【正文】 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 目錄 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 ............................................................... I Introduction ............................................................ IV １ 緒論 ................................................................. 1 1． 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景 .................................................... 1 1． 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................. 2 ２ 超聲波測(cè)距原理和方案 ................................................. 4 ２ .１ 超聲波測(cè)距的基本理論 ........................................... 4 ２ .１ .１ 超聲波簡(jiǎn)介 .............................................. 4 ２ .１ .２ 超聲波與傳播介質(zhì)的關(guān)系 .................................. 4 ２ .１ .３ 超聲波換能器簡(jiǎn)介 ........................................ 6 ２ .２ 超聲波測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ......................................... 6 ３ 硬件設(shè)計(jì) ............................................................. 9 ３ .１ 硬件的選型 ..................................................... 9 ３ .１ .１ 主控單片機(jī)的選型 ........................................ 9 ３ .１ .２ 超聲波傳感器的選型 ..................................... 10 ３ .１ .３ 溫度傳感器的選型 ....................................... 12 ３ .２ ＣＰＵ模塊電路的設(shè)計(jì) .......................................... 13 ３ .３ 電源電路的設(shè)計(jì) ................................................ 14 ３ .４ 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) ................................................ 15 ３ .５ 接收電路的設(shè)計(jì) ................................................ 16 ３ .５ .１ 回波接收及濾波放大電路 ................................. 16 ３ .５ .２ 時(shí)間增益補(bǔ)償（ＴＧＣ）電路 ............................. 17 ３ .５ .３ 雙比較器整形電路 ....................................... 19 ３ .６ 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì) ............................................ 20 ３ .７ 顯示電路的設(shè)計(jì) ................................................ 21 ３ .８ 通訊電路的設(shè)計(jì) ................................................ 24 ４ 軟件設(shè)計(jì) ............................................................ 28 基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 ４ .１ 主程序 ........................................................ 28 ４ .１ .１ 初始化子程序 ........................................... 29 ４ .１ .２ 溫度測(cè)量子程序 ......................................... 30 ４ .１ .３ 距離計(jì)算子程序 ......................................... 33 ４ .１ .４ 顯示子程序 ............................................. 34 ４ .１ .５ 時(shí)間增益補(bǔ)償程序 ....................................... 35 ４ .１ .６ 通訊電路子程序 ......................................... 36 ４ .２ 時(shí)間峰值檢測(cè) .................................................. 36 ５ 結(jié)論 ................................................................ 38 參考文獻(xiàn) ................................................................ 41 附錄 基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理圖 ............................ 42 致謝 .................................................................... 43 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 目前 ,超 聲波測(cè)距技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域 ,由于其具有非接觸式測(cè)量的特點(diǎn) ,在工業(yè)領(lǐng)域液位、井深、管道長(zhǎng)度以及建筑物測(cè)量、倒車?yán)走_(dá)、智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)中都發(fā)揮了重要的作用。但以我們當(dāng)前的技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用是有限的，未來(lái)的發(fā)展方向應(yīng)該是朝著高精度、低盲區(qū)、拓展功能更豐富以及成本價(jià)格更低的方向發(fā)展。 和普通超聲波測(cè)距系統(tǒng)不同 ,高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)要求的盲區(qū)更小 、精度 更高。為了達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)需包含溫度補(bǔ)償電路，雙比較器整形電路和時(shí)間增益補(bǔ)償電路等信號(hào)調(diào)理電路。最后，還需加入一些必須的外圍電路如顯示電路，用于顯示測(cè)量結(jié)果，還必須含有通訊接口，方便與上位機(jī)進(jìn)行通訊且 可將測(cè)量結(jié)果進(jìn)行上傳。另外，該系統(tǒng)進(jìn)行軟件化峰值檢測(cè)，使電路更加簡(jiǎn)化，充分利用了軟件資源。 通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求分析，硬件電路的設(shè)計(jì)方案最終得以確定，主要由 AT89C52 單片機(jī)作為主控芯片。 為了達(dá)到高精度的要求，首先我們需要了解造成測(cè)量精度不高的原因，首先，聲波在空氣中的傳遞速度會(huì)隨著溫度而發(fā)生有規(guī)律的變化。用平均速度計(jì)算出的距離和實(shí)際距離可能會(huì)有一定的誤差。 其次，由于超聲波屬于波的一種，因此具有波的衍射特性。這會(huì)使得超聲波沒(méi)有經(jīng)過(guò)反射，即不是由于碰到物體而返回的波，而是直接收到發(fā)射端由于衍射現(xiàn)象而改變了傳 播方向的那部分超聲波。這就是會(huì)導(dǎo)致一個(gè)測(cè)量盲區(qū)，在測(cè)量近距離時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤讀取而造成測(cè)量失敗。因此，只要加入溫度補(bǔ)償電路，由一個(gè)溫度傳感器先測(cè)量環(huán)境溫度，以實(shí)際溫度帶入計(jì)算，就能有效避免第一類誤差的產(chǎn)生； 其次，加入雙比較器整形電路，就能有效避免第二類誤差的產(chǎn)生。本系統(tǒng)由 AT89C52單片機(jī)控制時(shí)間長(zhǎng)短的計(jì)數(shù)以及控制超聲波信號(hào)的發(fā)射、接收。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包含顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、溫度補(bǔ)償電路等。顯示電路主要采用 LED 數(shù)碼管組成，采用動(dòng)態(tài)顯示的方式。即所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，通過(guò)控制位選信號(hào)來(lái)控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮。用于超聲波信號(hào)發(fā)射的發(fā)射電路，主要由非門和超聲波探頭組成。還有用于超聲波接收的接收電路，對(duì)回波進(jìn)行濾波放大，整形，最后送入單片機(jī)。其他電路還包括用于測(cè)量環(huán)境溫度的測(cè)溫電路，主要由一個(gè)集成基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) II 芯片直接讀取環(huán)境溫度，送入單片機(jī)中， 再 通過(guò)查詢事先做好的溫度表，通過(guò)這個(gè)表即可得到當(dāng)前測(cè)量環(huán)境中的實(shí)際聲速，代入公式計(jì)算距離。 程序設(shè)計(jì)主要包括：主要程序、溫度補(bǔ)償程序、發(fā)射子程序、接收子程序等組成。 主要程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)進(jìn)行初始化，接著馬上開(kāi)始測(cè)量溫度，獲取溫度值并進(jìn)行查表后同時(shí)啟動(dòng)發(fā)射電路且開(kāi)始計(jì)時(shí)，等待回波信號(hào)，并進(jìn)行處理，軟件濾波開(kāi)始工作，對(duì)峰值點(diǎn)進(jìn)行查找并計(jì)算出距離。測(cè)溫子程序主要是根據(jù)溫度與速度表進(jìn)行查表的方式來(lái)獲取當(dāng)前聲速，代入公式進(jìn)行計(jì)算。 具體實(shí)現(xiàn)的流程包括復(fù)位程序、發(fā)送匹配 ROM 命令、溫度轉(zhuǎn)換命令等。測(cè)量距離子程序的實(shí)現(xiàn)即是時(shí)間的測(cè)量，這也是該系統(tǒng)的核心部分。對(duì)定時(shí)器初始化處理后，計(jì)時(shí)便開(kāi)始。綜上，超聲波探頭的信號(hào)經(jīng)過(guò) AT89C52 單片機(jī)的分析和一系列處理，最后實(shí)現(xiàn)本高精度超聲波測(cè)距 系統(tǒng)的完整功能，也驗(yàn)證了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)滿足實(shí)際需求，該課題的研究也具有一定價(jià)值。值得注意的是，為了降低該系統(tǒng)的測(cè)量的盲區(qū)，采用了雙比較器整形電路來(lái)處理不同的距離的信號(hào)（分為 3cm50cm 的近距離部分和 50cm400cm 的遠(yuǎn)距離部分），使得精度進(jìn)一步提高。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)精度較高，可以用于汽車的倒車?yán)走_(dá)，也可以用于智能機(jī)器人的距離識(shí)別系統(tǒng)或者其他距離 3cm500cm 之內(nèi)，精度 1cm 的系統(tǒng)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī)； 高精度；超聲波；測(cè)距 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) IV Introduction At present, ultrasonic ranging technology has been widely applied in various fields, because of its noncontact measurement, in industrial field level, well depth, pipeline length and the measurement of buildings, reversing radar, intelligent robot control system play an important role. But in our current level of technology, the application of ultrasonic ranging technology is limited, the future direction of development should be towards high precision, low area, develop the function more abundant and lower cost price direction. And ordinary ultrasonic ranging system is different, highprecision ultrasonic ranging system requirements of the blind area is smaller, higher accuracy. In order to achieve the standard, the design system contains the temperature pensation circuit, the Dual Comparator plastic circuit and the time gain pensation circuit and other signal conditioning circuits. Finally, it is necessary to add some necessary peripheral circuits such as display circuit, used to display the measurement results must also contain munication interface, convenient and PC munication and can be used to upload the measurement results. In addition, the system of the peak detection software, make the circuit more simplified, fully utilize the software resources. Through the analysis of the system needs, the hardware circuit design scheme is finally determined, and the main control chip is the main chip of AT89C52. In order to achieve the high accuracy, we need to unde