【正文】 信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。通過(guò)計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間差，從而通過(guò)計(jì)算得到實(shí)測(cè)距離。并用 LM1602 液晶顯示器顯示距離。 整個(gè)硬件電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、顯示電路等模塊組成。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn) 超聲波測(cè)距儀 的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統(tǒng) 構(gòu)成、電路原理及程序設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)距準(zhǔn)確度高、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。但在準(zhǔn)確度方面，測(cè)量準(zhǔn)確度高，可以精確到厘米，達(dá)到了預(yù)期的測(cè)量準(zhǔn)確度。 關(guān)鍵詞 ： AT89C52 超聲波 測(cè)距 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 ABSTRACT The design introduces the principle of the ultrasonic distance measurement instrument based on SCMCcontrolled: AT89C52controls timers to produce the ultrasonic wave pulse and electrical signals into the ultrasonic signal. Ultrasonic wave is spread in the air medium, and ultrasonic returned when faced with obstacles, MCU receives the returned ultrasonic, ultrasonic signal can be converted to electrical the time of ultrasonic wave spontaneous emission to receive roundtrip,thus obtains the measured with four LM1602 nixie tubes display distance or temperature by switching. The entire hardware circuit is posed by ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, the power circuit, display circuit, and other modules. The probe signals are integrated analysised by SCMC to achieve the various functions of ultrasonic distance measurement instrument. Based on this has designed system39。s overall concept, final adoption of hardware and software to achieve the various functional modules. The relevant parts have the hardware schematics and process flow has given the system constitution, the circuitry and the programming. The instrument system has features: ease of control, stability of operation, highness of precision and distinctness of programme process ,etc. After the realization of the works can be used for needs of the various parameters measured distance applications. As a laboratory range, high measurement accuracy, can be accurate to cm, to achieve the desired accuracy. Keywords:AT89C52。 Ultrasonic Wave。 Measure Distance 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 1 章 緒論 課題研究的背景 人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)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(shí)間住的許多不可預(yù)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(lái)改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來(lái)了困擾，因此箱涵的排污疏通對(duì)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(shè)計(jì)研制箱涵排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制的核心部分。控制系統(tǒng)核心部 分就是超聲波測(cè)距儀的研制 。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，超聲波傳感器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(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè) 和識(shí)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(biāo)識(shí)別問(wèn)題。毋庸置疑，未來(lái)的超聲波傳感器將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的傳感器集成和融合，形成多傳感器。隨著傳感器的技術(shù)進(jìn)步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力 [1]。 課題研究的意義 在現(xiàn)實(shí)生活中，一些傳統(tǒng)的距離測(cè)量方式在某些特殊場(chǎng)合存在不可克服的缺陷，例如，液面測(cè)量就是一個(gè)距離測(cè)量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過(guò)給電或脈沖檢測(cè)液面，電極長(zhǎng)期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐蝕、電解，從而失去靈敏性。而利用 超聲波測(cè)量距離可以很好地解決這一問(wèn)題。目前市面上常見的超聲波測(cè)距系統(tǒng)不僅價(jià)格昂貴，體積過(guò)大而且精度也不高等種種因素，使得在一些中小規(guī)模的應(yīng)用領(lǐng)域中難以得到廣泛的應(yīng)用。為解決這一系列難題，本文設(shè)計(jì)了一款基于 AT89C51單片機(jī)的低成本、高精度、微型化的超聲波測(cè)距儀 [2]。 論文結(jié)構(gòu) 論文首先對(duì)課題的背景和意義進(jìn)行闡述，并概述了論文結(jié)構(gòu)。 第 2 章先就超聲波測(cè)距的原理進(jìn)行介紹。 第 3 章針對(duì)本文采用的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了可行性的論證，并介紹了設(shè)計(jì)中需要用到的主要器件，且因其在本設(shè)計(jì)的作用不同而詳盡程序亦不同。 第 4 章從整體硬件設(shè)計(jì)出發(fā)，對(duì)各部分電路進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。 齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 5 章先給出了軟件設(shè)計(jì)的整體流程圖，并且給出了程序編譯及系統(tǒng)仿真效果圖。 第 2 章 超聲波測(cè)距原理 超聲波簡(jiǎn)介 我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為 20～ 20200 赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于 20200 赫茲或小于 20 赫茲時(shí)，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20200 赫茲的聲波稱為 “ 超聲波 ”。 通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為 1～ 5 兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng) ，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)?？捎糜跍y(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學(xué) ， 軍事 ， 工業(yè) ， 農(nóng)業(yè)上有明顯的作用 [3]。 理論研究表明 ， 在振幅相同的條件下 ， 一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比 ，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí) ， 介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高 ， 因而能量很大 。 在我國(guó)北方干燥的冬季 ， 如果把超聲波通入水罐中 ， 劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴 ， 再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi) ， 就可以增加室內(nèi)空氣濕度 [4]。 這就是超聲波加濕器的原理 。對(duì)于咽喉炎 、 氣管炎等疾病 ， 藥品很難血流到打患病的部位 。 利用加濕器的原理 ， 把藥液霧化 ， 讓病人吸入 ， 能夠療效 。 利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎 [1]。 超聲波測(cè)距原理 超聲波是利用反射的原理測(cè)量距離的，被測(cè)距離一端為超聲波傳感器，另一端必須有能反射超聲波的物體。測(cè)量距離時(shí)，將超聲波傳感器對(duì)準(zhǔn)反射物發(fā)射超聲波，并開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播到達(dá)障礙物后被反射回來(lái)，傳感器接收到反射脈沖后立即停止計(jì)時(shí)，然后根據(jù)超聲波的傳播速度和計(jì)時(shí)時(shí)間就能計(jì)算出兩端的距離 [5]。測(cè)量距離 D 為 ctD 21? （ 21） 式中 c—— 超聲波的傳播速度； t21 —— 超聲波發(fā)射到接收所需時(shí)間的一半，也就是單程傳播時(shí)間。 由上式可知，距離的測(cè)量精度主要取決于計(jì)時(shí)精度和傳播速度兩方面。計(jì)時(shí)精度由單片機(jī)定時(shí)器決定，定時(shí)時(shí)間為機(jī)器周期與計(jì)數(shù)次數(shù)的乘積，可選用 12MHz 的晶振，使機(jī)器周期為精確的 1181。s,不會(huì)產(chǎn)生累積誤差，使定時(shí)間達(dá)到 1181。s。超聲波的傳播速度 c齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 并不是固定不變的，傳播速度受空氣密度、溫度和氣體分子成分的影響。 超聲波 在空氣中傳播時(shí)，受溫度影響最大 [2]，如表 21 所示 溫度越高，傳播速度越快，而且不同溫度下傳播速度差別非常大，例如 0℃時(shí)的速度為 332m/s， 30℃時(shí)的速度為 350m/s，相差 18m/s。因此，需要較高的測(cè)量精度時(shí)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償是最有效的措施。對(duì)測(cè)量精度要求不高時(shí)，可認(rèn)為超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s[6]。 表 21 超聲波傳播速度與溫度關(guān)系表 項(xiàng)目 數(shù)值 溫度 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 100 聲速 /( m?s) 313 319 325 332 338 344 350 356 361 367 388 第 3 章 方案論證 設(shè)計(jì)思路 測(cè)量距離方法有很多種，短距離可以用尺，遠(yuǎn)距離有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中傳播速度為 米 /秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 目前比較普遍的測(cè)距的原理：通過(guò)發(fā)射具有特征頻率的超聲波對(duì)被攝目標(biāo)的探測(cè)，通過(guò)發(fā)射出特征頻率的超聲波和反射回接受到特征頻率的超聲波所用的時(shí)間，換算出距離，如超聲波液位物位傳感器，超聲波探頭 ，適合需要非接觸測(cè)量場(chǎng)合，超聲波測(cè)厚，超聲波汽車測(cè)距告警裝置等 [7]。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測(cè)量的理想手段。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。通過(guò)分析超聲波測(cè)距誤差產(chǎn)生的原因，提高測(cè)量時(shí)間差到微秒 級(jí)，我們?cè)O(shè)計(jì)的高精度超聲波測(cè)距儀能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度 [3]。 目前超聲波測(cè)距已得到廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)各種測(cè)距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機(jī)為核心的測(cè)距儀器可以實(shí)現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測(cè)、顯示、報(bào)警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、可靠。以 8052 為內(nèi)核的單片機(jī)系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件齊全、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。尤其值得一提的是，出 8 位 CPU外，還具備一個(gè)很強(qiáng)的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的位微計(jì)算機(jī)，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM齊魯工業(yè)大學(xué) 2020 屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 （ EPROM），位尋址寄存器、 I/O 口和指令集。所以， 8052 是雙 CPU的單片機(jī)。位處理在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過(guò)程測(cè)控等方面極為有效；而 8 位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有明顯長(zhǎng)處 [8]。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用 AT89C52 單片機(jī)作為主控制器，它控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開始時(shí)間及脈寬，響應(yīng)回波時(shí)刻并測(cè)量、計(jì)數(shù)發(fā)射至往返的時(shí)間差。利用軟件產(chǎn)生超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波；超聲波信號(hào)的 接收 采用鎖相環(huán) LM567 對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行頻率監(jiān)視和控制。一旦探頭接 到回波，若接收到的信號(hào)頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由 RC值決定），則其輸出引腳的電平將從“ 1”變?yōu)椤?0”（此時(shí)鎖相環(huán)已進(jìn)入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機(jī)對(duì)接收探頭的接收情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。 可對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并采用溫度補(bǔ)償，使測(cè)量誤差降到更低限度； AT89C51 還控制顯示電路，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)結(jié)