继电器 K 吸合......由于增加了双稳电路，使 之用于电灯、电扇、电视等电器遥控成为现实。调试时，在 a 点与+16V（电源）之 间用导线快速短路一下后松开，继电器应吸合（或释放），再短路一下松开，继电 器应释放（或吸合），如果继电器无反应，请检查双稳电路元件焊接质量和元件参 数。再加上设计中所选用的超声波探头里已经集成了上述超声波接收电路，一般情 况下一次即可成功。 为了测量结果的准确性，对于超声波探头接收到的信号同样需要进行处理。探 头收到的回波信号经 OUT 口回到电路中，经过电容 C10 耦合，只保留测距需要的交 流信号。 电路中加入二极管 D1 同样是因为上面提到的探头的感性。 由于感性的存在， 在停止发送超声波的那一刻，OUT 口会出现一个反向电动势，即电位低于地电位。这 样，如果没有二极管保护，这个反向电动势将会全部加在三极管 Q4 的 b-e 结上，如 果探头的感性比较强，其反向电动势足以将 b-e 结击穿。二极管 D1 提供了一个电流 的泻放电路，也可以说是将反向电动势降到最小（0.7V 左右），保护三极管及其他 电路。电容 C9 对经过三极管的信号进一步整形，去掉信号波形中的毛刺，使波形更 好。电阻 R5 起一个上拉电阻的作用，因为回波信号经过滤波后很可能会衰减的很严 重，所以利用 R5 将其幅度上拉到 5V，以便单片机更好的检测回波信号。 CX20106 是一款应用广泛的红外线检波接收的专用芯片，其具有功能强、性能优 越、外围接口简单、成本低等优点，由于红外遥控常用的载波频率 38 kHz 与测距的 超声波频率 40 kHz 比较接近，而且 CX20106 内部设置的滤波器中心频率 f0 五可由 其 5 脚外接电阻调节，阻值越大中心频率越低，范围为 30～60 kHz。故本次设计用 它来做接收电路。CX20106 内部由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、 积分器及整形电路构成。15超声波测距系统的设计与实现图 4-13 超声波回波信号整形电路图 4-14 40KHz 超声波接收电路4.3 显示电路设计 在单片机应用系统中，LED 数码管的显示常用两种方法：静态显示和动态扫描 显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的 I／O 接口 用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不 用管它了，直到要显示新的数据时,再发送新的字形码，因此，使用这种方法较为简 单与便利。可以提供单独锁存的 I／O 接口电路很多，常用的就是通过串口外接串并 转换器 74LS164，扩展并行的 I／O 口。需要几个数码管就扩展几个并行接口，数码 管直接接在 74LS164 的输出脚上，单片机通过串口将要显示数据的字形码逐一的串 行移出至 74LS164 的输出脚上数码管就可以显示相应的数字。 在显示电路的设计上，利用单片机的 P0～P2 口来控制数码管显示，这种接法虽 然比较浪费管脚资源，但是对单片机的理论知识要求相对比较低，而且超声波发射 和接收电路并不需要很多的管脚来支持，所以我选择这种方案。数码管的选择上，16盐城工学院本科生毕业论文 (2010)为了使数码管亮度大，本人选择了共阳极的数码管，数码管管脚接到低电平发亮。 显示及其驱动电路的原理图见图 4-15。图 4-15 数码管显示电路4.4 稳压电源设计 因为本次设计的元器件都可以使用+12V 或是+5V 的电源来驱动，所以我制作了 一个稳压电源，它使用三端集成稳压器 CW7812 和 CW7805 来设计。通过变压器的直 流电通过由二极管组成的桥式整流电路进入三端稳压元件， CW7812 和 CW7805 分别为 电路提供稳定的 12V 和 5V 直流电源。极性电容起滤波电容的作用，非极性电容则可 以改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。如图 4-16 所示：图 4-16 稳压电源17超声波测距系统的设计与实现图 4-17 单片机电路4.5 硬件电路设计优化4.5.1 提高测距的范围 由于空气对超声波的吸收与超声波频率成正比，因此用来测距的超声波的频率 不能很高。另一方面，频率越低，波长越长，测量的绝对误差就越大。所以，40Kz 的超声波单频测距的范围只有 5～6 米，无法满足我们的要求。为了解决测量范围和 测量精度之间的矛盾，我们采用双频测距的方法。其测距原理是：控制器现发出一 串频率为 fH 的超声波，串长度可以有 10～16 个完整的波形，接着送出 4～8fL 低频 率的超声波。这种在时域上连续的两种频率的超声波被前方的目标反射后，形成回 波，回波经由接收器形成回波脉冲 EchoH 和 EchoL。由于高频声波先发出，对于同一 个目标， 其回波 EchoH 先到达 CPU， 因此， 对于较近的目标， 首先用高频超声波探测。 当目标较远时，高频超声波被空气吸收而大幅衰减，接收器接收到的回波中只有低 频超声波 EchoL。由于该装置在距离较远时对精度要求不是很高，所以可以用 EchoL 探测。如图 4-17 所示：18盐城工学院本科生毕业论文 (2010)图 4-17 双频超声波测距工作时序图t0、t1 分别为高、低超声波发射的开始时间，t2、t3 为高、低超声波回波到达 的时间，所测得的距离分别为： D1=c(t2-t0)/2 D2=c(t3-t1)/2 经试验可知，用双频超声波发射，量程可达到 25m。 4.5.2 发射探头和接收探头间的影响 超声波从发射到接收的时间间隔是由控制器内部的定时器来完成的。由于发射 器探头与接收器探头的距离不大，有部分波未经被测物就直接绕射到接收器上，造 成发送部分与接受部分的直接串扰问题。这一干扰问题可通过软件编程，使控制器 不读取接收器在从发射开始到&虚假反射波&结束的时间段里的信号。这样，就有效 的避免了干扰，但另一方面也形成了 20cm 左右的“盲区”。 4.5.3 超声波的衰减 超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，其能量逐渐减弱，这种现象叫 超声波的衰减。引起超声波衰减的主要原因有： （1）扩散衰减:超声波在传播过程中，由于声束的扩散能量逐渐分散，从而使单位 面积内超声波的能量随传播距离的增加而减弱。超声波的声压和声强均随至声源的 距离的增加而减弱。 （2）散射衰减:当声波要传播过程中遇到由不同声阻抗介质所组成的界面时，就将 产生散乱反射，从而损耗了声波的能量，被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径 传播下去，最终变为热能。 （3）粘滞衰减:声波在介质中传播时，由于介质的粘滞性造成近质点之间的内摩擦(4-1) (4-2)19超声波测距系统的设计与实现从而使一部分声能转化热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之 间进行热交换，从而导致声能的损耗，这就是介质的吸收现象。 超声波的衰减有两种表示方法。一种是用底波多次反射的次数来表示。这种方 法仅能粗略地比较声波在不同材料中的衰减程度，也就是对同样厚度的不同材料在 同样的仪器灵敏度下，观察它们的底面反射波的次数，底波次数多的材料，说明声 波在该材料中衰减少，底波次数少，则声波衰减比较严重。另一种是理论上定量计 算的表示方法，即用衰减系数来表示声波的衰减。 4.5.4 系统干扰因素 测量装置的干扰来自多方面。机械振动或冲击会对传感器产生严重的干扰;光线 对测量装置中的半导体器件会产生干扰;温度的变化会导致电路参数的变动，产生干 扰:以及电磁干扰等等。干扰窜入测量装置有三条主要途径，如图4-18：图 4-18 产生误差的途径（1）电磁干扰 干扰以电磁波辐射的方式经空间窜入测量装置。信道干扰。信号在传播过程中， 通道中各元器件产生的噪声或非线性畸变所造成的干扰。 （2）电源干扰 这是由于电源波动、市电电网干扰信号的窜入以及装置供电电源电内阻引起各 单元电路相互祸合造成的干扰。一般情况下，电磁感应和静电感应干扰主要由发电 机、电动机、大功率继电器、电台等的感应引起，其强度远小于电源接地系统和U0 系统的干扰，这种干扰可采用良好的屏蔽与正确的接地、高频滤波加以抑制。因此， 在微机系统中，供电系统与v0通道的干扰是问题的主要方面。 （3）供电系统干扰及其抗干扰 由于供电电网面对各种用户，电网上并联着各种各样的用电器。用电器在开关 机时都会给电网带来强度不一的电压跳变。这种跳变的持续时间很短，人们称之为 尖峰电压。它会影响测量装置的正常工作。20盐城工学院本科生毕业论文 (2010)（4）电网电源噪声 把供电电压跳变的持续时间At& ls者称为过压和欠压噪声。供电电网内阻过大 或网内用电器过多会造欠压器声。供电电压跳变的持续时间lms&At&ls ，称为浪涌 和下陷噪声。它主要产生于感性用电器(如电机)在开关机时所产生的感应电动势。 供电电压跳变时间的持续时间At& lm s的被称为尖峰噪声。 （5）供电系统的抗干扰 供电系统常采用下列几种抗干扰措施: ① 交流稳压器。它可消除过压、欠压所造的影响，保证供电的稳定。 ② 隔离稳压器。由于浪涌和尖峰噪声主要成份是高频分量，它们不通过变压器 级线圈之间的互感祸合，而是通过线圈寄生电容祸合。隔离稳压器初次级间用屏蔽 层隔离，减少级间祸合电容，从而减少高频噪声的窜入。 ③ 低通滤波器。它可滤去大于50Hz市电基波的高频干扰。对于50HZ市电基波 ， 则通过整流滤波后也能够完全滤除。 ④ 独立功能块单独供电。在电路设计时，有意识地把各种不同功能块的电路单 独设置供电系统电源。这样做基本可消除各单元电路因共用电源而引起相互耦合所 造成的干扰.在本系统中就采用了这种电源的配置。接地系统的设计测量装置中的地 线是所有电路公共的零电平参考点。理论上，地线上所有的位置的电平应该相同。 然而，由于各个地点之间必须用具有一定电阻的导线连接，一量有地电流流过时， 就有可能使各个地点的电位产生差异。同时，地线是所有信号的公共点所有信号电 流都要经过地线。这就可能产生公共地电阻的祸合干扰。地线的多点相也会产生环 电流.环路电流会与其它电路产生祸合。所以，认真设计地线和接地点对于系统的稳 定是十分重要的。 4.5.5 温度对超声波测距的影响 在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，对超声波 传播速度加以修正，以减小误差。下面公式是超声波传播速度与空气温度的关系。 V = 331．4 + 0．607T 式中，T 为实际温度单位为℃，v 为超声波在介质中的传播速度单位为 m／s。表 4-1 超声波波速与温度的关系表温度（℃） 声速（m／s） -30 313 -20 319 -10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386由于声音的速度在不同的温度下有所不同，为提高系统的精度，采用了温度补偿功 能。 这里采用的主要元器件是是美国Dallas半导体公司生产的单总线数字温度传感器 DS18B20，其具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将DS18B20数据线 与单片机的P1.1口相连，就可以实现温度测量，如图5-321超声波测距系统的设计与实现图4-19 温度测量芯片5 软件设计本设计的软件设计部分十分的重要，距离的换算与显示，就连部分硬件电路不 能完成的滤波也要靠程序来完成。而且程序的设计也是本设计的难点。 5.1 程序完成的功能 本次设计的程序需要完成的功能有： （1）超声波的发射和接受控制 （2）消除余振 （3）对回波信号的检测 （4）测距时间到距离的换算 （5）距离的显示 （6）对距离进行判断 5.2 编程语言的选择 在编程语言的选择上，我主要考虑使用我所学过的汇编语言和 C 语言。下面将 对汇编语言与 C 语言的特点进行比较。 汇编语言是一种面向机器的低级的程序设计语言。它直接利用机器提供的指令 系统编写程序，该类程序的可执行指令是与机器语言程序的指令一一对应的。汇编 语言由于是面向机器的程序设计语言，与具体的计算机硬件有着密切的关系，因此， 可移植性差。但由于汇编指令与机器语言指令一一对应，即一条汇编语言的可执行 指令对应着一条机器语言指令，反之亦然。因此，汇编语言可直接利用机器硬件系 统的许多特性，如寄存器、标志位以及一些特殊指令等，具有执行速度快、占用内 存少等优点。汇编语言的缺点是程序的通用性和可移植性差；程序比较繁琐，调试 困难；目标程序比较庞大，运行速度慢。 C 语言是一种编译型的程序设计语言，它兼顾了多种高级语言的特点，并具备汇 编语言的功能。C 语言有功能丰富的库函数，运算速度快，编译效率高，有良好的可 移植性，而且可以直接实现对系统硬件的控制。C 语言是一种结构化设计语言，支持 支持由顶向下结构化程序设计技术。 语言的模块化程序结构可以使程序模块实现共 C 享。在 C 语言的可读性方面更容易借鉴前人的开发经验，提高程序的开发水平。22盐城工学院本科生毕业论文 (2010)C 语言应用于单片机编程出了上述特点外，还有以下突出特点：编译器可以自动 完成变量存储单元的分配，省去了分配和纪录存储单元的繁琐；不必对单片机和硬 件接口的结构有很深入的了解，省去了单片机漫长的学习时间；具有良好的可移植 性，只要将程序略加改动就可以将其应用与其他类型的单片机，省去了更改单片机 型号时重新编写程序的无奈。因此利用 C 语言编写程序可以大大缩短目标系统软件 的开发周期，程序的可读性明显增加，便于改进、扩充、研制规模更大、性能更完 备的系统。 语言的缺点是生成目标代码比较大， C 但随着大规模集成电路的飞速发展， 片内 ROM 的空间做到 16/32 KB 的已经很多，所以代码较大已经不是重要的问题了。 目前，支持硬断点的单片机仿真器已能很好的进行 C 语言程序调试，为使用 C 语言 进行单片机编程提供了便利条件。因此，利用 C 语言进行程序设计已成为单片机开 发、应用的必然趋势。 综合以上对两种编程语言特点的比较，并考虑到单片机之间采用串行数据传送， 采用 C 语言编写的话又可以简化许多使用汇编语言时进行浮点运算的不便。再加上 本人对 C 语言程序更加熟悉一点，所以最终决定使用 C 语言为本次设计的编程语言。 5.3 主要部分程序流程图 如图 5-1 所示 5.4 实现重要功能的程序的分析 5.4.1 实现温度读取功能 uint Read_Temperature(void) {//读取温度,返回整数值reset(); tu=0; if(r) { write(0xCC); write(0xBE);//复位 18b20 芯片 //先置位温度正负标示为正// 跳过多传感器识别 skio rom //发读内部 9 字节内容指令c=read();//读两个字reset(); write(0xCC); write(0x44);//读完两个字节后复位 // 跳过多传感器识别 skio rom // 发启动温度变换指令23超声波测距系统的设计与实现图 5-1 程序流程框图24盐城工学院本科生毕业论文 (2010)if(c&0x1000){c=c+1;tu=1;} c&&=4; *0.0625 } else{ } } 5.4.2 实现根据温度转化声速 int C_speed(void) { y=Read_Temperature(); if(r){//若温度小于 0,tu=1 // 去 掉 低 四 位 即 为 整 数 温 度 值 ， 无 需//返回 0XFF 表示未检测到 18B20 芯片//根据温度查算声速值//采温度 //若温度有变化则按温度值取声速{ T_C=y; if(tu==0)speed=332+T_C*0.607; else speed=332-T_C*0.607; } }else speed=346.5;//温度值＝变化后的温度值 //温度为正则+声速 //温度为负则-声速//若 1820 不存在即无法读取温度，声 速＝346.5M/S（取 25 度） } 5.4.3 实现距离计算 float Dis_count() { cm=TH1*256+TL1; cm-=7610; cm*= cm/=20000; } 5.4.4 主函数的结构与内容 void main(void) //减去限制 10M 的初值+可调误差值 //计算距离 uS*34650m //转换为 s 单程 //距离计算函数//主函数25超声波测距系统的设计与实现{ Read_Temperature();//先采一次温度for(w=11;w&255;w--) { LED_Data=LED0[w]; led_1H=0;led_2H=0;led_3H=0; time(400); bell=0; LED_Data=0 time(20); bell=1; OFF=0//启动显示 9~0，H~A，-//关闭 P3 口}//--------------------------------------------key(); T_show: //标号EA=0; TR1=0;//关总中断 //停止计数do{ LED_T_C(Read_Temperature());//采温度并转换为 LED 显示值show(25); key(); show(25); key(); show(25); key(); show(25); key(); show(25); key(); show(25); key(); show(25);//显 168 次后采一次温度26盐城工学院本科生毕业论文 (2010)key(); }while(show_temperature==1); //如 WD 为 0 只显示温度 //------------------测距部分开始 TMOD=0X11; //设定时器 T0、 工作于 16 位定时/计数 T1 模式 EA=1; IT1=1; w=0; while(1) { TT1(); TR1=1; Send_40K(); time_11uS(6);//开总中断 //外部中断下降沿触发方式//装 T1 初值 //启动定时器 T1 //发送测量方波 //延时 66uS，限制最小测量ET1=1; EX0=1;//允许 T1 中断 //允许外部中断 0 中断do{ led_display();} while(flag==0&&TO==0); 是否超出测量范围 if(flag==1) { if(w&27){C_speed();w=0;} w++;//判断是否有收到回波 如有则计算判断//测 Wu 次距后取一次温度声速dis=Dis_count(); flag=0;//转换距离if(dis&=8||dis&=996){temp[0]=0xF7;temp[1]=0xF7;temp[2]=0xF7;}// 溢 出处理 else{ bell=0; LED_temp(dis); bell=1; show(10); } //测量数据显示27超声波测距系统的设计与实现}TO=0;show(10);key(); if(show_temperature==1)goto T_ //如果 WD 为 0 则只显示温度} }6结 束 语本文借助于模数电技术和单片机技术的结合，解决了超声波测距的一些难题。 本毕业设计以 AT89S52为核心， 灵活的运用超声波换能集成电路作为超声波的接收电 路，在讨论了超声波测距原理、硬件电路实现和软件设计方法基础上，完成了超声 波测距的设计要求。从课题选择、方案论证到具体设计，我查阅了大量的资料。对 一些疑难的问题，我得到了老师和同学的帮助。在四年的本科学习和生活期间，也 始终感受着导师的精心指导和无私的关怀，我受益匪浅。在此向老师们表示深深的 感谢和崇高的敬意。 不积跬步何以至千里，本设计能够顺利的完成，也归功于各位任课老师的认真 负责，使我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现。正是有了他们 的悉心帮助和支持，才使我的毕业论文工作顺利完成，在此向全体老师表示由衷的 谢意。感谢他们四年来的辛勤栽培。28盐城工学院本科生毕业论文 (2010)参 考 文 献[1] 阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004.6. [2] 康华光.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2004.1. [3] 张培仁.基于 C 语言编程的 MCS-52 单片机原理与应用. 北京：清华大学出版 社,2003.4. [4] 纪良文，蒋静坪．机器人超声测距数据的采集与处理．电子技术应用，2001.7. [5] 瞿金辉, 周蓉生. 超声波测距系统的设计[ J ]. 中国仪器仪表, 2007 .8. [6] 袁佑新, 吴妍, 刘苏敏, 等. 可视汽车倒车雷达预警系统设计[ J ]. 微计算机信 息，2006.10. [7] 宋永东, 周美丽, 白宗文, 等. 高精度超声波测距系统设计[ J ]. 现代电子技术, 2008.3 . [ 8 ] 吴斌方, 刘民. 超声波测距传感器的研究[ J ]. 湖北工学院学报, 2004 .6. [ 9 ] 高川, 谈振藩. 基于 AT89C2051 的超声波测距系统应用科技, 2006 .11.29超声波测距系统的设计与实现致谢本系统在孙干超老师的亲切关怀和悉心指导以及同学们的帮助下完成的。感谢 他在此次毕业设计过程中给予我的悉心指导与各方面的帮助，他给了我许多非常有 益的建议和意见，使我在思路上得到了很大的开阔，从中认识到了自己存在的不足， 并且学到了很多非常宝贵的知识。他严谨的治学态度和踏实的工作作风也给我留下 了非常深刻的印象，我不仅学到了研究的方法，更令我明白了一个很重要的道理： 做学问应以科学严谨的态度，脚踏实地一步一个脚印地认真去做，切不可好高鹜远 急躁冒进，这些都使我受益匪浅，也极大的激励了我，使我能在紧张的时间里完成 我的毕业设计并达到设计的要求。同时还要感谢给我们提供优越学习条件和优良仪 器的各位实践部老师。同时也要感谢系里其它同学和我的朋友在设计中给我提供的 帮助和支持。最后感谢各位老师对我论文的悉心审阅与批评指正。30盐城工学院本科生毕业论文 (2010)附附录一：电路 PCB 图录31超声波测距系统的设计与实现附录二：程序代码 //超声波测距系统 12M晶振 //#include &REG2051.H& #include &REGx51.H& #include &intrins.h& //#include &math.h&#define uint unsigned int #define uchar unsigned char#define LED_Data P0 #define OFF P3//定义LED显示数据为P1口sbit led_1H=P2^7; sbit led_2H=P2^6; sbit led_3H=P2^5;//定义数码管百位 片选 //定义数码管十位 片选 //定义数码管个位 片选sbit DQ=P3^4;//18b20定义端口sbit bell=P2^2; sbit Sout=P3^7;//定义蜂鸣器，为1则不响，为0时响 //定义超声波输出引脚sbit k1=P1^0; sbit k2=P1^1; sbit k3=P1^2;//定义按键bit bit bit bitr=0; flag=0; TO=0; tu=0;//18b20存在标志位 0为不存在,1为存在 //定义外部中断1标志位 //定义T1中断1标志位 //定义温度正、负标示位0为正1为负bit show_temperature=0; //定义显示温度标志位uchar T_C; float speed=346.50;//存温度值//定义实形距离变量 // 346.5m/s(25度)32盐城工学院本科生毕业论文 (2010)uchar temp[3]={0xF7,0xF7,0xF7};//*- - -*/ 定义显示暂存区 //显示段代码表 uchar code LED0[]={ 0x28,0xEE,0x32,0xA2,0xE4,0xA1,0x21,0xEA,0x20,0xA0,0xF7,};//0~9 //第一位数码管显示段码 uchar code LED1[]={0x08,0xCE,0x12,0x82,0xC4,0x81,0x01,0xCA,0x00,0x80,}; //0.~9.带小数点//--------------------------------------------温度部分涵数声明 void time_11uS(uint x); //延时11US void LED_T_C(uint x); //温度显示转换 uint Read_Temperature(void); //读温度 void write(char wr); uint read(void); uchar reset(void); //写1820 //读1820 //复位1820//--------------------------------------------测距部分涵数声明 void led_display(void); //LED显示函数 void time(uint x); //延时1mS void void void uint Send_40K(void); LED_temp(uint x); TT1(void); C_speed(void); //输出20个40k方波函数 //显示转换 //装入初值 //根据温度查表取声速值float Dis_count(); //距离计算函数 //--------------------------------------------//-------------------------------------------//延时11us void time_11uS(uint x) { for(;x&0;x--); } //--------------------------------------------uchar reset(void) { r=0; DQ = 1; _nop_();_nop_();//复位182033超声波测距系统的设计与实现DQ = 0; time_11uS(50); DQ = 1; time_11uS(6); while(DQ==0){r=1;} _nop_();//置低电平 // 等待500us // 置高电平 // 等待66US // 读响应return(r); }// 返回响应值1=存在, 0 不存在//-------------------------------------------void write(char wr) { for (i=8; i&0; i--) { DQ = 0; //向总线上写一个字节// 写8位, 一位一位地写// 设为低电平，写开始_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); DQ = wr&0x01; //最低位移出 time_11uS(6); // 延时66US确保数据送出 DQ = 1; //停止 wr=wr/2; } time_11uS(1); } //-------------------------------------------//算法，相当于右移1位uint read(void) { uint v = 0; for (i=16;i&0;i--) { DQ = 0;//从总线上读取2个字节// 开始信号_nop_();_nop_(); v&&=1; DQ = 1; // 恢复 _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();34// 延时盐城工学院本科生毕业论文 (2010)if(DQ)v|=0x8000; time_11uS(6); } DQ = 1; return(v); }//数据拼装 // 延时//--------------------------------------------uint Read_Temperature(void) //读取温度,返回整数值 {reset(); tu=0; if(r) { write(0xCC); write(0xBE);//复位18b20 //先置位温度正负标示为正// 跳过多传感器识别skio rom //发读内部9字节内容指令c=read();//读两个字reset(); write(0xCC); write(0x44);//读完两个字节后复位 // 跳过多传感器识别skio rom // 发启动温度变换指令if(c&0x1000){c=c+1;tu=1;} c&&=4;//若温度小于0,tu=1 //去掉低四位即为整数温度值，无需*0.0625 } else{ }//返回0XFF表示未检测到18B20}//-------------------------------------------void LED_T_C(uint x) //温度显示转换35超声波测距系统的设计与实现{if(tu==1){temp[2]=0x26;} else{temp[2]=0x37;}//-2位 //显示温度符号，正则显示'Cif(r){temp[1]=LED0[x%10];} else{temp[1]=0xF7;/*-*/}//-1位if(r){temp[0]=LED0[x/10];} else{temp[0]=0xF7;/*-*/} }//个位//--------------------------------------------------------------------//--------------------------------------------------------------------void time(uint x) //普通延时函数 {for(j=0;j&x;j++) { for(i=0;i&122;i++);//延时1mS } } //--------------------------------------------void Send_40K(void) { for(i=30;i&0;i--) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); Sout=!S }//输出15个40k方波函数} //--------------------------------------------float Dis_count()//距离计算函数36盐城工学院本科生毕业论文 (2010){ cm=TH1*256+TL1; cm-=7610; //减去限制10M的初值+可调误差值 cm*= cm/=20000; } //-------------------------------------------void led_display(void) //LED显示函数 { //计算距离uS*34650m //转换为s 单程LED_Data=temp[2];led_3H=0; time(5);led_3H=1;//显示个位，带小数点LED_Data=temp[1];led_2H=0; time(5);led_2H=1;//显示-1位，无小数点LED_Data=temp[0];led_1H=0; time(5);led_1H=1;//显示-2位，无小数点LED_Data=0xFF;//关闭数据输出显示} //-------------------------------------------void LED_temp(uint x) //显示转换 { // x=(unsigned int)x; temp[2]=LED0[x%10]; //-2位 x/=10; temp[1]=LED0[x%10]; x/=10;//-1位temp[0]=LED1[x]; //个位 }//---------------------------//装入初值 void TT1(void) { TH1=()/256;//初值装入定时器T1,用于发射超声波后计数，37超声波测距系统的设计与实现TL1=()%256; //初值限定测量范围&10M } //--------------------------------------------uint C_speed(void) { y=Read_Temperature(); if(r){ if(T_C!=y) { T_C=y; if(tu==0)speed=332+T_C*0.607; else speed=332-T_C*0.607; } }else speed=346.5; 速＝346.5M/S（取25度）//根据温度查算声速值//采温度 //若1820存在则处理 //若温度有变化则按温度值取声速//温度值＝变化后的温度值 //温度为正则+声速 //温度为负则-声速//若1820不存在即无法读取温度，则声 } //-------------------------------------------void show(uint x){for(;x&0;x--){led_display();}}//多次显示函数 //--------------------------------------------void key(void) {//键盘扫描if(k1==0||k2==0||k3==0) { show(5); if(k1==0){bell=0;show_temperature=~show_while(k1==0);bell =1;} if(k2==0){bell=0;while(k2==0);bell=1;} if(k3==0){bell=0;while(k3==0);bell=1;} } } //--------------------------------------------38盐城工学院本科生毕业论文 (2010)void main(void)//＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝主函数＝＝＝＝＝＝＝＝ ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ {Read_Temperature();//先采一次温度for(w=11;w&255;w--) {//启动显示9~0，H~A，-LED_Data=LED0[w]; led_1H=0;led_2H=0;led_3H=0; time(400); bell=0; LED_Data=0 time(20); bell=1; OFF=0 //关闭P3口 }//--------------------------------------------key(); T_show://标号EA=0; TR1=0;//关总中断 //停止计数do{ LED_T_C(Read_Temperature()); //采温度并转换为LED显示值show(25); key(); show(25); key(); show(25); key(); show(25); key(); show(25); key();//显168次后采一次温度39超声波测距系统的设计与实现show(25); key(); show(25); key(); }while(show_temperature==1); //如WD为0只显示温度//------------------测距部分开始 TMOD=0X11; EA=1; IT1=1; w=0; //设定时器T0、T1工作于16位定时/计数模式 //开总中断 //外部中断下降沿触发方式while(1) { TT1();//装T1初值 TR1=1; //启动定时器T1 Send_40K(); //发送测量方波 time_11uS(6); //延时66uS，限制最小测量ET1=1; EX0=1;//允许T1中断 //允许外部中断0中断do{ led_display();} while(flag==0&&TO==0); 超出测量范围//判断是否有收到回波 如有则计算判断是否if(flag==1) { if(w&27){C_speed();w=0;} w++;//测Wu次距后取一次温度声速dis=Dis_count(); flag=0;//转换距离if(dis&=8||dis&=996){temp[0]=0xF7;temp[1]=0xF7;temp[2]=0xF7;}// 溢 出处理 else{ bell=0;40盐城工学院本科生毕业论文 (2010)LED_temp(dis); bell=1; show(10); //测量数据显示 }}TO=0;show(10);key(); if(show_temperature==1)goto T_ //如果WD为0则只显示温度} }//-------------------------------------------void int1(void) interrupt 0 //外部中断0服务 { TR1=0; EX1=0; flag=1; } //停止计数 //关外部中断1//-------------------------------------------void timer1(void) interrupt 3 { //T1定时器中断服务// ET1=0; EX1=0; TR1=0; TO=1;//关中断 //关外部中断1 //关定时temp[0]=0xF7; //未收到回波则显示 --temp[1]=0xF7; temp[2]=0xF7; ｝41超声波测距系统的设计与实现超声波测距系统的设计摘要：超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也 ：遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现 象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波 可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于 人们日常工作和生活之中。 系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片 机电路、发射电路、接收电路、显示电路和电源电路，另外还有复位电路和 LED 控 制电路等。我采用以 AT89s52 单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超 声波测距仪的硬件电路。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、供电、温 度测量、显示等模块组成。发射探头的信号经放大和检波后发射出去，单片机的计 时器开始计时，超声波被发射后按原路返回,在经过放大带通滤波整形等环节,然后 被单片机接收,计数器停止工作并得到时间。温度测量后送到单片机,通过程序对速 度进行校正, 结合两者实现超声波测距的功能。软件程序主要由主程序、预置子程 序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发 送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有实现数据正确显示在 LED 上。 另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。相关部分附有硬件电 路图、程序流程图。 实际的环境对超声波有很大的影响，如外部电磁干扰电源干扰信道干扰等等， 空气的温度对超声波的速度影响也很大。此外供电电源也会使测量差生很大的误差。 再设计的过程中考虑了这些因素，并给出了一些解决方案。关键词：AT89c52；超声波；测距42盐城工学院本科生毕业论文 (2010)Ultrasonic ranging system design Abstract: ultrasonic frequency in the above 20kHz refers to the sound wave,it belongs to the category. Ultrasonic wave in general also follow the rules of the elastic medium, such as the boundary of the reflection and refraction phenomenon occurring in the media and after absorbing attenuation etc. Because these properties, ultrasonic can be used in measuring the distance. Along with the science and technology unceasing enhancement, ultrasonic technology has been widely applied in People's Daily life and work. The thesis mainly includes two parts, the design that hardware circuit and software program. The hardware circuit including microcontroller circuit, launch circuit, receiving circuit, display circuit and power circuit, in addition to reset circuit and control circuit LED etc. I used to AT89s52 SCM is the core of low cost, high precision, miniaturization digital display ultrasonic rangefinder hardware circuit. The circuit USES modular design, the signal transmission and reception, power supply, temperature measurement, display module. The launch of the probe signal amplifier and detection after the launch of the timer started out, microcontroller timer, ultrasonic was launched by the way, after the return on amplified bandpass filters orthopedics etc, then received by MCU, counter to stop work and time. After temperature measurement of single-chip microcomputer, through the procedure to speed adjustment, the realization of the ultrasonic ranging function. Software program mainly by the main program, preset subroutines, launch procedure, receiving subroutines, display subroutines etc modules. It control chip, sending and receiving data in a certain temperature of ultrasonic velocity correction, and data displayed correctly in LED. Another program control chip to eliminate the emitting and receiving ultrasonic probe. With the hardware circuit and relevant parts of the program flowchart. The actual environment has great influence on ultrasonic, such as external electromagnetic interference source channel interference etc, the temperature of the air of ultrasonic velocity are significantly affected. Besides supply power will also make great difference measurement errors. In the process of design to consider these factors, and proposes some solutions.Keywords:AT89c52, Ultrasonic, distance43盐城工学院本科生毕业论文 (2010)目1 2 2.1 2.2 3 3.1 3.2 3.3 3.4 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 5 5.1 5.2录概述............................................................1 课题研究背景及意义..............................................1 课题研究背景....................................................1 课题研究意义....................................................1 方案设计和选择..................................................2 超声波测距的原理................................................2 单片机AT89S52...................................................3 超声波传感器....................................................5 CAD简介.........................................................7 硬件电路设计....................................................7 整体电路设计....................................................7 超声波测距系统设计............................................. 9 显示电路设计....................................................16 电源电路设计 ...................................................17 硬件电路设计优化................................................19 软件设计........................................................22 程序完成的功能..................................................23 程语言的选择................................................... 235.3 主要部分程序流程图...............................................24 5.4 实现重要功能的程序的分析.........................................25 6 结束语 ..........................................................28 致 谢 ..........................................................29 参考文献............................................................ 30 附录一 pcb 图........................................................32 附录二 程序代码......................................................33
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