【正文】 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，這是結(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)。 研究目的和意義超聲波既是一種波動形式，同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過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。超聲波技術(shù)在醫(yī)學(xué)、軍事、化工等行業(yè)占據(jù)著重要的地位，研究超聲波測距技術(shù)有著非常重要的意義。目前對于超聲波精確測距的需求也越來越大，例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(jī)械內(nèi)部損傷的檢測等。在機(jī)械制造，電子冶金，航海，航空，石油化工，交通運(yùn)輸?shù)裙I(yè)領(lǐng)域也有廣泛地應(yīng)用。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。 研究內(nèi)容本課題的研究對象是超聲波測距儀，利用單片機(jī)來控制超聲波的發(fā)射與接收，并在數(shù)碼管上顯示出障礙物與傳感器之間的距離。基本思想就是利用AT89C51單片機(jī)做為主控制模塊，控制HCSR04超聲波發(fā)射超聲波以及接收回波信號，在單片機(jī)內(nèi)處理數(shù)據(jù)并通過數(shù)碼管顯示出來。本設(shè)計(jì)中還利用DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以減小測距誤差。系統(tǒng)硬件主要由電源電路、單片機(jī)主控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊、DS18B20溫度補(bǔ)償模塊以及聲光報(bào)警模塊等。由于超聲波清洗速度快、質(zhì)量好、污染小，因此，超聲波清洗技術(shù)正在越來越多的工業(yè)中得到應(yīng)用。除此之外，超聲波金屬焊接的應(yīng)用、超聲波美容換能器的應(yīng)用、雷達(dá)等，都體現(xiàn)了超聲波對各行業(yè)起著重要的作用。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：井深、液位、管道長度等場合。目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測距儀，但是專用集成電路的成本很高，且沒有顯示，操作不方便。本課題要求利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)高精度、低成本、微型化的數(shù)字顯示超聲波測距儀。 論文結(jié)構(gòu)本文介紹了一種基于單片機(jī)系統(tǒng)模塊為核心的超聲波測距的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，并簡要介紹了相關(guān)背景、研究內(nèi)容以及應(yīng)用，具體組織結(jié)構(gòu)如下：第一章：緒論。主要闡述課題的研究背景、研究現(xiàn)狀以及研究目的和意義等；第二章：系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。主要介紹系統(tǒng)的功能和總體設(shè)計(jì)方案；第三章：硬件設(shè)計(jì)。主要闡述系統(tǒng)硬件電路的分析及實(shí)現(xiàn)；第四章：軟件設(shè)計(jì)。主要闡述系統(tǒng)軟件編程及實(shí)施方案；第五章：系統(tǒng)測試。主要闡述系統(tǒng)功能、性能測試和結(jié)果分析以及解決方案等。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)距離測量的方法很多，但超聲波測距以其非接觸式、攜帶方便、簡單易用等優(yōu)點(diǎn)被人們廣為應(yīng)用。本章主要講述本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)方案，對以AT89C51為主控制模塊的超聲波測距儀進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)主要研究的是基于單片機(jī)的超聲波測距，其主要功能要求如下： 能實(shí)時(shí)顯示測量距離； 當(dāng)距離小于預(yù)置值時(shí)（本設(shè)計(jì)預(yù)置值為10cm），系統(tǒng)指示燈閃爍且蜂鳴器報(bào)警提示； 測量距離誤差小于1cm；本設(shè)計(jì)擴(kuò)展功能如下： 能進(jìn)行溫度補(bǔ)償并顯示溫度值； 當(dāng)距離大于200cm時(shí)數(shù)碼管顯示CCC； 當(dāng)環(huán)境溫度大于90℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警提示。1 設(shè)計(jì)思路我們可以通過尺、激光測距等原理來實(shí)現(xiàn)距離測量，但通過尺測量速度慢，效率低；激光測距精度高速度快，但成本高。本文章所提出的超聲波測距儀實(shí)現(xiàn)了低成本、電路簡單、使用方便、相對高的精度等優(yōu)點(diǎn)。超聲波測距儀是通過單片機(jī)控制發(fā)射出40KHZ頻率的超聲波，以此同時(shí)單片機(jī)的定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波遇到障礙物反射回來由超聲波接收探頭接收信號并產(chǎn)生中斷，定時(shí)器停止計(jì)時(shí)。單片機(jī)通過溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償校正超聲波此時(shí)環(huán)境溫度下的速度，由路程與速度和時(shí)間的關(guān)系計(jì)算出傳感器與障礙物之間的距離。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，并綜合考慮各種因素，本文章選擇STC89C51單片機(jī)做為主控制模塊，它控制40KHZ脈沖的觸發(fā)和超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差，并顯示障礙物到傳感器的距離；用DS18B20進(jìn)行溫度補(bǔ)償，校正超聲波在不同溫度下的傳播速度；用發(fā)光二極管和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示電路；用HCSR04超聲波模塊實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射與接收。：2 系統(tǒng)最終方案通過各個(gè)模塊的分析和論證（詳細(xì)請看第三章），決定系統(tǒng)各模塊的最終方案如下：控制模塊：采用STC89S51單片機(jī)做主控制器；超聲波發(fā)射接收模塊：HCSR04超聲波模塊；顯示模塊：四位一體共陽極數(shù)碼管；報(bào)警模塊：蜂鳴器和發(fā)光LED；溫度補(bǔ)償模塊：DS18B20溫度傳感器芯片。數(shù)碼管顯示模塊DS18B20溫度補(bǔ)償模塊AT89C51單片機(jī)控制系統(tǒng)聲光報(bào)警模塊超聲波發(fā)射模塊超聲波接收模塊 系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體框圖 第三章 硬件設(shè)計(jì)超聲波測距儀主要由單片機(jī)控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、DS18B20模塊以及HCSR04模塊組成。本章節(jié)主要講述單片機(jī)各引腳功能、各模塊的設(shè)計(jì)原理圖或選擇方案等。 AT89C51單片機(jī)簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器。AT89C51主要特性 ●與MCS51 兼容●4K字節(jié)可編程閃爍存儲器●壽命：1000寫/擦循環(huán)●數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年●全靜態(tài)工作：0Hz24Hz●三級程序存儲器鎖定●128*8位內(nèi)部RAM●32可編程I/O線●兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器●5個(gè)中斷源●可編程串行通道●低功耗的閑置和掉電模式●片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 ●外形封裝：40腳PDIP AT89C51各引腳的含義和功能1. 電源引腳VCC和VSSVCC（Pin40）：電源端，正常工作電壓接電源+5V，~。GND：電源接地端。 AT89C51和AT89C2051的管腳圖2. XTAL1和XTAL2為外接晶振或外部振蕩器引腳XTAL1（Pin19）和XTAL2(Pin18)分別為STC89C52的片內(nèi)震蕩器反相放大器的輸入端和輸出端，同時(shí)，XTAL2也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。當(dāng)使用自激震蕩方式時(shí)，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率震蕩，即產(chǎn)生時(shí)鐘信號。3. 控制信號引腳（1） RST（Pin9）RST為單片機(jī)內(nèi)部CPU的復(fù)位信號輸入端。復(fù)位功能:當(dāng)單片機(jī)上電后，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期寬度以上的高電平，就會使單片機(jī)復(fù)位?？稍赗ST和VCC之間接一個(gè)10181。f的電容，RST再經(jīng)一個(gè)10KΩ的下拉電阻接地，就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上電自動復(fù)位。（2） ALE/（Pin30）ALE為低八位地址鎖存使能輸出和編程脈沖輸入端。地址鎖存使能輸出ALE：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存儲器時(shí)，外部存儲器的16為地址信號由P0口輸出低8位，P2口輸出高8位；而不用外部存儲器地址鎖存控制信號時(shí)，該引腳仍以時(shí)鐘震蕩頻率的1/6固定地輸出正脈沖，該信號可以用于外部計(jì)數(shù)或時(shí)鐘信號?？梢则?qū)動8個(gè)LS型TTL負(fù)載。在Flash 編程時(shí)，用于輸入編程脈沖。（3） （Pin29）為訪問外部程序存儲器讀選通信號，可以驅(qū)動8個(gè)LS型TTL負(fù)載，為外部程序存儲器控制信號。當(dāng)單片機(jī)訪問外部程序存儲器時(shí)，讀指令代碼，（Pin29）腳輸出兩個(gè)負(fù)脈沖選通信號；在執(zhí)行片內(nèi)程序存儲器讀取指令碼和讀寫外部數(shù)據(jù)時(shí)，不產(chǎn)生此信號。CPU在訪問外部程序存儲器時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期中，信號兩次有效。（4）/VPP（Pin31）為訪問外部或內(nèi)部程序存儲器選擇信號，在進(jìn)行Flash編程時(shí)，提供Flash編程電壓VPP。：當(dāng)=1時(shí)，CPU從片內(nèi)程序存儲器開始讀取指令；如果外部還有擴(kuò)展程序存儲器，則CPU在執(zhí)行完內(nèi)部程序存儲器程序后，自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器程序。當(dāng)=0時(shí)，CPU僅訪問片外程序存儲器。VPP：在對8952內(nèi)部EPROM編程時(shí)，此引腳應(yīng)接21V編程電源。4. 并行I/0口P0~P3口引腳（1） ~（Pin39~Pin32）P0口是一個(gè)8位漏極開路型雙向I/0端口，P0口可做為通用I/O口使用。在CPU訪問片外存儲器時(shí)，P0口自動做為地址/數(shù)據(jù)復(fù)用總線使用；定義為I/O端口時(shí)，需要外接上拉電阻，是準(zhǔn)雙向I/O口；在對EPROM編程時(shí)，由P0口輸入指令字節(jié)，在驗(yàn)證程序時(shí)，P0輸出指令字節(jié)（驗(yàn)證時(shí)應(yīng)接上拉電阻）。P0口能以吸收電流的方式驅(qū)動8個(gè)LS型TTL負(fù)載。（2） ~（Pin1~Pin8）P1口是8位準(zhǔn)雙向的并行I/O端口，當(dāng)需要某位先輸入的時(shí)候，應(yīng)該在輸入操作前，加一條輸出1的指令，然后再輸入才正確。P1口是內(nèi)部具有上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，能驅(qū)動4個(gè)TTL負(fù)載。對于AT89S52，P1端口的某些引腳還可以有第二功能。~。(3) ~（Pin21~Pin28）當(dāng)P2口用做高8位地址時(shí)，控制信號用電子模擬開關(guān)MUX接通地址端，高8位地址信號便加到輸出端口，從而實(shí)現(xiàn)9位地址的輸出。P2口做輸入輸出腳，為8位準(zhǔn)雙向并行的I/O口；當(dāng)P2用做普通I/O口時(shí)，P2口可以驅(qū)動4個(gè)LS型TTL負(fù)載。（4） ~（Pin10~Pin17）P3口是8位準(zhǔn)雙向并行的I/O口，一個(gè)具有第二變異功能且可位操作的端口。當(dāng)作為普通I/0端口時(shí)，P3口可以進(jìn)行位操作，是準(zhǔn)雙向端口，可以驅(qū)動4個(gè)LS型TTL負(fù)載。當(dāng)系統(tǒng)需要擴(kuò)展外部器件時(shí)，P3口可以作為第二功能使用。 P3端口的第二功能I/O端口第二功能名稱功能介紹RXD串行通信數(shù)據(jù)接收端口TXD串行通信數(shù)據(jù)發(fā)送端口外部中斷0請求端口外部中斷1請求端口T0定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部事件計(jì)數(shù)輸入端T1定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部事件計(jì)數(shù)輸入端外部數(shù)據(jù)存儲單元寫選通信號外部數(shù)據(jù)存儲單元讀選通信號 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成部分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要有STC89C51控制模塊，顯示模塊，超聲波發(fā)射接收模塊以及聲光報(bào)警模塊組成。 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)能夠工作的最小硬件組合。最小系統(tǒng)電路主要包括復(fù)位電路、電源、晶體振蕩器等。最小系統(tǒng)中，時(shí)鐘腳XTAL1和XTAL2外接12MHZ石英晶振并通過兩個(gè)22pf的電容接地，同時(shí)采用了手動加上電復(fù)位電路。復(fù)位電路中的電容和電阻的取值根據(jù)其充放電時(shí)間常數(shù)來定。例如圖3的最小系統(tǒng)中的充電時(shí)間常數(shù)=1010610103s=10ms,此時(shí)間常數(shù)足以使RST在保持為高電平的時(shí)間內(nèi)完成復(fù)位操作。P0口定義為I/O口時(shí)，需外接上拉電阻，為準(zhǔn)雙向I/O口。 數(shù)碼管顯示模塊數(shù)碼管顯示電路由一個(gè)四位一體的共陽數(shù)碼管、上拉電阻、PNP做開關(guān)組成。顯示電路是通過單片機(jī)控制，將距離的百位、十位、個(gè)位的十六進(jìn)制數(shù)送至P0口，經(jīng)過上拉電阻送到數(shù)碼管的數(shù)據(jù)輸入端，~。當(dāng)PNP導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的三極管控制的數(shù)碼管就會工作，從而數(shù)碼管就會顯示障礙物到傳感器的距離。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 超聲波發(fā)射接收模塊方案一：采用HCSR04型超聲波測距模塊HCSR04超聲波測距模塊能夠測量2cm400cm距離的障礙物，具有非接觸式距離感測功能，測量精度最大可達(dá)到3mm；此模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器以及控制電路。HCSR04的基本工作原理如下：（1）通過給TRIG一個(gè)至少10181。s的高電平，即可觸發(fā)IO口測距。（2）當(dāng)TRIG被觸發(fā)時(shí)，模塊自動發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，并自動檢測是否有信號