【正文】 式，在物位測(cè)量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點(diǎn)檢測(cè)控制，不易進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。D. 超聲波測(cè)量法超聲波測(cè)距的基本原理是，由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，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(hào)后能得到超聲波傳播時(shí)間。根據(jù)其傳播速度和傳播時(shí)間計(jì)算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。 超聲波測(cè)距的優(yōu)越性超聲波測(cè)距屬于非接觸檢測(cè)的范疇,它在許多場(chǎng)合有接觸測(cè)量不可比擬的優(yōu)越性,同時(shí)與激光、紅外、無(wú)線電等其它非接觸性檢測(cè)相比,超聲檢測(cè)在一定距離范圍內(nèi)不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，任務(wù)：(1).了解超聲波測(cè)距原理。(2).根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，要求：(1).設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。(2).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。(3).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。(4).以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。2方案選擇的論證和選擇：采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)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(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：原理框圖如21所示：開(kāi)始測(cè)量超聲波信號(hào)開(kāi)定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器接收檢測(cè)電聲換能器電聲換能器驅(qū)動(dòng)電路圖21采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀Fig21 Singlechip to control the ultrasonic range finder：采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，主要是在軟件上運(yùn)用VHDL（Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫(xiě)程序使用MAX+plus II軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)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(shí)序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)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(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在FPGA中還要用硬件描述語(yǔ)言(VHDL語(yǔ)言)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC8415的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)編程也復(fù)雜。 方案設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)我們所需要的超聲波測(cè)距儀。具體方案如下：首先通過(guò)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過(guò)信號(hào)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(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距。它的優(yōu)點(diǎn)就是工作頻率可調(diào)，也可以達(dá)到很高的頻率分辨率；缺點(diǎn)是要求使用的濾波器通帶可變，實(shí)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(jī)，編譯語(yǔ)言可以用C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)，所以比較簡(jiǎn)單，而第三種方法使用的濾波器通帶容易變化，實(shí)現(xiàn)起來(lái)就相對(duì)比較的困難，綜上所述，因此選擇第一種設(shè)計(jì)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(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=vt/2即可算出被測(cè)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(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)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(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)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(shí)器單片機(jī)控制顯示器圖23 超聲波測(cè)距儀原理框圖Fig 23 Block diagram of ultrasonic range finder3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)在前一章介紹的數(shù)字錄音原理的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的情況和需要，從系統(tǒng)的任務(wù)和要求入手，開(kāi)始對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用Atmel公司的AT89s52系列單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)單。硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)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(shí)鐘頻率，從而減小測(cè)量誤差。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P0口，、,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管8850三極管驅(qū)動(dòng)。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過(guò)接收電路處理后。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0計(jì)時(shí)，立即停止內(nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間與聲速相乘再除以2即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯示出來(lái)。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(shí)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(jī)系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機(jī)的時(shí)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(hào)。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者。超聲波發(fā)送部份為了簡(jiǎn)化電路,沒(méi)加設(shè)置專門(mén)的超聲波驅(qū)動(dòng)電路,，從而增加驅(qū)動(dòng)電流，就直接驅(qū)動(dòng)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(shí)，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(kuò)散衰減:超聲波在傳播過(guò)程中，由于聲束的擴(kuò)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(qiáng)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(guò)程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，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(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)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(lái)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(duì)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(shuō)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(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來(lái)表示聲波的衰減。由于反射回來(lái)的超聲波信號(hào)非常微弱，所以接收電路需要對(duì)其進(jìn)行放大。接收到的信號(hào)加到BG1三極管、BG2三極管組成的兩級(jí)放大器上進(jìn)行放大。每級(jí)放大器的進(jìn)行放大。放大的信號(hào)通過(guò)檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)，即把多個(gè)方波波解調(diào)成多個(gè)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(hào)即兩二極管之間電容電壓。 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P0口，、,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管8850三極管驅(qū)動(dòng)。軟件編程實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示，并且軟件消影。 所用主要元器件簡(jiǎn)介 AT89s52單片機(jī)主要性能（1）與MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容（2）8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器（3） 1000次擦寫(xiě)周期（4） 全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz（5）32個(gè)可編程I/O口線（6）三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（7）八個(gè)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(mén)狗定時(shí)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(chǔ)器。使用Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)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(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)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(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。圖32 單片機(jī)最小系統(tǒng)Fig32 Smallest singlechip system超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)主要由：AT89S52單片機(jī)、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(gè)發(fā)光二極管組成,行成一個(gè)日字形,它門(mén)可以共陰極,也可以共陽(yáng)極，通過(guò)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?；镜陌雽?dǎo)體數(shù)碼管是由7 個(gè)條狀的發(fā)光二極管（LED）按圖1 所示排列而成的，可實(shí)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(diǎn)，增加了1 個(gè)點(diǎn)狀的發(fā)光二極管，因此數(shù)碼管就由8 個(gè)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(yáng)數(shù)碼管和共陰數(shù)碼管兩種。　　共陰數(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(shí)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(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陽(yáng)極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管內(nèi)部連接如圖3 所示。　　共陽(yáng)數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到一起形成公共陽(yáng)極(COM)的數(shù)碼管。共陽(yáng)數(shù)碼管在應(yīng)用時(shí)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(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。當(dāng)某一字段的陰極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就不亮。共陽(yáng)數(shù)碼管內(nèi)部連接如下圖： 圖33 數(shù)碼管 Fig33 Digita