【正文】 摘要本設(shè)計(jì)采用以AT89S58單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，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(yǔ)音播報(bào)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(jī)計(jì)算距離，顯示測(cè)量結(jié)果。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。超聲波測(cè)距今年來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于超聲波明顯特征是方向性好，穿透性強(qiáng)。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(cè)距離時(shí)通過(guò)測(cè)量發(fā)射的超聲波與接受到被測(cè)物體反射的回波之間的時(shí)間差來(lái)確定的。關(guān)鍵詞：AT89S51，超聲波，測(cè)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(jì) 9 AT89S51單片機(jī)的功能及特點(diǎn) 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(jì) 20 20 20 22 24總 結(jié) 25致 謝 27參考文獻(xiàn) 28附錄一 超聲波測(cè)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(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前的急速水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(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)，超聲波測(cè)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(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本：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)施全隱蔽攻擊的需求；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖拽線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合與前還工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；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(wú)線的超聲波測(cè)距儀將于自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)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(cè)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(shí)間的許多不可預(yù)見(jiàn)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(kāi)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)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(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?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的意義。我國(guó)，關(guān)于超聲的大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項(xiàng)目已接近或達(dá)到了國(guó)際水平。中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究所李茂山在《超聲波測(cè)距原理及實(shí)踐技術(shù)》中詳細(xì)地闡述了超聲波的測(cè)距原理，并給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的具體框圖，并討論了影響超聲波測(cè)距精度的幾種原因。在本文中，他并未提及超聲波測(cè)距所需的一些具體電路，只是給出了測(cè)距一般所需的電路名稱，沒(méi)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(cè)量?jī)x，李忠杰在《數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x的研究》一文中介紹了這種數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x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(jī)，給出了程序框圖，對(duì)儀表的各部分硬件電路做了較詳細(xì)的說(shuō)明，并列出了部分儀表的實(shí)測(cè)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(cè)距儀在對(duì)液壓缸位移進(jìn)行測(cè)量時(shí)與其它位移傳感器的優(yōu)勢(shì)所在，并給出了單片機(jī)的程序框圖。中國(guó)科學(xué)院上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的王潤(rùn)田在《雙頻超聲波測(cè)距》一文中提出了一種雙頻超聲波測(cè)距的原理和方法，由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波的平方成正比，因此，用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)長(zhǎng)的絕對(duì)誤差就越大，測(cè)距的范圍加大與測(cè)量精度實(shí)際上是一對(duì)矛盾。王潤(rùn)田提出，為了在一個(gè)較長(zhǎng)的范圍內(nèi)達(dá)到測(cè)距的精度，在測(cè)距時(shí)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻率的超聲波，頻率較大的測(cè)較近的距離，頻率較小的測(cè)較長(zhǎng)的距離，這樣在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)距精度。而國(guó)外關(guān)于超聲波測(cè)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(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)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(jì)上也躍上新的臺(tái)階：多功能底座、電池供電、快速測(cè)距等無(wú)不體現(xiàn)了萊卡對(duì)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(chǔ)功能和應(yīng)用程序。再次引發(fā)測(cè)量技術(shù)革命。迪士通memo型能存儲(chǔ)1000個(gè)測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)智能化的測(cè)量，pro型則答應(yīng)應(yīng)用相關(guān)的程序進(jìn)行高精密測(cè)量，成為萊卡迪士通家族中頂級(jí)的手持激光產(chǎn)品。帶內(nèi)存的pro不光能直接用于測(cè)量，也能進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作。 1999萊卡迪士通第三代classic產(chǎn)品誕生。萊卡測(cè)量系統(tǒng)的手持激光測(cè)距儀取得了新的技術(shù)突破。classic3取代basic，仍舊沿襲著手持測(cè)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(jìn)步：體積更小、重量更輕、測(cè)距更快和價(jià)格更優(yōu)。耐用、防水的classic3堪稱30m到100m乃至更遠(yuǎn)距離測(cè)量應(yīng)用的理想工具。2001創(chuàng)新不斷，萊卡測(cè)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(cè)距儀上采用字母數(shù)字單片機(jī)畢業(yè)論文式混合鍵盤(pán)。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(cè)量從未如此簡(jiǎn)單！萊卡測(cè)量系統(tǒng)推向市場(chǎng)的第五代迪士通產(chǎn)品中，新增了兩款獨(dú)特的型號(hào)，萊卡迪士通lite5和classci5。一鍵按發(fā)使測(cè)量變得前所未及的簡(jiǎn)單便捷，單次測(cè)量時(shí)間用不到1秒！用lite 5，每項(xiàng)工作如測(cè)距、計(jì)算面積或體積都能用已明確定義的按鍵容易實(shí)現(xiàn)。classic5則以輕觸式的鍵盤(pán)和為方便長(zhǎng)距離測(cè)量而內(nèi)置的望遠(yuǎn)鏡給人留下深刻印象。事實(shí)上，作為多年的市場(chǎng)領(lǐng)先者，萊卡測(cè)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(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)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(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低且成本低廉適于民用推廣。這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波常常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測(cè)距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)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(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)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(cè)量、機(jī)單片機(jī)畢業(yè)論文械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特殊是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很輕易檢測(cè)出來(lái)，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(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來(lái)測(cè)量距離。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測(cè)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(gè)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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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(jì)主要是基于AT89S51芯片為核心的超聲波測(cè)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(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LCD顯示電路語(yǔ)音播報(bào)電路。主要實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距并指示功能。依據(jù)實(shí)際的測(cè)量精度要求添加溫度補(bǔ)償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實(shí)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(dá)被測(cè)物體是被反射返回，由接受器接受，其往返時(shí)間為t，有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)該通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ１?—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(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；超聲波接受器將接受到得超聲波信號(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)行辨別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LCD顯示并送語(yǔ)音播報(bào)模塊播報(bào)。設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀，要求：1) 具有超聲波測(cè)距功能，~177。1㎝。2) 具有測(cè)量距離數(shù)值無(wú)線傳輸功能。3) 實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的距離，顯示格式為：。4) 漢字提醒顯示：~，顯示“危險(xiǎn)距離”并用紅色LED燈指示；~，顯示“保持距離”，并用黃書(shū)LED燈指示；，顯示“安全距離”并用綠色LED燈指示。5) 具有實(shí)時(shí)語(yǔ)音播報(bào)功能，實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)量距離數(shù)值，格式：,實(shí)時(shí)播報(bào)時(shí)間間隔≤10s，實(shí)時(shí)播報(bào)聲音清晰明亮、無(wú)明顯失真，在1m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語(yǔ)音播報(bào)要與顯示同步。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。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，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、控制對(duì)象和現(xiàn)有條件本系統(tǒng)硬件電路采用由單片機(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、顯示電路無(wú)線通信電路以及語(yǔ)音播報(bào)電路構(gòu)成。本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下，單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個(gè)脈沖左右,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時(shí)間t 后,單片機(jī)讀取溫度值補(bǔ)償聲速,利用測(cè)距公式可計(jì)算出被測(cè)距離，同時(shí)由無(wú)線通信模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)進(jìn)行顯示和語(yǔ)音播報(bào)。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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)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(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)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(shí)會(huì)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(cè)量時(shí)應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)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(gè)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(shí)，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(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)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(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖23)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)