【正文】 51單片機(jī)超聲波測距設(shè)計(jì) 第一章 引言 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片機(jī)是一個(gè)單芯片形態(tài)、面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域——通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會。 嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展前景的IT應(yīng)用之一。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于對實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較高的設(shè)備中，單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對硬件資源做任何改動，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級?，F(xiàn)代社會中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟(jì)、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，主要可以歸納為以下幾個(gè)方面。 （1）軍事裝備：各種武器控制（火炮控制、彈道控制、炮彈引信等），坦克、艦船、轟炸等各種電子裝備，雷達(dá)、電子對抗、軍事通訊裝備等。 （2）家用電器：各種家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、VCD、DVD、可視電話、洗衣機(jī)、電冰箱、手機(jī)、智能玩具等。 （3）工業(yè)控制：各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。 （4）商用設(shè)備：各種收款機(jī)、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀器、商務(wù)終端、IC卡輸入設(shè)備、自動柜員機(jī)、防盜系統(tǒng)等。 （5）辦公用品：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控變換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。 （6）醫(yī)療電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，如X光機(jī)、超聲診斷儀、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀器等，以及輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)基本擴(kuò)展、外圍電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等內(nèi)容。通常開發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如下： 圖 設(shè)計(jì)步驟 超聲波測距系統(tǒng)概述在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不可克服的缺陷。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 1超聲波測距儀設(shè)計(jì)要求如下： 1） 測量距離6m； 2） 精度優(yōu)于1%； 3） 進(jìn)行溫度補(bǔ)償； 4） 顯示方式采樣LCD； 5） 具有抗干擾能量； 6） 體積小、功耗低、便于嵌入到其他系統(tǒng)。2 硬件電路的設(shè)計(jì) 1) 方案的論證。 2) 元件的選擇。 3) 用Altium designer繪制原理圖。 3 系統(tǒng)的PCB制作 1) PCB布局布線； 2) PCB實(shí)驗(yàn)板的焊接。 4 系統(tǒng)軟件的編寫 1) 軟件的編寫和編譯檢查； 2) 基于Proteus的軟件仿真。 5 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)測試 1) 實(shí)驗(yàn)檢查； 2) 測試數(shù)據(jù)。6 誤差分析 1）誤差的分析； 2）改進(jìn)。第二章 超聲波測距的原理 超聲波的基本理論 超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在10——10Hz，其中通常的頻率大約在10——3之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：1 超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波——質(zhì)點(diǎn)振動方向垂直于傳播方向的波；縱波——質(zhì)點(diǎn)振動方向與傳播方向一致的波；表面波——質(zhì)點(diǎn)振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。 超聲波在氣體和液體中，其傳播速度C=（）式中 ——介質(zhì)的密度； ——絕對壓縮系數(shù)。 可以推導(dǎo)出超聲波在空氣種傳播速度。（T為環(huán)境溫度）。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。 （細(xì)棒） （薄板） （無限介質(zhì)）式中 E——楊氏模具； ——泊松系數(shù)； K——體積彈性模具； G——剪片彈性模。(2)橫波聲速公式為 （無限介質(zhì)） 在固體中，介于0——5之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。 2 超聲波的物理性質(zhì)當(dāng)超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時(shí)，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，： (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩式求得：圖 聲波反射 式中：——分別為聲波的入射角和反射角； ——分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速滿足折射定律關(guān)系式：。當(dāng)超聲波垂直入射界面時(shí)，即，則： 如果sin，入射波完全被反射，在相鄰兩個(gè)介質(zhì)中沒有折射波。如果超聲波斜入射到兩個(gè)固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時(shí)，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。在平面波的情況下，距離聲源x處的聲壓p和聲強(qiáng)I的衰減規(guī)律如下： 式中：——距離聲源x=0處的聲壓和聲強(qiáng)； ——超聲波與聲波間的距離； A——衰減系數(shù)，單位為（奈培/厘米）。(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。若以兩個(gè)頻率相同，振幅和不等，波程差為d的兩個(gè)波干涉為例，該兩個(gè)波合成振幅為，其中為波長。從上式看出，當(dāng)d=0或d=（為整數(shù)）時(shí)，合成振幅達(dá)到最大值；當(dāng)d=時(shí)，合成振幅為最小值。當(dāng)時(shí)，；當(dāng)d的奇數(shù)倍時(shí)，兩波相互抵消合成幅度為0。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場。 3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2) 空化作用在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 4 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時(shí)，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機(jī)械振動作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波外部結(jié)構(gòu) 超聲波測距系統(tǒng)原理在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。超聲波測距的算法設(shè)計(jì): 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時(shí)）。X2是聲波返回的時(shí)刻，X1是聲波發(fā)聲的時(shí)刻，X2X1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對值，假定X2X1=，則有340m=。，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： 圖 超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 系統(tǒng)框圖 第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì) 方案論證與比較 單片機(jī)采用Atmel公司的AT89S52，而超聲波發(fā)射和接收電路有多種，常用的電路如下：1 超聲波發(fā)射電路:(1) 分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路 圖 分立元件構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路、驅(qū)動電路，三極管TT2構(gòu)成兩級放大器，但是由于超聲波發(fā)射頭的正反饋?zhàn)饔?，這個(gè)原本是放大器的電路變成了振蕩器。超聲波發(fā)射器的壓電晶片可等效于一個(gè)串聯(lián)LC諧振電路，具有選頻作用，因此該振蕩器只能振蕩在超聲波發(fā)射頭的固有諧振頻率。第二個(gè)圖中用電感L替代這樣可以增大激勵(lì)電壓，使其具有較大的功率輸出。(2) 由集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路 、調(diào)制、激勵(lì)電路。該電路應(yīng)使用雙極型555（內(nèi)部電路由普通三極管構(gòu)成），不宜使用單極型7555（內(nèi)部電路由CMOS電路構(gòu)成，外部引腳與555相同），其原因是7555帶負(fù)載能力小。 555構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路，用非門構(gòu)成的電路簡單，調(diào)試容易。很容易通過軟件控制。圖中把兩個(gè)非門的輸出接到一起的目的是為了提高其吸入電流，電路驅(qū)動能力提高。 由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路2 超聲波接收電路：(1) 由分立元件構(gòu)成的接收電路 為由三極管T1,T2和若干電阻電容組成的兩級阻容耦合交流放大電路。第一級中為集電極負(fù)載電阻；為偏流電阻，同時(shí)引入了交直流并聯(lián)電壓負(fù)反饋，可以較有效的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，改善非線性失真以及增益的穩(wěn)定性；是發(fā)射極負(fù)反饋電阻，引入直、交流串聯(lián)電流負(fù)反饋，具有穩(wěn)定工作點(diǎn)、增益、改善失真、提高輸入阻抗等作用。 圖 分立元件構(gòu)成的超聲波接收電路(2) 由運(yùn)算放大器構(gòu)成的接收電路 ，該電路的形式在其他應(yīng)用中經(jīng)常遇到，特點(diǎn)如下： 1）一般式用運(yùn)放組成的放大電路都要求對稱的正負(fù)電源供電，這里以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設(shè)置在1/2的電源電壓，這由同相輸入端的點(diǎn)位來確