【正文】 摘要本設(shè)計采用以AT89S58單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接受子程序、顯示子程序、語音播報子程序等模塊組成。發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，接受模塊接受回波，單片機計算距離，顯示測量結(jié)果。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。超聲波測距今年來得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計的優(yōu)點在于超聲波明顯特征是方向性好，穿透性強。尤其是在光不透明的固體中，它碰到雜質(zhì)或分界面就有顯著地反射。用超聲波測距離時通過測量發(fā)射的超聲波與接受到被測物體反射的回波之間的時間差來確定的。關(guān)鍵詞：AT89S51，超聲波，測距目 錄第一章 緒論 1 1 1 1 1 1 研究現(xiàn)狀 3 3第二章 系統(tǒng)方案論證 4 4 4 4 4 5 6 6 7 7 7第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 9 AT89S51單片機的功能及特點 9 9 9 10 11 12 13 14 15 12864液晶資料 16 12864液晶基本特性 16 17 18 18 19第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計 20 20 20 22 24總 結(jié) 25致 謝 27參考文獻 28附錄一 超聲波測距電路原理圖 30附錄二 程序清單 31第一章 緒論隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前的急速水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)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(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)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，滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本：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求；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖拽線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；研制更適合與前還工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識別問題；搭理降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。毋庸置疑，無線的超聲波測距儀將于自動化智能化接軌，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(shù)進步，測距儀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。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，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間的許多不可預(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)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此，箱涵的排污疏通對打城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng)，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的意義。我國，關(guān)于超聲的大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項目已接近或達到了國際水平。中國測試技術(shù)研究所李茂山在《超聲波測距原理及實踐技術(shù)》中詳細地闡述了超聲波的測距原理，并給出了實現(xiàn)超聲波測距的具體框圖，并討論了影響超聲波測距精度的幾種原因。在本文中，他并未提及超聲波測距所需的一些具體電路，只是給出了測距一般所需的電路名稱，沒有提及各種電路間的匹配。1998年，曼內(nèi)斯德馬泰克(秦皇島)有限公司推出了一種數(shù)字式超聲波位移測量儀，李忠杰在《數(shù)字式超聲波位移測量儀的研究》一文中介紹了這種數(shù)字式超聲波位移測量儀的結(jié)構(gòu)，工作原理和功能，其數(shù)據(jù)處理借助于單板機，給出了程序框圖，對儀表的各部分硬件電路做了較詳細的說明，并列出了部分儀表的實測數(shù)據(jù)，并分析了誤差產(chǎn)生的原因。在此文中，給出了超聲波測距儀在對液壓缸位移進行測量時與其它位移傳感器的優(yōu)勢所在，并給出了單片機的程序框圖。中國科學(xué)院上海聲學(xué)實驗室的王潤田在《雙頻超聲波測距》一文中提出了一種雙頻超聲波測距的原理和方法，由于空氣對超聲波的吸收與超聲波的平方成正比，因此，用來測距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率越低，波長越長，測長的絕對誤差就越大，測距的范圍加大與測量精度實際上是一對矛盾。王潤田提出，為了在一個較長的范圍內(nèi)達到測距的精度，在測距時同時發(fā)射兩個頻率的超聲波，頻率較大的測較近的距離，頻率較小的測較長的距離，這樣在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的測距精度。而國外關(guān)于超聲波測距研究的主力是萊卡公司。1996萊卡Power型迪士通在日光下也能進行長距離測量。1998萊卡迪士通推出basic型產(chǎn)品。作為第二代的迪士通，它不僅代表了新的技術(shù)飛躍，在設(shè)計上也躍上新的臺階：多功能底座、電池供電、快速測距等無不體現(xiàn)了萊卡對創(chuàng)新的執(zhí)著。 1998萊卡迪士通推出memo和pro型，增加了數(shù)據(jù)存儲功能和應(yīng)用程序。再次引發(fā)測量技術(shù)革命。迪士通memo型能存儲1000個測量值，實現(xiàn)智能化的測量，pro型則答應(yīng)應(yīng)用相關(guān)的程序進行高精密測量，成為萊卡迪士通家族中頂級的手持激光產(chǎn)品。帶內(nèi)存的pro不光能直接用于測量，也能進行聯(lián)機操作。 1999萊卡迪士通第三代classic產(chǎn)品誕生。萊卡測量系統(tǒng)的手持激光測距儀取得了新的技術(shù)突破。classic3取代basic，仍舊沿襲著手持測距技術(shù)世界領(lǐng)先的地位。它保留了basic型諸如可靠、易于使用、精度高等使之成為行業(yè)首選產(chǎn)品的知名性能，又取得了要害性的進步：體積更小、重量更輕、測距更快和價格更優(yōu)。耐用、防水的classic3堪稱30m到100m乃至更遠距離測量應(yīng)用的理想工具。2001創(chuàng)新不斷，萊卡測量系統(tǒng)又創(chuàng)立了新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，率先在手持激光測距儀上采用字母數(shù)字單片機畢業(yè)論文式混合鍵盤。新一代迪士通成為迪士通發(fā)展歷程上新的里程碑。它包括四類產(chǎn)品：萊卡迪士通lite、迪士通classic迪士通pro4和迪士通pro4a。 2002測量從未如此簡單！萊卡測量系統(tǒng)推向市場的第五代迪士通產(chǎn)品中，新增了兩款獨特的型號，萊卡迪士通lite5和classci5。一鍵按發(fā)使測量變得前所未及的簡單便捷，單次測量時間用不到1秒！用lite 5，每項工作如測距、計算面積或體積都能用已明確定義的按鍵容易實現(xiàn)。classic5則以輕觸式的鍵盤和為方便長距離測量而內(nèi)置的望遠鏡給人留下深刻印象。事實上，作為多年的市場領(lǐng)先者，萊卡測量系統(tǒng)深得信賴。 研究現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術(shù)難度大成本高一般僅用于軍事工業(yè)而超聲波測距則由于其技術(shù)難度相對較低且成本低廉適于民用推廣。這項技術(shù)也可用于工業(yè)測量領(lǐng)域。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，因而超聲波常常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動測量和微機技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光芒、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機單片機畢業(yè)論文械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特殊是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很輕易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設(shè)計也是利用超聲波來測量距離。超聲波是指頻率高于20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。本設(shè)計主要是基于AT89S51芯片為核心的超聲波測距儀，74LS04組成的超聲波發(fā)射電路、并有超聲波處理模塊CX20106A、液晶顯示等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復(fù)位電路、LCD顯示電路語音播報電路。主要實現(xiàn)超聲波測距并指示功能。依據(jù)實際的測量精度要求添加溫度補償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實用。第二章 系統(tǒng)方案論證發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達被測物體是被反射返回，由接受器接受，其往返時間為t，有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(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)該通過溫度補償?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；超聲波接受器將接受到得超聲波信號經(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，再由軟件進行辨別、計算，得出距離數(shù)并送LCD顯示并送語音播報模塊播報。設(shè)計一個超聲波測距儀，要求：1) 具有超聲波測距功能，~177。1㎝。2) 具有測量距離數(shù)值無線傳輸功能。3) 實時顯示測量的距離，顯示格式為：。4) 漢字提醒顯示：~，顯示“危險距離”并用紅色LED燈指示；~，顯示“保持距離”，并用黃書LED燈指示；，顯示“安全距離”并用綠色LED燈指示。5) 具有實時語音播報功能，實時播報測量距離數(shù)值，格式：,實時播報時間間隔≤10s，實時播報聲音清晰明亮、無明顯失真，在1m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報要與顯示同步。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。，由單片機負責(zé)計時，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)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要求。根據(jù)設(shè)計任務(wù)、控制對象和現(xiàn)有條件本系統(tǒng)硬件電路采用由單片機最小系統(tǒng)、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路無線通信電路以及語音播報電路構(gòu)成。本超聲波測距儀的具體工作過程如下，單片機控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz的頻率信號來驅(qū)動超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個脈沖左右,當(dāng)?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后,計數(shù)器開始計數(shù),在檢測到第一個回波脈沖的瞬間,計數(shù)器停止計數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時間t 后,單片機讀取溫度值補償聲速,利用測距公式可計算出被測距離，同時由無線通信模塊將測量數(shù)據(jù)傳到下位機進行顯示和語音播報。系統(tǒng)總體框圖如圖所示。圖21 發(fā)射模塊圖22 接收模塊超聲波發(fā)生器可以分為兩類：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。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，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，另一端接收的直接波方式，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(shè)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(yīng)的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當(dāng)?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(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。因此超聲波接受傳感器應(yīng)該應(yīng)用集成電路CX20106A，CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(如圖23)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上顯示單元是計算機系統(tǒng)開發(fā)時