基于單片機(jī)的超聲波測距技術(shù)設(shè)計--畢業(yè)論文

1、<p>　題 目基于單片機(jī)的超聲波測距設(shè)計</p><p>　TITLEultrasonic distance testing  based on  single-chip microcomputer</p><p><b>　　摘    要</b></p>&l

2、t;p>　　超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小?lt;/p><p>　　系統(tǒng)的設(shè)計主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括單片機(jī)

3、電路、發(fā)射電路、接收電路、顯示電路和電源電路，另外還有復(fù)位電路和LED控制電路等。我采用以AT89C52單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個電路采用模塊化設(shè)計，由信號發(fā)射和接收、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機(jī)的計時器開始計時，超聲波被發(fā)射后按原路返回,在經(jīng)過放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機(jī)接收,計數(shù)器停止工作并得到時間。軟件程序主要由主程序、發(fā)射、接收、顯示子程序等模

4、塊組成。它控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LED上。另外程序控制單片機(jī)消除各探頭對發(fā)射和接收超聲波的影響。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。</p><p>　　關(guān)鍵詞： 單片機(jī)，超聲波，測距.</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In more than 20 KHZ ultr

5、asonic refers to the frequency of sound waves, it belongs to the category of mechanical wave. Ultrasonic also follows the propagation rules of general mechanical wave in elastic medium, as in the interface of medium of r

6、eflection and refraction occur, after entering the medium to be absorbed by the medium and attenuation, etc. Because of these properties, ultrasound can be used for distance measurement. With the constant improvement of

7、the level of science and technology,</p><p>　　The design of the system mainly includes two parts, namely, hardware circuit and software program. Hardware circuit mainly including microcontroller circuit, tra

8、nsmitting circuit, receiving circuit, display circuit and power supply circuit, and reset circuit and LED control circuit, etc. I use with AT89C52 single-chip computer as the core of low cost, high precision, miniaturiza

9、tion, digital display, the hardware of the ultrasonic range finder. The whole circuit USES modular design, the signal t</p><p>　　Key words: Single chip microcomputer, Ultrasonic, Ranging. </p><p&g

10、t;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b></p><p>　　1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述1</p><p>　　1.2超聲波測距系統(tǒng)概述2</p><p>　　1.3本設(shè)計任務(wù)的主要內(nèi)容3</p><p>　　2 超聲波測距的原理4

11、</p><p>　　2.1 超聲波的基本理論4</p><p>　　2.1.1超聲波的傳播速度4</p><p>　　2.1.3 超聲波傳感器7</p><p>　　3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計10</p><p>　　3.1硬件系統(tǒng)簡介10</p><p>　　3.2單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路1

12、0</p><p>　　3.2.2 復(fù)位電路11</p><p>　　3.2.3 時鐘電路12</p><p>　　3.2.4 按鍵電路13</p><p>　　3.3超聲波發(fā)送電路14</p><p>　　3.4超聲波接收電路15</p><p>　　3.5 LED數(shù)碼管顯示電路1

13、7</p><p>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計19</p><p>　　4.1 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)19</p><p>　　4.2 系統(tǒng)主程序19</p><p>　　4.3 超聲波的接收和處理21</p><p>　　4.4 距離計算程序22</p><p><b>　　5 樣機(jī)制作

14、25</b></p><p>　　5.1 樣機(jī)圖25</p><p>　　5.2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的使用25</p><p><b>　　6實(shí)驗(yàn)分析27</b></p><p>　　6.1 實(shí)驗(yàn)測試27</p><p>　　6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)28</p><p

15、>　　6.3 誤差分析28</p><p><b>　　6.4 改進(jìn)29</b></p><p><b>　　7 結(jié)束語30</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b><

16、/p><p><b>　　附錄34</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)原理圖34</p><p>　　附錄B C語言源程序35</p><p>　　基于單片機(jī)的超聲波測距設(shè)計</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　

17、　1.1單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述</p><p>　　單片機(jī)是單獨(dú)一個單芯片，面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域[1]。從此，單片機(jī)在兩個重要領(lǐng)域——通用計算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的生活。</p><p>　　嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展前景的IT應(yīng)用之一。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用

18、可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于對實(shí)時響應(yīng)要求較高的設(shè)備中，單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對硬件資源做任何改動，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級[2]?，F(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟(jì)、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€領(lǐng)域，主要可以歸納為以下幾個方面。</p><p>　

19、?。?）軍事裝備：各種武器控制（火炮控制、彈道控制、炮彈引信等），坦克、艦船、轟炸等各種電子裝備，雷達(dá)、電子對抗、軍事通訊裝備等。</p><p>　?。?）家用電器：各種家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、VCD、DVD、可視電話、洗衣機(jī)、電冰箱、手機(jī)、智能玩具等。</p><p>　　（3）工業(yè)控制：各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化設(shè)

20、備、汽車電子設(shè)備等。</p><p>　?。?）商用設(shè)備：各種收款機(jī)、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀器、商務(wù)終端、IC卡輸入設(shè)備、自動柜員機(jī)、防盜系統(tǒng)等。</p><p>　?。?）辦公用品：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、手機(jī)、個人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控變換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。</p><p>　?。?）醫(yī)療電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，如X光

21、機(jī)、超聲診斷儀、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀器等，以及輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。</p><p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計包括單片機(jī)基本擴(kuò)展、外圍電路設(shè)計和程序設(shè)計、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等內(nèi)容[3]。通常開發(fā)一個單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如圖1.1：</p><p><b>　　圖1.1設(shè)計步驟</b></p><p>　　1.2

22、超聲波測距系統(tǒng)概述</p><p>　　在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。</p>

23、<p>　　超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。</p><p>　　1.3本設(shè)計任務(wù)的主要內(nèi)容</p><p>　

24、　（1）超聲波測距儀設(shè)計要求如下：</p><p>　　1） 測量距離<4.5m；</p><p>　　2） 精度優(yōu)于1%；</p><p>　　3） 顯示方式使用LED數(shù)碼管；</p><p>　　4） 具有抗干擾能量；</p><p>　　5） 體積小、功耗低、便于嵌入到其他系統(tǒng)。</p>&l

25、t;p>　?。?）硬件電路的設(shè)計</p><p>　　1) 各部分電路介紹;</p><p>　?。?）系統(tǒng)軟件的編寫</p><p>　　1) 軟件的編寫和編譯檢查；</p><p><b>　?。?）樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試</b></p><p><b>　　1) 實(shí)驗(yàn)檢查；<

26、;/b></p><p><b>　　2) 測試數(shù)據(jù)。</b></p><p><b>　?。?）誤差分析</b></p><p>　　1）誤差的分析； </p><p><b>　　2）改進(jìn)。</b></p><p>　　2 超聲波測距的

27、原理</p><p>　　2.1 超聲波的基本理論</p><p>　　超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍[4]。</p><p>　　超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收

28、的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。</p><p>　　超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在，其中通常的頻率大約在之間[4]。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；

29、反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：</p><p>　　2.1.1超聲波的傳播速度</p><p>　　超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波——質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波；縱波——質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波；表面波——質(zhì)點(diǎn)振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，

30、縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。</p><p>　　超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。</p><p>　　超聲波在氣體和液體中，其傳播速度</p><p><b>　　(2-1)</b></

31、p><p>　　式中 ——介質(zhì)的密度；</p><p><b>　　——絕對壓縮系數(shù)。</b></p><p>　　可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度。（T為環(huán)境溫度）2.1.2 超聲波的物理性質(zhì)</p><p>　　當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的

32、兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖2.1所示：</p><p><b>　　圖2.1聲波反射</b></p><p>　　(1) 超聲波的反射和折射 </p><p>　　當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反

33、射和折射，如圖2.1所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩式求得：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　　（2-3）</b></p><p>　　式中：——分別為聲波的入射角和反射角；</p><p>　　分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中為反射波和折射波的速

34、度。反射角、折射角與聲速滿足折射定律關(guān)系式：。當(dāng)超聲波垂直入射界面時，即，則：</p><p>　　如果，入射波完全被反射，在相鄰兩個介質(zhì)中沒有折射波。</p><p>　　如果超聲波斜入射到兩個固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。</p><p><b>　　(2-4)</b&g

35、t;</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p><b>　　(2)超聲波的衰減</b></p><p>　　超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。</p><p>　　在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下：</p><

36、;p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　式中：——距離聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng)；</p><p>　　——超聲波與聲波間的距離；</p><p>　　A——衰減系數(shù)，單位為（奈培/厘米）。</p><p>

37、;　　2.1.3 超聲波傳感器</p><p>　　超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。</p><p>　　壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正[5]。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時，

38、它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時便會發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。</p><p>　　超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖2.2，圖2.3：</p><p>　　圖2.2 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖2.3 超聲波外部結(jié)構(gòu)</p>

39、;<p>　　2.2 超聲波測距系統(tǒng)原理</p><p>　　在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 。本測量

40、電路采用第二種方案。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。</p><p>　　超聲波測距的算法設(shè)計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時）。X2是聲波返回的時刻，X1是聲波發(fā)聲的時刻，X2-X1得出的是一個時間差的絕對值，假定，則有。由于在這10.2m的時間里

41、，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如圖2.4： </p><p><b>　?。?-6）</b></p><p><b>　　圖2.4測距原理</b></p><p>　　超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖2.5所示：</p><p><b>　　圖2.5系統(tǒng)框圖</b></p&

42、gt;<p>　　3 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計</p><p><b>　　3.1硬件系統(tǒng)簡介</b></p><p>　　硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89C52或其兼容系列。采用11.0592MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用P1.0端口輸出發(fā)射信號，利用P1

43、.1口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管。</p><p>　　主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。采用AT89S52來實(shí)現(xiàn)對超聲波模組進(jìn)行控制，然后單片機(jī)不停的檢測P1.1引腳，當(dāng)P1.1引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離[6]。<

44、/p><p>　　3.2單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路</p><p>　　本次我們采用了Atmel 公司的AT89S52,該單片機(jī)主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　(1)AT89S52系列單片機(jī)以8051為內(nèi)核，兼容MCS-51系列單片機(jī)。</p><p>　　(2)AT89S52系列單片機(jī)內(nèi)、內(nèi)部含有Flash存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫。</

45、p><p>　　(3)AT89S52采用靜態(tài)時鐘方式，可以節(jié)省電能。</p><p>　　(4)AT89S52支持ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從電路板取下來就可以擦寫程序。</p><p>　　(5)AT89S52晶振頻率高達(dá)24M，運(yùn)行速度更快。</p><p>　　(6)AT89S52價格也比較便宜 6元/片</p>&l

46、t;p>　　3.2.1單片機(jī)電路</p><p>　　圖3.1單片機(jī)主電路</p><p>　　引腳功能：P2.4按鍵引腳，P1.0為發(fā)射信號引腳，P1.1為接收信號引腳。</p><p>　　3.2.2 復(fù)位電路</p><p>　　在系統(tǒng)上電的瞬間，RST與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST電位下降，于是在RST形成一個

47、正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位，即。一般取，[7]。</p><p>　　當(dāng)人按下按鈕S1時，使電容C1通過R1迅速放電，待S1彈起后，C再次充電，實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位,其中R1一般取。</p><p>　　單片機(jī)在RESET端加一個大于20ms正脈沖即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：</p><p><b>　　圖3.2復(fù)位電路</b

48、></p><p>　　3.2.3 時鐘電路</p><p>　　當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時鐘電路時，單片機(jī)的XATL1和XATL2用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇3M~24M，電容選擇30pF左右。我們選擇晶振為12MHz,電容33pF。</p><p><b>　　圖3.3時鐘電路</b></p><

49、p>　　3.2.4 按鍵電路</p><p>　　我們通過P2.4來啟動測量，程序中通過查詢P2.4的電平來檢測是否按鍵被按下，電路原理如下：</p><p>　　當(dāng)按下按鍵時P2.4為低電平，單片機(jī)通過P2.4查詢到低電平開始測量距離，當(dāng)松開按鍵，P2.4即為高電平。</p><p><b>　　圖3.4按鍵電路</b></p&g

50、t;<p>　　3.3超聲波發(fā)送電路</p><p>　　超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭（“也稱為超聲波換能器”）的型號選用CSB40T（其中心頻率為40KHz）。可以采用軟件產(chǎn)生40KHz的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)過動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設(shè)計一個驅(qū)動電流為100mA以上的驅(qū)動電路。第二種

51、方法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)動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，非門可以選用74LS04，具體電路如圖：</p><p>　　圖3.5超聲波發(fā)送電路</p><p>　　從圖中可知，當(dāng)輸入的信號為高電平時，上面經(jīng)過兩級反向CSB40T的1引腳為高電平，下面經(jīng)過一級反向后為低電平；當(dāng)輸入

52、信號為低電平時，正好相反，實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號驅(qū)動CSB40T，只要控制信號接近40KHz，就能產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　3.4超聲波接收電路</p><p>　　超聲波接收包括接收探頭，信號放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號，否則可能導(dǎo)致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信號非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必

53、須經(jīng)過波形變換。本次設(shè)計為了降低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機(jī)上面的一種紅外接收檢波芯片CX20106，由于紅外遙控的中心頻率在38KHz，和超聲波的40KHz很接近，所以可以用來做接收電路。CX20106是日本索尼公司的產(chǎn)品，采用單列8引腳的直插式封裝，內(nèi)部包含自動偏置控制電路、前置放大電路、帶通濾波、峰值檢波、積分比較器、斯密特整形輸出電路，配合少量外接元件就可以對38KHz左右的信號的接收與處

54、理，該芯片內(nèi)部如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 CX20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　CX20106構(gòu)成本次設(shè)計接收電路如圖3.7：</p><p>　　圖3.7超聲波接收電路</p><p>　　使用CX20106A集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋。1腳

55、：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R4或減小C4,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C4的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R4=4.7Ω，C4=1μF。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波

56、，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μf。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。6腳： 該腳與地之間接一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該<

57、;/p><p>　　3.5 LED數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　LED 是Light Emiting Diode（發(fā)光二極管）的縮寫，發(fā)光二極管是能將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的電致發(fā)光器件。由條形發(fā)光二極管組成“8”字形的LED顯示器，也稱數(shù)碼管。</p><p>　　通過數(shù)碼管中發(fā)光二極管的亮暗組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其他符號。數(shù)碼管由7段數(shù)碼管和8段數(shù)碼管之

58、分，本次設(shè)計使用8段數(shù)碼管。</p><p>　　8段數(shù)碼管中發(fā)光二極管排列形狀如圖3.8：</p><p><b>　　圖3.8符號和引腳</b></p><p><b>　　數(shù)碼管特點(diǎn)：</b></p><p>　　(1)發(fā)光響應(yīng)快，亮度強(qiáng)，高頻特性好；而且隨著材料不同，數(shù)碼管還能發(fā)出紅、黃、綠

59、、藍(lán)、橙等多種顏色的光。</p><p>　　(2)機(jī)械性能好，體積小，重量輕，價格低廉；能與CMOS和TTL電路配合使用；使用壽命長，可達(dá)。</p><p>　　(3)工作電壓低，驅(qū)動電流適中。每段工作電流為。</p><p><b>　　數(shù)碼管接法：</b></p><p>　　本次設(shè)計采用共陽極接法。把發(fā)光二極管的

60、陽極連在一起作為陽極公共引腳。使用時使用陽極公共引腳+5V。遮掩音節(jié)引腳上加低電平的發(fā)光二極管即可導(dǎo)通點(diǎn)亮，而加高電平的則不點(diǎn)亮。</p><p><b>　　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu)</p><p>　　(1)分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序等；</p><p>　　(2

61、)本次設(shè)計使用C語言編寫程序，C語言相比匯編有許多的優(yōu)勢；編譯器使用Keil Version2進(jìn)行程序編譯，Keil功能強(qiáng)大使用方便。</p><p>　?。?）主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及各個子程序的調(diào)度管理等部分。如圖4.1所示描述了各個模塊的關(guān)系：</p><p>　　圖4.1系統(tǒng)軟件方框圖</p><p><b>　　4.2 系統(tǒng)主程序&l

62、t;/b></p><p>　　本設(shè)計主程序的思想如下：</p><p>　　(1)距離為四位顯示單位為cm；</p><p>　　(3)按鍵S1為測量啟動鍵；</p><p>　　(4)系統(tǒng)采用AT89S52的外部時鐘：12MHz；</p><p>　　(5)沒有使用看門狗功能；</p><

63、p>　　(6)超聲波發(fā)送一定時間后才開始啟動檢測，避免直達(dá)信號造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為1cm；</p><p><b>　　系統(tǒng)主程序如下：</b></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p><

64、b>　　Echo=0;</b></p><p><b>　　Trig=0;</b></p><p><b>　　key1=1;</b></p><p>　　TMOD=0x11; //設(shè)T0為方式1，GATE=1；</p><p><b>　　TH0=0;</

65、b></p><p>　　TL0=0; </p><p>　　ET0=1; //允許T0中斷</p><p>　　EA=1; //開啟總中斷</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{&

66、lt;/b></p><p><b>　　test2=1;</b></p><p><b>　　test=1;</b></p><p>　　Display();</p><p>　　if(key1)continue;</p><p><b>　　Trig=1

67、;</b></p><p>　　delay_20us();</p><p><b>　　Trig=0;</b></p><p><b>　　test=0;</b></p><p>　　while(!Echo);</p><p><b>　　TR0=1;&

68、lt;/b></p><p>　　while(Echo);</p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　test2=0;</b></p><p><b>　　Conut();</b></p><p><b&

69、gt;　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.3 超聲波的接收和處理</p><p>　　超聲波由超聲波接收頭接收，經(jīng)過CX20106檢波放大變換后送到單片機(jī)的P1.1腳，程序中通過指令：</p><p>　　Wile(0==Echo)；</p><

70、p>　　來查詢，接收到超聲波信號后往下面執(zhí)行，進(jìn)行計算處理。本設(shè)計中需注意當(dāng)距離過遠(yuǎn)或者沒有返回信號時候，定時器T0的溢出必須處理。</p><p>　　4.4 距離計算程序</p><p>　　距離計算。程序如下：</p><p>　　void Conut()</p><p><b>　　{</b></p&

71、gt;<p>　　time=TH0*256+TL0;</p><p><b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　S=(time*1.7)/100; //算出來是CM</p><p>　　if((S>=450)|

72、|flag==1) //超出測量范圍顯示“-”</p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　flag=0;</b></p><p>　　ge=10; //“-”</p><p>　　shi=10; //“-”</p><p>　　bai

73、=10; //“-”</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　bai=S%1000/100;</p><p>　　shi=S%1000%100

74、/10;</p><p>　　ge=S%1000%10 %10;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　4.5 LED數(shù)碼管顯示程序</p><p>　　void Display()</p><

75、p><b>　　{</b></p><p><b>　　P0=0xc0;</b></p><p><b>　　P2_0 = 0;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_0 = 1;

76、</b></p><p>　　P0=table[bai];</p><p><b>　　P2_1 = 0;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_1 = 1;</b></p><p>

77、;　　P0=table[shi];</p><p><b>　　P2_2 = 0;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_2 = 1;</b></p><p>　　P0=table[ge];</p>&l

78、t;p><b>　　P2_3 = 0;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_3 = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　5 樣機(jī)制作

79、</b></p><p><b>　　5.1 樣機(jī)圖 </b></p><p>　　經(jīng)過兩周的制作，我們的樣機(jī)終于做成。如下圖：</p><p><b>　　圖5.1樣機(jī)照片</b></p><p>　　5.2 單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板的使用</p><p>　　考慮到我們

80、手里的一款單片機(jī)試驗(yàn)板，為了充分利用硬件資源，降低成本，同時也方便我們的使用。該實(shí)驗(yàn)板為一款功能很全面的實(shí)驗(yàn)板。</p><p><b>　　圖5.2實(shí)驗(yàn)板</b></p><p>　　本次設(shè)計樣機(jī)試驗(yàn)時使用該實(shí)驗(yàn)板上的資源有：At89S52、ISP、蜂鳴器、按鍵、數(shù)碼管等。該實(shí)驗(yàn)板單片機(jī)采用插座放置，方便取下。而且?guī)в蠭SP下載功能。下載用USB轉(zhuǎn)并口下載線。下載軟

81、件如下圖：</p><p><b>　　圖5.3下載軟件</b></p><p><b>　　6實(shí)驗(yàn)分析</b></p><p><b>　　6.1 實(shí)驗(yàn)測試</b></p><p>　　所有的工作都完成后，就可以燒錄程序然后通電試驗(yàn)，我們的部分實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如下：</p>

82、;<p><b>　　圖6.1通電試驗(yàn)</b></p><p><b>　　圖6.2顯示結(jié)果</b></p><p><b>　　6.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)</b></p><p>　　經(jīng)過測試獲得的數(shù)據(jù)如表6.1下：</p><p><b>　　表6.1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

83、</b></p><p><b>　　6.3 誤差分析</b></p><p>　　從以上看出，整機(jī)誤差率不超過0.03%，但是從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來看，在測量距離小于300時誤差很小，而當(dāng)300以上時，誤差已經(jīng)比較大，雖然誤差率不大，但是在精確測量下是不能容忍的，從設(shè)計的方案來看，這個誤差的造成是有多方面原因的。首先，超聲波發(fā)射和接收頭安裝之間有一個夾角，<

84、/p><p><b>　　如圖所示：</b></p><p><b>　　圖6.3測量夾角</b></p><p>　　這樣測量的值就是一個斜邊的距離。所以程序中應(yīng)該進(jìn)行修正。 </p><p><b>　　6.4 改進(jìn)</b></p><p>　　在本設(shè)計

85、中，為了使精度更加高，可以通過對多次測量的數(shù)據(jù)對比然后進(jìn)行一個修正，同時在安裝系統(tǒng)的時候，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的距離應(yīng)該為4~8CM左右，如果是測量距離遠(yuǎn)，則應(yīng)選擇較大的距離，軟件設(shè)計中必須進(jìn)行夾角補(bǔ)償。另外做成品板子時，不要使用大量的延時器件，這些器件讓時間更加不容易控制。同時給芯片一些濾波電容或者將CX20106屏蔽起來提高系統(tǒng)的抗干擾能力。同時指出的是，經(jīng)過我們的多次的樣機(jī)制作發(fā)現(xiàn)，超聲波的發(fā)射和接收頭比較脆弱，不要隨意的撥動

86、它們。而且超聲波元件的價格比較昂貴，所以制作時候需要特別小心。</p><p>　　另外在我們試驗(yàn)的時候發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲波接收頭長時間沒有收到信號，然后我們在探頭之間放置一個物體，但是系統(tǒng)會“假死”，等待10秒左右才重新測量，看來是T0定時器溢出必須要處理。所以在編寫程序的時候一定要考慮到各種可能的情況。</p><p><b>　　7 結(jié)束語</b></p>

87、<p>　　在大學(xué)的學(xué)習(xí)過程中，畢業(yè)設(shè)計是一個重要的環(huán)節(jié)，是我們步入社會參與實(shí)際項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)的一次極好的演示.畢業(yè)設(shè)計是四年學(xué)習(xí)的總結(jié)和提高，和做科研開發(fā)工作一樣，要有嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度。畢業(yè)設(shè)計有一定的學(xué)術(shù)價值和實(shí)用價值，能反映出作者所具有的專業(yè)基礎(chǔ)知識和分析解決問題的能力。此次畢業(yè)設(shè)計是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向未來工作重要的一步。從最初的選題，開題直到完成設(shè)計。其間，查找資料，老師指導(dǎo)，與同學(xué)交流，每一個過程都是對自己能

88、力的一次檢驗(yàn)和充實(shí)。在畢業(yè)設(shè)計期間，盡可能多的閱讀文獻(xiàn)資料是很重要的，一方面是為畢業(yè)設(shè)計做技術(shù)準(zhǔn)備，另一方面是學(xué)習(xí)做畢業(yè)設(shè)計的方法。一次優(yōu)秀的設(shè)計對啟發(fā)我們的思維，掌握設(shè)計的規(guī)范、流程、具體操作都很有幫助。</p><p>　　但是畢業(yè)設(shè)計也暴露出自己專業(yè)基礎(chǔ)的很多不足之處。比如缺乏綜合應(yīng)用專業(yè)知識的能力，對材料的不了解，對具體設(shè)計涉及到的規(guī)范要求的不熟悉等等，需要在做的過程中需要去不斷的翻閱相關(guān)的資料和書籍，這

89、降低了自己的速度和設(shè)計的進(jìn)程，但這個過程對我來說是對自己知識的不足處的一個很好的補(bǔ)充和對已學(xué)過知識的一個鞏固。這個過程雖然是有一定的難度但還是通過自己的慢慢的摸索和老師的指導(dǎo)下從熟悉到上手，經(jīng)過這次努力對自己的信心很好的提高。通過這樣的一個自己從開始到結(jié)束全程自己參與的設(shè)計來說對知識的了解和掌握是純理論的學(xué)習(xí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到的效果。這次實(shí)踐是對自己大學(xué)四年所學(xué)的一次大檢閱，使我明白自己知識還很淺薄，雖然馬上要畢業(yè)了，但是自己的求學(xué)之路還很長，

90、以后更應(yīng)該在工作中學(xué)習(xí)，努力使自己 成為一個可以參與工作能獨(dú)立完成設(shè)計的人。</p><p>　　通過這次畢業(yè)設(shè)計我收獲良多，獲得了許多珍貴的知識，學(xué)到了在許多書本上不可能收錄的東西。例如一些設(shè)計的具體的規(guī)范，和一些設(shè)計的要求。如何把規(guī)范里的明文規(guī)定運(yùn)用到實(shí)際上去，以及運(yùn)用過程中的把握上。也學(xué)到了如何獨(dú)立思考，如何自己查閱資料，如何與人相處融洽等實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。</p><p><b>

91、;　　致 謝</b></p><p>　　本次設(shè)計得以順利完成，首先要感謝我們的指導(dǎo)老師：**老師的指導(dǎo)和大力支持。**老師淵博的專業(yè)知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、精益求精的工作作風(fēng)、平易近人的人格魅力對我影響深遠(yuǎn)；**老師指導(dǎo)了我的設(shè)計的結(jié)構(gòu)、思路、同時提供了一些專業(yè)知識的幫助。同時也感謝四年來授我們以漁的老師們，是你們的教導(dǎo)使得我們獲得了知識。表示衷心的感謝?。?lt;/p><p>

92、<b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]李勛等.單片機(jī)使用教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2000.20~30</p><p>　　[2]李廣弟等.單片機(jī)基礎(chǔ)[M].第三版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007.25~27</p><p>　　[3]何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，

93、1997.23~28</p><p>　　[4]王純正.超聲學(xué)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社，1993.15~20</p><p>　　[5]何希才編著.傳感器及其應(yīng)用電路[M].北京:電子工業(yè)出版社，2001.21~29</p><p>　　[6]杜華兵.MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用[M].武漢:武漢華中科技大學(xué)出版社，2002.23~27</p>&l

94、t;p>　　[7]康華光主編.電子技術(shù)基礎(chǔ) 模擬部分[M].第四版.北京: 高等教育出版社，1999.35~45</p><p>　　[8]蘇偉,鞏壁建.超聲波測距誤差分析[J].傳感器技術(shù).2004.12(4):25~45</p><p>　　[9]林二妹.基于AT89S51單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報.2013,28(3):10～35&l

95、t;/p><p>　　[10]BLITZ.J.Fundaenals of ultrasonics[M] .2nd end butterworths,London,1967．</p><p>　　[11]Tom R,Watt.Cooling our tomorrows economically,ASHRAE

96、 Journal．</p><p><b>　　附錄</b></p><p>　　附錄A 系統(tǒng)原理圖</p><p>　　附圖1發(fā)射接收原理圖</p><p>　　附圖2單片機(jī)控制及顯示部分電路圖</p><p>　　附錄B C語言源程序</p><p>　　

97、//******************************************************</p><p><b>　　//p0口接數(shù)碼管</b></p><p>　　//p20到P23為數(shù)碼管的選通線從低位到高位</p><p>　　//P10接tring（控制端）給其10us以上的脈沖信號將工作</p>

98、<p>　　//P32觀察返回時間</p><p>　　//************************************************</p><p>　　#include<reg51.h></p><p>　　#define uchar unsigned char //定義一下方便使用</p><p&

99、gt;　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define ulong unsigned long</p><p>　　sbit P2_0=P2^0;</p><p>　　sbit P2_1=P2^1;</p><p>　　sbit P2_2=P2^2;</p><p>　　sb

100、it P2_3=P2^3;</p><p>　　sbit key1=P2^4;//定義按鍵位置 獨(dú)立按鍵模式 </p><p>　　uchar code table[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,</p><p>　　0xf8,0x80,0x90,0xBF,0xff/*-*/};//從0-9按共陽極順序排列</p&

101、gt;<p>　　sbit Trig = P1^0; //產(chǎn)生脈沖引腳</p><p>　　sbit Echo = P1^1; //回波引腳</p><p>　　sbit test = P1^2; //測試用引腳</p><p>　　sbit test2 = P1^3;</p><p><b>　　bit fla

102、g;</b></p><p>　　ulong time,S;</p><p>　　uint ge,shi,bai;</p><p>　　void delay_20us()//延時20us</p><p>　　{ uchar bt ;</p><p>　　for(bt=0;bt<100;bt++);&

103、lt;/p><p><b>　　}</b></p><p>　　void delay(uchar i)//延時程序</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar j,k; </p><p>　　for(j=i;j>0;j--)</p>

104、<p>　　for(k=125;k>0;k--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Display()</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　P0=0xc0;</b></p>&

105、lt;p><b>　　P2_0 = 0;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_0 = 1;</b></p><p>　　P0=table[bai];</p><p><b>　　P2_1 = 0;&l

106、t;/b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_1 = 1;</b></p><p>　　P0=table[shi];</p><p><b>　　P2_2 = 0;</b></p><p>&

107、lt;b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　P2_2 = 1;</b></p><p>　　P0=table[ge];</p><p><b>　　P2_3 = 0;</b></p><p><b>　　delay(1);</b>&l

108、t;/p><p><b>　　P2_3 = 1;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　void Conut()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　time=TH0*256+TL0;</p>

109、<p><b>　　TH0=0;</b></p><p><b>　　TL0=0;</b></p><p>　　S=(time*1.7)/100; //算出來是CM</p><p>　　if((S>=450)||flag==1) //超出測量范圍顯示“-”</p><p>

110、;<b>　　{ </b></p><p><b>　　flag=0;</b></p><p>　　ge=10; //“-”</p><p>　　shi=10; //“-”</p><p>　　bai=10; //“-”</p><p><b>

111、　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　bai=S%1000/100;</p><p>　　shi=S%1000%100/10;</p><p>　　ge=S%1000%10 %10

112、;</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　main()</b></p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　Echo=0;&l

113、t;/b></p><p><b>　　Trig=0;</b></p><p><b>　　key1=1;</b></p><p>　　TMOD=0x11; //設(shè)T0為方式1，GATE=1；</p><p><b>　　TH0=0;</b></p>

114、<p>　　TL0=0; </p><p>　　ET0=1; //允許T0中斷</p><p>　　EA=1; //開啟總中斷</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p&

115、gt;<p><b>　　test2=1;</b></p><p><b>　　test=1;</b></p><p>　　Display();</p><p>　　if(key1)continue;</p><p><b>　　Trig=1;</b><

116、/p><p>　　delay_20us();</p><p><b>　　Trig=0;</b></p><p><b>　　test=0;</b></p><p>　　while(!Echo);</p><p><b>　　TR0=1;</b></p

117、><p>　　while(Echo);</p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　test2=0;</b></p><p><b>　　Conut();</b></p><p><b>　　}</b>

118、</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void INT_T0() interrupt 1</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　flag=1;</b></p><p><b>　　}<