【正文】 被拍打，桌面就會(huì)產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，從而傳播聲音。最后，也是最重要的一點(diǎn)，超聲波傳播的方向是直的，這就使得超聲波用于測距有了一個(gè)很好的基礎(chǔ)條件。且有如下關(guān)系： （ 23） 上式中 a 代表介質(zhì)常數(shù)， f代表振動(dòng)頻率。 ?代表系數(shù)，單位是：奈培 /cm。 ２ .１ .３ 超聲波換能器簡介 超聲波傳感器，別名超聲波換能器 ，是超聲波測距系統(tǒng)里不可或缺的一個(gè)重要元件。有一些特殊的材料在接受一定壓力是會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)電場，這就是我們通常所說的壓電效應(yīng)，而能達(dá)到這種效應(yīng)的材料就是作為超聲波傳感器的核心部件。 該測距的原理可簡單的表示為圖 22 所示 ： 圖 22 超聲波測距原理圖 系統(tǒng)框圖如圖 23所示： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 48 頁 圖 23 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)工作總流程 說明： 首先 ,系統(tǒng)初始化完成后，測溫電路開始工作， DS18B20 芯片開始采集環(huán)境溫度并將最后采集到的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。其中一路信號(hào)經(jīng)過 TGC 時(shí)間增益補(bǔ)償電路經(jīng)行增益處理，然后再次放大，通過雙比較器整形電路的 A比較器送入單片機(jī)。AT89C52單片機(jī) 測溫電路 發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路 T 一級放大電路 TGC電路 二級放大電路 比較器B 比較器A R 雙比較器整形電路 基于單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 48 頁 該測量結(jié)果由 顯示電路輸出 ，該顯示模塊主要由 74LS245鎖存器來驅(qū)動(dòng) 4個(gè) LED數(shù)碼管，采用了動(dòng)態(tài)顯示的方法，占用的 I/O 資源更少，充分發(fā)揮了軟件作用 。 此外，單片機(jī)還需要負(fù)責(zé)控制顯示電路，將測量出的距離的結(jié)果通過 LED 數(shù)碼管直觀 的顯示出來。 AT89C52 芯片擁有 40 個(gè)引腳，充足的 32 個(gè)可編程雙向 I/O 口，在該超聲波測距系統(tǒng)中，這樣多的雙向 I/O 口可以使所有需要的外設(shè)電路方便的與單片機(jī)連接起來，還有3 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器。 P1 口的第二功能如表 31所示： 表 31 AT89C52 第二功能說明表 引腳號(hào) 第二功能 T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入）、時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） 基于單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 10 頁 共 48 頁 續(xù)表 31： 引腳號(hào) 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INT0(外中斷 0) INT1（外中斷 1） T0 (定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0) T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 ) RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 實(shí)物圖片如圖 31 所示： 圖 31 AT89C52 芯片實(shí)物圖 ３ .１ .２ 超聲波傳感器的選型 本設(shè)計(jì)中選用的是型號(hào)為 T/R4018A 的壓電式換能器，具體參數(shù)如表 32 所示： 表 32 T/R4018A 超聲波換能器相關(guān)參數(shù) 型號(hào) 中心頻率 （ kHz） 發(fā)射聲壓最小電平（ dB） 接收最小靈敏度 (dB) 最小寬帶 (kHz/dB) 電容 pF 發(fā)射 接收 T/R4018A 40177。其中 T 為發(fā)出端， R 為接收端，它們一般是在同一系統(tǒng)中共存。 其頻率特性為圖 32 所示： (a) 聲壓能級曲線 (b)靈敏度曲線 圖 32 超聲波換能器頻率特性 從圖中很容易看出，它的聲壓性能大約在 40kHz時(shí)最優(yōu)，靈敏度也同樣。 DS18B20 是電子元器件中最早的一個(gè)支持“一跟總線”的有三個(gè)接口的測量和傳遞溫度的傳感器，該優(yōu)點(diǎn)可以靈活組建電路，而且更加經(jīng)濟(jì)，占用的體積更小。 ３ .２ ＣＰＵ模塊電路的設(shè)計(jì) CPU 模塊 主要用于控制各子電路的工作 ,電路 原理圖 如圖 36所示： 圖 36 CPU 模塊電路圖 P0、 口 用于接顯示電路， （ RXD）、 （ TXD）用于接串口通信電路， （ INT0）、 （ INT1）用于接雙比較整形電路的 2 路輸入信號(hào)， 用于1 2Y112MHz20pFC120pFC2C310KR1+5VRXDTXDECD1ECD2INCUD+5VS1EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P10/T1P11/T2P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10VCC40GND20U2AT89C52基于單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 48 頁 發(fā)送 40kHz 的脈沖信號(hào)給超聲波發(fā)射電路， 和 用于接時(shí)間增益補(bǔ)償電路的數(shù)字電位器。 ３ .３ 電源電路的設(shè)計(jì) 由于該系統(tǒng)需要用到 5V 的電源，為了保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)如下電路 ，電路原理圖如圖 37所示： U6S2Bridge104C101000uFC11104C121000uFC13LED11KR14~220V ~9VVin +5VGNDU77805+5V12J1CON2 圖 37 電源電路原理圖 該電路主要作用是通過將 220V 的交流電變?yōu)榉€(wěn)定的 5V 直流電，用于系統(tǒng)的供電。 超聲波發(fā)射包括兩部分的內(nèi)容：首先是超聲波的發(fā)射電路，本設(shè)計(jì)中選用 4069 非門組成，當(dāng)輸入口輸入的信號(hào)為高時(shí)，經(jīng)過反相器變?yōu)榈碗娖?；?dāng)輸入口輸入信號(hào)為低時(shí)，經(jīng)過反相器后變?yōu)楦唠娖?，這樣就實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號(hào)，以此來對發(fā)射探頭進(jìn)行控制。最后，為了減小盲區(qū)，需要采用雙比較器來對遠(yuǎn)近信號(hào)經(jīng)行比較，接著就可以將處理過的回波信號(hào)傳入單片機(jī)，得到測量距離。 距離增的增加會(huì)導(dǎo)致 回波信號(hào)的幅值衰減，并且衰減呈現(xiàn)指數(shù)規(guī)律。既可以使 發(fā)射信號(hào)的余 振 幅度 降低 ， 也可以同時(shí)使持續(xù)時(shí)問變短。 該電路主要 通過 數(shù)字電位器變化主化阻值來達(dá)到目的 。 系統(tǒng)工作時(shí)， 單片機(jī)通過查表 法取得相應(yīng) 的增益， 接著 通過串行設(shè)置 不同阻值，從而實(shí)現(xiàn)增益作用 。但由于聲波特殊的性質(zhì)，會(huì)有一部分聲波沒有經(jīng)過發(fā)射到反射這個(gè)過程，而是直接進(jìn)入接收端，這是接收端子無法分辨是否為反射信號(hào)，從而會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤測量。近距離比較器用來處理 3 cm50cm 的距離的反射波，遠(yuǎn)距離比較器用來處理50cm4 m 的距離的反射波。本設(shè)計(jì) 使用數(shù)字溫度計(jì) DS18B20 用于獲取環(huán)境溫度 ,最后通過查表法獲得 聲 音的速度 。在 許多的電子產(chǎn)品中都采用了常見的七段數(shù)碼管來顯示 所需 信息。 按照其中 7 個(gè)發(fā)光二極管的 接法的 不同， 可以將 七段數(shù)碼管 分為共陽（共陽極）和共陰（共陰極）兩種。 靜態(tài)顯示 要求 數(shù)碼管的 所有 段選 端都要接上 8位 的 數(shù)據(jù)線 ，以此來 顯示的字形碼。 動(dòng)態(tài)掃描 的意思是：電路依次往各個(gè) 數(shù)碼管 傳送 字形碼 、 位選 信號(hào) ， 由于 發(fā)光管 有余輝 且肉眼有一個(gè) 視覺暫留 的效果 ， 我們就會(huì)覺得所有的 數(shù)碼管 是同時(shí)顯示的。 74LS245 是一個(gè)常用的芯片，它的作用是驅(qū)動(dòng) LED 或別的設(shè)備。片選端 /CE 為低電平有效。位選信號(hào)由 到 送出。 并行通信 就 是將 需要傳輸?shù)?數(shù)據(jù) 的每一位 用 不同的 數(shù)據(jù)線同時(shí) 傳輸過去。而 且可以 直接通過 電話 線 等現(xiàn) 有的線路經(jīng)行傳送。單片機(jī)主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和控制電路，計(jì)算機(jī)主要是對單片機(jī)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行一系列計(jì)算和處理以及對單片機(jī)進(jìn)行控制。所謂 232 信號(hào)電平就是負(fù)10 到正 10 伏的信號(hào)，單片機(jī) TTL 電平就是 0到正 5 伏的信號(hào)。計(jì)算機(jī)到單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸過程為：計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通過 RS232 串口傳到 MAX202 芯片的 R1I 口，接著 MAX202 將信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可接收的信號(hào)，通過 R1O 口輸出，再經(jīng)過一個(gè)光電耦合器，然后進(jìn)入單片機(jī)的 RXD 口。等經(jīng)過接收電路處理過的回波被單片機(jī)接收后， AT89C52 收到回波的觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)記錄下降沿產(chǎn)生的時(shí)間，經(jīng)過軟件計(jì)算找到峰值點(diǎn)作為接收到回波的時(shí)間，最后通過公式計(jì)算出測量結(jié)果。外圍電路的初始化包括：顯示電路初始化、 。 ４ .１ .１ 初始化子程序 系統(tǒng)工作時(shí)，軟件部分首先 要進(jìn)行初始化。 基于單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 28 頁 共 48 頁 ４ 軟件設(shè)計(jì) ４ .１ 主程序 在本設(shè)計(jì)中， AT89C52 單片機(jī) 是整個(gè)系統(tǒng)的核心，需要通過它來控制各個(gè)子系統(tǒng)的運(yùn)行，主程序流程圖如圖 41所示： 圖 41 主程序流程圖 主程序的基本流程是：首先對單片機(jī)的時(shí)鐘和外圍電路進(jìn)行初始化，接著，使用溫度補(bǔ)償電路來測量實(shí)際溫度，并且代入溫度計(jì)算公式中計(jì)算出該溫度條件下的超聲波傳播的速度值。 主要電路圖如圖 322 所示： VCC16V+2C1+1C13T1I11T2I10R1O12R2O9C2+4C25V6T1O14T2O7R1I13R2I8GND15U10MAX202CSERXDR223K3R211KR233K3R241KDDDDC22100nC23100nC24100nC26100nN8SFH690ATN7SFH690ATC20100nC21100NTXD232RX232TX+5V +5V +5V +5V+5V123456789J2DB9 串口通信電纜線 PC 端子232RX232TX 圖 322 通訊電路原理圖 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 27 頁 共 48 頁 AT89C52 單片機(jī)的 和 兩個(gè)異步接收發(fā)送端口 ,即 RXD 和 TXD,分別為串行數(shù)據(jù)接收端和串行數(shù)據(jù)發(fā)送端。通信距離在二十米以內(nèi)。 該標(biāo)準(zhǔn)的 機(jī)械特性 為： RS232C 接口 共有 25 個(gè) 針 連接器，另外還有具體尺寸規(guī)定，這 25 個(gè)插針的位置如下圖 321 所示，功能如下表 35 所示： 圖 321 RS232 接口示意圖 相關(guān)插針的功能如下表 35所示： 表 35 RS232 插針功能圖 插針序號(hào) 信號(hào)名稱 功能 信號(hào)方向 1 PGND 保護(hù)接地 2（ 3） TXD 發(fā)送數(shù)據(jù)（串行輸出） DTE 到 DCE 3（ 2） RXD 接收數(shù)據(jù)（串行輸入） DTE 到 DCE 接收設(shè)備發(fā)送設(shè)備8 位 順 次 傳 送D 0D 796512 51 41 31基于單片機(jī)的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 48 頁 續(xù)表 35 插針序號(hào) 信號(hào)名稱 功能 信號(hào)方向 4（ 7） RTS 請求發(fā)送 DTE 到 DCE 5（ 8） CTS 允許發(fā)送 DTE 到 DCE 6（ 6） DSR DCE 就緒（數(shù)據(jù)建立就緒） DTE 到 DCE 7（ 5） SGND 信號(hào)接地 8（ 1） DCD 載波檢測 DTE 到 DCE 20（ 4） DTR DTE 就緒（數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒） DTE 到 DCE 22（ 9） RI 振鈴指示 DTE 到 DCE 注：表中括號(hào)內(nèi)的標(biāo)號(hào)對應(yīng)的是九針非標(biāo)準(zhǔn)型接口 從 硬件 條件 來 看，該設(shè)計(jì)的主控芯片為 AT89C52，該芯片的 通訊電路可以用到 RS232標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行串口通信。缺點(diǎn)是因?yàn)?傳輸線 非常多，如果需要長距離傳送的話會(huì)用到許多路線，造成高額的成本，且給收發(fā)兩方的設(shè)備都帶來不小的挑戰(zhàn)，并行通信如圖 319 所示： 圖 319 并行通信示意圖 A1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS1AMBERCAA1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS2AMBERCAA1f2g3e4d5A6c8DP7b9a10DS3AMBERCAA