【正文】 第一章 緒論 課題設計目的及意義 設計的目的隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的測距技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產(chǎn)業(yè)領域。展望未來，超聲波測距儀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)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；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識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術進步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學習功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 設計的意義超聲波測距系統(tǒng)主要應用于汽車的倒車雷達、機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等場合。因此研究超聲波測距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實意義。對本課題的研究與設計，還能進一步提高自己的電路設計水平，深入對單片機的理解和應用。 超聲波測距儀的設計思路 超聲波測距原理發(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，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，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?11 超聲波波速與溫度的關系表溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m／s）313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波測距儀原理框圖如下圖單片機發(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，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檢波電路定時器 單片機 控制 顯示器圖 11 超聲波測距儀原理框圖 課題設計的任務和要求設計一超聲波測距儀，任務：(1).了解超聲波測距原理。(2).根據(jù)超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。設計一超聲波測距儀，要求：(1).設計出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。(2).對設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).對設計的電路進行分析。(4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。第二章 課程的方案設計與論證 系統(tǒng)整體方案的設計由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(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。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，驅(qū)動信號用單片機的定時器。 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收，直接接收波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動。 51 系列單片機的功能特點及測距原理 51 系列單片機的功能特點 5l 系列單片機中典型芯片(AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個 16b 的定時／計數(shù)器 TO 和 T1，4 個 8 b 的工／O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖 31 所示。 5l 系列單片機提供以下功能：4 kB 存儲器；256 BRAM；32 條工／O 線；2 個16b 定時／計數(shù)器；5 個 2 級中斷源；1 個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，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)的最大可測距離存在 4 個因素：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。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最