【正文】 mer, such as the spotlight, orientation, reflection and transmission. These mechanical properties is one of the reasons to be used as an important method of ultrasonic distance measurement. Ultrasound is simple and efficient, high precision and durable character is ticsis nother big reason. This design gives a detailed introduction to the microcontroller,ultrasonic and ultrasonic ranging principle. It is with MCU STC89C51, hcsr04 ultrasonic module, DS18B20 temperature sensor and LCD display through software programming to design out a simple and easy operation, economy and practicality and accuracy high simple ultrasonic range finder. Through the error analysis of temperature pensation, and to achieve the adjustable measurement range, realize the alarm function. Key words ： SCM。伴隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)也逐漸被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，而超聲波測(cè)距技術(shù)因擁有測(cè)量精確度高、成本消耗低、性能穩(wěn)定度高等優(yōu)點(diǎn)則成為其中的佼佼者。 超聲波是一種非常實(shí)用有效的測(cè)量方法，人們借用它不需要接觸物體就可以進(jìn)行精確測(cè)量。對(duì)環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，無(wú)論在什么樣的環(huán)境中，都能夠進(jìn)行精確測(cè)量并標(biāo)定準(zhǔn)確度。超聲波在機(jī)器人的研制和倒車(chē)?yán)走_(dá)等實(shí)例中也被廣泛使用。 人們一直很重視如何降低輸入信號(hào)的信噪比。 自從進(jìn)入 21 世紀(jì)開(kāi)始，國(guó)內(nèi)的廣大學(xué)者和科研人員就對(duì)超聲波測(cè)量精確度的提高方面進(jìn)行了大量的嘗試研究。就目前來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)雖然對(duì)超聲波回波信號(hào)的處理有了較為成熟的研究發(fā)展，由于它對(duì)超聲波測(cè)距的探測(cè)定位具有關(guān)鍵性作用，因此國(guó)內(nèi)學(xué)者仍然將它作為重要研究方向之一。 顯示模塊單片機(jī)處理單元檢 測(cè) 電 路發(fā) 射 電 路接 收 電 路發(fā)射探頭接收探頭目標(biāo)物 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖 由圖可知本系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是由六部分組成，分別為： (1)發(fā)射電路。 (5)溫度測(cè)量電路。經(jīng)過(guò) STC89C51 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后將距離也顯示到 LCD 上。由下圖 可看出， T0 時(shí)刻由超聲波模塊的發(fā)射端發(fā)射一束方波，并于此時(shí)定時(shí)器開(kāi)始工作計(jì)時(shí)。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 圖 時(shí)序圖 通過(guò)本次設(shè)計(jì)，完善自我，學(xué)習(xí)了解單片機(jī)的相關(guān)知識(shí)。如今超聲波被應(yīng)用到諸如工業(yè)、醫(yī)療、軍事等各種行業(yè)當(dāng)中。 （ 4）超聲波能夠在固、液、氣、固熔等介質(zhì)中傳播。 （ 7）超聲波不但是一種波動(dòng)形式，可作為媒介如 B 超等進(jìn)行醫(yī)療診斷；同時(shí)也是一種能量形式，可對(duì)患者進(jìn)行治療。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器的選擇 本課題設(shè)計(jì)選用的是 HCSR04 超聲波模塊。 表 超聲波模塊 HCSR04 的電氣參數(shù) 電氣參數(shù) 超聲波模塊 HCSR04 工作電壓 DC5V 工作電流 15mA 工作頻率 40KHz 最遠(yuǎn)射程 4m 最近射程 2cm 測(cè)量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號(hào) 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號(hào) 輸出 TTL 電平信號(hào)，與射程成比例 規(guī)格尺寸 45*20*15mm 基本工作原理： 采用 I/O 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距。當(dāng)信號(hào)返回時(shí)， I/O 口對(duì)此作出響應(yīng)而輸出一個(gè)高電平。s 以上的高電平 ,然后在接濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 收端等候高電平輸出。這樣就可以算出距離。設(shè)起始時(shí)刻為 1t ，則發(fā)射波的強(qiáng)度為 ）（ 0111 UXts inAI ?? （實(shí)際測(cè)量時(shí)的發(fā)射波是方波，為了 方 便 計(jì) 算 說(shuō) 明 所 以 在 此 用 正 弦 波 舉 例 ) 。根據(jù)時(shí)間和相位的關(guān)系，待測(cè)距離 2/ctD D? 可以轉(zhuǎn)換為)2/$K / 2 ( ND PU?? 。 （ 3） 渡越時(shí)間法： 首先通過(guò)檢測(cè)計(jì)數(shù)從超聲波傳感器的發(fā)射端發(fā)出聲波的時(shí)刻記為 t1，超聲波返回到傳感器接收端的時(shí)刻 t2，兩者的時(shí)間差 t=t2t1，這個(gè)時(shí)間差就是渡越時(shí)間。雖然精度相對(duì)于相位檢測(cè)法差點(diǎn)，但好在測(cè) 量距離足夠遠(yuǎn)。一般來(lái)說(shuō)， c 隨著溫度每升高 1℃ ，就增加 。 在本設(shè)計(jì)中用 STC89C51 中的定時(shí)器來(lái)測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，用 DS18B20 測(cè)量環(huán)境溫度，達(dá)到提高測(cè)距精度的目的。顯而易見(jiàn)，發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波必然會(huì)先傳播到接收探頭。然而，該短時(shí)間內(nèi)所走過(guò)的長(zhǎng)度我們是不能檢測(cè)到的，即為測(cè)量盲區(qū)。最重要的是超聲波測(cè)距的原理方法，這是根本，因此本章對(duì)此進(jìn)行了相關(guān)介紹，并為對(duì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的誤差進(jìn)行減免措施。 （ 4）溫度補(bǔ)償電路。 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計(jì)單 片 機(jī)D S 1 8 B 2 0 溫 度 補(bǔ)償 電 路發(fā) 射 電 路接 收 電 路報(bào) 警 電 路L C D 顯 示 電 路 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖 社會(huì)在發(fā)展，科技在提高，超聲波測(cè)距 技術(shù) 也隨之更進(jìn)一步。而要提高超聲波測(cè)量的精度，則必須要從設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵和難點(diǎn)出發(fā)，即對(duì)超聲波的發(fā)射處理和超聲波的接收處理這兩個(gè)重要方面。目前單片機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛： ① 工業(yè)自動(dòng)化。 ③ 消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品。 ⑤ 武器裝備。 （ 3） 9— 表示內(nèi)部含 Flash E178。 （ 6） 1— 表示該芯片內(nèi)部程序存儲(chǔ)空間的大小為 4KB 。它具有高速 /低功耗的優(yōu)濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 點(diǎn)，工作頻率最高可達(dá)到 25MHz～ 50MHz。 STC89C51 單片機(jī)還具有以下特點(diǎn)： （ 1） ISP 與 IAP 編程方式 。 （ 5）雙 DPTR 數(shù)據(jù)指針 。 （ 9）較高的性?xún)r(jià)比 。這是由于在其內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻的原因，會(huì)造成其其處于高阻狀態(tài)而無(wú)法正常工作。 （ 2） P1 口（ 1～ 8 腳）： 是一個(gè)準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口，每個(gè)口可獨(dú)立控制。一是是因?yàn)槠鋬?nèi)部含上拉電阻并且不能進(jìn)行輸入鎖存。 （ 4） P3（ 10～ 17 腳）口：是一個(gè)準(zhǔn)雙向 8 位 I/O 口。其第二功能 如下表 所示。 （ 4） 128 B RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 （ 7）一個(gè)可編程全雙工串口通信。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用軟件（如用單片機(jī)軟件編程）的方法輸出該方波脈沖信號(hào)。最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。 （ 2）發(fā)射波盡量具備同一頻率的 振動(dòng)。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 （ 4）單片機(jī)正常工作輸出最大電壓 5V。因此添加一個(gè)單電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，如圖 所示。 限制該系統(tǒng)最大可測(cè)距離有四個(gè)因素： （ 1）超聲波的幅度 。 測(cè)距誤差主要來(lái)自以下四個(gè)方面： （ 1）超聲波波束與探測(cè)目標(biāo)的入射角影響。 （ 3）超聲波的傳播速度對(duì)測(cè)距有影響。實(shí)際上這種測(cè)量方法存在發(fā)射和反射夾角，設(shè)這個(gè)夾角的大小為 2θ。并因此會(huì)形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。該放大電路能夠?qū)ξ覀兯枰男盘?hào)進(jìn)行放大，對(duì)噪聲干擾信號(hào)抑制。同時(shí)還必須有高精度、小輸入的偏置電壓 。為了滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，通過(guò)放大電路將輸入信號(hào)放大 200 倍。比數(shù)碼管更專(zhuān)業(yè)、美觀(guān)。 第 2 腳 :VDD 接 5V 正電源。 第 4 腳 :RS 為寄存器選擇。 第 6 腳 :E 端為使能端。因此在編寫(xiě)軟件時(shí)要記得做相應(yīng)處理，才能讀取正確。 圖 蜂鳴器報(bào)警電路 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 DS18B20 部分 DS18820 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分構(gòu)成。 （ 4）配置寄存器。將 DS18B20 的數(shù)據(jù)線(xiàn)與單片機(jī)的 口相連，這樣溫度傳感器就能將檢測(cè)到的環(huán)境溫度發(fā)送到單片機(jī)達(dá)到溫度測(cè)量的目的。了解系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般情況。該模塊和溫度傳感接口模塊用法相似。 系統(tǒng)軟件的主程序可分為以下幾部分： （ 1）系統(tǒng)初始化。 （ 2）溫度每隔 900ms 就會(huì)進(jìn)行一次采樣。 （ 3）按鍵 S 為測(cè)量啟動(dòng)鍵。所以系統(tǒng)最小測(cè)量約為 2cm。 //溫度初始化 tmpchange()。 tmpchange()。該脈沖信號(hào)會(huì)在遇到障礙物后發(fā)生反射而產(chǎn)生反射波。對(duì)該計(jì)數(shù)數(shù)據(jù)處理后再通過(guò)計(jì)算得取距離值，同時(shí)將得出的距離數(shù)值轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制。當(dāng)測(cè)量的距離很遠(yuǎn)的時(shí)候，定時(shí)器的工作出錯(cuò)，發(fā)生溢出現(xiàn)象。也就是不能產(chǎn)生外部中斷更會(huì)因此而不能關(guān)閉定時(shí)器。//啟動(dòng)超聲波 while(!RX)。 //關(guān)閉計(jì)數(shù) delayms(20)。amp。 //算出來(lái)是 CM。 TL0=0。 本章小結(jié) 本章節(jié)就怎樣實(shí)現(xiàn)該設(shè)計(jì)并得出結(jié)果進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)方面的分析闡述并簡(jiǎn)要地將相關(guān) C 程序加以直觀(guān)羅列。隨著科技的不斷高速發(fā)展，超聲波也將滲透應(yīng)用于更加寬廣的領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不但有了知識(shí)的增長(zhǎng)，更是改進(jìn)了自身 的一些缺點(diǎn)不足，鍛煉了 自己 的實(shí)際動(dòng)手能力。在這個(gè)過(guò)程中有無(wú)數(shù)人給了我莫大的幫助。 我為 導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度、豐富的知識(shí)和無(wú)私奉獻(xiàn)的精神 所 折服。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 附錄一（實(shí)物圖） 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 附錄二（ Proteus仿真圖）