【正文】 由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在空氣中傳播，遇到空氣與物體的界面后被反射，接收到回波信號后能得到超聲波傳播時間。根據(jù)其傳播速度和傳播時間計算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。 超聲波測距的優(yōu)越性超聲波測距屬于非接觸檢測的范疇,它在許多場合有接觸測量不可比擬的優(yōu)越性,同時與激光、紅外、無線電等其它非接觸性檢測相比,超聲檢測在一定距離范圍內(nèi)不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡單、成本低等特點設(shè)計一超聲波測距儀，任務(wù)：(1).了解超聲波測距原理。(2).根據(jù)超聲波測距原理，設(shè)計超聲波測距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。設(shè)計一超聲波測距儀，要求：(1).設(shè)計出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。(2).對設(shè)計的電路進行分析能夠產(chǎn)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(shè)計的電路進行分析。(4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。2方案選擇的論證和選擇：采用單片機來控制的超聲波測距儀采用單片機來控制的超聲波測距儀是先由單片機產(chǎn)生一個信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：原理框圖如21所示：開始測量超聲波信號開定時器關(guān)定時器數(shù)據(jù)運算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅(qū)動電路圖21采用單片機來控制的超聲波測距儀Fig21 Singlechip to control the ultrasonic range finder：采用CPLD來控制的超聲波測距儀采用CPLD來控制的超聲波測距儀，主要是在軟件上運用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫程序使用MAX+plus II軟件進行軟硬件設(shè)計的仿真和調(diào)試，最終實現(xiàn)測距功能。使用本方案的優(yōu)點在于在超聲波測距儀設(shè)計中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC8415的CPLD器件，可用于組合邏輯電路、時序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計。充分利用了其多達128個宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時平均的特點，保證了測距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來存儲波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計的成本較高。同時在FPGA中還要用硬件描述語言(VHDL語言)編寫程序來實現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC8415的算法復(fù)雜，所以在軟件實現(xiàn)起來編程也復(fù)雜。 方案設(shè)計三：采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，也可以實現(xiàn)我們所需要的超聲波測距儀。具體方案如下：首先通過頻率合成技術(shù)產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過信號線將采用鎖頻率相合成技術(shù)得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實現(xiàn)超聲波測距。它的優(yōu)點就是工作頻率可調(diào)，也可以達到很高的頻率分辨率；缺點是要求使用的濾波器通帶可變，實現(xiàn)很困難。它的原理如圖22所示：圖22 原理圖Fig22 Schematic與第二種方案相比，第一種使用的是單片機，編譯語言可以用C語言來實現(xiàn)，所以比較簡單，而第三種方法使用的濾波器通帶容易變化，實現(xiàn)起來就相對比較的困難，綜上所述，因此選擇第一種設(shè)計方案。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(guān)，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(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表From 21Ultrasonic velocity with temperature table溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386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；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(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，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。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圖23 超聲波測距儀原理框圖Fig 23 Block diagram of ultrasonic range finder3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計在前一章介紹的數(shù)字錄音原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際的情況和需要，從系統(tǒng)的任務(wù)和要求入手，開始對系統(tǒng)進行總體設(shè)計。 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計按照系統(tǒng)設(shè)計的功能的要求，初步確定設(shè)計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機主控芯片使用Atmel公司的AT89s52系列單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設(shè)計中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。接收電路使用三極管組成的放大電路，電路簡單。硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路四部分。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，從而減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的P0口，、,數(shù)碼管位驅(qū)運用PNP三極管8850三極管驅(qū)動。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內(nèi)部計時器T0計時，立即停止內(nèi)部計時器計時。單片機將測得的時間與聲速相乘再除以2即可得到測量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測得的結(jié)果顯示出來。由于傳感器的中心頻率是40KHZ，本系統(tǒng)采用的是高精度的12MHZ晶振，方波的周期為1/40ms，即25181。s。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于單片機系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機的時間分辨率是1181。s，所以只能產(chǎn)生半周期為12181。s或13181。s的方波信號。本系統(tǒng)在編程時選用了后者。超聲波發(fā)送部份為了簡化電路,沒加設(shè)置專門的超聲波驅(qū)動電路,，從而增加驅(qū)動電流，就直接驅(qū)動超聲波發(fā)送頭。理論上，驅(qū)電電壓只有5伏。超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： （1）擴散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋? （3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴重。另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要對其進行放大。接收到的信號加到BG1三極管、BG2三極管組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的進行放大。放大的信號通過檢波電路得到解調(diào)后的信號，即把多個方波波解調(diào)成多個大方波波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩二極管之間電容電壓。 數(shù)碼管驅(qū)動顯示顯示電路采用簡單實用的3位共陽LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機的P0口，、,數(shù)碼管位驅(qū)運用PNP三極管8850三極管驅(qū)動。軟件編程實現(xiàn)動態(tài)顯示，并且軟件消影。 所用主要元器件簡介 AT89s52單片機主要性能（1）與MCS51單片機產(chǎn)品兼容（2）8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器（3） 1000次擦寫周期（4） 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz（5）32個可編程I/O口線（6）三個16位定時器/計數(shù)器（7）八個中斷源（8）全雙工UART串行通道（9）l 低功耗空閑和掉電模式（10）掉電后中斷可喚醒（11） 看門狗定時器 圖31 AT89S52管腳圖 Fig31 AT89S52 Pin map功能特性描述AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標準功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。圖32 單片機最小系統(tǒng)Fig32 Smallest singlechip system超聲波測距單片機系統(tǒng)主要由：AT89S52單片機、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部份構(gòu)成。數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)數(shù)碼管由7 個發(fā)光二極管組成,行成一個日字形,它門可以共陰極,也可以共陽極，通過解碼電路得到的數(shù)碼接通相應(yīng)的發(fā)光二極而形成相應(yīng)的字,這就是它的工作原理。基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由7 個條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實現(xiàn)數(shù)字0～9及少量字符的顯示。另外為了顯示小數(shù)點，增加了1 個點狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個LED 組成，我們分別把這些發(fā)光二極管命名為a，b，c，d，e，f，g，dp。數(shù)碼管按各發(fā)光二極管電極的連接方式分為共陽數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種?！　」碴帞?shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管。共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM 接到地線GND 上，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖3 所示?！　」碴枖?shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管。共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM 接到+5V，當(dāng)某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陽數(shù)碼管內(nèi)部連接如下圖： 圖33 數(shù)碼管 Fig33 Digital數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們