【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件,利用反射超聲波測(cè)量待測(cè)距離。在介紹了單片機(jī)性能和特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了超聲波測(cè)距的發(fā)展及基本原理，介紹了傳感器的原理及特性。由此提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。然后簡(jiǎn)要介紹了利用51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀的原理:單片機(jī)發(fā)出的超聲波，通過(guò)換能器發(fā)射出去，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，計(jì)算此超聲波從發(fā)射出到接受的時(shí)間差從而得出被測(cè)物體到測(cè)距儀的距離。針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測(cè)、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案做了論證。設(shè)計(jì)了一種基于8051單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。介紹了超聲波測(cè)距的原理及8051單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距方案的系統(tǒng)框圖及軟、硬件設(shè)計(jì)。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)，常用于距離的測(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，且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，具有一定的實(shí)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：超聲波；8051單片機(jī)；測(cè)距目錄1 引 言 42 微控制器MC9S12DG128B 83 DS18B20溫度補(bǔ)償電路 104 超聲波傳感器 125 集成電路CX20106A簡(jiǎn)介 146 超聲波傳感器測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì) 18 硬件電路設(shè)計(jì)方法 19 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng) 20 FPGA內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì) 21 發(fā)射電路 23 23 24 267 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 278 LED動(dòng)態(tài)掃描顯示電路 299 提高敏感器件抗干擾性能 31 34 36 37 多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實(shí)現(xiàn) 41結(jié)論 43致謝 44參考文獻(xiàn) 451 引 言近年來(lái)，隨著單片機(jī)在我國(guó)的推廣，以其簡(jiǎn)單實(shí)用、功能強(qiáng)、體積小而日益廣泛的被廣大設(shè)計(jì)師采用，尤其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用更為突出。本文論述了采用單片機(jī)技術(shù)研制成功的智能距離提示器的原理與方法。該智能距離提示器主要是利用超聲波探測(cè)傳感器發(fā)送超聲波來(lái)測(cè)試相對(duì)應(yīng)的距離。工作時(shí)，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來(lái)的反射波后，也向單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。最后由單片機(jī)裝置對(duì)接受信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出該智能距離提示器離障礙物之間的距離。該超聲波智能距離提示器具有測(cè)距原理簡(jiǎn)單，成本低，制作方便易于實(shí)時(shí)控制，并且在精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求等特點(diǎn)。　超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩 ,傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一 ,、光照度、外界光線(xiàn)和電磁場(chǎng)不敏感 ,因此超聲測(cè)距對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力 ,在液位測(cè)量、機(jī)器人避障和定位、倒車(chē)?yán)走_(dá)、物體識(shí)別等方面有著廣泛的運(yùn)用。由于超聲傳播不易受干擾 , 能量消耗緩慢 , 在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn) , 因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量. 本文以超聲波理論為依據(jù)，給出日常生活中可以方便 使用的非接觸式超聲波測(cè)距裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程。單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，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(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)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(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示。圖11超聲波測(cè)距電路表1 溫度與波速的關(guān)系表溫度/℃20100102030100波速/m/s319325323338344349386由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。所以列出了幾種不同溫度下的波速,請(qǐng)看表1所示。在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高了測(cè)量精確度。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。超聲波發(fā)生器在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波信號(hào)，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器接收到。只要計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到接收到回波信號(hào)的時(shí)間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計(jì)算出距被測(cè)物體的距離：　　d=s/2=(vt)/2 （1）其中d為被測(cè)物到測(cè)距儀之間的距離，s為超聲波往返通過(guò)的路程，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，t為超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系：　　v=+ （2）式中，T為實(shí)際溫度(℃)，v的單位為m/s。 壓電式超聲波傳感器的原理目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生的超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)即為超聲波接收器。 反射式超聲波測(cè)距儀的硬件電路設(shè)計(jì)　本系統(tǒng)硬件電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路構(gòu)成，如圖12所示。圖12本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下，在單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)后，MC9S12DG128B產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)，控制外圍電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為40kHz的超聲波。同時(shí)，計(jì)數(shù)MC9S12DG128B內(nèi)部的定時(shí)器，測(cè)量超聲波信號(hào)從發(fā)出到接收所花的時(shí)間，并把經(jīng)超聲波換能器R接收到的超聲波信號(hào)放大、濾波、整形，并作為接收信號(hào)來(lái)啟動(dòng)定時(shí)器的輸入捕捉功能，完成一次超聲波測(cè)距的時(shí)間操作。同時(shí)，由溫度傳感器DS18B20測(cè)得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機(jī)，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測(cè)量值以及當(dāng)前溫度。2 微控制器MC9S12DG128BMC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的S12控制器中的一款16位微控制器。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括SPI、SCI、I2C、A/D、PWM等，在FLASH存儲(chǔ)控制及加密方面有較強(qiáng)的功能。MC9S12DG128B微控制器采用增強(qiáng)型16位S12 CPU，片內(nèi)總線(xiàn)時(shí)鐘頻率最高可達(dá)25MHz；片內(nèi)資源包括8kB RAM、128kB FLASH、2kB EEPROM、SCI、SPI及PWM串行接口模塊；PWM模塊可設(shè)置成4路8位或2路16位，可寬范圍選擇時(shí)鐘頻率；它還提供2個(gè)8路10位精度A/D轉(zhuǎn)換器、控制器局域網(wǎng)CAN和增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式（BDM）。 超聲波的發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器T、40kHz的超音頻振蕩器、驅(qū)動(dòng)（或激勵(lì)）電路等組成，本設(shè)計(jì)利用門(mén)電路產(chǎn)生40kHz的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見(jiàn)圖21。圖21超聲波發(fā)射電路　圖中，與非門(mén)74LS00和LM386組成超聲波發(fā)射電路，用74LS00構(gòu)成多諧振蕩器，通過(guò)調(diào)節(jié)20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的40kHz信號(hào)，其中U3A為驅(qū)動(dòng)器，電路振蕩頻率f≈1/，單片機(jī)的控制信號(hào)由U2A輸入。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放LM386，發(fā)射距離可達(dá)4m。 超聲波的接收電路超聲波接收電路如圖22所示。接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的超聲波接收器R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的CMOS電平的6非門(mén)芯片CD4069，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。整形后的信號(hào)由C1耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567的輸入端3腳，當(dāng)輸入信號(hào)的幅度落在其中心頻率上時(shí)，LM567的邏輯輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?。圖22超聲波的接收電路3 DS18B20溫度補(bǔ)償電路　根據(jù)上文中式可知，溫度對(duì)聲速的影響較大，若不進(jìn)行補(bǔ)償，將會(huì)帶來(lái)測(cè)量誤差，為了提高系統(tǒng)的測(cè)量精度，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償電路。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來(lái)采集溫度，DS18B20是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的1wire總線(xiàn)串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、抗干擾能力強(qiáng)、易于與微處理器接口等優(yōu)點(diǎn)，適合于各種溫度測(cè)控系統(tǒng)。它的測(cè)量溫度范圍為55℃~+125℃，℃，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為200ms。數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號(hào)直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，然后通過(guò)串行通信的方式輸出。因此掌握DS18B20的通信協(xié)議是使用該器件的關(guān)鍵。該協(xié)議定義了幾種信號(hào)類(lèi)型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時(shí)隙；寫(xiě)“0”、讀“1”時(shí)隙，讀“0”、讀“1”時(shí)隙。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節(jié)的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)際溫度的值，利用式（2）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。 液晶顯示電路字符點(diǎn)陣系列模塊是一類(lèi)專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型顯示模塊。分4位和8位數(shù)據(jù)傳輸方式。它提供57點(diǎn)陣+光標(biāo)和510點(diǎn)陣+光標(biāo)的顯示模式。提供顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)DDRAM、字符發(fā)生器CGROM和字符發(fā)生器CGRAM，可以使用CGRAM來(lái)存儲(chǔ)自己定義的最多8個(gè)58點(diǎn)陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)。它提供了豐富的指令設(shè)置：清顯示，光標(biāo)回原點(diǎn)，顯示開(kāi)/關(guān)，光標(biāo)開(kāi)/關(guān)，顯示字符閃爍，光標(biāo)移位，顯示移位等。提供內(nèi)部上電自動(dòng)復(fù)位電路，當(dāng)外加電源電壓超過(guò)+，自動(dòng)對(duì)模塊進(jìn)行初始化操作，將模塊設(shè)置為默認(rèn)的顯示工作狀態(tài)。OCM2X16顯示兩行字符，每行可以顯示16個(gè)字符。本設(shè)計(jì)采用OCM2X16，顯示兩行字符，一行顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，一行顯示所測(cè)距離。圖31液晶顯示電路 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時(shí)器計(jì)時(shí)子程序、計(jì)算子程序、液晶顯示子程序等。主程序包括初始化和各個(gè)子程序的調(diào)用，最后把測(cè)量結(jié)果用液晶顯示屏顯示出來(lái)。圖32系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)圖4 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類(lèi)，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類(lèi)型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱(chēng)也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱(chēng)作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱(chēng)為“哨” 或“笛” 。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類(lèi)。屬于晶體的如石英，鈮