【正文】 3。 12 總 結 13 致 謝 15 參考文獻 16 附 錄 一 超聲波測距電路原理圖 18 附 錄 二 超聲波測距電路 版圖 19 附 錄 三 程序清單 20 1 緒 論 Ⅰ .1 課題設計目的及意義 Ⅰ . 設計的目的 隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在 測距儀 中的應用越來越廣。但就目 前技術水平來說，人們可以具體利用的 測距 技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域 。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，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波 測距儀 將與自動化智能化接軌，與其他的 測距儀 集成和融合，形成多 測距 儀 。隨著 測距儀 的技術進步，測距儀 將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的 測距儀 將發(fā)揮更大的作用。 Ⅰ . 設計的意義 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時間住的許多不可預見因素，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。因此，經常出現(xiàn)開挖已經建設好的建筑設施來改造排水系統(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大城市給排水系統(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，設計好的 超聲波測距儀 就顯得非常重要了。這就是我設計超聲波測距儀 的意義。 Ⅰ .2 超聲波 測距儀 的設計思路 Ⅰ . 超聲波測距原理 [1， 2] 2發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關，下表列出了幾種不 同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 11 超聲波波速與溫度的關系表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 Ⅰ . 超聲波測距儀原理框圖如下圖 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，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，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 圖 11 超聲波測距儀原理框圖 Ⅰ .3 課題設計的任務和要求 設計一超聲波測距儀，任務： (1).了解超聲波測距原理。 (2).根據(jù)超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結構電路。 設計一超聲波測距儀，要求： (1).設計出超聲波測距儀的硬件結構電路。 (2).對設計的電路進行分析能夠產生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 (3).對設計的電路進行分析。 (4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。 超聲波發(fā)射器 放大電路 超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán) 檢波電路 定時器 單片機 控制 顯示器 31 課程的方案設計與論證 系統(tǒng)整體 方案 的 設計 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農業(yè)生產等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而 用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器。 系統(tǒng)整體方案的論證 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。此次設計采用反射波方式。 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，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?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頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。 42 系統(tǒng)的硬件結構設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統(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)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口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。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用 PNP三極管 8550 驅動。 51 系列單片機的功能特點及測距原理 [3~6] 51 系列單片機的功能特點 5l系列單片機中典型芯片 (AT89C51)采用 40引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內部由 CPU， 4kB的 ROM， 256 B的 RAM， 2個 16b 的定時／計數(shù)器 TO和 T1， 4個 8 b的工／ O端 I： IP0， P1， P2， P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的 Flash可編程、可擦除只讀存儲器 (E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖 21所示 。 5 5l系列單片機提供以下功能： 4 kB存儲器； 256 BRAM； 32條工／ O線； 2個 16b定時／計數(shù)器； 5個 2 級中斷源； 1個全雙向的串行口以及時鐘電路。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內容，振蕩 器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。 5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C為超聲波波速。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4個因素：超聲波的幅度、反射的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖 的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可 6采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C與溫度有關。 超聲波發(fā)射電路 [7] 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 22所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04和超聲波發(fā)射換能器 T構成，單片機 40kHz的方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級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)，用以提高驅動能力。上位電阻 R1O、 R11一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅動能力，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。 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，并帶動共振板振動產生超聲波，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，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉 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構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 圖 22 超聲波發(fā)射電路原理圖 7 超聲波檢測接收電路 [8， 9] 集成電路 CX20226A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 38 kHz與測距的超聲波頻率 40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路 (如圖 23)。實驗證明用 CX20226A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C4的大小，可以改變接收電路的靈 敏度和抗干擾能力。 圖 23 超聲波檢測接收電路 超聲波測距系統(tǒng)的 硬件 電路設計 本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用 AT89C51，經濟易用，且片內有 4K 的 ROM，便于編程。電路原理圖如圖 24 所示。其中只畫出前方測距電路的接線圖，左側和右側測距電路與前方測距電路相同，故省略之 。 812538764*LM3582 7 685431*LM5674 3 2 15 6 7 8*24C02*10K10K 10KXTAL1191011141521VCC402412XTAL218GND2023AT89C511KR?Res2220K22K10K30pF30PF104 1041041521uF1uF3 4 5 610 11 12 131497128*74ls1641K 1001 2 4 5 6 7 9 1038*2 位 LED 七段數(shù)碼管VCCVCCVCC20