【正文】 項 ......................................................................12 接收電路設(shè)計 ...............................................................................................13 單片機(jī)顯示電路設(shè)計 ....................................................................................14 LCD 顯示部分 ........................................................................................18 報警部分 ................................................................................................19 本章小結(jié) ......................................................................................................19四、 軟件設(shè)計和測量結(jié)果分析 ..............................................................................20 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ...............................................................................................20 外部中斷子程序 ............................................................................................23 定時器中斷子程序 ........................................................................................25 實現(xiàn)重要功能的程序分析 .............................................................................26 實現(xiàn)溫度讀取功能 .................................................................................26 實現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速 ..........................................................................26 實現(xiàn)距離計算 ........................................................................................27 本章小結(jié) ......................................................................................................27五、 結(jié)論 ..............................................................................................................28致 謝 ................................................................................................................29參考文獻(xiàn) ................................................................................................................30一、緒論 課題研究的背景及意義近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波指的是 20kHz 以上的聲波。超聲波同樣遵循一般機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，比如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生折射及反射現(xiàn)象，進(jìn)入介質(zhì)后而被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(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?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品） 、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向） 。因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。國外超聲波測距儀技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品齊全，性能比較穩(wěn)定，市場需求量大，測量精度高，測量誤差小 [1]。 超聲檢測在國內(nèi)發(fā)展綜述在基于傳統(tǒng)的測距存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，一般的電極法是采用的差位分布電極，再通過電或脈沖來檢測液面，但是電極長時間浸泡在水中或其他液體中，容易被腐蝕或者電解，從而失去靈敏性。超聲波具有方向性好、強(qiáng)度大等特點，因此利用超聲波測距技術(shù)在工業(yè)控制、機(jī)器人定位、勘探測量和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [2]。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 [3]。通過簡單的外圍電路發(fā)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，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 本文主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)硬件部分由 AT89C51 控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路DS18B聲音報警電路和 LCD 顯示電路組成。汽車行進(jìn)時 LCD 顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過 AT89C51 數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到 LCD 上，如果距離小于設(shè)定值時，報警電路會鳴叫，提醒司機(jī)注意車距。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 11 系統(tǒng)設(shè)計總框圖由單片機(jī) AT89C51 編程產(chǎn)生 10us 以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)障礙物反射回來，超聲波接收頭接收此信號，然后通過接收電路的處理，指定接收口就變?yōu)榈碗娖剑x取單片機(jī)中定時器的值。由圖 12 時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在 T0 時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間 t，由此便可計算出距離。發(fā)射電路接收電路AT89C51LCDDS18B20報警電路圖 12 時序圖二、 超聲波測距原理與方法 超聲波簡介超聲波技術(shù)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)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。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。 超聲波的三種形式超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點振動方向、波的傳播方向一致；表面波，質(zhì)點振動介于縱波、橫波之間。橫波只能傳播在固體里，縱波能在氣體、液體和固體中傳播，表面波隨深度的增加而衰減更快。一般采用縱波形式的超聲波來測量各種狀態(tài)下的物理量。 超聲波的物理性質(zhì)(1) 超聲波的反射和折射當(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射和折射。(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚(yáng)聲場。 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，一般會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的伸張與壓縮，造成了壓力的變化，引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點的運(yùn)動，盡管位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以破壞介質(zhì)。(2) 空化作用流體動力學(xué)指出，在聲場作用下振動的液體中的微氣泡在達(dá)到一定聲壓值的時候，氣泡會迅速膨脹，之后就突然閉合，而在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程就叫做為空化 [4]。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 超聲波傳感器介紹總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是利用機(jī)械方式產(chǎn)生出超聲波，一類是利用電氣方式產(chǎn)生出超聲波。機(jī)械方式有液哨、氣流旋笛和加爾統(tǒng)笛等；電氣方式則包括電動型、磁致伸縮型和壓電型等。他們產(chǎn)生出的超聲波頻率、功率和聲波特性都各自不相同，因此用途也不盡相同，壓電式超聲波發(fā)生器是目前比較常用的發(fā)生器。實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片、一個共振板。當(dāng)壓電式超聲波發(fā)生器的兩極外加脈沖信號，頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率的時候，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波。相反，未在兩極間加電壓時，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動來轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下圖所示： 圖 21 傳感器的外部結(jié)構(gòu) 圖 22 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波的測距原理及結(jié)構(gòu)通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了，這與雷達(dá)測距原理相似。 比如超聲波發(fā)射器朝一方向發(fā)射出了超聲波，同時在發(fā)射時刻的計時，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時。 （超聲波在常溫下的空氣中的傳播速度為 340m/s，然后根據(jù)計時器記錄的時間t，就能計算出發(fā)射點和障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(21)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。V=+ (21)式中，V 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／s， T 為實際溫度單位為℃。超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，因此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即流體動力型與電聲型。流體動力型中包括有氣體、液體兩種類型的哨笛。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和磁致伸縮傳感器。壓電傳感器的探頭由楔塊、壓電晶片和接頭等組成。壓電材料可分為壓電陶瓷和晶體兩類。屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等，屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的變化 。相反，如果對它施以外力，由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。超聲波傳感器通常由雙壓電陶瓷片制成的。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價格低廉，非常適合于氣體和液體介質(zhì)。當(dāng)壓電陶瓷改變交流電壓的大小和方向，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形是與在一定范圍內(nèi)所施加的電壓大小和方向成比例的。即在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓，它就會產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動，以促進(jìn)這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。如果在壓電陶瓷片上，這將使得機(jī)械變形時，壓電陶瓷片的機(jī)械變形，產(chǎn)生與機(jī)械超聲波相同頻率的電信