【正文】 ，被測對象顏色，電磁干擾等影響。 超聲波作為一種檢測技術(shù)，采用的是非接觸式測量，這個(gè)特點(diǎn)可使測量儀器不受被測介質(zhì)的影響。我們考慮研究一種非接觸測量儀器。四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 基于 AT89S51 單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì) 前言 隨著工業(yè)，建筑業(yè)，農(nóng)業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展，一些在早期社會，曾被人類廣泛應(yīng)用的米尺不在滿足人類的要求， 于是 出現(xiàn)了現(xiàn)在人類所應(yīng)用的間接測量工具。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展，非接觸測量出現(xiàn)了微波雷達(dá)測距， 激光測距及超聲波測距等。這樣 就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對測量儀器腐蝕，觸點(diǎn)接觸不良造成的誤測情況。超聲波對于被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。它在介質(zhì)中傳播的距離 比 較遠(yuǎn)。 并且更適合與高溫，高粉塵，高濕度和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。 另外，在控制方面，單片機(jī)其卓越的性能，要本設(shè)計(jì)中得到了很 好的體四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 現(xiàn)，尤其在檢測，控制領(lǐng)域中，具有以下特點(diǎn)： ● 小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，它能方便地組裝成各種智能測試，控制設(shè)備及各種智能儀器表。采用軟件控制，提高了測量精度和整機(jī)的可 靠性。例如：超聲波測距儀廣泛 被 應(yīng)用于汽車 的 倒車、建筑施工 的 工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、 聯(lián)合收割機(jī)、 管道長度等的實(shí)時(shí)測量場合。綜合了各器件的功能，耐用性，市場價(jià)位等多方面因素，選件謹(jǐn)慎、適用。通過實(shí)際測試使用證明，該超聲波測試系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測距精度高，性能良好，可廣泛應(yīng)用到實(shí)際中以方便觀察測試結(jié)果。超聲波傳感器 包括 發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可 具有發(fā)送聲波 和接收聲波的雙重作用。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight）。這就是所謂的時(shí)間 差測距法。用溫度去校正超聲波的傳播速度，這就是溫度補(bǔ)償。 在本設(shè)計(jì)中，采用了一種高性能，低價(jià)格，數(shù)字化的溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度，該數(shù)字溫度傳感器為獨(dú)特的 1Wire 總線接口，僅占用 MCU 一只引腳，具有操作簡單，溫度測量快，精度高（提供 9— 12 位溫度讀數(shù)），測量溫度范圍為－ 55 到 125 攝氏度，在－ 10 到 85 攝氏度范圍內(nèi)精度為177。 本課題將使用 AT89S51, CX20216A 紅外接收專用放大電路 ， TCT4010超聲波傳感器和數(shù)字化的溫度傳感器 DS18B20 設(shè)計(jì)的超聲波測距儀。 因此利用超聲波測距，能在人們?nèi)粘：涂茖W(xué)研究中，測量到不容易被測量的距離，如液位 測量 、礦井深度、 彎道長度等等，減少了測量成本和測量危險(xiǎn)。 超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖 所示 ： 圖 超聲波測距系統(tǒng)框圖 本系統(tǒng) 主要由超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路 、 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 三部分組成。 單片機(jī) 控制器 超聲波發(fā)送 超聲波接收 LED顯示 掃描驅(qū)動 四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 圖 系統(tǒng)原理框圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī) AT89S51 的基本設(shè)計(jì) [1] AT89S51 是一個(gè)功耗 低 ，性能 高 的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器， 此 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造 而成 ，兼容標(biāo)準(zhǔn) 的 MCS51 指令系統(tǒng)和 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8位中央處理器和 ISP Flash 存儲單元，功能 如此 強(qiáng)大的微 型計(jì)算機(jī) AT89S51 可 作 為許多 嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 當(dāng)處于 空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作， 當(dāng)處于 掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。 由于 考慮到紅外遙控常用的載波頻率 為 38KHz 與測距超聲波頻率 40KHz 較為接近，所依 可 利用它作為超聲波檢測電路 ，其 邏輯框圖如圖 。由于沒有使用電感，能夠不受磁場的感染，因此抗干擾能力強(qiáng)。 接下 來再讓我們來看看它的極限參數(shù)見表 ， CX20216A 引腳功能說明及其參考數(shù)據(jù)見表 。電阻值大，容量值小，則增益低；反之則高。 0 5 fo 帶通濾波器中心頻率設(shè)置端 該腳與電源間所接電阻器，是用來設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 fo，電阻值為 200kΩ時(shí)，中心頻率 fo=40kHz；電阻值為220kΩ時(shí)，則中心頻率fo=38kHz。 入端 5 最后再讓我們再看看 CX20216A 集成塊內(nèi)電路方框圖與它的典型應(yīng)用電路，如 圖 。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎 100％的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。 ( m /s )0 .6 0 7 t 3 3 1 .5c ?? 式中， t=溫度 (℃ )也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。 TCT4010 是一款常用的超聲波發(fā)射接收器件，由一塊發(fā)射端 T 和一塊接收端 R共同組成， 其外觀圖 如圖 ， 超聲波的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。如 果 沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信 號，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。 DS18B20 的主要特性有以下幾點(diǎn)： ? 溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 ? 12 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750ms。 ? 在 DS18B20 中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號。開漏單總線接口引腳。 四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 由于 DS18B20 采用的是 1－ Wire 總線協(xié)議方式，就是 在一根數(shù)據(jù)線 上 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，而對 于 AT89S51 單片機(jī)來說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時(shí)序來完成對 DS18B20 芯片的訪問， DS18B20 與AT89S51 連接圖如圖 。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖 所示 ： 圖 單片機(jī)及其顯示原理圖 四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 整體系統(tǒng)原理圖如圖 所示 圖 整體 原理圖 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)分析 [4]、 [6] 超聲波測距 的 軟件設(shè)計(jì)主要 是 由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。 測出距離后 得 結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD碼方式 顯示 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程 ，求多次測量的平均值（誤差最小化） 。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器開始 系統(tǒng)初始化 發(fā)送超聲波脈沖 等待發(fā)射超聲波 顯示結(jié)果 計(jì)算距離 四川師范大學(xué)成都學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 T0溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 為 2以表示此次測距不 成功。 硬件電路制作完成并調(diào)試好 之 后，便可 以 將程序編譯好 并 下載