【正文】 ................................... 16 ３ .５ .１ 回波接收及濾波放大電路 ................................. 16 ３ .５ .２ 時(shí)間增益補(bǔ)償（ＴＧＣ）電路 ............................. 17 ３ .５ .３ 雙比較器整形電路 ....................................... 19 ３ .６ 溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì) ............................................ 20 ３ .７ 顯示電路的設(shè)計(jì) ................................................ 21 ３ .８ 通訊電路的設(shè)計(jì) ................................................ 24 ４ 軟件設(shè)計(jì) ............................................................ 28 基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2 ４ .１ 主程序 ........................................................ 28 ４ .１ .１ 初始化子程序 ........................................... 29 ４ .１ .２ 溫度測(cè)量子程序 ......................................... 30 ４ .１ .３ 距離計(jì)算子程序 ......................................... 33 ４ .１ .４ 顯示子程序 ............................................. 34 ４ .１ .５ 時(shí)間增益補(bǔ)償程序 ....................................... 35 ４ .１ .６ 通訊電路子程序 ......................................... 36 ４ .２ 時(shí)間峰值檢測(cè) .................................................. 36 ５ 結(jié)論 ................................................................ 38 參考文獻(xiàn) ................................................................ 41 附錄 基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理圖 ............................ 42 致謝 .................................................................... 43 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 目前 ,超 聲波測(cè)距技術(shù)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各領(lǐng)域 ,由于其具有非接觸式測(cè)量的特點(diǎn) ,在工業(yè)領(lǐng)域液位、井深、管道長(zhǎng)度以及建筑物測(cè)量、倒車(chē)?yán)走_(dá)、智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)中都發(fā)揮了重要的作用。為了達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)需包含溫度補(bǔ)償電路，雙比較器整形電路和時(shí)間增益補(bǔ)償電路等信號(hào)調(diào)理電路。 為了達(dá)到高精度的要求，首先我們需要了解造成測(cè)量精度不高的原因，首先，聲波在空氣中的傳遞速度會(huì)隨著溫度而發(fā)生有規(guī)律的變化。這就是會(huì)導(dǎo)致一個(gè)測(cè)量盲區(qū)，在測(cè)量近距離時(shí)產(chǎn)生錯(cuò)誤讀取而造成測(cè)量失敗。顯示電路主要采用 LED 數(shù)碼管組成，采用動(dòng)態(tài)顯示的方式。其他電路還包括用于測(cè)量環(huán)境溫度的測(cè)溫電路，主要由一個(gè)集成基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) II 芯片直接讀取環(huán)境溫度，送入單片機(jī)中， 再 通過(guò)查詢(xún)事先做好的溫度表，通過(guò)這個(gè)表即可得到當(dāng)前測(cè)量環(huán)境中的實(shí)際聲速，代入公式計(jì)算距離。 具體實(shí)現(xiàn)的流程包括復(fù)位程序、發(fā)送匹配 ROM 命令、溫度轉(zhuǎn)換命令等。值得注意的是，為了降低該系統(tǒng)的測(cè)量的盲區(qū)，采用了雙比較器整形電路來(lái)處理不同的距離的信號(hào)（分為 3cm50cm 的近距離部分和 50cm400cm 的遠(yuǎn)距離部分），使得精度進(jìn)一步提高。 超聲波作為聲波的一種，有著和聲波同樣的性質(zhì)：它的產(chǎn)生來(lái)源于振動(dòng)，另外，在不同物體中的傳的速度也是不一樣的。近幾十年以來(lái)，關(guān)于非接觸式測(cè)量系統(tǒng)的研究包含以下幾類(lèi)：激光，微波，紅外線及超聲波。另外 ，紅外線傳播速度為 3 108米 /秒，速度之快，相較于超聲波在普通情況下的速度來(lái)說(shuō)，紅外線是超聲波的八十多萬(wàn)倍。目前的系統(tǒng)主要采用單片機(jī)微核心，結(jié)合溫度補(bǔ)償電路等模塊組成，由于計(jì)時(shí)的精確度和電基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 共 48 頁(yè) 路的影響，現(xiàn)有超聲波的測(cè)量區(qū)間大致在 米到 20米之內(nèi)，誤差為毫米級(jí)，存在幾十厘米的盲區(qū)。一個(gè)叫做朗之萬(wàn)的德國(guó)科學(xué)家用了晶體傳感器對(duì)超聲波進(jìn)行發(fā)射和接收，這項(xiàng)研究是在水下進(jìn)行的，且只能接頻率相對(duì)較低的超聲波。 1935 年， Sokolve 發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)的介紹了他的研究結(jié)果。這是早期的比較系統(tǒng)的資料之一，一 直被奉為經(jīng)典。 從國(guó)內(nèi)來(lái)看，目前超聲波在測(cè)試方面的研究成果比較多。詳細(xì)可見(jiàn)于國(guó)家測(cè)試研究所《 超聲波原理及實(shí)踐技術(shù)》，作者李冒山。在智能機(jī)器人研究領(lǐng)域，超聲波測(cè)距也有不可缺少的作用。而且不斷加入各個(gè)其他的領(lǐng)域的知識(shí)，結(jié)合了人類(lèi)智慧的結(jié)晶。物理學(xué)上將它規(guī)定為頻率在20xx0 赫茲以上的波。因此不難看出，超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域不受限制，即可用于軍事也可用于日常生活，對(duì)工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療業(yè)也有著巨大作用。聲波的特性很多，首先，聲音在同一環(huán)境下的傳播速度是一個(gè)定值。 ２ .１ .２ 超聲波與傳播介質(zhì)的關(guān)系 當(dāng)超聲波在通過(guò)幾種不同的媒介時(shí) ,在這兩個(gè)介質(zhì)交界的地方會(huì)發(fā)生折射和反射兩種現(xiàn)象。 超聲波的衰減，波在傳播當(dāng)中，由于外界因素的影響，其具有的能會(huì)逐漸減小。 其衰減與距離的關(guān)系如表 21所示： 表 21 聲波衰減與距離的關(guān)系表 L(cm) 1 2 5 10 20 40 80 160 200 幅值（ mv） 141 112 86 74 52 41 31 8 3 經(jīng)研究證明，在介質(zhì)中，聲音傳播速度會(huì)受到環(huán)境溫度的影響。它的主要作用是完成電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換。 ２ .２ 超聲波測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的具體方式有多種，可以采取檢測(cè)相位的方式，也可以采取檢測(cè)幅值的方式，最普遍的度量時(shí)間的方式。 AT89C52單片機(jī)的一個(gè) I/O口發(fā)出一個(gè) 40kHz的方波用于超聲波發(fā)射電路的輸入信號(hào)并同時(shí)開(kāi)啟計(jì)時(shí)器并初始化所有子程序，該信號(hào)經(jīng)超聲波發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路的處理后輸送到超聲波的發(fā)射探頭。另外一路信號(hào)直接進(jìn)入雙比較器整形電路的 B比較器送入單片機(jī)。具體電路及芯片選型將在 下一章 詳述。經(jīng)過(guò)研究，選用 AT89C52 單片機(jī)作為電路的主控芯片， AT89C52 是 Atmel公司的一個(gè)經(jīng)典的 MCU，它有著低電壓的特點(diǎn)。詳細(xì)來(lái)說(shuō)， P0 口： 8 位漏極的開(kāi)路雙向輸入 /輸出口，作為輸出口時(shí)，每位可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。 1 115 64 6/100 60/71 2400177。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 11 頁(yè) 共 48 頁(yè) 工作原理簡(jiǎn)單總結(jié)如下，在輸入 40kHz 的頻率下，壓電陶瓷、諧振片會(huì)被轉(zhuǎn)變成機(jī)械的振動(dòng)，接著就把超聲的這個(gè)信號(hào)的振動(dòng)發(fā)到外界去。因此該測(cè)距系統(tǒng)選用該頻率作為傳感器的工作頻率。且每個(gè)DS18B20 芯片都具有 一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的編碼，支持物聯(lián)網(wǎng)的尋址， DS18B20 的引腳如圖 34所示： 圖 34 DS18B20 管腳圖 圖 35 DS18B20 測(cè)溫芯片實(shí)物圖 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 共 48 頁(yè) 引腳說(shuō)明如表 33所示： 表 33 DS18B20 溫度傳感器引腳表 16 腳 SSOP PR35 符號(hào) 說(shuō)明 9 1 GND 接地 8 2 DQ 數(shù)據(jù)輸入 /輸出腳。另外 AT89C52 的 VCC 引腳需要外接一個(gè) 5V 直流電源，由電源模塊產(chǎn)生， GND引腳接地。主要步驟如表 34所示： 表 34 標(biāo)準(zhǔn)電源電路工作 流程 名稱(chēng) 作用 降壓 通過(guò)變壓器將 220V 降為 9V 整流 將得到的 9V 電源通過(guò)整流橋，將交流電變成直流電，這樣做的好處是：即使粗心電源接反，也不用擔(dān)心單片機(jī)會(huì)被燒毀 穩(wěn)壓 通過(guò)三端正穩(wěn)壓電路 7805 將電源穩(wěn)壓成 5V 直流電源提供給系統(tǒng)使用 濾波 7805 左邊兩個(gè)是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個(gè)小電容的目的是降低 續(xù)表 34： 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 15 頁(yè) 共 48 頁(yè) 濾波 高頻內(nèi)阻，大的電解電容等效電感較大，小電容提供一個(gè)小內(nèi)阻的高頻通道，降低電源的全頻帶內(nèi)阻。其次是超聲波發(fā)射控制電路，采用軟件控制的方式，從單片機(jī) 口發(fā)出 40kHz 的方波信號(hào)，通過(guò)以上 驅(qū)動(dòng)電路來(lái)使超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。 ３ .５ .１ 回波接收及濾波放大電路 由于超聲波在傳遞的過(guò)程中能量會(huì)衰減，因此，首先我們需要將接收探頭接收到的信號(hào)進(jìn)行一定的放大，該放大電路的核心元件為 NE5532 運(yùn)放器 ，這是一個(gè)性能較高而噪聲較低的雙運(yùn)放器，而且該器件占用的信號(hào)和電源的帶寬都不高，和大多數(shù)的普通運(yùn)放相比顯示出較高的性能。也就是說(shuō)， 近距離 物體反射 的回波幅度 稍大， 遠(yuǎn)距離 物體反射的回波幅度 略小。用這樣的方法就能夠辨別出 近處的信號(hào)，盲區(qū) 也就變小了 。 時(shí)間增益補(bǔ)償電路原理圖如 圖 311 所示 : RUSTR20pFC410KR910KR10100nC5VREF23184AU202ANE553247uFC6100pFC747KR13+5V+5VOP1基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè) 共 48 頁(yè) 圖 311 時(shí)間增益補(bǔ)償電路原理圖 該電路中 MAX5161 芯片為一個(gè) 數(shù)字電位器， 有三十二 級(jí)抽頭 。數(shù)字電位器 由單片機(jī)控制 ，實(shí)現(xiàn) 起來(lái)相對(duì)容易， 增益 效果 能 按照電路實(shí)際要求來(lái)做出調(diào)整。這是一中無(wú)法避免的誤差源，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)雙比較器整形電路，用于比較兩段不同遠(yuǎn)近的回波信號(hào)。具體電路如 313 所示： IN+1OUT4VCC5IN3GND2U5LMV331R11F11uFC8 20pFC910KR12+5VOP1+5VECD1IN+1OUT4VCC5IN3GND2U9LMV33110KR19F21uFC18 20pFC1910KR20ECD2+5V+5V時(shí)間增益補(bǔ)償及放大電路 圖 313 雙比較器整形電路原理圖 總的來(lái)說(shuō)，經(jīng)發(fā)射回的超聲信號(hào)首先通過(guò) NE5532 進(jìn)行首次放大，其中一路信號(hào)進(jìn)入近距離比較器，經(jīng)電路處理后進(jìn)入單片機(jī)，這部分電路用來(lái)處理近距離（ 3cm50cm）的超聲波信號(hào)。 在章節(jié) 中已經(jīng)詳述了該 DS18B20 芯片為 單線 的 數(shù)字溫度傳感器， 只 有三個(gè) 外接 引腳 ,分別為 GND、 DQ、 VDD。 七 個(gè)亮段實(shí)際上就是 7 個(gè)條形的發(fā)光二極管。 顧名思義，所謂共陽(yáng)極七段數(shù)碼管意思就是將所有發(fā)光二極管的額陽(yáng)極連在一體，而共陰極七段數(shù)碼管的意思就是將所有發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，由于單片機(jī)的輸出口不能夠提供足夠的電壓使二極管發(fā)光，所以在本設(shè)計(jì)中采用了共陽(yáng)極的數(shù)碼管，將所用到的 4 個(gè)七段數(shù)碼管的陽(yáng)極并接到一起。字形碼被送入數(shù)碼管后， 可一直保持 不變 ，直到 下個(gè)字形碼替代原先的字形碼 。自然，動(dòng)態(tài)顯示的亮度 不如靜態(tài)顯示那么亮，其限流電阻的阻值比靜態(tài)顯示電 路的值要小一點(diǎn) 。該芯片為 8 路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器，數(shù)據(jù)可以從 A 端傳到 B端，也可以從 B端傳到 A 端。 DIR=“ 0”，信號(hào)由 B 向 A 傳輸，即芯片為接收的作用。 基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè) 共 48 頁(yè) 具體電路如圖 318 所示： 圖 318 顯示電路原理圖 ３ .８ 通訊電路的設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)的功能比單片機(jī)更完善，單片機(jī)的計(jì)算能力受到硬件限制，很難完成復(fù)雜計(jì)算和數(shù)據(jù)的處理。優(yōu)點(diǎn)是容易控制且比串行的傳送速度快很多。缺點(diǎn)是數(shù)據(jù) 傳送控制 起來(lái)較難，串行通信如圖 320 所示： 圖 320 串行通信示意圖 串行通信 RS232C 接口 是常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)， RS232 于 1969 年 被 美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì) 所修訂，它明確 了數(shù)據(jù)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)通信設(shè)備的物理接口標(biāo)準(zhǔn)。串口通信是逐位傳遞數(shù)據(jù)的， RS232 標(biāo)準(zhǔn)接口簡(jiǎn)單，用到的線只有三根： TX、 RX 和 GND。該電路支持遠(yuǎn)距離通信和多個(gè)計(jì)算機(jī)直接的通訊，屬于半雙工型，并且不需要外界電源就可工作。通過(guò)以上兩種方式即可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和計(jì)算機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與單片機(jī)的成功連接，這樣計(jì)算機(jī)就能方便的獲取單片機(jī)的數(shù)據(jù)，進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算或者為調(diào)控單片機(jī)做好準(zhǔn)備。另外，還可通過(guò)串口將結(jié)果傳遞給