基于51單片機(jī)超聲波測(cè)距器的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　由于現(xiàn)代生產(chǎn)要求，人們發(fā)現(xiàn)需要實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸式的生產(chǎn)測(cè)距，而超聲波測(cè)距是一種性能良好的測(cè)距方式，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，本文設(shè)計(jì)了一種以AT89S51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化LED顯示超聲波測(cè)距儀，并使用一些常用芯片如：74LS04等。系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路以及顯示電路構(gòu)成。由

2、芯片AT89S51控制計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。本系統(tǒng)具有易檢測(cè)、軟件功能完善，工作可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。</p><p>　　本文論述了單片機(jī)技術(shù)研制成功的超聲波測(cè)距儀的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)方案。采用軟件校正，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。實(shí)際使用表明，極大的提高了安全性、可靠性和準(zhǔn)確度。</p><p>　　關(guān)鍵詞：測(cè)距儀; 超聲波;　傳感器; 單

3、片機(jī)</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　Because of modern production requirements, it was discovered that the need to achieve the production of non-contact distance measurement, and ul

4、trasonic distance measurement is a good performance of the ranging approach is mainly used in reversing radar sites as well as some industrial field, this paper designed a to AT89S51 MCU as the core of the low-cost, high

5、-precision, micro-LED display of ultrasonic range finder, and use some commonly used devices such as: 74LS04, etc.. System consists of m</p><p>　　This paper discusses the successful development of microcompu

6、ter technology, the basic principles of ultrasonic range finder, measurement method of calculating implementations. Use of software calibration, improved accuracy and machine reliability. The actual use of that greatly i

7、mproves safety, reliability and accuracy. </p><p>　　Keywords: distance meter; ultrasonic ;sensor;microcontroller </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要１</b><

8、/p><p>　　Abstract２</p><p><b>　　第1章 概述1</b></p><p>　　1.1設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2設(shè)計(jì)的思路1</p><p>　　1.3設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)1</p><p>　　第2章 超聲波測(cè)距的原理2&l

9、t;/p><p>　　2.1超聲波的介紹2</p><p>　　2.1.1什么是超聲波2</p><p>　　2.1.2超聲波的特性及特點(diǎn)2</p><p>　　2.1.3超聲波的應(yīng)用2</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距器的原理3</p><p>　　2.2.1超聲波發(fā)生器3<

10、/p><p>　　2.2.2壓電式超聲波發(fā)生器的原理3</p><p>　　2.2.3超聲波測(cè)距的原理3</p><p>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)6</b></p><p>　　3.2芯片AT89S51介紹6</p><p>

11、　　3.2.1AT89S51單片機(jī)的概述6</p><p>　　3.3傳感器的選取8</p><p>　　3.3.1傳感器的定義及作用8</p><p>　　3.3.2傳感器的特性9</p><p>　　3.3.3傳感器的選用9</p><p>　　3.4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)10</p><

12、p>　　3.5測(cè)距顯示電路的設(shè)計(jì)11</p><p>　　3.6超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)12</p><p>　　3.7超聲波接收電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.8探測(cè)電路的設(shè)計(jì)13</p><p>　　3.9系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)14</p><p>　　第4章 系統(tǒng)調(diào)試17</p><

13、;p>　　4.1軟硬件的調(diào)試17</p><p>　　4.2儀器精度分析及如何提高超聲測(cè)距精度17</p><p><b>　　總結(jié)20</b></p><p><b>　　致謝21</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)22</b></p>

14、<p>　　附錄1 硬件電路23</p><p><b>　　附錄2 程序24</b></p><p><b>　　第1章 概述</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀</b></p><p>　　目前國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是

15、專用集成電路的成本很高，并且顯示距離也比較困難，操作使用也不是很方便，而本設(shè)計(jì)研究的測(cè)距器成本低廉，性能優(yōu)良，市場(chǎng)前景極為廣闊，對(duì)提高我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)際水平，具有較大的時(shí)間意義，在整個(gè)倒車過(guò)程中自動(dòng)測(cè)量車尾到最近障礙物的距離，并用數(shù)字顯示出來(lái)，在倒車到極限距離時(shí)會(huì)發(fā)出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車。本設(shè)計(jì)可望成為駕駛員特別是貨車以及公共汽車駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝箱車、垃圾車、食品車、載貨

16、車、公共汽車等倒車交通事故，另外還特別適用于夜間輔助倒車、倒車入庫(kù)以及進(jìn)入停車場(chǎng)停車到位，甚至還能防止盜賊扒車。</p><p><b>　　1.2設(shè)計(jì)的思路</b></p><p>　　本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用以AT89S51單片機(jī)為核心，來(lái)設(shè)計(jì)一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀。</p><p>　　超聲波測(cè)距可測(cè)出回波和發(fā)射脈沖

17、之間的時(shí)間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再在LED上顯示出來(lái)。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，以用來(lái)控制電路的工作狀態(tài)。限制的最大可測(cè)距離存有四個(gè)因素:超聲波的幅度，反射面的質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角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的可測(cè)距離。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)

18、動(dòng)信號(hào)可以用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成。</p><p>　　1.3設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)</p><p>　　本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。要求測(cè)量范圍在0.10-4.00m，測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果，能夠手工設(shè)定報(bào)警量值。</p><p>　　

19、系統(tǒng)組成的設(shè)計(jì)：各部分硬件的選取很有講究，要十分合理。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是：</b></p><p>　　1、超聲波信號(hào)的接收、發(fā)射的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　2、顯示電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3、流程圖及程序的設(shè)計(jì)</p><p>

20、　　第2章 超聲波測(cè)距的原理</p><p><b>　　2.1超聲波的介紹</b></p><p>　　2.1.1什么是超聲波</p><p>　　聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過(guò)空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。</p

21、><p>　　超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 </

22、p><p>　　2.1.2超聲波的特性及特點(diǎn)</p><p>　　超聲波具有如下特性：</p><p>　　1、超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。</p><p>　　2、超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。</p><p>　　3、超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。</p><p>　

23、　4、超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。</p><p>　　超聲波具有的特點(diǎn)： </p><p>　　1、超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。</p><p>　　2、超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。</p><p>　　3、超聲與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診

24、斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。（治療）</p><p>　　超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波以直線方式傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳

25、播速度較慢，為340m/s，這就使得超聲波使用變得非常簡(jiǎn)單。</p><p>　　2.1.3超聲波的應(yīng)用</p><p>　　超聲波測(cè)距主要應(yīng)用與倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確與否。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作

26、測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。超聲波測(cè)距作為輔助視覺(jué)系統(tǒng)與其它視覺(jué)系統(tǒng)（如CCD圖像傳感器）配合使用，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)視覺(jué)功能，具有自動(dòng)探測(cè)前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車的功能，是未來(lái)高級(jí)小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國(guó)和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪﹂_發(fā)在高級(jí)汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米波雷達(dá)、CCD攝像機(jī)、GPS和高檔微機(jī)等。據(jù)海外媒體報(bào)道，戴姆勒—克萊斯勒公司日前成功開發(fā)出供商用車(尤指卡車)

27、使用的電子剎車系統(tǒng)，它利用車載前視雷達(dá)感應(yīng)器探測(cè)前方景物，由車載控制器處理這一感知信息而形成虛擬景象，由此來(lái)判斷當(dāng)前路況是否需要啟動(dòng)自動(dòng)剎車裝置。</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距器的原理 </p><p>　　2.2.1超聲波發(fā)生器</p><p>　　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。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電

28、氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括電壓型、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，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。</p><p>　　2.2.2壓電式超聲波發(fā)生器的原理</p><p>　　壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板

29、，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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，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器了。</p><p>　　2.2.3超聲波測(cè)距的原理</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。它通過(guò)

30、不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S。一般采用渡越時(shí)間法：即S=CT/2，其中S為測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)物體之間的距離，C為聲波在介質(zhì)（此處為空氣）中的傳播速度，T為超身波發(fā)射到返回的時(shí)間間隔。</p><p>　　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(lái)說(shuō)，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米／秒。下表列出了幾種溫度下的聲速：</p>&

31、lt;p>　　表2.1聲速與溫度的關(guān)系表</p><p>　　在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速C是基本不變的，計(jì)算時(shí)取C為340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正，為了節(jié)省成本、減小電路的復(fù)雜性、提高電路的穩(wěn)定性，本文采用編寫軟件改進(jìn)算法的方法加以校正。如果環(huán)境溫度變化顯著,則必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題?？?/p>

32、氣中聲速與溫度的關(guān)系可表示為：</p><p><b>　　(式2-1)</b></p><p>　　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。</p><p>　　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。超

33、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，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量低速行駛車輛與飛機(jī)的距離，當(dāng)車輛與飛機(jī)的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車輛與飛機(jī)之間的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車輛與飛機(jī)碰撞、拖掛等事故。整個(gè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51單片機(jī)系統(tǒng)和

34、聲光報(bào)警、距離顯示等設(shè)備組成。如圖2-1所示</p><p>　　圖 2-1　超聲波測(cè)距報(bào)警裝置原理框圖</p><p>　　發(fā)射部分由高頻振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲換能器組成。 單脈沖發(fā)生器在振蕩器的每個(gè)周期內(nèi)都被觸發(fā)，產(chǎn)生固定脈寬的脈沖序列，來(lái)自單片機(jī)的編碼信號(hào)對(duì)脈沖序列進(jìn)行編碼調(diào)制，經(jīng)功率放大后，通過(guò)超聲換能器發(fā)射超聲波。</p><p&g

35、t;　　接收部分由超聲換能器、接收放大器和編碼解調(diào)器組成。接收到的超聲波反射信號(hào)經(jīng)超 聲換能器轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)后，送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，并通過(guò)距離顯示器顯示車輛與飛機(jī)之間的距離，當(dāng)該距離小于設(shè)定的告警距離時(shí)，啟動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警?！?lt;/p><p>　　在多臺(tái)車輛同時(shí)作業(yè)時(shí)，某臺(tái)車輛發(fā)射的超聲波信號(hào)可能被其它車輛接收，從而因造成 系統(tǒng)混亂而產(chǎn)生誤報(bào)。為解決這一問(wèn)題，系統(tǒng)對(duì)不同的車輛進(jìn)行不同的編碼調(diào)制，使每輛車只能接

36、收到其本身發(fā)射的信號(hào)。</p><p>　　為有效消除干擾，編碼解調(diào)采用積累檢測(cè)解調(diào)。V1 為被放大后的含有干擾的接收信號(hào)，經(jīng)門限檢測(cè)電路與門限電壓V0比較后輸出脈沖 V2（當(dāng)V1＞V2時(shí)，輸出脈沖，反之無(wú)輸出）。單穩(wěn)電路1和單穩(wěn)電 路2 相互配合與或非門共同構(gòu)成一個(gè)可以重新觸發(fā)的單穩(wěn)電路，通過(guò)此單穩(wěn)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖序 列的延時(shí)積累，其輸出為V3，V3經(jīng)積分器積分后輸出V4，最后經(jīng)整形電路整形后輸出，V5并送入單

37、片機(jī)處理。</p><p>　　系統(tǒng)中的發(fā)射和接收部分由單片機(jī)控制輪流工作。在單片機(jī)編碼發(fā)送完畢后，即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉發(fā)射部分的單脈沖發(fā)生器；當(dāng)接收一定時(shí)間后再轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)重發(fā)編碼時(shí) ，同時(shí)關(guān)閉接收放大器。因此，為保證測(cè)距正確，接收時(shí)間必須根據(jù)實(shí)際量程來(lái)限制時(shí)，眾所周知，聲波傳播的距離s、速度c及傳播時(shí)間t之間的關(guān)系為：s=c×t 。若系統(tǒng)量程為5m，則接收時(shí)間T應(yīng)滿足：</p>&

38、lt;p><b>　　(式2-2)</b></p><p><b>　　第3章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成，超聲

39、波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)的框圖</p><p>　　系統(tǒng)框圖中的單片機(jī)AT89S51用來(lái)協(xié)調(diào)各個(gè)單元，超聲波接收電路用來(lái)接收要接收的信號(hào)，超聲波發(fā)射電路用來(lái)發(fā)射需要發(fā)射的信號(hào)，存儲(chǔ)器用來(lái)存儲(chǔ)接收的信號(hào)，用數(shù)碼管LED顯示距離。</p><p>　　3.2芯片AT89S51介紹</p><

40、p>　　3.2.1AT89S51單片機(jī)的概述</p><p>　　由于此單片機(jī)應(yīng)用在測(cè)距儀上，所以本設(shè)計(jì)選用了低功耗、低價(jià)格、小管腳(40腳)的AT89S51單片機(jī)。如圖3-2所示：</p><p>　　圖3-2 AT89S51芯片引腳圖</p><p>　　AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技

41、術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80S51引腳結(jié)構(gòu)， AT89S51具有40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。</p><p>　　引腳功能介紹 </p>&

42、lt;p>　　1.Vcc：電源電壓。</p><p><b>　　2.GND：地。</b></p><p>　　3.P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL。</p><p>　　邏輯門電路，對(duì)端口寫：“1”可作為高阻抗輸入端用。</p><p>

43、;　　在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。</p><p>　　在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。</p><p>　　4.P1口：P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫“1”，通

44、過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。</p><p>　　Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。</p><p>　　表3-1 P1口的功能</p><p>　　5.P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電

45、流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。</p><p>　　Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。</p><p>　　6.P3口：P3口是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TT

46、L邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端口，作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。</p><p>　　P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示</p><p>　　表3.2 P3口的功能</p><p>　　7.RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期

47、以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRTO位（地址8EH）可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。</p><p>　　8.ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定

48、時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。</p><p>　　9.EA/VPP：外部訪問(wèn)允許。欲使CPU僅訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。</p><p>　　如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。</p>

49、<p>　　Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。</p><p>　　10.PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期為兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，沒(méi)有兩次有效的PSEN信號(hào)。</p><p>　　11.XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)

50、鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　12.XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。</p><p><b>　　3.3傳感器的選取</b></p><p>　　3.3.1傳感器的定義及作用</p><p>　　一、廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。國(guó)際電工委員會(huì)(IEC:Inter

51、national Electrotechnical Committee)的定義為：“傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)”。按照Gopel等的說(shuō)法是：“傳感器是包括承載體和電路連接的敏感元件”，而“傳感器系統(tǒng)則是組合有某種信息處理(模擬或數(shù)字)能力的傳感器”。傳感器是傳感器系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它是被測(cè)信號(hào)輸入的第一道關(guān)口。</p><p><b>　　二、傳感器的作用<

52、;/b></p><p><b>　　1.信息的收集；</b></p><p>　　2.信息數(shù)據(jù)的交換；</p><p>　　3.控制信息的采集。</p><p>　　3.3.2傳感器的特性</p><p>　　1、靈敏度高、可靠性強(qiáng)、穩(wěn)定性好； </p><p>　

53、　2、防塵耐濕、耐高低溫、耐沖擊、耐振動(dòng)等嚴(yán)酷環(huán)境條件；</p><p>　　3、收發(fā)兼用，使用方便。</p><p>　　3.3.3傳感器的選用</p><p>　　超聲波傳感器千差萬(wàn)別，即使對(duì)于相同種類的測(cè)定量也可采用不同工作原理的傳感器，應(yīng)此，要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器。</p><p>　　本設(shè)計(jì)綜合考慮了測(cè)量條件、傳感器的性能和傳

54、感器的使用條件三個(gè)方面，選用MA40S2R接收器和MA40S2S發(fā)送器。傳感器的標(biāo)稱頻率為40KHz,這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。超聲波傳感器的符號(hào)及等效電路如圖3-3</p><p>　　圖3-3 傳感器符號(hào)及等效電路圖</p><p>　　超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采用措施擴(kuò)展

55、頻帶，比如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率要大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整與阻抗匹配。</p><p>　　圖3-4為MA40S2R/S傳感器的頻率特性，由圖知，發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免溢出標(biāo)稱頻率。</p><p>　　圖3-4 傳感器頻率特性</p&

56、gt;<p>　　圖3-5為MA40S2R/S傳感器的方向性特性，傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度,因此，適用于物體檢測(cè)與防范報(bào)警裝置等。</p><p>　　圖3-5 傳感器方向性特性</p><p>　　圖3-6表示傳感器的溫度隨頻率的變化特性，對(duì)于這種傳感器，溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

57、 </p><p>　　圖3-6 溫度頻率特性曲線圖</p><p>　　圖3-7表示阻抗隨頻率變化的特性。</p><p>　　圖3-7 阻抗頻率特性曲線圖</p><p>　　經(jīng)分析可知，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40KHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖信號(hào)。</p

58、><p>　　3.4系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理如圖3-8所示，部分硬件電路圖見(jiàn)附錄一。</p><p>　　AT89S51通過(guò)外部引腳輸出一個(gè)脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級(jí)，經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出去。在

59、發(fā)射的同時(shí)，輸出一個(gè)高電平啟動(dòng)，進(jìn)行充電。發(fā)射結(jié)束時(shí)高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，并開始對(duì)分壓器放電并輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個(gè)高增益、低噪聲放大器，在對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行檢波后將檢測(cè)回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時(shí)輸出的高電平可以抑制比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導(dǎo)致錯(cuò)誤檢測(cè)。超聲波測(cè)距可測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，利用S=Ct/2就可以算出

60、距離，再?gòu)腖ED上顯示。我們還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，用來(lái)控制電路的工作狀態(tài)。限制的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素:超聲波的幅度，反射面的質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角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的可測(cè)距離。</p><p>　　圖3-8 理想狀態(tài)下超聲波測(cè)距原理</p><p>　　3.5測(cè)距顯示電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　LE

61、D數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽(yáng)極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由八個(gè)陽(yáng)極相連接的發(fā)光二極管組成；另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由四個(gè)陽(yáng)極相連接的發(fā)光二極管組成。二者原理不同但功能相同。其外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-9所示：</p><p>　　圖3-9 LED的管腳和電路原理</p><p>　　共陰極LED數(shù)碼顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱為位選端），因此稱為共陰極LED數(shù)碼

62、顯示器，8個(gè)數(shù)碼管的另一端通常稱為段選端，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接高電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮；而共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示管是將二極管的陽(yáng)極連接在一起，形成共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示塊的公共端，該公共端必須接高電平，同理在共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示塊中如某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管被點(diǎn)亮。</p><p>　　用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。</p><

63、p>　　靜態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動(dòng)電路具有鎖存功能，單片機(jī)將所要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED，直到下次顯示時(shí)再傳送一次新的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時(shí)間少。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)再發(fā)送新的數(shù)據(jù)。</p><p>　　另一種方法是動(dòng)

64、態(tài)掃描顯示。由于單片機(jī)本生具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，所以采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯可隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯限制。采用動(dòng)態(tài)掃描軟件譯碼地方式能大大簡(jiǎn)化硬件電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本。它用分時(shí)地方法輪流控制各個(gè)顯示器地COM端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺(jué)暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。</p><p

65、>　　靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較少；動(dòng)態(tài)顯示需要CPU時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用的CPU時(shí)間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。</p><p>　　本設(shè)計(jì)的顯示電路采用四個(gè)共陽(yáng)LED四位數(shù)碼管，位碼用PNP三極管驅(qū)動(dòng)。如圖3-10所示。</p><p>　　圖3.10 測(cè)距顯示電路&

66、lt;/p><p>　　3.6超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　發(fā)射電路主要由74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1.0端口輸出40KHz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，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。如圖3-11所示。</p><p>　　圖3.11 超

67、聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.7超聲波接收電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波接收電路主要CX20106A和超聲波換能器構(gòu)成，CX20106A是一款紅外的專用芯片，考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KH與測(cè)距的超聲波頻率40KHZ較為接近，故利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖3.12所示。</p><p>　　圖3.12 超聲波接收電路</p>

68、;<p>　　3.8探測(cè)電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　物體探測(cè)電路可以用光電傳感器來(lái)制作。但光電傳感器不能探測(cè)透明的物體。紅外線傳感器在探測(cè)物體時(shí)需要有象人和動(dòng)物那樣與周圍有一定的溫度差這個(gè)條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制，對(duì)于透明的或其它物體都可以探測(cè)。超聲波傳感器探測(cè)物體有直接探測(cè)方式與反射探測(cè)方式。</p><p>　　直接探測(cè)方式的接收/發(fā)射器要相互配置。如果

69、接收到超聲波（有信號(hào)電壓）時(shí)，說(shuō)明接收/發(fā)射器中間沒(méi)有被測(cè)物體。反之，接收不到超聲波（無(wú)電壓信號(hào)）時(shí)，則中間有被測(cè)物體。發(fā)射探測(cè)方式的接收/發(fā)射器可以較近配置，有反射波時(shí)，說(shuō)明存在被測(cè)物體。發(fā)射探測(cè)方式的接收/發(fā)射器有單獨(dú)使用與共用兩種方式，共用方式就是一個(gè)超聲波傳感即用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。具體區(qū)別如表3-3所示。</p><p>　　表3-3 傳感器探測(cè)物體的區(qū)別</p>

70、<p><b>　　3.9系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)就是以AT89S51單片機(jī)為核心。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。雖然用一個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)器電路也可以測(cè)量超聲波

71、的傳輸時(shí)間，但利用AT89S51單片機(jī)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)。</p><p>　　為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序框圖如下圖3-13。</p><p>　　圖3-13 主程序框圖</p><p>　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P1.0端口發(fā)送2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打

72、開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。</p><p>　　定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要

73、完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。如圖3-14和3-15。</p><p>　　圖3-14定時(shí)中斷子服務(wù)子程序 圖3-15外部中斷服務(wù)子程序</p><p><b>　　第4章 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p><b>　　4.1軟硬件的調(diào)試</b></p>

74、<p>　　超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15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(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)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C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 </p&

75、gt;<p>　　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(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為1～60cm，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。</p><p>　　4.2儀器精度

76、分析及如何提高超聲測(cè)距精度</p><p>　　本章將要分析溫度對(duì)超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測(cè)對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響，超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超聲波數(shù)字測(cè)距儀。實(shí)驗(yàn)表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲測(cè)距精度。</p><p>　　超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫(kù)液位

77、測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲測(cè)距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間ts，在已知超聲波聲速Cs的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離S，即：S=CT/2</p><p>　　由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難

78、精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。本章從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響；回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以AT89S51單片機(jī)為核心，采用40KHz壓電超聲傳感器，應(yīng)用廣泛的超聲測(cè)距儀。空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受

79、氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。例如：20℃時(shí)， T=293.15， CS=344.2 m/s；40℃時(shí)， T=313.15，CS=355.8 m/s；-20℃時(shí), T＝253.15，CS=319.9 m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過(guò)程，超聲波會(huì)有很大的衰減

80、。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。</p><p>　　設(shè)在距離超聲接收器x處有被測(cè)物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù)(萬(wàn)倍級(jí))和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。</p><p>　　制作超聲傳感器的材

81、料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測(cè)距常用壓電材料傳感器，例如TR40壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：S=d·E，其中d為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感

82、器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計(jì) 針對(duì)溫度、回波和所加脈沖電壓對(duì)超聲測(cè)距精度的影響，在設(shè)計(jì)超聲測(cè)距儀時(shí)，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構(gòu)成了超聲測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的中心控制和信號(hào)處理單元為單片機(jī)AT89S51，超聲傳感器采用TR40(40 kHz)收發(fā)超聲傳感器。</p><p>　　發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和

83、電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī)P1.1口控制其是否工作。發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。</p><p>　　接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收

84、部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。</p><p>　　由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。</p>

85、<p>　　軟件設(shè)計(jì)：超聲測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。軟件修正利用下面公式：S=CT/2</p><p>　　在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作裝置后，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了超聲測(cè)距實(shí)驗(yàn)。發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個(gè)數(shù)多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其振動(dòng)慣量而獲得充分的振動(dòng)，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時(shí)測(cè)距的盲區(qū)也大(測(cè)距盲區(qū)指的是可以測(cè)量的最小距離)，一般選擇由8個(gè)脈沖組成。電路在6米處的測(cè)量結(jié)果

86、，幅值較小，測(cè)量過(guò)程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，這說(shuō)明功率消耗比較大?？梢钥闯?，本電路的測(cè)量距離明顯提高，而且管子基本沒(méi)有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定?？梢?jiàn)，本電路的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過(guò)較嚴(yán)格的推導(dǎo)，器件選擇合理，各參數(shù)得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配。</p><p>　　轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現(xiàn)良好，在距離9．5m處仍能得到較清晰的回波，使大范圍的超聲測(cè)距成為可能。使用脈沖回波法測(cè)量距離，

87、在考慮溫度對(duì)聲速度的影響、回波檢測(cè)對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響以及超聲傳感器所加電壓對(duì)壓電轉(zhuǎn)換效率的影響時(shí)，超聲測(cè)距精度可以提高。所以在制作超聲測(cè)距裝置時(shí)，應(yīng)增加溫度測(cè)量環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)高放大倍數(shù)和高Q值的濾波放大電路，并提高加在超聲傳感器上的電壓幅值。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)AT89S51芯片。

88、以及其它常用芯片如：74LS04、CX20106A等來(lái)設(shè)計(jì)超聲波的接發(fā)收電路，實(shí)現(xiàn)了超聲波從發(fā)射到接收的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量誤差小。</p><p>　　在經(jīng)多次的實(shí)踐中超聲波測(cè)得的距離還不是很長(zhǎng)，還應(yīng)該在這方面大大研究改進(jìn)，使其功能更加完善并在各個(gè)地方中得到廣泛的應(yīng)用。</p><p><b>　　致謝</b><

89、/p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠成功的完成，要特別感謝許勇剛老師的教導(dǎo)，我從他身上學(xué)到了很多東西，他認(rèn)真負(fù)責(zé)的工作態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和深厚的理論水平都使我受益非淺。在此我還要感謝在設(shè)計(jì)過(guò)程中所有給予我真誠(chéng)熱情幫助的老師和同學(xué)，才使我能順利完成設(shè)計(jì)。</p><p>　　最后，也要感謝各位老師能抽出時(shí)間來(lái)對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)論，謝謝！</p><p><b>

90、;　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】 賈伯年. 傳感器技術(shù). 南京: 東南大學(xué)出版社, 2000</p><p>　　【2】 閻石. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ). 北京: 高等教育出版社, 1998</p><p>　　【3】趙晶. Protel 99高級(jí)應(yīng)用. 北京: 人民郵電出版社, 2000</p>&l

91、t;p>　　【4】周學(xué)毛. 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì). 北京: 高等教育出版社, 1997 </p><p>　　【5】李葉紫. MCS-51單片機(jī)應(yīng)用教程. 北京: 清華大學(xué)出版社,2002 </p><p>　　【6】馬西秦. 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2002 </p><p>　　【7】 樓然苗. 51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)例

92、. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社,1999 </p><p>　　【8】 羅萬(wàn)鈞. 匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì). 陜西: 西安電子科技大學(xué)出版社,1995 </p><p>　　【9】 劉守亦. 單片機(jī)應(yīng)用技術(shù). 陜西: 西安電子科技大學(xué)出版社,1995</p><p>　　【10】 肖玲尼. Protel 99 SE 印刷電路. 北京: 清華大學(xué)出版社,

93、 2003</p><p>　　【11】 梁立編. 程序設(shè)計(jì)基礎(chǔ)與C語(yǔ)言. 陜西: 西安電子科技大學(xué)出版社,1998 </p><p><b>　　附錄1 硬件電路</b></p><p><b>　　附錄2 程序</b></p><p>　　IC :AT89S51 </p>

94、<p>　　OSCCAL :XT (12M) </p><p>　　speakequp1.1</p><p>　　;********************************************</p><p>　　;* 中斷入口程序 *</p><p>

95、;　　;********************************************</p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　LJMP START</p><p><b>　　ORG 0003H</b></p><p>　　LJMP PINT0&l

96、t;/p><p><b>　　ORG 000BH</b></p><p><b>　　reti</b></p><p><b>　　ORG 0013H</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p><b&g

97、t;　　ORG 001BH</b></p><p>　　LJMP INTT1</p><p><b>　　ORG 0023H</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p><b>　　ORG 002BH</b></p><

98、;p><b>　　RETI </b></p><p><b>　　;</b></p><p>　　;********************************************</p><p>　　;* 主 程 序 *</p&g

99、t;<p>　　;********************************************</p><p>　　START: MOV SP,#4FH</p><p>　　MOV R0,#40H ;40H-43H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40H為最高位）</p><p>　　MOV R7,#0BH</p&g

100、t;<p>　　CLEARDISP: MOV @R0,#00H</p><p>　　INC R0</p><p>　　DJNZ R7,CLEARDISP</p><p>　　MOV 20H,#00H</p><p>　　MOV TMOD,#11H ;T1為 T0為16位定時(shí)器<

101、;/p><p>　　MOV TH0,#00H ;65毫秒初值</p><p>　　MOV TL0,#00H</p><p>　　MOV TH1,#00H </p><p>　　MOV TL1,#00H</p><p>　　MOV P0,#0FFH</p>

102、<p>　　MOV P1,#0FFH</p><p>　　MOV P2,#0FFH</p><p>　　MOV P3,#0FFH</p><p>　　MOV R4,#04H ;超聲波肪沖個(gè)數(shù)控制（為賦值的一半）</p><p>　　SETB PX0</p><

103、p>　　SETB ET1</p><p>　　SETB EA</p><p>　　SETB TR1 ;開啟測(cè)距定時(shí)器</p><p>　　start1: LCALL DISPLAY</p><p>　　JNB 00H,START1 ;收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1</p>&l

104、t;p><b>　　CLR EA</b></p><p>　　LCALL WORK ;計(jì)算距離子程序</p><p>　　clr EA </p><p>　　MOV R2,#32h;#64H ;測(cè)量間隔控制（約4*100=400MS）</p>

105、;<p>　　LOOP: LCALL DISPLAY</p><p>　　DJNZ R2,LOOP </p><p>　　CLR 00H</p><p>　　setb et0</p><p>　　mov th0,00h</p><

106、p>　　mov tl0,00h</p><p>　　SETB TR1 ;重新開啟測(cè)距定時(shí)器</p><p><b>　　SETB EA</b></p><p>　　SJMP Start1</p><p><b>　　;</b></p>

107、<p>　　;****************************************************</p><p>　　;* 中斷程序* *</p><p>　　;****************************************************</p&

108、gt;<p>　　T1中斷，發(fā)超聲波用 ;T1中斷，65毫秒中斷一次</p><p>　　INTT1: CLR EA</p><p>　　CLR TR0</p><p>　　clr ex0</p><p>　　MOV TH0,#00H</p><p&g

109、t;　　MOV TL0,#00H</p><p>　　MOV TH1,#00H</p><p>　　MOV TL1,#00H</p><p>　　SETB ET0</p><p>　　SETB EA</p><p>　　SETB TR0 ;啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，用以計(jì)&l

110、t;/p><p>　　intt11: CPL VOUT ;40KHZ</p><p><b>　　nop</b></p><p><b>　　nop</b></p><p><b>　　nop</b></p><p&

111、gt;<b>　　nop</b></p><p><b>　　nop</b></p><p><b>　　nop</b></p><p><b>　　nop</b></p><p><b>　　nop</b></p>&

112、lt;p><b>　　nop</b></p><p>　　DJNZ R4,intt11 </p><p>　　;超聲波發(fā)送完畢， </p><p>　　MOV R4,#04H</p><p>　　lcall delay_250 ;延時(shí)，避開發(fā)射的直達(dá)聲波號(hào)</p><

113、p>　　SETB EX0 ;開啟接收回波中斷</p><p>　　RETIOUT: RETI</p><p>　　;外中斷0，收到回波時(shí)進(jìn)入</p><p>　　PINT0: nop</p><p>　　jb p3.2,pint0_exit</p><p&g