超聲波測距儀的設(shè)計畢業(yè)論文

1、摘 要隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的測距方法在很多場合已無法滿足人們的需求，例如在井深，液位，管道長度等場合，傳統(tǒng)的測距方法根本無法完成測量的任務。還有在很多要求實時測距的情況下，傳統(tǒng)的測距方法也很難完成測量的任務。于是，一種新的測距方法誕生了非接觸測距。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標無損害。而且超聲波傳播速度在相當大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷的檢

2、測等。在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應用。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領(lǐng)域中也占具重要地位。隨著計算機技術(shù)、自動化技術(shù)和工業(yè)機器人的不斷發(fā)展和廣泛應用，測距問題顯得越來越重要。目前常用的測距方式主要有雷達測距、紅外測距、激光測距和超聲測距4種。與其他測距方法相比較，超聲測距具有下面的優(yōu)點：（1）超聲波對色彩和光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)。（2）超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中。（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費用低、技術(shù)難度小、信息處理簡單可靠、易于小型化和

3、集成化。因此，超聲波作為一種測距識別手段，已越來越引起人們的重視。關(guān)鍵詞：超聲波；測距；電子電路AbstractWith the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method can't finish

4、the task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people. At present the demand for ultrasonic ac

5、curate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition,

6、in material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in.Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more important Compared with othe

7、r ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages: (1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body). (2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensiti

8、ve, and can be used in the dark, dust or smoke, electromagnetic interference is strong, such as toxic bad environment. (3) ultrasonic sensor simple structure, small volume, low cost, technical difficulties small, information processing, simple and reliable easy to miniaturization and integration. Pe

9、rformance optimization; Performance simulation; Automatic exchange optical networkKey Words:Ultrasonic；ranging；electronic circuit 目 錄第1章 緒論11.1 課題背景及設(shè)計意義11.2 本課題研究的主要內(nèi)容2第2章 系統(tǒng)方案論證42.1 超聲波測距儀的設(shè)計原理42.2 超聲波測距技術(shù)選型42.3 控制器選型62.3.1 單片機選型72.3.2 AT89S51主要性能參數(shù)及功能82.4 超聲波發(fā)生器選型82.5 超聲波接收傳感器選型92.6 顯示單元選型92.7 語音

10、播報電路選型102.8 溫度傳感器的選型10第3章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計123.1 單片機最小系統(tǒng)123.2 超聲波發(fā)射電路133.3 超聲波檢測接收電路153.4 顯示單元電路163.5 語音播報電路183.6 電源電路設(shè)計20第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計224.1 超聲波測距儀的算法分析224.2 主程序流程圖224.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收程序24第5章 系統(tǒng)調(diào)試仿真265.1 PROTEUS軟件簡介265.2 仿真調(diào)試結(jié)果27第6章 總結(jié)與展望29參考文獻30致 謝31附錄 程序清單32第1章 緒論利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由

11、生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20kHz以上的機械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。本文闡述的是利用超聲波進行一些特殊場合距離測試。1.1 課題背景及設(shè)計意義隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前的急速水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，滿足日益發(fā)展的社會需求。但是，由于歷史原因合成時間的許多

12、不可預見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此，箱涵的排污疏通對打城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年Galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，

13、吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機械型超聲換能器。由于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進，至今仍廣泛地用于超聲處理技術(shù)中。20世紀初，電子學的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應制成各種機電換能器。1917年，法國物理學家Paul Langevin用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應用于水下探測潛艇。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器1。材料科學的發(fā)展，使得應用廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機電耦合系數(shù)高、價格低廉

14、、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導體以及塑料壓電薄膜(PVDF)2等。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達、電子通信和成像技術(shù)等方面。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們 聽到的超聲波(20kHz)以上的機械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較

15、容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。超聲波方法在某些方面具有突出的優(yōu)點：（1）超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體)；（2）對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中；（3）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。因此超聲檢測法己越來越引起人們的

16、重視，被廣泛應用在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面。特別是在空氣測距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力。1.2 本課題研究的主要內(nèi)容本次課題設(shè)計的目的為：具有超聲波測距功能，測量距離0.20m5.00m測距精度±1；具有測量距離數(shù)值無線傳輸功能；實時顯示測量的距離，顯示格式為：X.XXm。漢字提醒顯示：距離在0.40m1.00m，顯示“危險距離”并用紅色LED燈指示；距離在1.00m2.00m，顯示“保持距離”，并用黃書LED燈指示；距離在2.00m以上，顯示“安全距離”并用綠色LED燈指示。具有實時語音

17、播報功能，實時播報測量距離數(shù)值，格式：X.XXm,實時播報時間間隔10s，實時播報聲音清晰明亮、無明顯失真，在1m距離處人耳能準確分辨。語音播報要與顯示同步。超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。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)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（tim

18、e of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離2。本設(shè)計主要是基于AT89S51芯片為核心的超聲波測距儀，74LS04組成的超聲波發(fā)射電路、并有超聲波處理模塊CX20106A、液晶顯示等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復位電路、LCD顯示電路語音播報電路。主要實現(xiàn)超聲波測距并指示功能。依據(jù)實際的測量精度要求添加溫度補償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實用。本設(shè)計框圖如圖1.1所示：超聲波發(fā)射電路 控制電路 計數(shù)顯示電路超聲波接收電路圖1.1 超聲波測距系統(tǒng)框圖第2章 系統(tǒng)方案論證本章節(jié)闡

19、述超聲波測距儀的設(shè)計原理，測距技術(shù)選型。通過對比各類型控制器選擇單片機為控制器并最終選擇AT89S51單片機，并說明了選擇原因以及功能、特性。在超聲波發(fā)生器的選擇上選用了適合近距離測量的電氣方式超聲波發(fā)生器并采用反射波方式進行測距。超聲波接收傳感器采用了性價比較高的壓電晶片，其工作頻率、靈敏度下文將會介紹。顯示單元通過分析各類型顯示屏采用了12864液晶顯示屏。2.1 超聲波測距儀的設(shè)計原理超聲波測距儀工作原理：單片機發(fā)出40khz的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接受器將接受到得超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行辨別、

20、計算，得出距離數(shù)并顯示和送語音播報模塊播報。其計算公式為： S=340t/2 (2.1)2.2 超聲波測距技術(shù)選型超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為340米/秒，由控制器負責計時，控制單元使用12.0MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級3。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波

21、可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。根據(jù)設(shè)計任務、控制對象和現(xiàn)有條件本系統(tǒng)硬件電路采用由單片機最小系統(tǒng)、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路無線通信電路以及語音播報電路構(gòu)成。本超聲波測距儀的具體工作過程如下，單片機控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz的頻率信號來驅(qū)動超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個脈沖左右,當?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后,計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時間t 后,單片機讀取溫度值補償聲速,利用測距公式可計算出被測距離，同時由無線通信模塊將測量數(shù)據(jù)傳到下位機進行顯示

22、和語音播報。系統(tǒng)總體框圖如圖2.1；圖2.2所示。圖2.1 發(fā)射模塊圖2.2 接收模塊2.3 控制器選型 控制器可分為DSP、FPGA、單片機等。本設(shè)計通過對比分析選擇了單片機作為整個系統(tǒng)的控制器。下面分別對這三種控制器進行論述，并說明的選擇單片機作為控制器的理由。DSP控制器：DSP（digital signal processor）是一種獨特的微處理器。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為0或1的數(shù)字信號。再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字

23、化電子世界中日益重要的電腦芯片。DSP微處理器（芯片）一般具有如下主要特點： （1）在一個指令周期內(nèi)可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和數(shù)據(jù)空間分開，可以同時訪問指令和數(shù)據(jù)； （3）片內(nèi)具有快速RAM，通?？赏ㄟ^獨立的數(shù)據(jù)總線在兩塊中同時訪問； （4）具有低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持； （5）快速的中斷處理和硬件I/O支持；FPGA控制器：FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interco

24、nnect）三個部分。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了既可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無限次的編程。單片機控制器：單片

25、微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器/計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。單片機的主要特點有：（1）具有優(yōu)異的性能價格比。（2）集成度高、體積小、可靠性高。（3）控制功能強。（4）低電壓，低功耗。通過以上的分析， DSP控制器功能很強大性能也很好，但是對于本設(shè)計來說，有些很好的功能可能用不上而且DSP成本較高，而FPGA的性能同樣很好，但本設(shè)計有些功能FPGA不能很好的滿足。因此控制器的選

26、擇為單片機。2.3.1 單片機選型單片機又分為很多種類，例如AVR、凌陽單片機和51單片機等等，下面對單片機進行進一步的分析論述。AVR單片機：ATMEL公司研制開發(fā)的一種新型單片機， PIC單片機相比具有一系列的優(yōu)點：運行速度較快；芯片內(nèi)部的Flash、EEPROM、SRAM容量較大；所有型號的Flash、EEPROM都可以反復燒寫、全部支持在線編程燒寫；多種頻率的內(nèi)部RC振蕩器、上電自動復位、看門狗、啟動延時等功能，零外圍電路也可以工作；IO口可以以推換驅(qū)動的方式輸出高、低電平，驅(qū)動能力強；內(nèi)部資源豐富，一般都集成AD、DA模數(shù)器；PWM；SPI、USART、 TWI、I2C通信口；豐富的

27、中斷源等。凌陽單片機：整合了多個常用的功能模塊，讓我們在進行系統(tǒng)開發(fā)的時候不用外加過多的硬件就可方便的完成一個系統(tǒng)的設(shè)計，這就是人們常說的SoC（System on chip）技術(shù)；耗電少，可以滿足很多手提設(shè)備、掌上設(shè)備低能耗的需求；可方便的用來實現(xiàn)聲音錄制、播放，Midi音樂合成和語音識別；可方便的完成一系列乘加的運數(shù)，實現(xiàn)一些數(shù)據(jù)處理比較容易；芯片里具備在線仿真調(diào)試電路，使調(diào)試和程序下載更加方便，也把仿真器和燒錄器的成本給節(jié)省下來了。51單片機：有優(yōu)異的性價比；集成度高、體積小、有很高的可靠性；控制作用強；擴展性能好，非常容易構(gòu)成各種應用系統(tǒng)。以上三種單片機的開發(fā)過程和編程思維都是相似的。

28、AVR單片機功能強大，功耗低，一般小型都可以滿足。而凌陽單片機是一款功能強大的語音處理單片機。51單片機比較基礎(chǔ)、成熟，一般教學都用這種單片機。因此，對于本系統(tǒng)的功能特點和要求，在此選用51單片機作為本系統(tǒng)的控制核心。51單片機全稱AT89S51單片機，是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含有4K bytes的課反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度。非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大AT89S51單片機可以

29、為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領(lǐng)域。由于其集成度高，體積小且可靠性強，有很好的擴展性能易于構(gòu)成多種應用系統(tǒng)，所以我們在本次設(shè)計里采用AT89S51單片機。2.3.2 AT89S51主要性能參數(shù)及功能AT89S51單片機性能參數(shù)有：與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容；4K字節(jié)可以重復擦寫Flash閃速存儲器；1000吃擦寫周期；全靜態(tài)操作范圍為0Hz24Hz；三級加密程序存儲器；128×8字節(jié)內(nèi)部RAM；32個可編程I/O口線；6個中斷源；可編程串行UART通道；低功耗空閑和掉電模式。AT89S51提供以下功能：k字節(jié)Flash閃速存儲器；128字節(jié)內(nèi)部RAM；32

30、個I/O口線；兩個16位定時器/計時器； 一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)；一個雙工串行口通信；片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可以降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，當允許RAM，定時/計數(shù)器，串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個硬件復位。2.4 超聲波發(fā)生器選型超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波發(fā)生器來實現(xiàn)。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距

31、離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式4。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?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，故短距離測量時應選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應用低頻率的傳感器。2.5 超聲波接收傳感器選型超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每

32、個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標為。工作頻率：工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度：由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。靈敏度：主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路CX20106A，CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率3

33、8kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上。2.6 顯示單元選型顯示單元是計算機系統(tǒng)開發(fā)時使用的主要設(shè)備之一，它可將計算機的運算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲器地址以及存儲器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來，從而實現(xiàn)人機對話?？梢宰鲲@示器的有：LED,LCD,CRT等。CRT就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點是顏色視覺效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點是體積大耗電多，有微量的X射線輻

34、射。LED就是發(fā)光二極管。LED一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對比度等都不如CRT顯示器。但是考慮到本設(shè)計需要顯示測量距離，補償溫度以及危險，保持 ，安全等警告信號。所以選擇采用128×64液晶模塊。2.7 語音播報電路選型語音播報語音芯片有很多種，例如WT1380、WT588D等。WT1380具有多種報警功能，定時器功能，時鐘輸出功能，中斷輸出功能以及語音播報功能。它的語音功能和萬年歷功能可以同時工作，主頻采用RC振蕩，副頻采用32.768K晶振精確分頻?？梢杂嬎隳辍⒃?、日、時、分、秒等信息，并可以將時間信息反

35、饋給主控單片機。因而，WT1380是一款性價比極高的語音時鐘芯片。但是本設(shè)計不要求芯片有可以計算年、月、日、時、分、秒等信息的復雜功能。所以播報電路采用WT588D系列的集單片機和語音電路于一體的可編輯語音芯片。WT588D系列語音單片機是廣州唯創(chuàng)科技有限公司聯(lián)合臺灣華邦共同研發(fā)出來的集單片機和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機的特長，彌補了以往各類語音芯片應用領(lǐng)域狹小的缺陷，MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴展輸出模式，讓應用人員能將產(chǎn)品投放在幾乎可

36、以想象得到的場所。WT588D是一款功能強大的可重復擦除燒寫的語音單片機芯片。WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機電路，高度集成的單片機技術(shù)足于取代復雜的外圍控制電路。2.8 溫度傳感器的選型大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償?shù)膯栴}。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測溫范圍為-55+150。AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度

37、變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3。但是考慮到成本問題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測

38、量。溫度范圍為-55°C至+125 。-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C 溫度傳感器可編程的分辨率為912位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。第3章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、語音播報電路、溫度補償電路、無線傳輸、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接受電路五部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P3.6端口輸出超聲波換

39、能器所需的40KHz的方波信號，利用外部中斷1口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。顯示單元部分采用12864液晶模塊。3.1 單片機最小系統(tǒng)其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。如圖3.1所示，單片機最小系統(tǒng)主要由AT89S51單片機、外部振蕩電路、復位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的XTAL1和XTAL2管腳分別接至由12MHZ晶振和兩個30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復位電路中，單片機RESET管腳一方面經(jīng)20 F的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復位，另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機從0000H單元開始執(zhí)

40、行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復位鍵重新啟動。因此，復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。圖3.1 單片機最小系統(tǒng) 圖3.1中晶振Y1串聯(lián)C10、C11，并在C10和C11之間接地，單片機通電之后即可運行。當按下S5按鍵時單片機復位。3.2 超聲波發(fā)射電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振5，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板

41、接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。表3.1 反相器74LS04參數(shù)最大額定值電源電壓-0.5 to +7.0VDC輸入電壓-1.5 to Vcc+1.5V直流輸出電壓-0.5 to Vcc+0.5V鉗位二極管電流±20mA直流輸出電流，每個引腳（輸出）±25mA功耗600mW發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖3.2所示，單片機P2.7端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級

42、反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。圖3.2 超聲波發(fā)射電路3.3 超聲波檢測接收電路超聲波接收電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有

43、很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C16的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖3.3所示。CX20106A的引腳注釋：1腳IN：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳AGC：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，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R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.7，C=3.3F7。3腳C0：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波

44、，瞬間相應靈敏度高，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3.3F。4腳GND：接地端。5腳RC0：該腳與電源端VCC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=200k時，fn42kHz，若取R=220k，則中心頻率f038kHz。6腳C：該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。7腳OUT：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22k，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。8腳RC1：電源正極，4.5V5V。當 CX

45、20106 接收到40KHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入適當改變C1 的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。R1 和C1 控制CX20106A內(nèi)部的放大增益，R2 控制帶通濾波器的中心頻率。一般取R1=4.7 ，C1=1F。其余元件按圖4 取值。US_R1 為超聲波接收頭，當收到超聲波時產(chǎn)生一個下降沿，接到單片機的外部中斷INT0上。當超聲波接收頭接收到40kHz 方波信號時，將會將此信號通過CX20106A 驅(qū)動放大送入單片機的外部中斷0口。單片機在得到外部中斷0的中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷0的中斷服務程序進行處理。圖

46、3.3 超聲波接收電路3.4 顯示單元電路顯示單元部分采用12864液晶模塊。根據(jù)設(shè)計要求，用于顯示測量距離，補償溫度以及危險，保持，安全等警告信號。帶中文字庫的12864液晶是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個16×16點漢字，和128個16×8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點陣的漢字8。12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗

47、是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。12864液晶基本特性如表3.2所示。表3.2 12864液晶基本特性低電源電壓VDD：+3.0-+5.5V顯示分辨率128×64點內(nèi)置漢字字庫8192個16×16點陣漢字 內(nèi)置128個16×8點陣字符時鐘頻率2MHz顯示方式STN、半透、正顯驅(qū)動方式1/32DUTY；1/5BIAS視角方向6點背光方式側(cè)部高亮白色LED通訊方式串行、并口可選負壓內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路片選信號無需片選信號工作溫度0 -

48、 +55存儲溫度-20- +6012864液晶基本特性如圖3.4所示。其各引腳說明如下：（1） 模塊電源地；（2） 模塊電源正端；（3） LCD驅(qū)動電壓輸入端；（4） 并行的指令/數(shù)據(jù)信號；串行的片選信號；（5） 并行的讀寫選擇信號；串行數(shù)據(jù)口；（6） 并行的使能信號；串行同步時鐘；（7） -（14）數(shù)據(jù)；（15） 并/串行接口選擇；H-并行，L-串行；（16） 空腳；（17） 復位；（18） 空腳；（19） 背光源正極；（20） 背光源負極。圖3.4中電阻R13、R14使電平至高。R15調(diào)節(jié)顯示亮度。其中并行模式下，管腳4為顯示數(shù)據(jù)；管腳4為低電平時，管腳7-14顯示指令；管腳5和E都為高電

49、平時數(shù)據(jù)被讀取到管腳7-14；管腳5為低電平且E由高電平變?yōu)榈碗娖綍r管腳7-14的數(shù)據(jù)寫入IR或ER。圖3.4顯示單元電路3.5 語音播報電路語音播報電路采用WT588D系列的集單片機和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機的特長，同時具有MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴展輸出模式?？煽刂频恼Z音地址位能達到220個！每個地址位里能加載可組合語音為128段語音。只需通過適當?shù)脑L問地址就可以實現(xiàn)語音播報，使用方便，語音播報電路設(shè)計如圖3.6所示。圖3.6 W

50、T588D語音播報電路 其中KIA1117芯片為WT588D VCC管腳（存儲器電源輸入腳）提供3.3V電壓。3.6 電源電路設(shè)計對于電源器件我們在開關(guān)電源和線性電源之間選擇。開關(guān)電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。下面我們對兩種電源做個比較。線性電源功率器件工作在線性狀態(tài)，也就是說他一用起來功率器件就是一直在工作，所以也就導致他的工作效率低，一般在50%60%，還得說他是很好的線性電源。線性電源的工作方式，使他從高壓變低壓必須有將壓裝置，一般的都是變壓器，也有別的像KX電源，再經(jīng)過整流輸出直流電壓。這樣一來他的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。他也有他的優(yōu)點：紋波小，調(diào)整率好，對

51、外干擾小。適合用與模擬電路，各類放大器等。開關(guān)電源。他的功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，一開一關(guān)，頻率非?？欤话愕钠桨彘_關(guān)電源頻率在100200KHz，這樣他的損耗就小，效率也就高，開關(guān)電源的效率高體積小，但是和線性電源比他的紋波，電壓電流調(diào)整率就大打折扣了。 由于單片機工作時需要的+5V電壓。所以在設(shè)計電源電路時，我們選用了線性電源7805，在實際的電路控制中應用其作為電源電路較為廣泛,在普通的電子元器件商場都有銷售易于購買,并且技術(shù)相對成熟.7805一腳為電源輸入端,二腳為公共接地端,三腳即為我們所需要的+5V電壓輸出端.本文采用最典型的7805提供電壓的電路,即在7805的1腳和公共接地端(即

52、2腳)之間接入0.3F的電容,在公共接地端和三腳+5V電壓輸出端之間接入0.1F的電容。電壓變化如圖3.7所示：圖3.7 電壓變化圖由于接通電源瞬間，電容C來不及充電，電容器兩端電壓out為低電平，小于（1/3）Vcc，故高電平觸發(fā) 端與低電平觸發(fā)端均為低電平，輸出out為高電平，放電管VT截止。這時，電源經(jīng)R1，R2對電容C充電，使電壓out按指數(shù)規(guī)律上升，當uc上升到（2/3）Vcc時，輸出uo為低電平，放電管VT導通，把uc從（1/3）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時間內(nèi)電路的狀態(tài)稱為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時間TPH的長短與電容的充電時間有關(guān) 。充電時間常數(shù): T充=（R1R2）C (3

53、.1)不難理解接通電源后，電 路就在兩個暫穩(wěn)態(tài)之間來回翻轉(zhuǎn)，則輸出可得矩形波。電路一旦起振后，uc電壓總是在（1/32/3）Vcc 之間變化。圖3.8是基于7805的電源電路圖，這是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。圖3.8 電源電路圖第4章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序需要有較復雜的計算（計算距離時），所以控制程序

54、可采用C語言編程。4.1 超聲波測距儀的算法分析超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來9，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：d=s/2=(ct)/2 （4.1）其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生

55、一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。4.2 主程序流程圖軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖4.1、圖4.2、圖4.3所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時中斷服務子程序完成單方向超聲波的發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms（這也就是

56、超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號。 開始 單片機初始化 定時器初始化 開外部中斷 顯示測量值 等待中斷 結(jié)束圖4.1主程序流程圖由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1s，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式4.2計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取20時的聲速為344m/s則有：d=(ct)/2=172T0/10000cm （4.2）其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。測出距離后結(jié)果將傳給LCD數(shù)碼顯示約5s，同時測量距離送語音模塊播報。然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程

57、序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。4.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收程序超聲波發(fā)生。子程序的作用是通過P2.7端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12s左右，同時把計數(shù)器T0打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確。開始 定時中斷入口 定時器初始化 發(fā)射超聲波 發(fā)射完否？ NY 停止發(fā)射 結(jié)束圖4.2 定時中斷服務子程序開始 外部中斷入口 關(guān)外部中斷 讀取時間值 計算距離 輸出結(jié)果 開外部中斷 結(jié)束圖4.3 外部中斷服務子程序超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT1引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測