【正文】 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)即為超聲波接收器。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系： v=+ （ 2） 式中， T 為實(shí)際溫度 (℃ )， v 的單位為 m/s。在測(cè)距時(shí)由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、確定計(jì)算距離時(shí)的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測(cè)量精確度。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲傳播不易受干 擾 , 能量消耗緩慢 , 在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn) , 因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量 . 本文以超聲波理論為依據(jù)，給出日常生活中可以方便 使用的非接觸式超聲波測(cè)距裝置的設(shè)計(jì)過程。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來(lái)的反射波后，也向單片機(jī)提供一個(gè)短脈沖。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波； 8051 單片機(jī)；測(cè)距 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 2 目錄 1 引 言 ........................................................... 3 2 微控制器 MC9S12DG128B ............................................ 7 3 DS18B20 溫度補(bǔ)償電路 ............................................ 9 4 超聲波傳感器 ................................................... 11 5 集成電路 CX20206A 簡(jiǎn)介 .......................................... 13 6 超聲波傳感器測(cè)距模塊的硬件設(shè)計(jì) ................................ 17 硬件電路設(shè)計(jì)方法 ........................................... 18 多路同步超聲波測(cè)距系統(tǒng) ..................................... 19 FPGA 內(nèi)部各組成模塊設(shè)計(jì) ............................... 20 發(fā)射電路 .............................................. 22 接收電路 .............................................. 22 超聲波的產(chǎn)生與功率放大 ...................................... 23 接收模塊 .................................................... 25 7 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 .............................................. 26 8 LED 動(dòng)態(tài)掃描顯示電路 ............................................ 28 9 提高敏感器件抗干擾性能 ......................................... 30 系統(tǒng)硬件干擾 ..................................................... 33 降低外時(shí)鐘頻率 ................................................... 35 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ................................................ 36 多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實(shí)現(xiàn) ....................................... 40 結(jié)論 ............................................................................................................................. 42 致謝 ............................................................................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 44 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 3 1 引 言 近年來(lái)，隨著單片機(jī)在我國(guó)的推廣，以其簡(jiǎn)單實(shí)用、功能強(qiáng)、體積小而日益廣泛的被廣大設(shè)計(jì)師采用，尤其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用更為突出。介紹了超聲波測(cè)距的原理及 8051 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上，給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距方案的系統(tǒng)框圖及軟、硬件設(shè)計(jì)。由此提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 1 超聲波測(cè)距系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中文摘要 本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)。然后簡(jiǎn)要介紹了利用 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)測(cè)距儀的原理 :單片機(jī)發(fā)出的超聲波，通過換能器發(fā)射出去，遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，計(jì)算此超聲波從發(fā)射出到接受的時(shí)間差從而得出被測(cè)物體到測(cè)距儀的距離。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)，常用于距離的測(cè)量。本文論述了采用單片機(jī)技術(shù)研制成功的智能距離提示器的原理與方法。最后由單片機(jī)裝置 對(duì)接受信號(hào)依據(jù)時(shí)間差進(jìn)行處理，自動(dòng)計(jì)算出該智能距離提示器離障礙物之間的距離。 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C為超聲波波速。 單片機(jī) (AT89C51)發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 4 定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程 序， 得出時(shí)間，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED 顯示電路進(jìn)行顯示。波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返 的時(shí)間，即可求得距離。 壓電式超聲波傳感器的原理 目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生的超聲波。 壓電式超聲波傳感器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。 反射式超聲波測(cè)距儀的硬件電路設(shè)計(jì) 本系統(tǒng) 硬件電路由單片機(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、顯示電路構(gòu)成，如圖 12所示。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 7 2 微控制器 MC9S12DG128B MC9S12DG128B是飛思卡爾公司推出的 S12控制器中的一款 16位微控制器。 圖 21超聲波發(fā)射電路 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 8 圖中，與非門 74LS00 和 LM386 組成超聲波發(fā)射電路，用 74LS00 構(gòu)成多諧振蕩器，通過調(diào)節(jié) 20k的電位器，可產(chǎn)生超聲波發(fā)射的 40kHz 信號(hào)，其中 U3A為驅(qū)動(dòng)器，電路振蕩頻率 f≈1/ ，單片機(jī)的控制信號(hào)由 U2A 輸入。為了進(jìn)行信號(hào)的整形，在設(shè)計(jì)中的CMOS 電平的 6 非門芯片 CD4069，可以減少電路的復(fù)雜程度，提高電路的帶負(fù)載能力。它的測(cè)量溫度 范圍為 55℃ ~+125℃ ，精度可達(dá)℃ ，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 200ms。初始化后，傳感器輸出兩個(gè)字節(jié)的溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后得到實(shí)際溫度的值，利用式（ 2）可計(jì)算補(bǔ)償聲速。提供顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū) DDRAM、字符發(fā)生器 CGROM 和字符發(fā)生器 CGRAM，可以使用 CGRAM 來(lái)存儲(chǔ)自己定義的最多 8個(gè) 58 點(diǎn)陣的圖形字符的字模數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用 OCM2X16，顯超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 10 示兩行字符，一行顯示當(dāng)前的環(huán)境溫度，一行顯示所測(cè)距離。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。用這種推挽形式將方波信 號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 13 5 集成電路 CX20206A 簡(jiǎn)介 集成電路 CX20206A 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。 實(shí)際上，人們往往把運(yùn)算器和控制器合并稱為中央處理單元 —— CPU。到這里為止，我們已經(jīng)知道了單片機(jī)的基本組成，即單片機(jī)是由中央處理器（即 CPU 中的運(yùn)算器和控制器）、只讀存貯器（通常表示為 ROM）、讀寫存貯器（又稱隨機(jī)存貯器通常表示 為 RAM）、輸入 /輸出口（又分為并行口和串行口，表示為 I/O 口）等等組成。此總線有如大城市的“干道”，而 CPU、 ROM、 RAM、 I/O 口、中斷系統(tǒng)等就分布在此“總線”的兩旁 ，并和它連通。 A 運(yùn)算器 運(yùn)算器以完成二進(jìn)制的算術(shù) /邏輯運(yùn)算部件 ALU 為核心，再加上暫存器 TMP、累加器 ACC、寄存器 B、程序狀態(tài)標(biāo)志寄存器 PSW 及布爾處理器。標(biāo)志寄存器 PSW 也是一個(gè)八位寄存器，用來(lái)存放運(yùn)算結(jié)果的一些特征，如有無(wú)進(jìn)位、借位等。它表示了運(yùn)算是否有進(jìn)位（或借位）。 c、溢出 標(biāo)志位 OV。 PSW 的其它位，將在以后再介紹。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益 模組 ,音頻放大器、工業(yè)控制、 DC 增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 ＊單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 。 ＊低功耗電流，適合于電池供電。 ＊差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍。超聲波技術(shù)應(yīng)用于流量測(cè)量的原理是：由超聲換能器產(chǎn)生的超聲波以某一角度入射到流體中，在流體中傳播的超聲波就載有流體流速的信息，利用接收到的超聲波信號(hào)就可以測(cè)量流體的流速和流量。超聲波 測(cè)距的基本工作原理是：發(fā)射探頭發(fā)出超聲波，在介質(zhì)中傳播遇到障礙物反射后再通過介質(zhì)返回到接收探頭，測(cè)出超聲波從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，然后根據(jù)介質(zhì)中的聲速，利用公式S=0． 5ct 就能算得從探頭到障礙物的距離，式中： S為所測(cè)的距離， c為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度．￡為超聲波從發(fā)到收所經(jīng)過的時(shí)間。發(fā)射探頭發(fā)射兩個(gè)己知的固定頻率的獨(dú)立超聲波信號(hào)，接收探頭負(fù)責(zé)接收含有流體的流速信息的超聲波。除了測(cè)量以外，還可以通過鍵盤選擇執(zhí)行安裝、測(cè)試、設(shè)置儀表和現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)等多種操作。時(shí)間的精確測(cè)量可由單片機(jī)內(nèi)部單獨(dú)的計(jì)數(shù)器完成，也可由外部的計(jì)時(shí)電路完成。單片機(jī)系統(tǒng)與 FPGA 系統(tǒng)是測(cè)距儀的核心部件，用來(lái)協(xié)調(diào)各部分元件工作。第一路到第五路超聲波換能器用于測(cè)量距離，測(cè)量距離的五路超聲波換能器按等間距分別安裝在測(cè)距儀的固定板上，系 統(tǒng)采用收發(fā)同體的探頭，其波束角很小，有效的保證了各探頭到被測(cè)物體的垂直測(cè)量距離。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 64所示。 所有的接收模塊接收完數(shù)據(jù)后，通過與非門及非門輸出高電平 (FINISH端口 )，以觸發(fā)單片機(jī)使單片機(jī)處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)使順序 執(zhí)行計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值每次加 1，輸出端口便是相應(yīng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器，單片機(jī)便從相應(yīng)的計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器中讀取計(jì)數(shù)值。為防止信號(hào)串?dāng)_，在信號(hào)發(fā)射時(shí)， CUAN 端輸入高電平，對(duì) 其信號(hào)進(jìn)行屏蔽 ，如圖 65： 超聲 波測(cè)距系統(tǒng) 21 圖 65 計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)器模塊 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室調(diào)試，本文給出的基于單片機(jī)與 FPGA 相結(jié)合的多路同步超聲波 測(cè)距系統(tǒng)與其它系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)： (1)抗環(huán)境影響因素能力強(qiáng)。與常規(guī)系統(tǒng)相比，雖然增加了 FPGA硬件，但是系統(tǒng)也舍棄了一些系統(tǒng)所采用的溫度補(bǔ)償模塊，大大提高了系統(tǒng)的精度和系統(tǒng)的靈活性 ，如圖 66： 圖 66 系統(tǒng)總電路圖如圖 67所示。 接收電路 接收電路 如圖 68（ b） 由 OP37 構(gòu)成的兩級(jí)運(yùn)放電路， TL082 構(gòu)成的二階帶通濾波電路以及 LM393 構(gòu)成的比較電路三部分組成。 超聲信號(hào)的頻移反映了流速的信息，測(cè)準(zhǔn)頻移是保證測(cè)量精度的關(guān)鍵，愈少在頻譜中引入干擾分量愈好，因此我們需要源信號(hào)有較高的純度。 本系統(tǒng)選用的 DDS芯片是 AD 公司生產(chǎn)的 COMS 型 DDS 芯片 AD9850，該芯片最高可支持 125 MHz 的時(shí)鐘頻率， 32位頻率調(diào)節(jié)字可用并行或串行方式裝入。 FQUD有效時(shí)，AD9850 讀取新的調(diào)節(jié)字，產(chǎn)生新的頻率輸出。 流體中有較高的顆粒含量，超聲波的衰減較大，發(fā)射信號(hào)要有一定功率，因此功率放大不可少。DDSIN 接 DDS 的輸出，變壓器的輸出接發(fā)送傳感器。MC1350 為可控增益