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論文畢業(yè)論文 超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) (鄧遠(yuǎn) 超)(定稿) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）標(biāo)題超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名鄧遠(yuǎn)超系部電子工程系專業(yè)應(yīng)用電子技術(shù)班級(jí)高電子0701班指導(dǎo)教師王維斌株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處制目錄摘要I1緒論11.1超聲波測(cè)距研究意義及發(fā)展概況11.2超聲波特性及超聲換能器現(xiàn)狀22超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方案52.1超聲波發(fā)生器及測(cè)距原理52.2方案的設(shè)計(jì)62.3超聲波的電路設(shè)計(jì)82.4超聲波發(fā)射與接收電路133軟件設(shè)計(jì)193.1主流程圖193.2溫度讀取程序193.3LCD顯示流程圖203.4外中斷服務(wù)程序213.5超聲波發(fā)射程序21結(jié)論23參考文獻(xiàn)24附錄1部分程序25附錄2總電路圖28后記29I摘要本文介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離，并且描述了系統(tǒng)研制的理論基礎(chǔ)。 文章概述了超聲檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，介紹超聲傳感器的原理及特性，并且在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。 與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。 對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力的超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。 測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。 關(guān)鍵詞超聲波測(cè)距單片機(jī)溫度補(bǔ)償11緒論由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 1.1超聲波測(cè)距研究意義及發(fā)展概況由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 下面就介紹一下超聲波測(cè)距研究意義及發(fā)展概況。 (一)超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究的意義道路交通事故是現(xiàn)代社會(huì)的一大公害,與之相關(guān)的先進(jìn)安全技術(shù)研究日益受到重視。 基于智能交通系統(tǒng)的汽車防撞系統(tǒng)是先進(jìn)安全技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,國(guó)內(nèi)外相繼開展了相關(guān)的研究,但迄今為止在該領(lǐng)域還存在許多尚未解決的問題。 探討和研究一種在高速公路汽車防撞系統(tǒng)。 在正常行駛時(shí),該系統(tǒng)不報(bào)警,當(dāng)自車與前車之間的距離小于所設(shè)定的安全距離并有可能發(fā)生碰撞時(shí),該系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息,提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施,以避免碰撞事故的發(fā)生。 高速公路汽車防撞系統(tǒng)的研究符合國(guó)內(nèi)外汽車智能化的發(fā)展趨勢(shì),該系統(tǒng)的應(yīng)用可以保證高速運(yùn)行車輛的安全性,提高公路運(yùn)輸效率,具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)前景。 特別是在空氣測(cè)距中，由于空氣中波速較快，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。 如今，超聲測(cè)距技術(shù)在國(guó)防、汽車工業(yè)、公路監(jiān)測(cè)及日常生活中也無處不在。 (二)超聲波測(cè)距系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的概況迄今為止，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者均著眼于測(cè)距傳感器的研究。 能夠全天候工作的毫米波雷達(dá)是最為理想的測(cè)距傳感器，這己是目前國(guó)際上公認(rèn)的結(jié)論。 超聲測(cè)距傳感器也可以全天候工作，而且價(jià)格低廉、便于安裝使用，也是一種較為理想測(cè)距傳感2器。 因此，倘若不考慮從國(guó)外進(jìn)口價(jià)格昂貴的毫米波雷達(dá)，那么，超聲傳感器的作用距離問題，就成了當(dāng)前開發(fā)超聲測(cè)距系統(tǒng)的瓶頸制約。 根據(jù)聲學(xué)理論，超聲換能器的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率、超聲波傳播過程的能量衰減和回波接收電路的處理增益是影響超聲傳感器作用距離的主要因素。 因此，為擴(kuò)大超聲測(cè)距的范圍，不能僅僅依賴于大功率超聲測(cè)距傳感器，還必須從以下兩個(gè)方面采取措施其 一、優(yōu)化換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子線路和機(jī)電阻抗匹配參數(shù)，以提高換能器的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；其 二、增加濾波電路或采用基于微處理器的自適應(yīng)噪聲抵消器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，增大后續(xù)信號(hào)處理算法的處理增益，以提高超聲測(cè)距儀的輸出信噪比。 只有這樣，才可能研制出功耗低、量程大（2040m）而且價(jià)格低廉的超聲測(cè)距系統(tǒng)。 毋庸置疑，超聲傳感器的研制成功，不僅有益于促進(jìn)科技進(jìn)步、加快國(guó)內(nèi)超聲測(cè)距系統(tǒng)的開發(fā)進(jìn)程，而且具有相當(dāng)廣闊的市場(chǎng)前景。 1.2超聲波特性及超聲換能器現(xiàn)狀具備發(fā)送和接收超聲波功能的裝置，稱為超聲換能器，習(xí)慣上稱為超聲傳感器或超聲波探頭。 下面，簡(jiǎn)要介紹一下超聲波特性和超聲換能器現(xiàn)狀。 (一)超聲波及其特性超聲波具有較好的指向性頻率越高，指向性越強(qiáng)。 這在諸如探仿和水下聲通訊等應(yīng)用場(chǎng)合是主要的考慮因素。 頻率高時(shí)，相應(yīng)地波長(zhǎng)將變短，因而波長(zhǎng)可與傳播超聲波的試樣材料的尺寸相比擬。 甚至波長(zhǎng)可遠(yuǎn)小于試樣材料的尺這在厚度尺寸很小的測(cè)量應(yīng)用中以及在高分辨率的探傷應(yīng)用中是非常重要的。 超聲波用起來很安靜,這一點(diǎn)在高強(qiáng)度工作場(chǎng)合尤為重要。 這些高強(qiáng)度的工作用可聞?lì)l率的聲波來完成時(shí)往往更有效，然而遺憾的是，可聞聲波工作時(shí)所產(chǎn)生的噪聲令人難以忍受，有時(shí)甚至是對(duì)人體有害的。 超聲波的應(yīng)用被嚴(yán)格地區(qū)分為低強(qiáng)度應(yīng)用和高強(qiáng)度應(yīng)用兩類”。 在低強(qiáng)度應(yīng)用類中，超聲波或是用來研究試樣材料的特性，或是用來作為控制手段。 絕大多數(shù)情況是被測(cè)材料本身經(jīng)受不起結(jié)構(gòu)上的持久變形或是經(jīng)受不起化學(xué)特性上的變化，才采用低強(qiáng)度超聲波作為測(cè)試手段的。 許多低強(qiáng)度應(yīng)用場(chǎng)合中所用的超聲波，其頻率都很高，典型的工作頻率是在兆赫茲的范圍內(nèi)，而其聲功率的范圍則較寬，一般可從數(shù)微瓦到數(shù)十毫瓦。 在高強(qiáng)度應(yīng)用類中，超聲波通常是用來改3變它所通過的物質(zhì)的性質(zhì)。 高強(qiáng)度應(yīng)用幾乎總是在低頻的情況下進(jìn)行的，通常就把工作頻率選在剛好高出可聞聲頻的上限處，而其聲功率則可以從數(shù)毫瓦至上千瓦。 現(xiàn)代聲學(xué)已經(jīng)涵蓋了從“104?1014”Hz的頻率范圍，相當(dāng)于從大約3小時(shí)振動(dòng)一次的次聲到波長(zhǎng)短于固體中原子間距的分子熱振動(dòng)。 振動(dòng)頻率在16Hz20kHz之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于20kHz的機(jī)械波，稱為超聲波，而高于100MHz的機(jī)械波，則稱之為特超聲波。 由于人耳聽域有限，所以在自然界中似乎超聲不存在，其實(shí)超聲是廣泛存在的。 人耳聽到的聲音只是自然界聲音的一部分，即可聽聲部分，而即使是可聽聲部分的聲音，有時(shí)仍然含有超聲成分，只是人耳聽不到。 比如自然界中許多動(dòng)物發(fā)出的聲音中就含有超聲成分，蝙蝠是最出名的。 它可以利用超聲進(jìn)行探測(cè)洞穴、捕獲昆蟲，人類從18世紀(jì)就開始研究它，一直延續(xù)至今，并利用仿生學(xué)的原理制造出雷達(dá)等探測(cè)工具。 在我國(guó)，解放前超聲的研究是個(gè)空白。 解放后不久，出現(xiàn)了很少量的超聲學(xué)研究。 大規(guī)模的超聲研究開始于1965年。 到目前，我國(guó)在超生學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用。 有不少的項(xiàng)目和成果達(dá)到了國(guó)際水平。 同其它聲波一樣，超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)密度和介質(zhì)的彈性常數(shù)。 在大氣條件下，超聲波在相同傳播介質(zhì)中的傳播速度是一樣的，而且，在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)，聲速是固定不變的。 空氣中的聲波傳播速度c可近似地表示為C331.416.27316.273+T331.4+0.6T(m/s)(1.1)其中T是空氣介質(zhì)的溫度（0C）。 因?yàn)槁暡ㄊ墙柚趥鞑ソ橘|(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)而傳播的，其傳播方向與其振動(dòng)方向一致，所以空氣中的聲波屬于縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波。 在理想介質(zhì)中，描述簡(jiǎn)諧聲波向x正方向傳播的質(zhì)點(diǎn)位移運(yùn)動(dòng)可表示為S(t)=A(x)cos(t+kx)=A0eax?cos(t+kx)(1.2)式中，s(t）表示質(zhì)點(diǎn)的位移；A0是振動(dòng)初始條件決定的常數(shù)；，t分別表示角頻率和時(shí)間；x為聲波的傳播距離（也稱為射程）；k=/c稱為波數(shù)；a為衰減系數(shù)。 由此可見，在傳播過程中聲波的振幅A(x)將隨距離x的增加而呈指數(shù)形式衰減。 衰減系數(shù)與聲波頻率及傳播介質(zhì)的關(guān)系為42efA?=(1.3)其中，A0為介質(zhì)常數(shù)，在空氣中，A021110?(12?ms),f是聲波的振動(dòng)頻率。 例如，當(dāng)超聲波的振動(dòng)頻率為25kHz時(shí)，1/80m。 其物理意義是超聲波在空氣介質(zhì)中傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在聲波的傳播距離等于1/時(shí)，聲波振幅將衰減到初始值的1/e倍。 顯然，聲波頻率愈高，聲能被吸收衰減愈大，聲波的傳播距離愈??；反之，聲波頻率愈低，聲能的吸收衰減愈小，聲波的傳播距離就愈大。 聲波的另一種重要的性質(zhì)是波的頻率越高，波束越窄，聲波定向傳播（或稱為直線傳播）和反射能力越強(qiáng)，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的低頻聲波。 超聲波的特性除了與其諧振頻率有關(guān)，還與發(fā)射換能器的輻射面積有關(guān)。 換能器的輻射面積越大，超聲波的波束角就越小。 因此，在設(shè)計(jì)大作用距離超聲測(cè)距傳感器時(shí)，必須選用恰當(dāng)?shù)膿Q能器工作頻率和換能器輻射面積。 (二)超聲換能器現(xiàn)狀換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。 通常所說的換能器一般都是指的電聲換能器。 用來發(fā)射聲波的換能器叫發(fā)射換能器。 換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成聲能。 用來接受聲波的換能器叫接收器。 換能器處在接受狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成電能。 一般情況下，換能器既能用來發(fā)射，也能用來接收。 通常換能器都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。 按照實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同，可將換能器分成電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式、電容式、壓電式和電磁致伸縮式等。 52超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理及設(shè)計(jì)方案2.1超聲波發(fā)生器及測(cè)距原理超聲波發(fā)生器的可分幾大類，本節(jié)介紹壓電式發(fā)生器的原理和超聲波測(cè)距的原理。 (一)超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。 電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 (二)壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。 當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(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。 圖2-1超聲波傳感器結(jié)構(gòu) (三)超聲波測(cè)距原理在超聲探測(cè)電路中，在發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時(shí)間間隔，顯然被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。 超聲測(cè)距大致有以下方法 (1)取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(電壓的幅值基本固定)與距離成正比，測(cè)6量電壓即可測(cè)得距離。 (2)測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔t。 因此，被測(cè)距離為S=1/2vt。 本測(cè)量電路采用第二種方案。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，附表列出了幾種不同溫度下的聲速。 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(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?表2-1溫度與聲速變化2.2方案的設(shè)計(jì)我們做的是基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀。 用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、接受電路以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再用液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。 因?yàn)槁曇舻乃俣葧?huì)隨著溫度的變化而改變，所以，我們?cè)黾恿藴乜匮b置，即通過溫度傳感器（18B20），把當(dāng)前的溫度信息傳給單片機(jī)，再通過一定的算法，得到當(dāng)前的聲音速度。 操作者可以通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵完成測(cè)量方式的選擇（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、手動(dòng)測(cè)量）。 由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，在由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即2/CTD=（2.2）其中，D為換能器與障礙物之間的距離，C為波聲傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間距。 原理框圖如下溫度（oC）-30-20-100102030100聲速（米/秒）3133193253233383443493867圖2-2總原理框圖驅(qū)動(dòng)電路本次設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用AT89C52數(shù)據(jù)運(yùn)算單片機(jī)，配置時(shí)鐘電路，復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成超聲波發(fā)射、接收模塊。 由鍵盤，LED顯示構(gòu)成人機(jī)對(duì)話通道，以及溫度傳感器來顯示器構(gòu)成由單片機(jī)最小系統(tǒng)來控制的超聲波測(cè)距儀，其結(jié)構(gòu)框圖如下圖2-3總結(jié)構(gòu)框圖單片機(jī)最小系統(tǒng)發(fā)射、接收電路信號(hào)保持電路溫度傳感器按鍵、LCD顯示開始測(cè)量超聲波信號(hào)關(guān)定時(shí)器接收檢測(cè)電聲換能器電聲換能器82.3超聲波的電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。 介紹個(gè)電路的電路圖和簡(jiǎn)介。 (一)AT89C52的簡(jiǎn)介AT89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)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位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)可提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場(chǎng)合。 AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3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，2個(gè)讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。 其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。 AT89C52芯片的管腳、引線與功能AT89C52芯片圖如圖2-4圖2-4AT89C52芯片圖 (1)引腳信號(hào)介紹P00P07P0口8位雙向口線P10P17P1口8位雙向口線P20P27P2口8位雙向口線9P30P37P3口8位雙向口線EA訪問程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)當(dāng)EA信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；而當(dāng)EA信號(hào)為高電平時(shí)，則對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。 ALE地址鎖存控制信號(hào)在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出低8位地址鎖存起來，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。 此外由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖作用。 PSEN外部程序存儲(chǔ)器讀選取通信號(hào)在讀外部ROM時(shí)PSEN有效（低電平），以實(shí)現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。 XTAL1和XTAL2外接晶體引線端當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于拉外部的時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 RST復(fù)位信號(hào)當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)2個(gè)機(jī)器周期以上高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作。 VSS地線VCC+5V電源 (2)P3口的第二功能如表2-1表2-1P3口的第二功能口線第二功能替代的專用功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.20INT外部中斷0P3.31INT外部中斷1P3.4T0定時(shí)器0的外部輸入P3.5T1定時(shí)器1的外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 (二)前置放大電路考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。 前置放大電路是一個(gè)精密、高輸入阻抗儀表放大器AD620構(gòu)成的精密放大器，10如圖AD620+驅(qū)動(dòng)電路J1D2DpRGRC-ReferenceoV圖2-5前置放大電路AD620是一種電阻可編程的放大器，其內(nèi)部是由三運(yùn)放組成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的電阻經(jīng)激光技術(shù)校準(zhǔn)，整個(gè)放大器具有很高的精度和共模抑制比，其增益范圍在11000之間，增益公式為RGKG?=4.49+1(2.1)由于在此采用了收發(fā)同體傳感器，因而收發(fā)信號(hào)之間要產(chǎn)生干擾，較大的發(fā)送信號(hào)能量有可能直接進(jìn)入接收電路，它要比回波大得多，因此，前級(jí)放大器會(huì)飽和，電路工作不穩(wěn)定，為此，接收信號(hào)放大器的輸入端要接入一對(duì)互為反向的二極管進(jìn)行箱位，以保護(hù)后面的放大電路。 (三)復(fù)位電路復(fù)位電路是使單片機(jī)的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開始工作。 （1）單片機(jī)常見的復(fù)位電路通常單片機(jī)復(fù)位電路有兩種上電復(fù)位電路，按鍵復(fù)位電路。 上電復(fù)位電路上電復(fù)位是單片機(jī)上電時(shí)復(fù)位操作，保證單片機(jī)上電后立即進(jìn)入規(guī)定的復(fù)位狀態(tài)。 它利用的是電容充電的原理來實(shí)現(xiàn)的。 按鍵復(fù)位電路它不僅具有上電復(fù)位電路的功能，同時(shí)它的操作比上電復(fù)位電路的操作要簡(jiǎn)單的多。 如果要實(shí)現(xiàn)復(fù)位的話，只要按下RESET鍵即可。 它主要是利用電阻的分壓來實(shí)現(xiàn)的。 在此設(shè)計(jì)中，采用的按鍵復(fù)位電路。 按鍵復(fù)位電路如圖2-6所示 （2）復(fù)位電路工作原理上電復(fù)位要求接通電源后，單片機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。 RERST引腳的高電平11只要能保持足夠的時(shí)間（2個(gè)機(jī)器周期），單片機(jī)就可以進(jìn)行復(fù)位操作。 上電與按鍵均有效的復(fù)位電路不僅在上電時(shí)可以自動(dòng)復(fù)位，而且在單片機(jī)運(yùn)行期間，利用按鍵也可以完成復(fù)位操作。 故本設(shè)計(jì)選用第二種上電復(fù)位與按鍵均有效的各單位電路。 (四)時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各信號(hào)之間的相互關(guān)系。 單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格地作。 （1）時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。 而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。 電容器C1和C2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值的范圍在5pF30pF,典型值為30pF。 晶振的頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。 只要在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。 （2）時(shí)鐘振蕩電路如圖2-7所示圖2-6復(fù)位電路圖12 (五)報(bào)警電路把“單片機(jī)系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導(dǎo)線連接到“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPK IN端口上，在“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPK OUT端口上接上一個(gè)8歐或者是16歐的喇叭。 音頻放大模塊由LM386組成。 報(bào)警電路如圖2-8所示V32748156IN+IN-BYPASSGNDVSVoutGAINGAINLM386U4P1.0R810kR9470R1010C60.047uFC410uFC50.1uFC747uF圖2-8報(bào)警電路當(dāng)LED顯示所測(cè)定的轉(zhuǎn)速超過限定的的速度時(shí)報(bào)警信號(hào)從P1.0端口輸出，產(chǎn)生方波頻率，方波從P1.0輸出0.2秒，接著0.2秒從P1.0輸出電平信號(hào)，經(jīng)音頻放大模塊放大，送入喇叭產(chǎn)生報(bào)警聲。 (六)鍵盤電路鍵盤電路是很多設(shè)計(jì)中很重要的組成部分。 它主要是輸入設(shè)備。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中鍵盤有獨(dú)立式和行列式兩種。 獨(dú)立式鍵盤獨(dú)立式鍵盤中，每個(gè)按鍵占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵電路相對(duì)獨(dú)立。 I/O口通過按鍵與地相連，I/O口有上拉電阻，無鍵按下時(shí)，引腳端為高電平，有鍵按下時(shí)，引腳電平被拉低。 I/O口內(nèi)部有上拉電阻時(shí)，外部可不接上拉電阻。 C130pFC230pFY16MHzXTAL2XTAL1圖2-7時(shí)鐘振蕩電路13行列式鍵盤行列式鍵盤鍵數(shù)比較多，從按一個(gè)鍵到鍵功能被執(zhí)行主要包括兩項(xiàng)工作一是鍵的識(shí)別，即在鍵盤中找出被按的是那一個(gè)鍵，另一項(xiàng)是鍵功能的實(shí)現(xiàn)，第一項(xiàng)是接口電路來實(shí)現(xiàn)的，而第二項(xiàng)是通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)的。 具體來說，鍵盤借口應(yīng)完成以下操作功能鍵盤掃描，以判斷是否有鍵按下。 鍵識(shí)別，以來確定閉和鍵的行列位置。 產(chǎn)生閉和鍵的鍵碼。 排除多鍵，串鍵以及抖動(dòng)。 本次設(shè)計(jì)中采用的是獨(dú)立式鍵盤，鍵盤電路圖如圖2-9所示EA/VP31X1X21918RESET9RDWR1716INT012INT113T014T115P10P11P12P13P14P15P16P1712345678P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332P20P21P22P23P24P25P26P272122232425262728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U1AT89S52VCCP00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P27RETX1X2S2S3S4S5R3R4R5R6VCCP10P11P12P13P14P15P16P17P30P31P37P36P32P33P34P35圖2-9與單片機(jī)相連的獨(dú)立式鍵盤2.4超聲波發(fā)射與接收電路 (一)發(fā)射部分14圖2-11超聲波發(fā)射原理圖超聲波信號(hào)由單片機(jī)產(chǎn)生，信號(hào)經(jīng)過三極管后驅(qū)動(dòng)超聲波換能器發(fā)送超聲波，途中碰到障礙物就立即返回。 否則認(rèn)為沒有探測(cè)到物體。 此電路有兩個(gè)三極管構(gòu)成推拉式驅(qū)動(dòng)電路，三極管工作在開關(guān)狀態(tài)。 當(dāng)信號(hào)線來一個(gè)高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，Q1的集電極高電平，Q2截止，Q2的發(fā)射極為低電平，從而使超聲波換能器工作。 在此電路圖中的電容（C1）起隔直耦合作用。 (二)接收電路R310KR110KR210KC11000pC21000p23184U1ANE5532657U1BNE5532C50.1uR510KR410K+12R61M+12C31000pD1IN4001D2IN4001C41000p23184U2ANE5532+12R71MC60.1uF+12R124.7KR135.6K123U4A74LS00456U4B74LS008910U4C74LS00123J4CON3SG12RXD12J3OUTCONTROLR8470K1R11100K122W3圖2-12超聲波接收原理圖15超聲波接收是用來將探測(cè)波回波的聲能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)超聲波回波的接收。 在被測(cè)物距離較遠(yuǎn)的情況下回波很弱，要求將信號(hào)多次放大，放大后的信號(hào)整形、比較、觸發(fā)后產(chǎn)生中斷信號(hào)，此中斷信號(hào)向CPU發(fā)中斷請(qǐng)求，執(zhí)行中斷服務(wù)程序中，讀取計(jì)時(shí)器的定時(shí)值。 此電路由信號(hào)放大部分，檢波部分，電壓比較部分和信號(hào)保持部分組成，收到的信號(hào)經(jīng)過兩級(jí)放大，再通過倍壓式峰值檢波電路檢波，得到一個(gè)基本穩(wěn)定的信號(hào)，再通過與電壓比較器比較，若信號(hào)電壓大于參考電壓，則輸出高電平，若低于參考電壓則輸出為低電平，若輸出高電平，則RS觸發(fā)器觸發(fā)，輸出高電平，且一直保持下去，直到單片機(jī)給出控制信號(hào)，觸發(fā)器回到低電平狀態(tài)。 超聲波從發(fā)射到接收時(shí)間間距的測(cè)量，是由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器（如T0）來完成的。 超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔的測(cè)量,是由單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器(如T0)來完成的。 在CPU停止發(fā)送脈沖群后,由于電阻尼,換能器不會(huì)立即停止發(fā)送超聲波,在一定時(shí)間內(nèi)仍然發(fā)送。 這段時(shí)間的存在使系統(tǒng)不能夠測(cè)量比較近的物體,形成所謂的“盲區(qū)”,需要對(duì)盲區(qū)時(shí)間產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行屏蔽,不同性能的超聲波換能器的盲區(qū)有所差異,以一個(gè)通道工作的時(shí)序?yàn)槔M(jìn)行說明,如圖2-8所示。 圖2-12一個(gè)通道的工作時(shí)序16 (三)帶通濾波器帶通濾波器采用無限增益多路反饋型濾波電路，它是由一個(gè)理論上具有無限增益運(yùn)算放大器賦以多路反饋構(gòu)成的濾波電路。 如圖2-13所示是由單一運(yùn)算放大器構(gòu)成的無限增益多路反饋二階帶通濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。 濾波器參數(shù)為A?=P)CC(RCR21113+(2-1)21321210CCRRRRR+=(2-2)?+=2130C1C1R1Q(2-3)()tui()tuo1R2R1R2C1C-+圖2-13帶通濾波器無限增益多路反饋型濾波電路由于沒有正反饋，故穩(wěn)定性高。 為計(jì)算方便，可先選定pFACC56021=，3=PA,Q=4，由以上方程聯(lián)立得?=kR913,?=kR151,?=kR6.11.濾波器輸出再通過一級(jí)放大后接采集卡進(jìn)行A/D采樣。 末級(jí)放大電路是由普通的反向運(yùn)算放大器和電阻元件構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)電位器來放大器的增益，使之輸出幅值滿足采樣電路的要求即可。 (四)溫度檢測(cè)電路采用美國(guó)答拉斯（Dallas）公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻所不同，DS18B20可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)換成串口數(shù)字信號(hào)，一供單片機(jī)處理，DS18B20可以實(shí)現(xiàn)912位的溫度讀取，信息經(jīng)過單線借口送入17DS18B20或從DS18B20送出，因此從微處理器到DS18B20僅需連接一條信號(hào)線和地址線。 讀、些和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)本身供，而不需要外部電源。 溫度傳感器（DS18B20）的引腳分布圖如2-14，其封裝為（DIP8或三極管封裝）。 圖2-1418B20的引腳分布圖引腳功能如下NC（ 1、 2、 6、 7、8腳）空引腳，懸空不使用VDD（3腳）可選電源腳，電源電壓范圍33.5V。 當(dāng)工作寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。 DQ（4腳）數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。 漏極開路，常態(tài)下為高電平。 GND（5腳）接地 (五)發(fā)射接收模塊總原理圖182-15發(fā)射接收模塊總原理圖193軟件設(shè)計(jì)3.1主流程圖程序開始輸入要溫度為狀態(tài)選擇作準(zhǔn)備。 狀態(tài)選擇分為手動(dòng)控制與實(shí)時(shí)控制。 當(dāng)選擇手動(dòng)控制時(shí)程到手動(dòng)控制部分，然后判斷是否有鍵按下。 如果有鍵按下，則出現(xiàn)高電率。 程序判斷為yes；然后控制。 發(fā)射超聲波后，通過傳感器等待回波。 如果判斷為高電平則表示有回波則進(jìn)入中斷服務(wù)。 如果沒有則回到是否有鍵按下的判斷。 如果選擇實(shí)時(shí)控制部分，則由實(shí)時(shí)控制超聲波的發(fā)射。 等待回波程序如果通過傳感器收到超聲波。 則進(jìn)入中斷服務(wù)程序，否是返回重新。 中斷服務(wù)后，通過數(shù)據(jù)運(yùn)算，顯示距離，再返回到狀態(tài)的選擇。 實(shí)時(shí)控制溫度輸入手動(dòng)控制是否鍵按下發(fā)射發(fā)射等待回波等待回波中斷服務(wù)數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示開始狀態(tài)選擇NOYesNOYesYesNO圖3-1主流程圖3.2溫度讀取程序20首先開始，初始化地址，通過地址得到應(yīng)答脈沖，如果沒有則返回，重新應(yīng)答，應(yīng)答脈沖為高電平，則skip rom命令。 再發(fā)生conver T命令后，延時(shí)1s等待溫度1s等待溫度轉(zhuǎn)的完成，溫度轉(zhuǎn)換完成后，在初始化地址，給出應(yīng)答脈沖時(shí)發(fā)出Read Scratchpad命令。 后讀出先后脈沖，讀取第12字節(jié)溫度數(shù)據(jù)，再返回開始初始化程序。 發(fā)起Skip rom命令發(fā)起Conver T命圖3-2溫度檢測(cè)程序3.3LCD顯示流程圖21圖3-3LCD顯示流程圖程序開始初始化后，檢查忙信號(hào)如果有則寫入命令函數(shù)，如果沒有則重新檢查忙信號(hào)，至到有信號(hào)為止，寫完命令函數(shù)則寫入數(shù)據(jù)函數(shù)，通過一定的延時(shí)程序，再返回到程序初始代。 3.4外中斷服務(wù)程序圖3-4外中斷服務(wù)程序關(guān)中斷當(dāng)收到外部中斷信號(hào)時(shí)，關(guān)閉定時(shí)器，關(guān)閉中斷。 讀取當(dāng)時(shí)的時(shí)間值并存儲(chǔ)時(shí)間值，返回主程序。 3.5超聲波發(fā)射程序關(guān)定時(shí)器讀取時(shí)間值返回22圖3-5超聲波發(fā)射程序定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波開計(jì)時(shí)器返回停止發(fā)射23結(jié)論超聲測(cè)距原理簡(jiǎn)單，成本低、制作方便，但由于目前存在的超聲測(cè)距系統(tǒng)作用距離短，所以在很多領(lǐng)域的應(yīng)用有著一定的局限性，因此，研制和開發(fā)高精度、大作用距離超聲測(cè)距系統(tǒng)，仍然是當(dāng)今超聲測(cè)距領(lǐng)域中富有挑戰(zhàn)性的課題之一。 本文通過對(duì)壓電換能器結(jié)構(gòu)的分析，設(shè)計(jì)了一種大作用距離的超聲換能器。 超聲測(cè)距技術(shù)是一門融合了聲學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、材料學(xué)等多方面技術(shù)的學(xué)科，每一項(xiàng)技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)都會(huì)推動(dòng)超聲學(xué)的進(jìn)展。 新型換能器及大功率驅(qū)動(dòng)電源等技術(shù)的發(fā)展必將使超聲的測(cè)距范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，結(jié)合快速時(shí)延搜索算法，超聲測(cè)距技術(shù)將廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)導(dǎo)航系統(tǒng)、汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)、機(jī)械手定位系統(tǒng)、交通流量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面。 另外，若在超聲測(cè)距中采用擴(kuò)頻技術(shù)，將在很大程度上解決遠(yuǎn)距離測(cè)量與分辨力之間的矛盾，提高測(cè)距系統(tǒng)的信噪比和分辨率。 而且，采用偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻解擴(kuò)方法，容易實(shí)現(xiàn)碼分多址（只要給安裝在大范圍測(cè)量區(qū)域中多個(gè)傳感器分配相應(yīng)的偽隨機(jī)碼，就可以方便地辨認(rèn)出各個(gè)區(qū)域傳感器發(fā)出的信號(hào)），擴(kuò)大超聲測(cè)距的測(cè)量范圍。 比常規(guī)超聲測(cè)距方法具有更廣闊的應(yīng)用前景。 在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中也使我們的同學(xué)關(guān)系更進(jìn)一步了，同學(xué)之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法讓我們更好的理解知識(shí)，所以在這里非常感謝幫助我的同學(xué)。 我的心得也就這么多了，總之，不管學(xué)會(huì)的還是學(xué)不會(huì)的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難，不知道如何入手。 最后終于做完了有種如釋重負(fù)的感覺。 此外，還得出一個(gè)結(jié)論知識(shí)必須通過應(yīng)用才能實(shí)現(xiàn)其價(jià)值！有些東西以為學(xué)會(huì)了，但真正到用的時(shí)候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認(rèn)為只有到真正會(huì)用的時(shí)候才是真的學(xué)會(huì)了。 24參考文獻(xiàn) 1、王瑞華:脈沖變壓器設(shè)計(jì)M,北京科學(xué)出版社，1996年(6月)，第3頁(yè)第5頁(yè). 2、張國(guó)雄，金篆芷:測(cè)控電路M,北京機(jī)械工業(yè)出版社，xx年(7月)，第10頁(yè)第13頁(yè). 3、李翰蓀:電路分析M，北京中央廣播電視大學(xué)出版社，xx年（5月），第5頁(yè)第10頁(yè). 4、楊素行:模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡(jiǎn)明教程M，北京高等教育出版社，1998年（10月），第8頁(yè)第13頁(yè). 5、潘松:EDA技術(shù)應(yīng)用M，北京科學(xué)出版社，xx年（10月），第20頁(yè)第25頁(yè). 6、周立功:基于ARM7設(shè)計(jì)M，北京北航出版社，xx年（3月），第34頁(yè)第40頁(yè). 7、謝自美:電子電路設(shè)計(jì)M，北京華中理工出版社，2000年（4月），第15頁(yè)第20頁(yè). 8、張國(guó)雄，金篆芷:測(cè)控電路M,北京機(jī)械工業(yè)出版社，xx年（6月），第17頁(yè)第23頁(yè). 9、龔耀寰:自適應(yīng)濾波M,北京電子工業(yè)出版社，1989年（1月），第30頁(yè)第35頁(yè). 10、召華，劉貴忠，馬社祥:基于正交小波變換的瞬變步長(zhǎng)的LMS自適應(yīng)濾波算J,通訊學(xué)報(bào)，xx年第22期，第19頁(yè)第25頁(yè). 11、童峰，許水源，許天增:基于遺傳算法的超聲信號(hào)自適應(yīng)時(shí)延估計(jì)J,應(yīng)用聲學(xué)，2000年第19期，第23頁(yè)第25頁(yè).25附錄1部分程序/*超聲波發(fā)射程序*/void sen()/超聲波發(fā)射程序/uchar times=0;TMOD=0x12;/定時(shí)器1工作在定時(shí)方式1，定時(shí)器0工作在定時(shí)方式2/IE=0x84;/中斷設(shè)置/TH0=244;TL0=244;TR0=1;TR1=1;/開定時(shí)器/while (1)while(TF0=0);sg=sg;times+;/翻轉(zhuǎn)20次，發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)的超聲波/TF0=0;if(times=20)break;TR0=0;times=0;/*外中斷服務(wù)程序*/rec()interrupt2using2/接收中斷程序/TR1=0;/關(guān)計(jì)數(shù)器/ctl=0;time=TH1*256+TL1;/算出t的值，t的單位為us/l=time*c/2;26TH1=0;TL1=0;/*數(shù)據(jù)處理，顯示結(jié)果*/void dataxs()if(tp=10)c=338+(tp-10)*0.6;else c=338+(10-tp)*0.6;cb=c/100;cs=c%100/10;cg=c%100%10;lb=l/1000000;ls=l%1000000/100000;lg=l%1000000%100000/10000;/*顯示*/writer(0x80);if(l=5000000)writer_d(too long!);elsewriter_d(L=);writerdata(lb+0x30);writerdata(.);writerdata(ls+0x30);writerdata(lg+0x30);writer_d(m);writer_d(c=);writerdata(cb