【正文】 目 錄 .............................................................. 1 設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景 ............................................. 1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 ......................................... 1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述 ......................................... 2 本設(shè)計(jì)任務(wù)主要要求 ......................................... 2 .................................................... 2 超聲波的基本理論 ........................................... 2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理 ......................................... 3 .............................................. 5 3． 1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路總體設(shè)計(jì)方案 ............................ 5 超聲波發(fā)射和接收電路的設(shè)計(jì) ................................. 6 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路 ......................................... 7 ..................................................... 11 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu) ............................................ 11 系統(tǒng)主程序 ................................................ 12 40KHZ 超聲波發(fā)送子程序 .................................... 13 DS18B20 溫度采集程序 ...................................... 14 距離計(jì)算子程序 ............................................ 14 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序 ............................................ 14 LCD 顯示子程序 ............................................ 15 基于 PROTEUS 的軟件仿真 .................................... 16 ..................................................... 17 超聲波發(fā)射波形的改進(jìn) ...................................... 17 樣機(jī)的制作 ................................................ 17 進(jìn)一步研究系統(tǒng)的抗干擾性能 ................................ 17 致謝 ............................................................... 18 參考文獻(xiàn) ........................................................... 18 附錄 ............................................................... 20 1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 摘要 利用超聲波測(cè)距原理，出于低成本、高精度的目的，提出了一種基于 AT89S52的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。硬件部分采用 AT89S52 單片機(jī)作為控制器，主要有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收 電路、溫度檢測(cè)電路、 LCD 顯示電路和報(bào)警電路。在分析超聲波測(cè)距原理的基礎(chǔ)上，給出了實(shí)現(xiàn)超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)電路圖和軟件設(shè)計(jì)流程圖。該系統(tǒng)測(cè)量精度為 1cm，測(cè)量范圍為 ，完全能夠滿足汽車(chē)倒車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵字 單片機(jī) 超聲波 溫度補(bǔ)償 測(cè)距 LCD 顯示 角度補(bǔ)償 設(shè)計(jì)的應(yīng)用前景 目前國(guó)內(nèi)一般使用專(zhuān)用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是專(zhuān)用集成電路的成本很高，并且顯示距離也比較困難，操作使用也不是很方便。而 本設(shè)計(jì) 研究的測(cè)距儀 成本低廉，性能優(yōu)良，市場(chǎng)前景極為廣闊 。 在 整個(gè)倒車(chē)過(guò)程中自動(dòng)測(cè)量車(chē)尾到最近障礙物的距離，并用數(shù)字顯示出來(lái)，在倒車(chē)到極限距離時(shí)會(huì)發(fā)出警告聲，提醒駕駛員注意剎車(chē) 。 本設(shè)計(jì)可望成為駕駛員特別是貨車(chē)以及公共汽車(chē)駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車(chē) ， 如集裝箱車(chē)、載貨車(chē)、公共汽車(chē)等倒車(chē)交通事故 。 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片機(jī)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(huì)。 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(kāi)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(kāi)發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如下： 圖 1 技術(shù)路線 2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)概述 隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)距離或長(zhǎng)度測(cè)量的要求越來(lái)越高。 目前測(cè)量距離可以采用波在介質(zhì)中的傳播速度和時(shí)間關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。常用的技術(shù)主要有激光測(cè)距、微波雷達(dá)測(cè)距和超聲波測(cè)距三種。激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性。 超聲波測(cè)距由于其能進(jìn)行非接觸測(cè)量和相對(duì)較 高的精度，越來(lái)越被人們所重視。 展望未來(lái)，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高定位、更高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。 由于超聲波具有指向性好、能量損耗低、傳播距離較遠(yuǎn)、不易受外界環(huán)境影響和對(duì)被測(cè)目標(biāo)無(wú)損害等特點(diǎn)，利用超聲波測(cè)量距離就可以解決傳統(tǒng)測(cè)量方法中遇到的問(wèn)題。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，因此超聲波測(cè)量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測(cè)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(cè)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(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過(guò)采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量，超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 ，由單片機(jī)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度在理論上可以達(dá)到毫米級(jí) 。本文設(shè)計(jì)的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)就是利用超聲波的上述特性做到對(duì)倒車(chē)距離實(shí)時(shí)和高精度的檢測(cè)，同時(shí)，此系統(tǒng)成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、精度和穩(wěn)定性好，有望得到廣泛的應(yīng)用，從而減少交通事故的發(fā)生。 本設(shè)計(jì)任務(wù)主要要求 （ 1）設(shè)計(jì)一個(gè)以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距儀，可以應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控； （ 2）測(cè)量范圍在 ～ ，測(cè)量精度 1cm； （ 3）測(cè)量時(shí)與被測(cè)物無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。 超聲波的基本理論 超聲波技術(shù)是一門(mén)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)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。該技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安 3 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(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。 2． 超聲波的三種形式 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(cè)量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。 超聲波的物理性質(zhì) (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(guò)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。 (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。 (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。由于超聲波的干涉，在輻射器的周?chē)纬梢粋€(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn) 生的作用 (1) 機(jī)械作用 超聲波傳播過(guò)程中，會(huì)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(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)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(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，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(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)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(dòng)，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。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理 4 超聲波傳感器 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。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。他們所產(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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作 的。它有兩個(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)，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)它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 2超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 3 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波測(cè)距的方案 超聲波測(cè)距方法主要有三種： 1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限； 2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響； 3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。設(shè) l為測(cè)量距離， t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。 圖 4 測(cè)距原理 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米／秒。表 1列出了幾種溫度下的聲速： 5 表 1 聲速與溫度 的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c為 340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。 在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用 DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)距精度?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示 為： )/( smTTc ???? 聲 速 確 定 后 ， 只 要 測(cè) 得 超 聲 波 往 返 的 時(shí) 間 ， 即 可 求 得 距 離 ：l=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償） 如