【正文】 ................................... 16 ３ .５ .１ 回波接收及濾波放大電路 ................................. 16 ３ .５ .２ 時間增益補償（ＴＧＣ）電路 ............................. 17 ３ .５ .３ 雙比較器整形電路 ....................................... 19 ３ .６ 溫度補償電路的設(shè)計 ............................................ 20 ３ .７ 顯示電路的設(shè)計 ................................................ 21 ３ .８ 通訊電路的設(shè)計 ................................................ 24 ４ 軟件設(shè)計 ............................................................ 28 基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 2 ４ .１ 主程序 ........................................................ 28 ４ .１ .１ 初始化子程序 ........................................... 29 ４ .１ .２ 溫度測量子程序 ......................................... 30 ４ .１ .３ 距離計算子程序 ......................................... 33 ４ .１ .４ 顯示子程序 ............................................. 34 ４ .１ .５ 時間增益補償程序 ....................................... 35 ４ .１ .６ 通訊電路子程序 ......................................... 36 ４ .２ 時間峰值檢測 .................................................. 36 ５ 結(jié)論 ................................................................ 38 參考文獻(xiàn) ................................................................ 41 附錄 基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)原理圖 ............................ 42 致謝 .................................................................... 43 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） I 設(shè)計總說明 目前 ,超 聲波測距技術(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量的特點 ,在工業(yè)領(lǐng)域液位、井深、管道長度以及建筑物測量、倒車?yán)走_(dá)、智能機器人的控制系統(tǒng)中都發(fā)揮了重要的作用。為了達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計系統(tǒng)需包含溫度補償電路，雙比較器整形電路和時間增益補償電路等信號調(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量精度不高的原因，首先，聲波在空氣中的傳遞速度會隨著溫度而發(fā)生有規(guī)律的變化。這就是會導(dǎo)致一個測量盲區(qū)，在測量近距離時產(chǎn)生錯誤讀取而造成測量失敗。顯示電路主要采用 LED 數(shù)碼管組成，采用動態(tài)顯示的方式。其他電路還包括用于測量環(huán)境溫度的測溫電路，主要由一個集成基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 II 芯片直接讀取環(huán)境溫度，送入單片機中， 再 通過查詢事先做好的溫度表，通過這個表即可得到當(dāng)前測量環(huán)境中的實際聲速，代入公式計算距離。 具體實現(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)的測量的盲區(qū)，采用了雙比較器整形電路來處理不同的距離的信號（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)生來源于振動，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，關(guān)于非接觸式測量系統(tǒng)的研究包含以下幾類：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說，紅外線是超聲波的八十多萬倍。目前的系統(tǒng)主要采用單片機微核心，結(jié)合溫度補償電路等模塊組成，由于計時的精確度和電基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 2 頁 共 48 頁 路的影響，現(xiàn)有超聲波的測量區(qū)間大致在 米到 20米之內(nèi)，誤差為毫米級，存在幾十厘米的盲區(qū)。一個叫做朗之萬的德國科學(xué)家用了晶體傳感器對超聲波進(jìn)行發(fā)射和接收，這項研究是在水下進(jìn)行的，且只能接頻率相對較低的超聲波。 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。 從國內(nèi)來看，目前超聲波在測試方面的研究成果比較多。詳細(xì)可見于國家測試研究所《 超聲波原理及實踐技術(shù)》，作者李冒山。在智能機器人研究領(lǐng)域，超聲波測距也有不可缺少的作用。而且不斷加入各個其他的領(lǐng)域的知識，結(jié)合了人類智慧的結(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)超聲波在通過幾種不同的媒介時 ,在這兩個介質(zhì)交界的地方會發(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 超聲波測距系統(tǒng)總體設(shè)計 超聲波測距的具體方式有多種，可以采取檢測相位的方式，也可以采取檢測幅值的方式，最普遍的度量時間的方式。 AT89C52單片機的一個 I/O口發(fā)出一個 40kHz的方波用于超聲波發(fā)射電路的輸入信號并同時開啟計時器并初始化所有子程序，該信號經(jīng)超聲波發(fā)射驅(qū)動電路的處理后輸送到超聲波的發(fā)射探頭。另外一路信號直接進(jìn)入雙比較器整形電路的 B比較器送入單片機。具體電路及芯片選型將在 下一章 詳述。經(jīng)過研究，選用 AT89C52 單片機作為電路的主控芯片， AT89C52 是 Atmel公司的一個經(jīng)典的 MCU，它有著低電壓的特點。詳細(xì)來說， P0 口： 8 位漏極的開路雙向輸入 /輸出口，作為輸出口時，每位可以驅(qū)動 8 個 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（論文） 第 11 頁 共 48 頁 工作原理簡單總結(jié)如下，在輸入 40kHz 的頻率下，壓電陶瓷、諧振片會被轉(zhuǎn)變成機械的振動，接著就把超聲的這個信號的振動發(fā)到外界去。因此該測距系統(tǒng)選用該頻率作為傳感器的工作頻率。且每個DS18B20 芯片都具有 一個獨一無二的編碼，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 測溫芯片實物圖 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 共 48 頁 引腳說明如表 33所示： 表 33 DS18B20 溫度傳感器引腳表 16 腳 SSOP PR35 符號 說明 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 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 作用 降壓 通過變壓器將 220V 降為 9V 整流 將得到的 9V 電源通過整流橋，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)心單片機會被燒毀 穩(wěn)壓 通過三端正穩(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 左邊兩個是降壓后的電源濾波電容，大電容旁邊并聯(lián)一個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（論文） 第 15 頁 共 48 頁 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 口發(fā)出 40kHz 的方波信號，通過以上 驅(qū)動電路來使超聲波發(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程中能量會衰減，因此，首先我們需要將接收探頭接收到的信號進(jìn)行一定的放大，該放大電路的核心元件為 NE5532 運放器 ，這是一個性能較高而噪聲較低的雙運放器，而且該器件占用的信號和電源的帶寬都不高，和大多數(shù)的普通運放相比顯示出較高的性能。也就是說， 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，盲區(qū) 也就變小了 。 時間增益補償電路原理圖如 圖 311 所示 : RUSTR20pFC410KR910KR10100nC5VREF23184AU202ANE553247uFC6100pFC747KR13+5V+5VOP1基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 18 頁 共 48 頁 圖 311 時間增益補償電路原理圖 該電路中 MAX5161 芯片為一個 數(shù)字電位器， 有三十二 級抽頭 。數(shù)字電位器 由單片機控制 ，實現(xiàn) 起來相對容易， 增益 效果 能 按照電路實際要求來做出調(diào)整。這是一中無法避免的誤差源，因此需要設(shè)計一個雙比較器整形電路，用于比較兩段不同遠(yuǎn)近的回波信號。具體電路如 313 所示： IN+1OUT4VCC5IN3GND2U5LMV331R11F11uFC8 20pFC910KR12+5VOP1+5VECD1IN+1OUT4VCC5IN3GND2U9LMV33110KR19F21uFC18 20pFC1910KR20ECD2+5V+5V時間增益補償及放大電路 圖 313 雙比較器整形電路原理圖 總的來說，經(jīng)發(fā)射回的超聲信號首先通過 NE5532 進(jìn)行首次放大，其中一路信號進(jìn)入近距離比較器，經(jīng)電路處理后進(jìn)入單片機，這部分電路用來處理近距離（ 3cm50cm）的超聲波信號。 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 外接 引腳 ,分別為 GND、 DQ、 VDD。 七 個亮段實際上就是 7 個條形的發(fā)光二極管。 顧名思義，所謂共陽極七段數(shù)碼管意思就是將所有發(fā)光二極管的額陽極連在一體，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)計中采用了共陽極的數(shù)碼管，將所用到的 4 個七段數(shù)碼管的陽極并接到一起。字形碼被送入數(shù)碼管后， 可一直保持 不變 ，直到 下個字形碼替代原先的字形碼 。自然，動態(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 。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”，信號由 B 向 A 傳輸，即芯片為接收的作用。 基于單片機的高精度超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 24 頁 共 48 頁 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 計算機的功能比單片機更完善，單片機的計算能力受到硬件限制，很難完成復(fù)雜計算和數(shù)據(jù)的處理。優(yōu)點是容易控制且比串行的傳送速度快很多。缺點是數(shù)據(jù) 傳送控制 起來較難，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 美國電子工業(yè)協(xié)會 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)距離通信和多個計算機直接的通訊，屬于半雙工型，并且不需要外界電源就可工作。通過以上兩種方式即可實現(xiàn)單片機和計算機的通訊，實現(xiàn)計算機與單片機的成功連接，這樣計算機就能方便的獲取單片機的數(shù)據(jù)，進(jìn)行復(fù)雜的計算或者為調(diào)控單片機做好準(zhǔn)備。另外，還可通過串口將結(jié)果傳遞給