【正文】 characteristics of finely detailed ultrasonic sensor, and the STC pany39。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） I 摘 要 傳感器技術是現(xiàn)代信息技術的主要內(nèi)容之一，信息技術主要包括計算機技術、通信技術和傳感器技術，傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器、壓力傳感器等等，其中超聲波傳感器在測量方面有著廣泛、普遍的應用。 本課題詳盡細紹了超聲波傳感 器的原理和特性，以及 STC 公司的STC12C5A60S2 單片機的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎上，指出了設計測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計方法。 超聲波是指頻率在 20KHz～ 106KHz 的機械波，在空氣中的傳播速度 約 為340m/s，波長為 ～ 10cm。在空氣中傳播的超聲波，其頻率較低，一般為幾十千赫茲，而在固體、液體中則頻率較高。超聲波作為一種特殊的能量輸入方式，所具有的高效能在材料化學中起到光 、力、 電 、熱等方法所無法達到的作用。 超聲波測距，是利用其指向性強﹑ 能量消耗緩慢 并 且在介質(zhì)中傳播的距離較遠等 特性進行距離測量 ， 其 經(jīng)常用于測量物體的距離 、 厚度 、 液位。 超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬 電路 或者數(shù)字電路構建，但是基于這些傳統(tǒng)電路 所 構建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試困難，可擴展性 較 差，所以 目前 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應用。他發(fā)明的第一部聲納儀是一種被動式的聆聽裝置，主要 是 用來偵測冰山。 隨著機器人技術在其誕生幾十年后得到迅猛的發(fā)展，機器人的應用范圍也逐步從軍事行業(yè)走向工業(yè)成產(chǎn)以及人們的生活。澳大利亞JEHAWK 公司 的 HpAWK 系列產(chǎn)品使超聲波測距技術有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術的應用場合（適用 于 極惡劣的工作環(huán)境），而且使用智能調(diào)節(jié)技術，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標，讓用戶使用無后顧之憂。這使得我國在超聲波測距系統(tǒng)的性能以及精度等方面都有很大的提高。系統(tǒng) 在測距的時候采用的是兩個超聲波探頭分別進行超聲波發(fā)射和接收來進行距離的測量的， 經(jīng)過調(diào)試正常可用后，編寫相應的超聲波程序，完成對于整個測距系統(tǒng)的控制。 論文構成分為五章，每一章的主要內(nèi)容如下： 第 1 章 緒論。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計。 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與結果分析。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 系統(tǒng)整體方案設計 超聲波測距原理概述 超聲波測距 ， 指的是利用超聲波的反射特性進行距離測量 ， 當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時， 超聲波會發(fā)生反射，利用此原理進行距離測量。測試傳輸 時間可以得出距離。將式 (24)帶入式 (23)可得 ? ?? ?HMvtH a r c ta nc o ? (25) 當被測距離 H 遠遠大于 M時，式 (25)變?yōu)? vtH ? (26) 這就是所謂的 脈沖回波法 。 相位差法與脈沖回波法的不同，主要體現(xiàn)在對回波的處理方式上，由超聲波換能器的接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相位完全相同的電信號，此電信號放大后與聲源的驅(qū)動電壓相比較，測得兩個正弦電壓的相位差，根據(jù)所測相位差就可算得所測距離。因此，大多數(shù)情況下都采用 脈沖回波 測 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 距法。 表 21 不同溫度下的超聲波波速 溫度 T/℃ 30 20 10 0 10 20 30 聲速 v/m硬件的設計采用模塊化設計，則既 要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 控 制 模 塊S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2超 聲 波 發(fā) 射 電 路超 聲 波 接 收 電 路溫 度 測 量 模 塊顯 示 模 塊報 警 模 塊圖 22 超聲波測距系統(tǒng)硬件框圖 本設計由 Keil 編程軟件對單片機進行編程 ，單片機在執(zhí)行程序后由 I/O 口產(chǎn)生 40kHz 的脈沖信號通過 74LS04 電路進行放大并送到到超聲波發(fā)射探頭，產(chǎn)生超聲波。 單片機是集成了 CPU， ROM， RAM和 I/O 口的微型計算機。 同時，單片機的選擇也至關重要。 （ 2）單片機的存儲介質(zhì)。 （ 4）單片機的功耗。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。 在超聲波測量 系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。顯示模塊可采用的方案有數(shù)碼管顯示和液晶顯示屏顯示兩種。 溫度 測量傳感器選擇 溫度模塊主要用于該系統(tǒng)設計的溫度補償功能，根據(jù)所采集的溫度 數(shù)據(jù)來修正 測距系統(tǒng) 中 的聲速 。 （ 2） DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20—— 數(shù)字溫度傳感器，單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊，同時顯示更加精確。本章節(jié)將詳細介紹各模塊的電路結構與功能。 圖 31 STC12C5A60S2 引腳功能圖 STC12C5A60S2 單片機引腳功能 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 （ 1）電源引腳 Vcc（ 40）：正電源的引腳，工作電壓是 5 V。 （ 3） 復位引腳 RST（ 9） 當振蕩器運行時，只要有有兩個機器周期即 24 個振蕩周期以上的高電平在這個引腳出現(xiàn)時，那么就將會使單片機復位，如果將這個引腳保持高電平，那么51單片機芯片就會循環(huán)不斷地進行復位。 P1 口 （ 1～ 8） 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，而 P1口只有通用I/O 接口一種功能，而且 P1 口能驅(qū)動 4個 LSTTL 負載；在使用時通常不需要外接上拉電阻就能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管；在端口置 1時，其內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 引腳上的內(nèi)容在此期間 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 不會改變。 P3口的第二功能，如表 所示。 當單片機從外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機器周期內(nèi)輸出 2 個脈沖即兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù)。 單片機最小系統(tǒng) STC12C5A60S2 主要由復位電路和時鐘電路兩部分組成。 單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖 32 所示。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械 方式產(chǎn)生超聲波。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器結構如下： 圖 33超聲波傳感器外部結構 圖 34超聲波傳感器內(nèi)部結構 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子 有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。它有兩個壓電晶片和一個共振板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。超聲波發(fā)射電路如圖 35所示。 CX20216A 芯片的 5 腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。 HCSR04型超聲波集成模塊的工作電壓為 5V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于 2mA 的，工作時候可以比較穩(wěn)定。 HCSR04 超聲波集成模塊采用的是 I/O 觸發(fā)測距，給至少 10μ s的高電平信號。這樣不斷的循環(huán)周期測，就可以在不停地移動的過程中測量距離值了。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。 單片機端的 P0口 接到 LCD1602的 D0～ D7,而 RS,RW,E 接線接到 ， ， 三個 I/O 口 。 DS18B20 溫度傳感器有以下特點： 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。報警部分的連線，如圖 39所示。 LM7805 是用來穩(wěn)壓的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 主程序設計 主程序是對整個單片機系統(tǒng)進行初始化后，先將超聲波的回波接收標志位置位并且使單片機 端口輸出一個低電平用來啟動超聲波發(fā)射電路，同時將定時器 T0 啟動，根據(jù) T0 得到記錄的時間。 程序中對測距距離的計算方法是按 S=N(+ temp)/20210(cm)進行計算的，其中， N為計數(shù)器的值， temp 為當前環(huán)境溫度，聲速的值取為 (+ temp)m/s。判斷超聲波測距模塊是否接收到回波，如果沒有收 到回波則重新啟動系統(tǒng)。將所測量的距離與當前環(huán)境的溫度進行顯示。 系 統(tǒng) 初 始 化 子 程 序溫 度 采 集 子 程 序發(fā) 射 超 聲 波啟 動 T 0 開 始 計 數(shù)返 回 波 到 達 ？是 否 超 時 ？關 閉 T 0 ， 讀 取 計 數(shù) 值計 算 距 離顯 示 處 理 子 程 序判 斷 報 警 子 程 序開 始 圖 41 主程序流程圖 系統(tǒng)初始化 子程序設計 系統(tǒng)初始化子程序的流程圖如圖 42 所示。所以必須對溢出中斷進行相應的設置才能使得單片機正常工作。若 DS18B20 判斷存在，則啟動溫度轉(zhuǎn)換，否則將重新進行。系統(tǒng) 開始先顯示溫度，然后顯示所測距離。在本設計中，利用的是單片機 引腳來產(chǎn)生的方波來控制蜂鳴器產(chǎn)生 “ 滴滴 ” 聲。這樣不但方便電路調(diào)試、及時發(fā)現(xiàn)問題，而且在這個硬件電路焊接完成的同時系統(tǒng)硬件的調(diào)試工作也就完成了。因此把硬件調(diào)試按照一下四部分分步來進行： （ 1）所有焊接點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在； （ 2）通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設計要求的范圍內(nèi)； （ 3）通過軟件編程測試顯示屏是否能正常工作； （ 4）下載軟件程序測試系統(tǒng)硬件是否能夠?qū)崿F(xiàn)設計的功能。檢測和修改完成后，為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起的檢測結果不真實的麻煩。測試各器件電源端電壓在 ～ 之間以滿足器件的電源電壓要求，單片機的端口在未接負載時端口電壓為 。 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法及過程 軟件的調(diào)試是運用模塊化調(diào)試，通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語法和邏輯錯誤，具體的調(diào)試步驟如下： （ 1）把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調(diào)試，如中斷模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射和接收模塊等。因此超聲波 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 29 的傳播速度受氣體的密度、溫 度及氣體分子成份的影響。 觸發(fā)誤差 由于被測信號經(jīng)放大、整形，門控在產(chǎn)生“開門脈沖”和“ 關門脈沖”中，噪聲信號、干擾信號的摻入，使觸發(fā)的時間可能提前或滯后，給測量結構帶來了隨機誤差，該誤差與信號的觸發(fā)波形有很大關系。 電路本身影響 電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會造成測量誤差，主要表現(xiàn)為： （ 1）收到回波到被檢測出的滯后。 這是由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器。這是由于系統(tǒng)是用來測量點和面的 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 30 距離，而被測物表面、超聲波發(fā)射探 頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度。超聲波測距系統(tǒng)的核心單片機采用 STC12C5A60S2，晶振為 12MHz。 本設計還可以做如下改進： 系統(tǒng)的動態(tài)性能不高，被測物體表面移動速度小的時候，可以實現(xiàn)跟蹤測量；移動速度過大，波動較大時，誤差變大，可以研究更為合理的波導管和輔助測量手段； 提高超聲波發(fā)射探頭的固有頻率。另外加上環(huán)境溫度、氣流等的影響，使超聲波測距系統(tǒng)受到干擾尤為嚴重。電路元件要選用低噪聲器件，采 取合理的電路布局，良好的印刷板走線，并注意進行屏蔽。 同時我還要感謝和我 一起做畢業(yè)設計的同學，在畢業(yè)設計的短短幾個月里，給了我不少的幫助和支持，提出了許多寶貴的意見，正因為如此，我才能成功地完成畢業(yè)設計。 sbit Echo_bit = P1^1 。 unsigned temp=0 。 lcd1602WriteCommand(0x0c) 。 lcd1602AddressWriteByte(LCD1602_ROW1,10,0xdf) 。 init() 。 while(Echo_bit) 。 TL0 = 0 。 lcd1602AddressWriteByte(LCD1602_ROW0,5,S%100/10 +3