基于51單片機(jī)超聲波測距儀設(shè)計(jì)【畢業(yè)論文】

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　基于51單片機(jī)超聲波測距儀設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 電子信息工程

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b><

3、;/p><p>　　由于超聲波方向性很強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，所以超聲波經(jīng)常會被用在距離的測量，比如測距儀和物位測量儀等用超聲波都可以實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較快、方便、計(jì)算簡便、容易做到實(shí)時(shí)控制，而且在測量精度方面能夠符合工業(yè)實(shí)用的要求。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。和別的方法相比較，如電磁的或光學(xué)的方法，它不會因?yàn)楣饩€、被測對象顏色等而受到影響。當(dāng)被測物處于黑暗、有毒、電磁干擾、有灰塵煙霧

4、等惡劣的環(huán)境下，會有很大的適應(yīng)能力。</p><p>　　論文簡單講述了超聲波檢測的發(fā)展和原理，介紹了超聲波傳感器的工作原理及特性。在介紹超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案。針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，利用AT89C51單片機(jī)為核心控制芯片設(shè)計(jì)了超聲波測距系統(tǒng)的硬件和軟件部分，該測距儀測距距離在20cm～80cm左右，精確度是1cm，它具有精確度高，適應(yīng)性強(qiáng)，可靠性

5、好，操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波；測距；單片機(jī)</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Because the ultrasonic wave has the features, such as strong point, slow energy consumptio

6、n and a long distance transmission in the medium, it always used for the distance measurement. Such as range finders and all level measurement can be achieved through the ultrasonic wave. Use of ultrasonic testing is oft

7、en more rapid, convenient and simple terms, easy to achieve real-time control,and it can meet the requirements of industrial utility in the measurement precision. Ultrasonic distance is a no</p><p>　　This pa

8、per summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detection. Then it presents the working mechanization and charaeters of ultrasonic sensor. it proposes the whole structure of the system by introduc

9、ing the function of ultrasonic distance meter. And then the transmission, receive, detection, display seheme of this distance meter system is brought out. Special after the application of AT89C51 microcontroller, it anal

10、yzes the hard ware and software realization of each p</p><p>　　Keywords: Ultrasonic Wave,Measuring Distance,Signal chip computer</p><p><b>　　目 錄 </b></p><p>　　1 引言- 1

11、-</p><p>　　1.1 超聲波簡介- 1 -</p><p>　　1.2 超聲波的發(fā)展歷史- 2 -</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容- 3 -</p><p>　　2 總體設(shè)計(jì)- 4 -</p><p>　　2.1超聲波測距的工作原理- 4 -</p><p>

12、　　2.2超聲波測距儀的總體設(shè)計(jì)方案- 4 -</p><p>　　2.2.1 方案一：一種單片化可重構(gòu)的相位式激光測距儀- 4 -</p><p>　　2.2.2 方案二: 基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測距儀- 5 -</p><p>　　2.2.3方案選擇- 7 -</p><p>　　3 硬件設(shè)計(jì)- 8 -</p&g

13、t;<p>　　3.1 AT89C51單片機(jī)- 8 -</p><p>　　3.1.1 AT89C51的簡介- 8 -</p><p>　　3.1.2 AT89C51的主要性能參數(shù)- 9 -</p><p>　　3.1.3復(fù)位電路- 9 -</p><p>　　3.1.4時(shí)鐘振蕩電路- 10 -</p>

14、<p>　　3.2超聲波傳感器- 10 -</p><p>　　3.3超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案- 11 -</p><p>　　3.3.1設(shè)計(jì)方案一- 11 -</p><p>　　3.3.2設(shè)計(jì)方案二- 13 -</p><p>　　3.3.3設(shè)計(jì)方案三- 14 -</p><p>　　3.

15、3.4方案的選擇- 15 -</p><p>　　3.4 總體硬件框圖- 16 -</p><p>　　4 軟件設(shè)計(jì)- 17 -</p><p>　　4.1軟件的設(shè)計(jì)要求- 17 -</p><p>　　4.2軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖- 17 -</p><p>　　4.3各個(gè)程序的流程圖- 17 -<

16、/p><p>　　4.3.1主流程圖- 18 -</p><p>　　4.3.2超聲波發(fā)生子程序- 20 -</p><p>　　4.3.3超聲波接收中斷子程序圖- 21 -</p><p>　　5 誤差分析- 22 -</p><p>　　5.1溫度誤差- 22 -</p><p>　　

17、5.2串?dāng)_問題- 23 -</p><p>　　6 總結(jié)- 24 -</p><p>　　致 謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p>　　參考文獻(xiàn)- 25 -</p><p>　　附錄1 超聲波測距儀設(shè)計(jì)電路圖- 27 -</p><p>　　附錄2 PCB版圖- 28 -</p><

18、;p><b>　　1 引言</b></p><p>　　由于社會不斷的進(jìn)步發(fā)展，許多傳統(tǒng)的測距方法已經(jīng)無法滿足我們的需求，例如在井深、液位、管道長度測量等場合。傳統(tǒng)的測距方法根本無法完成測量任務(wù)。還有在很多要求實(shí)時(shí)測距的情況下。傳統(tǒng)的測距方法也不能很好地完成測量任務(wù)。于是一種新的測距方法——超聲波測距應(yīng)運(yùn)而生。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式，它不受光線、被測對象顏色等影響。超聲波傳感

19、器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠，所以檢測比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制。因此，深入研究超聲波測距的相關(guān)技術(shù)及方法，對超聲檢測的應(yīng)用和普及更具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p><b>　　1.1 超聲波簡介</b></p><p>　　科學(xué)家們將每秒鐘震動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000赫茲。當(dāng)聲波的振

20、動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽不見了[1]。因此，超聲波是指頻率超過20kHz的不為人耳所聽見的聲波。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1～5兆赫茲。</p><p>　　理論研究表明,在振幅相同的條件下,一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比,超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí),介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高,因而能量很大.在我國北方干燥的冬季,如果把超聲波通入水罐中,劇烈的振動(dòng)會使罐中的水破碎成許多小霧滴,再用小風(fēng)扇把

21、霧滴吹入室內(nèi),就可以增加室內(nèi)空氣濕度.這就是超聲波加濕器的原理.如咽喉炎、氣管炎等疾病,很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位.利用加濕器的原理,把藥液霧化,讓病人吸入,能夠提高療效.利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫震動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用非常廣泛，像現(xiàn)在的彩超、B超、碎石等[2]。</p><p>　　超聲波的特點(diǎn)：（1）超聲波在傳播時(shí)，指向性很強(qiáng)，能量易于集

22、中能量。(2)超聲波不僅能夠在各種不同的媒質(zhì)中傳播，還可以傳播足夠遠(yuǎn)的距離。(3)超聲波與傳聲媒質(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。在全球，超聲波廣泛運(yùn)用于診斷學(xué)、治療學(xué)、工程學(xué)、生物學(xué)等領(lǐng)域[3]。</p><p>　　1.2 超聲波的發(fā)展歷史</p><p>　　超聲波的發(fā)展史主要分類國際與國內(nèi)兩個(gè)方面。相對而言，國際發(fā)展的要稍早一點(diǎn)，國內(nèi)發(fā)展的要晚些，特別是超聲波清洗機(jī)

23、在工業(yè)上得到應(yīng)用與認(rèn)可，主要從珠三角與長三角發(fā)展地區(qū)開始，95年后慢慢被接受。以下從兩個(gè)方面做一一介紹：</p><p><b>　　一、國際方面：</b></p><p>　　自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(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，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章。 </p><p&

24、gt;　　1922年，德國出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。 </p><p>　　1939年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道。 </p><p>　　40年代末期超聲治療在歐美興起，直到1949年召開的第一次國際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1956年第二屆國際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段。 &

25、lt;/p><p><b>　　二、國內(nèi)方面： </b></p><p>　　國內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于20世紀(jì)50年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療工作，從1950年首先在北京開始用800KHz頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至50年代開始逐步推廣，并有了國產(chǎn)儀器。公開的文獻(xiàn)報(bào)道始見于1957年。到了70年代有了各型國產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國各大型醫(yī)院。 &l

26、t;/p><p>　　40多年來，全國各大醫(yī)院已積累了相當(dāng)數(shù)量的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。特別是20世紀(jì)80年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。如今已在國際范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。高強(qiáng)度聚焦超聲無創(chuàng)外科，已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置。而在21世紀(jì)(HIFU)超聲聚焦外科已被譽(yù)為是21世紀(jì)治療腫瘤的最新技術(shù)[4]。</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)

27、展，超聲波的應(yīng)用將會越來越廣，這是一個(gè)蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。</p><p>　　1.3 本文研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本課題主要設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來測量待測距離。課題主要內(nèi)容包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)，超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路、數(shù)碼管顯示電路等。

28、軟件部分?jǐn)M采用單片機(jī)C語言編程，便于維護(hù)和修改，主要是利用中斷完成信號發(fā)射和接受中間所耗時(shí)間的計(jì)算，并進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)處理以得到準(zhǔn)確的距離。</p><p>　　全文共分6章，各章的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　第一章 引言。介紹課題來源，研究意義及發(fā)展趨勢。</p><p>　　第二章 介紹超聲波測距的工作原理和兩種基于不同原理的實(shí)現(xiàn)方式。</p&g

29、t;<p>　　第三章 主要是硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，介紹以不同方法實(shí)現(xiàn)其功能的過程。</p><p>　　第四章 軟件實(shí)際的流程和設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，以模塊為單位分別介紹各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)其功能的過程。</p><p>　　第五章 簡單介紹了本次設(shè)計(jì)可能存在的誤差。</p><p>　　第六章 對本次設(shè)計(jì)的總結(jié)及體會。</p><p>&l

30、t;b>　　2 總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　2.1超聲波測距的工作原理</p><p>　　超聲波測距的原理可簡單描述為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波時(shí)間的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回，超聲波接收器收到反射波后就立刻停止計(jì)時(shí)。從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t。然后求出距離S=Ct／2。式中的C為超聲波波速。<

31、/p><p>　　因?yàn)槌暡ㄊ抢媒邮瞻l(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，不可避免的存在發(fā)射與反射之間的夾角，所以可以根據(jù)圖2-1得出距離s的計(jì)算方法。設(shè)其大小為2α。當(dāng)α很小時(shí)，可直接按式S=Ct／2進(jìn)行計(jì)算得到距離修正。當(dāng)α較大時(shí)，則必須進(jìn)行距離修正，修正公式為S= Ct／2*cosα[5]。</p><p>　　圖2-1 測距原理圖</p><p>　　2.2超聲波測距儀的

32、總體設(shè)計(jì)方案</p><p>　　2.2.1 方案一：一種單片化可重構(gòu)的相位式激光測距儀</p><p>　　相位式測距就是利用一種遵循正弦規(guī)律連續(xù)變化的調(diào)制光波作為光源。測距儀從A點(diǎn)發(fā)射調(diào)制光波，到達(dá)B點(diǎn)反射器后又反射回到測距儀，經(jīng)歷了2S的路程，且有：S=1/2*C*φ/（2πf）。C為光速，S為所測的距離，φ表示相位移；f是波的振蕩頻率?？芍貥?gòu)測距系統(tǒng)的總體框圖如圖2-2所示。<

33、;/p><p>　　圖2-2 可重構(gòu)測距系統(tǒng)框圖</p><p>　　該系統(tǒng)主要由光電收發(fā)裝置、外圍模擬電路、單片化可重構(gòu)自動(dòng)數(shù)字測相電路、中央處理器、距離顯示器及各數(shù)據(jù)通道、接口等組成。</p><p>　　(1)光電收發(fā)裝置：主要是用來發(fā)射和接收一種遵循正弦規(guī)律連續(xù)變化的調(diào)制光波——測距信號，它主要由電源、激光源、激光接收裝置和光電轉(zhuǎn)換電路組成。</p>

34、;<p>　　(2)外圍模擬電路：完成光信號的調(diào)制、解調(diào)、放大和整形，主要由調(diào)制器和高頻振蕩器以及放大器等電路組成。</p><p>　　(3)距離顯示器：顯示可重構(gòu)自動(dòng)數(shù)字測相電路輸出的距離信息。</p><p>　　(4)中央處理器：完成整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，進(jìn)行處理任務(wù)的調(diào)度，并可根據(jù)需要控制單片化自動(dòng)數(shù)字測相電路的重構(gòu)。</p><p>　　(5

35、)單片化可重構(gòu)自動(dòng)數(shù)字測相電路：是本次設(shè)計(jì)的核心，本設(shè)計(jì)的整個(gè)體系結(jié)構(gòu)是可重構(gòu)的，各個(gè)模塊在多種測量模式下可以重用。在微觀上，該電路在測量過程中的參數(shù)可實(shí)時(shí)重構(gòu)，比如可以實(shí)時(shí)地改變測尺頻率，從而得到更高的測量精度和更快的測量速度[6]。</p><p>　　2.2.2 方案二: 基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測距儀</p><p>　　超聲波測距的原理是利用發(fā)射超聲波到接受超聲波所傳播的

36、時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。我們平時(shí)用的測距方法有兩種，一種是在要被測量距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式。另一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式。此次設(shè)計(jì)采用反射波的方式。超聲波測距系統(tǒng)的總體框圖如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　該系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于AT89C51的超聲波信號檢測的。單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40KH

37、z信號，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器T0，信號經(jīng)過放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；反射回來的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，對信號進(jìn)行放大、檢波處理。鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示[7]。</p><p>　　其發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈(有時(shí)裝在探頭內(nèi))，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決

38、定的，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶比較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、隔度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲波。電路頻率的選擇應(yīng)滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上來</p><p>　　說是越高越好，因?yàn)閷τ谕恢Оl(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲波功率就會越大[8]，這

39、樣在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對會簡單一些。但是，每一只實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，就會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。經(jīng)常通過改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低，適用于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探

40、測近表而缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用[9]。</p><p>　　發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物反射回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓很小，才幾十毫伏左右，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須要放大到一定的幅度[10]。接收部分就是由兩級放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)(AT89C51)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。</p&g

41、t;<p><b>　　2.2.3方案選擇</b></p><p>　　基于上述兩種方案的比較，方案一，測量參量看動(dòng)態(tài)重構(gòu)，具有很大的靈活性，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，穩(wěn)定性不高。方案二，基于51單片機(jī)的超聲波測距儀精度高，功耗低，模塊簡單，穩(wěn)定性高。所以本次設(shè)計(jì)選用方案二。3 硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波測距儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路

42、、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。采用AT89C51單片機(jī)和12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)采用P1.0端口控制發(fā)射和停止輸出超聲波換能器所需的40KHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。而顯示電路采用簡單實(shí)用的2位共陰LED數(shù)碼管，段碼用ZLG7289驅(qū)動(dòng)。 </p><p>　　3.1 AT89C51單片機(jī)</p><p&g

43、t;　　3.1.1 AT89C51的簡介</p><p>　　AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存

44、儲單元，功能強(qiáng)大，性價(jià)比高，是一種高效微控制器,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域[11]。其管腳圖如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 AT89C51單片機(jī)管腳圖</p><p>　　3.1.2 AT89C51的主要性能參數(shù)</p><p>　　·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 </p><p>　　·4K字節(jié)可重

45、檫寫Flash閃速存儲器</p><p>　　·壽命：1000寫/擦循環(huán)</p><p>　　·全靜態(tài)操作：0Hz--24MHz</p><p>　　·三級加密程序存儲器</p><p>　　·128x8字節(jié)內(nèi)部RAM</p><p>　　·32個(gè)可編程I/O口線<

46、;/p><p>　　·2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　·可編程串行通道</b></p><p>　　·低功耗空閑和掉電模式[12]</p><p><b>　　3.1.3復(fù)位電路</b></p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)的初始化操

47、作，其主要的作用是把PC初始化為000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以啟動(dòng)。51單片機(jī)的復(fù)位電路由片內(nèi)、片外兩部分組成。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)行等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，復(fù)位電路如圖3-2所示，只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一點(diǎn)時(shí)間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。</p>&

48、lt;p>　　圖3-2 復(fù)位電路</p><p>　　3.1.4時(shí)鐘振蕩電路</p><p>　　本系統(tǒng)選用單片機(jī)AT89C51，51芯片有一個(gè)高增益反相放大器，XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成了一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。連接如下圖3-3所示。</p><p>　　單片機(jī)

49、外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C6、C7接在反相放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。為便于CPU處理數(shù)據(jù)，讓計(jì)時(shí)器每計(jì)一次數(shù)就是1us，振蕩器采用了12MHz的石英晶體。對外接電容C6、C7雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，這里電容使用30pF±10pF[13]。</p><p>　　圖3-3 時(shí)鐘振蕩電路圖</p

50、><p><b>　　3.2超聲波傳感器</b></p><p>　　為了以超聲波作為檢測手段，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。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，常用的超聲波傳感器有兩種，壓電式超聲波傳感器和磁致式超聲波傳感器[14]。由于本次設(shè)計(jì)屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波傳

51、感器來實(shí)現(xiàn),它主要由超聲波發(fā)射器(或稱發(fā)射探頭)TCT40-10F1和超聲波接收器(或稱接收探頭)TCT40-10S1兩部分組成，它們都是利用壓電材料(如石英、壓電陶瓷等)的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。下圖3-4為壓電式超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3-4 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類[15]。壓電

52、晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，是超聲波檢測中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者用于超聲波的接收。由于超聲波在空氣中傳播是會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)該選擇頻率

53、高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)該選擇頻率低的傳感器。</p><p>　　3.3超聲波發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過多種方案比較，以達(dá)到最佳方案確定。</p><p>　　3.3.1設(shè)計(jì)方案一</p><p><b

54、>　　1、發(fā)射電路</b></p><p>　　利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波信號，使之與傳感器的40kHz固有頻率一致。12V電源保證555時(shí)基電路具有足夠的驅(qū)動(dòng)能力。P1.1為超聲波發(fā)射控制信號，由單片機(jī)控制。超聲波發(fā)射電路如圖3-5所示：</p><p>　　圖3-5 超聲波發(fā)射電路原理圖</p><p><b>　

55、　2、接收電路</b></p><p>　　圖3-6是超聲波接收電路，超聲波接收電路采用集成電路CX20106A。集成電路CX20106A可用來完成信號的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能，因?yàn)槠漭d波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波接收電路。適當(dāng)改變C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力[16]。</p><p>　　其

56、工作過程為：當(dāng)超聲波接收探頭接收到超聲波信號時(shí)，壓迫壓電晶片工作，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，集成電路CX20106A接到電信號后，對所接收的信號進(jìn)行檢測，若其頻率在38kHz-40kHZ左右，則輸出低電平，否則輸出高電平。</p><p>　　圖3-6 超聲波接收電路圖</p><p>　　3.3.2設(shè)計(jì)方案二</p><p><b>　　1、發(fā)射電路<

57、;/b></p><p>　　本系統(tǒng)用單片機(jī)P1.0發(fā)射出一組方波脈沖信號，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動(dòng)超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號，所以在此間加入一個(gè)單電源乙類互補(bǔ)對稱功率放大電路，如圖3-7所示。</p><p>　　功率放大電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率。概括起來說，功率放大電路就是要在保證晶體管安全運(yùn)用的情

58、況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。 </p><p>　　圖3-7 發(fā)射電路圖</p><p><b>　　2、接收電路</b></p><p>　　圖3-8 接收電路圖</p><p>　　超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號，此時(shí)的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了

59、LM741對接收到的信號進(jìn)行放大，接收電路如圖3-8所示。超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號，其頻率為傳感器的中心頻率，即40kHz。該信號通過C1高通濾波后經(jīng)LM741放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機(jī)中斷口。</p><p>　　3.3.3設(shè)計(jì)方案三</p><p><b>　　1、發(fā)射電路</b></p><p>　

60、　圖3-9 超聲波諧振頻率發(fā)射電路圖</p><p>　　NE555和電容電阻組成的電路產(chǎn)生40KHz的方波，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振；而后面的CD4049則對40KHz頻率信號進(jìn)行調(diào)理。采用555 多諧振蕩器可以實(shí)現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設(shè)計(jì)簡單占用面積小。</p><p><b>　　2、接收電路</b></p><p>　　超聲波

61、接收處理部分電路前級采用NE5532構(gòu)成10000倍放大器，對接收信號進(jìn)行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)整。如圖3-10所示。NE5532是高性能噪聲運(yùn)放，它具有很好的噪聲性能，優(yōu)良的輸出驅(qū)動(dòng)能力及相當(dāng)高的小信號與電源帶寬。</p><p>　　圖 3-10 超聲波回波接收處理電路</p><p>　　3.3.4方案的選擇</p><p>　　為獲

62、得較高的分辨力，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復(fù)性。此外，發(fā)射波形應(yīng)該盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應(yīng)近似為統(tǒng)一頻率的振動(dòng)波，以便于接受時(shí)可以采用濾波器進(jìn)行濾波消除干擾。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及其功率。接收放大器的作用是放大有用信號，并抑止其它噪聲與干擾，從而達(dá)到最大的信噪比，以利于檢測電路的正確檢測。</p><p>　　綜合比較以上三種方案，方案一中使用CX20106A主

63、要是簡單易用，電路簡單，減少了生產(chǎn)調(diào)試的麻煩，有很高的靈敏度和抗干擾能力，可以滿足接收電路的要求，但必須保證接收到的信號為40KHZ，否則無法解調(diào)出，不確定因素太大。第二種方案是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是無須驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。而且采用功率放大器會比較耗電。方案三相對來說電路比較復(fù)雜，但穩(wěn)定性好，可靠性強(qiáng)，適應(yīng)性好，測量比較精確。因此，本次超聲波發(fā)射與接收電路選擇

64、方案三。</p><p>　　3.4 總體硬件框圖</p><p>　　圖3-11 總體硬件框圖</p><p>　　如圖3-11所示，51單片機(jī)控制NE555工作，產(chǎn)生40KHz的脈沖方波，通過由CD4049組成的后級電路功率放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射超聲波。超聲波遇到障礙物后就會產(chǎn)生反射波，當(dāng)接收探頭接收到發(fā)射波后，經(jīng)過一級放大電路放大100倍，再經(jīng)過二級

65、放大電路放大100倍，達(dá)到放大10000倍的效果。再通過由LM311組成的檢測電路，輸出不同的電平來產(chǎn)生上升或下降沿觸發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)51單片機(jī)的外中斷引腳。</p><p><b>　　4 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p>　　4.1軟件的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是

66、針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，所以控制程序可采用C語言編寫。</p><p>　　4.2軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖4-2 系統(tǒng)模塊框圖</p><p>　　系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)引腳的電平分配和對各寄存器的初值賦值。</p><p>　　數(shù)碼管顯示模塊：通

67、過該模塊的設(shè)計(jì)能夠讓所測得的距離顯示在數(shù)碼管上。</p><p>　　發(fā)射接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射。超聲脈沖啟動(dòng)定時(shí)器工作，同時(shí)啟動(dòng)接收電路工作，當(dāng)接收電路有信號輸入時(shí)，對輸入信號進(jìn)行處理。</p><p>　　運(yùn)算結(jié)果處理模塊：運(yùn)算結(jié)果處理模塊將所測的時(shí)間進(jìn)行處理，根據(jù)公式計(jì)算出距離，然后送至數(shù)碼管顯示模塊[17]。</p><p>

68、　　4.3各個(gè)程序的流程圖</p><p>　　本節(jié)講述的是各個(gè)程序流程圖的設(shè)計(jì)，包括：主程序流程圖、超聲波發(fā)射子程序流程圖、超聲波接收中斷程序流程圖。</p><p><b>　　4.3.1主流程圖</b></p><p>　　圖4-3 主流程圖</p><p>　　如圖4-3所示，主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，然后按

69、下測距鍵，進(jìn)行一次測距操作，再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。測出距離后將結(jié)果送到數(shù)碼管上顯示,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。主程序代碼如下：</p><p>　　#include<reg51.h> /51系列單片機(jī)初始化頭文件</p><p>　　#define uchar unsigned char&

70、lt;/p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define ulong unsigned long </p><p>　　data uchar testok; /測距成功與否標(biāo)志</p><p>　　sbit LED1=P1^1;

71、 /定義P1.1口</p><p>　　sbit LED2=P1^2; /定義P1.2口</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　data uchar dispram[5];

72、 /定義顯示距離時(shí)用的數(shù)組</p><p>　　data uint i;</p><p>　　data ulong time; /用于存放計(jì)數(shù)器的數(shù)值</p><p>　　P0=0xFF; /系統(tǒng)初始化，P0與P2口初始值為1</p><p><b>　　

73、P2=0xFF;</b></p><p>　　TMOD=0x11; /方式為1，為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器</p><p>　　IE=0x80; /EA=1，CPU開中斷</p><p><b>　　while(1)</b></p

74、><p><b>　　{ </b></p><p>　　EX0=1; /允許外部中都0中斷</p><p>　　ET0=1; /允許T0中斷</p><p>　　while (! testok) DI

75、SPLAY(dispram); /顯示dispram初始值</p><p>　　if(1==testok) /若testok等于1，表示接收超聲波成功</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　time=TH0;</b></p><p&g

76、t;　　time=(time<<8)|TL0; /高低位賦值給time</p><p>　　time*=172; </p><p>　　time/=10000;</p><p>　　dispram[0]=(uchar) (time%10); /個(gè)位</p><p><b>

77、　　time/=10;</b></p><p>　　disparm[1]=(uchar) (time%10); /十位</p><p><b>　　time/=10;</b></p><p>　　dispram[2]=(uchar) (time%10); /百位</p>&l

78、t;p>　　dispram[3]=(uchar) (time/10); /千位</p><p>　　if(0==dispram[3]) dispram[3]=17; /顯示‘ ’</p><p><b>　　}else</b></p><p><b>　　{</b></p&

79、gt;<p>　　disparm[0]=16; /顯示‘-’</p><p>　　disparm[1]=16;</p><p>　　disparm[2]=16;</p><p>　　disparm[3]=16;</p><p><b>　　}</b>&l

80、t;/p><p>　　for(i=0;i<300;i++) DISPLAY(dispram); </p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.3.2超聲波發(fā)生子程序</p><p>　　圖4-4 超聲波測

81、距流程圖</p><p>　　超聲波發(fā)生子程序如圖4-4所示，超聲波發(fā)生子程序在P1.0產(chǎn)生40KHz方波脈沖寬度約12us，作為發(fā)生超聲波發(fā)射器的輸出信號。同時(shí)打開計(jì)數(shù)器T0計(jì)時(shí)。</p><p>　　4.3.3超聲波接收中斷子程序圖</p><p>　　圖4-5 中斷程序流程圖</p><p>　　如圖4-5所示，超聲波測距儀主程序利用

82、外中斷檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(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)還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。</p><p>　　/*超聲接受程序（外中斷0）*/</p><p>　　void cs_r(voi

83、d) interrupt 0</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TR0=0; /停止計(jì)時(shí)器T0工作</p><p>　　ET0=0; /禁止T0中斷</p><p&

84、gt;　　EX0=0; /禁止外部中斷0中斷</p><p>　　testok=1; /測距成功</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*超時(shí)接受程序（內(nèi)中斷0）*/</p>

85、<p>　　void overtime(void) interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　EX0=0;</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　ET0=0;

86、</b></p><p>　　testok=2; /測距不成功, 接收超時(shí)</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　5 誤差分析</b></p><p>　　超聲波測距在實(shí)際應(yīng)用中也有很多局限性，這

87、些都影響了超聲波測距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大,由于測量距離的不同，造成回波信號的起伏，使回波到達(dá)時(shí)間的測量產(chǎn)生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過程中被極大地展寬，影響了測距的分辨率。還有其他一些因素，諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會對測量造成一定的影響，這些因素都限制了超聲波測距在一些對測量精度要求較高的場合的應(yīng)用，如何解決這些問題,提高超聲波測距的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p><b&g

88、t;　　5.1溫度誤差</b></p><p>　　由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，不同溫度下超聲波在空氣中傳播的速度隨溫度變化的關(guān)系：</p><p>　　式中： =331.4m/s，T為絕對溫度。</p><p>　　在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。如圖5-1：&

89、lt;/p><p>　　表5-1 聲速c與溫度的關(guān)系</p><p>　　為了進(jìn)一步搞清楚溫度對于測距結(jié)果的影響程度，可以用一組數(shù)據(jù)加以說明。以10.00m作為基準(zhǔn)，根據(jù)公式t=S/C，以及溫度對波速的影響計(jì)算在不同溫度下的傳播時(shí)間表。根據(jù)聲波的傳輸速率表可知，溫度在-30°C～30°C傳輸時(shí)間相差為3.2ms，若選擇中間溫度的速度，傳輸時(shí)間最大相差只有2.1ms。也就是

90、說工作在-30°C～30°C環(huán)境下，每相差10°C，傳輸時(shí)間大概有0.5ms的差異。設(shè)計(jì)的測距器在程序編寫時(shí)如果聲速統(tǒng)一采用323m/s的話，工作在-30°C～30°C環(huán)境下，速度最大誤差不超過21m/s，測量10m距離時(shí)，結(jié)果的最大誤差為S=21m/s*31.9ms =0.6699m，這個(gè)結(jié)果誤差已經(jīng)很大了。</p><p>　　由此得到結(jié)論，在工業(yè)場合下，溫度

91、的影響不容忽視，要能夠正確測量，需要在裝置中增加溫度檢測模塊，根據(jù)檢測到的溫度，靈活選用聲波速度。</p><p>　　本次設(shè)計(jì)的超聲波測距器應(yīng)用場合在常溫下測距，因此聲速的差別可以暫不考慮，統(tǒng)一采用340m/s。可是對于工控場合的應(yīng)用，則需要對此測距器增加溫度檢測元件，以免造成難以接受的偏差。</p><p><b>　　5.2串?dāng)_問題</b></p>

92、<p>　　在設(shè)計(jì)中，由于超聲波發(fā)射極和接收極的距離靠的比較近，這樣，當(dāng)發(fā)射極發(fā)射超聲波后，會有部分超聲波不經(jīng)過障礙物反射就直接繞射到接收極上，這部分信號對系統(tǒng)是沒有用的，容易引起誤差。在設(shè)計(jì)中可以采用延時(shí)技術(shù)來解決這個(gè)問題，并假設(shè)延時(shí)時(shí)間為1ms，就是在發(fā)射極發(fā)射超聲波1ms內(nèi)，通過軟件關(guān)閉所有中斷，接收電路對這1ms內(nèi)所接收到的任何信號都無效，1ms后立即啟動(dòng)T0，這時(shí)接收到的信號才有效，并在接收到回波信號的同時(shí)停止計(jì)數(shù)

93、器T0。此時(shí)T0所記錄的發(fā)射探頭發(fā)射超聲波到接收探頭接收超聲波之間所傳播的時(shí)間才是需要的。當(dāng)然,這樣設(shè)計(jì)的結(jié)果是系統(tǒng)不可避免的產(chǎn)生了測量盲區(qū)。</p><p><b>　　6 總結(jié)</b></p><p>　　我的課題是基于51單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)。雖然題目可能看起來簡單，但是實(shí)際做起來還是很有難度。本次設(shè)計(jì)持續(xù)了約三個(gè)月時(shí)間。這是一個(gè)較長時(shí)間的學(xué)習(xí)過程，投入到具

94、體方案實(shí)施的時(shí)間將近兩個(gè)月。而在方案設(shè)計(jì)選擇階段，花了大量的時(shí)間去論證方案的可行性，作了很多調(diào)整，從中了解到了很多元件的特點(diǎn)，以及使用不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我了解了超聲波測距的原理、超聲波換能器的性能以及超聲波測距系統(tǒng)的應(yīng)用。</p><p>　　關(guān)于本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的不足和所掌握知識的限制，我的設(shè)計(jì)已能實(shí)現(xiàn)超聲波測距的基本功能，并在數(shù)碼管上顯示實(shí)時(shí)的距離。但在某些提高測量距離的精度方面

95、、某些功能設(shè)計(jì)構(gòu)想還沒有完整的表達(dá)出來。當(dāng)然，要滿足更高的精度要求，還須進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，例如可增加溫度補(bǔ)償單元；在某些特殊場合的應(yīng)用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。</p><p>　　希望在以后的工作學(xué)習(xí)中，踏實(shí)努力，積累更多的經(jīng)驗(yàn)，掌握更多的知識。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

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