【正文】 性、電子計(jì)數(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。1917 年，法國(guó)物理學(xué)家 Paul Langevin 用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測(cè)潛艇。1883 年Galton 首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過(guò)狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。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)。本文闡述的是利用超聲波進(jìn)行一些特殊場(chǎng)合距離測(cè)試。 課題背景及設(shè)計(jì)意義隨著科學(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。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。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機(jī)械型超聲換能器。隨著軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中超2聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器 [1]。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。它在很多距離探測(cè)應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測(cè)量、過(guò)程檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位、以及流體液面高度測(cè)量等。3 本課題研究的主要內(nèi)容本次課題設(shè)計(jì)的目的為：具有超聲波測(cè)距功能，測(cè)量距離 ~ 測(cè)距精度177。語(yǔ)音播報(bào)要與顯示同步。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。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 CX20226A、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。本設(shè)計(jì)框圖如圖 所示：超聲波發(fā)射電路超聲波接收電路 控制電路 計(jì)數(shù)顯示電路4圖 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖4第 2 章 系統(tǒng)方案論證本章節(jié)闡述超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)原理，測(cè)距技術(shù)選型。顯示單元通過(guò)分析各類(lèi)型顯示屏采用了 12864 液晶顯示屏。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。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)、5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。超聲波接收放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器 單片機(jī)控制 無(wú)線發(fā)射器超聲波發(fā)射器 放大電路圖 發(fā)射模塊無(wú)線接收單片機(jī)控制液晶顯示語(yǔ)音播報(bào)圖 接收模塊6 控制器選型 控制器可分為 DSP、FPGA、單片機(jī)等。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為 0 或 1 的數(shù)字信號(hào)。與傳統(tǒng)邏輯電路和門(mén)陣列（如PAL，GAL 及 CPLD 器件）相比，F(xiàn)PGA 具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA 利用小型查找表（161RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè) D 觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng) I/O，由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到 I/O 模塊。單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：（1）具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。通過(guò)以上的分析， DSP控制器功能很強(qiáng)大性能也很好，但是對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，有些很好的功能可能用不上而且DSP 成本較高，而 FPGA的性能同樣很好，但本設(shè)計(jì)有些功能FPGA不能很好的滿足。凌陽(yáng)單片機(jī)：整合了多個(gè)常用的功能模塊，讓我們?cè)谶M(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的時(shí)候不用外加過(guò)多的硬件就可方便的完成一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，這就是人們常說(shuō)的SoC（System on chip）技術(shù)；耗電少，可以滿足很多手提設(shè)備、掌上設(shè)備低能耗的需求；可方便的用來(lái)實(shí)現(xiàn)聲音錄制、播放，Midi音樂(lè)合成和語(yǔ)音識(shí)別；可方便的完成一系列乘加的運(yùn)數(shù)，實(shí)現(xiàn)一些數(shù)據(jù)處理比較容易；芯片里具備在線仿真調(diào)試電路，使調(diào)試和程序下載更加方便，也把仿真器和燒錄器的成本給節(jié)省下來(lái)了。而凌陽(yáng)單片機(jī)是一款功能強(qiáng)大的語(yǔ)音處理單片機(jī)。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS—51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89S51 單片機(jī)可以為您提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。同時(shí)，AT89S51 可以降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波發(fā)生器來(lái)實(shí)現(xiàn)。測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。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。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。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。CRT 就是常見(jiàn)的顯像管式的顯示器。但是考慮到本設(shè)計(jì)需要顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持 ，安全等警告信號(hào)。它的語(yǔ)音功能和萬(wàn)年歷功能可以同時(shí)工作，主頻采用RC振蕩， 晶振精確分頻。所以播報(bào)電路采用WT588D系列的集單片機(jī)和語(yǔ)音電路于一體的可編輯語(yǔ)音芯片。WT588D讓語(yǔ)音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路，高度集成的單片機(jī)技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。流過(guò)器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開(kāi)爾文）度數(shù)。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞?！妗囟确秶鸀?5176。C 范圍內(nèi)精度為177。單片機(jī)采用AT89C51 或其兼容系列。 單片機(jī)最小系統(tǒng)其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，是單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。 超聲波發(fā)射電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。表 反相器 74LS04 參數(shù)最大額定值電源電壓 to +DC 輸入電壓 to Vcc+直流輸出電壓 to Vcc+鉗位二極管電流 177。上位電阻 RR3 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。適當(dāng)更改電容C16 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。但C的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=，C= [7]。例如，取R=200kΩ時(shí)，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0 ≈38kHz。當(dāng) CX20226 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入適當(dāng)改變C1 的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。US_R1 為超聲波接收頭，當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷INT0上。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用于顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持，安全等警告信號(hào)?？梢燥@示8 4行16 16點(diǎn)陣的漢字 [8]。12864液。 R15調(diào)節(jié)顯示亮度?？煽刂频恼Z(yǔ)音地址位能達(dá)到220個(gè)！每個(gè)地址位里能加載可組合語(yǔ)音為128段語(yǔ)音。開(kāi)關(guān)電源和線性電源的區(qū)別主要是他們的工作方式。這樣一來(lái)他的體積也就很大，笨重，效率低、發(fā)熱量也大。他的功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，一開(kāi)一關(guān)，頻率非常快，一般的平板開(kāi)關(guān)電源頻率在100~200KHz，這樣19他的損耗就小，效率也就高，開(kāi)關(guān)電源的效率高體積小，但是和線性電源比他的紋波，電壓電流調(diào)整率就大打折扣了。這時(shí)，電源經(jīng) R1，R2 對(duì)電容C充電，使電壓out按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng)uc上升到（2/3 ）Vcc 時(shí)，輸出uo 為低電平，放電管VT導(dǎo)通，把uc從（1/3 ）Vcc 上升到（2/3）Vcc這段時(shí)間內(nèi)電路的狀態(tài)稱(chēng)為第一暫穩(wěn)態(tài)，其維持時(shí)間TPH 的長(zhǎng)短與電容的充電時(shí)間有關(guān) 。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，CC2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負(fù)載電阻。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 主程序流程圖軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 、圖 、圖 所示。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。超 開(kāi)始 單片機(jī)初始化 定時(shí)器初始化 開(kāi)外部中斷 顯示測(cè)量值 等待中斷 結(jié)束23聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確。開(kāi)始 結(jié)束 開(kāi)外部中斷 關(guān)外部中斷 輸出結(jié)果 讀取時(shí)間值 計(jì)算距離 外部中斷入口 25第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試仿真系統(tǒng)軟硬件部分設(shè)計(jì)已經(jīng)完成，超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)已經(jīng)進(jìn)入最后階段，已具備調(diào)試仿真條件。它運(yùn)行于 Windows 操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(SPICE) 各種模擬器件和集成電路，該軟件的特點(diǎn)是：（1）實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合。 （3）提供軟件調(diào)試功能。特點(diǎn)：支持 ARM7，PIC ，AVR，HC11 以及 8051 系列的微處理器 CPU 模型，更多模型正在開(kāi)發(fā)中，交互外設(shè)模型有 LCD 顯示、RS232 終端、通用鍵盤(pán)、開(kāi)關(guān)、按鈕、LED 等；強(qiáng)大的調(diào)試功能，如訪問(wèn)寄存器與內(nèi)存，設(shè)置斷點(diǎn)和單步運(yùn)行模式；支持如 IAR、Keil 和 Hitech 等開(kāi)發(fā)工具的源碼 C 和匯編的調(diào)試；一鍵 “make”特性：一個(gè)鍵完成編譯與仿真操作；內(nèi)置超過(guò) 6000 標(biāo)準(zhǔn) SPICE 模型，完全兼容制造商提供的 SPICE 模型；DLL 界面為應(yīng)用提供特定的模式；基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 SPICE3F5 混26合模型電路仿真器 14 種虛擬儀器：示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器、規(guī)程分析儀等；高級(jí)仿真包含強(qiáng)大的基于圖形的分析功能：模擬、數(shù)字和