【正文】 超聲效應(yīng) ............................................................. 4 超聲波測距的優(yōu)勢和原理 ............................................... 5 超聲波傳感器 ......................................................... 6 超聲波發(fā)生器及其原理 ........................................... 6 單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成 ....................................... 7 3 超聲波硬件設(shè)計方案 ....................................................... 8 C8051F410 單片機(jī) ..................................................... 8 系統(tǒng)概述 ....................................................... 8 C8051F 的特點 ................................................. 9 C8051F 單片機(jī)增加的功能 ...................................... 9 C8051F 單片機(jī)的引腳圖 ....................................... 10 超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成 ................................................. 10 設(shè)計的思路 .................................................... 10 設(shè)計的重點與難點 .............................................. 12 硬件設(shè)計的原理圖 .................................................... 12 MCU 及其超聲波驅(qū)動電路 ........................................ 12 蜂鳴器電路 .................................................... 13 40KHZ 超聲波接收處理電路 ...................................... 13 顯示電路 ...................................................... 14 4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ............................................................ 16 主程序編制及流程圖 ................................................. 16 中斷服務(wù)程序的流程 圖 ............................................... 16 信號處理程序 ....................................................... 17 程序中有關(guān)存儲器、 寄存器及標(biāo)志位的內(nèi)容及用途 ....................... 17 5 調(diào)試及性能分析 .......................................................... 18 焊接注意事項 ....................................................... 18 硬件調(diào)試 ........................................................... 18 軟件調(diào)試 ........................................................... 19 性能分析 ........................................................... 20 參考文獻(xiàn) ................................................................... 22 IV 結(jié)束語 ..................................................................... 23 致謝 ....................................................................... 24 附錄 I 硬件原理圖 .......................................................... 25 附錄 II 元器件清單 .......................................................... 26 附錄 III 程序清單 .......................................................... 28 1 1 緒論 問題的提出和課題的研究意義 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣泛。在實時檢測和自動控制的單片 機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)往往作為一個核心部件來使用，僅單片機(jī)方面知識是不夠的，還應(yīng)根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 在工業(yè)生產(chǎn)中超聲波 測量占據(jù)著極為重要的地位，具有廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域液位測量數(shù)據(jù)是實際生產(chǎn)和過程控制的重要參數(shù)儲液罐儲存液體的總量就是利用液位測量進(jìn)行管理和控制的。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出 的超聲波攜帶了被照部位的信息 ，經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電 信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上， 上述裝置稱為超聲顯微鏡。通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。 40 年代末期超聲治療在歐美興起，直到 1949 年召開的第一次國際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。高強度聚焦超聲無 創(chuàng)外科，已使超聲治療在當(dāng)代醫(yī)療技術(shù)中占據(jù)重要位置。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質(zhì)的振動而不斷運動、長大或突然破滅。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮氣的水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會變色或退色。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。 溫度 (℃ ) － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 表 聲速與溫度的關(guān)系 圖 超聲波測距時序圖 超聲波傳感器 超聲波發(fā)生器 及其原理 為了研究和利用超聲波，人們 已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。若在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。 發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動超聲波發(fā)送。單片機(jī) 將測得的時間與聲速相乘再除以 2即可得到測量值，最后經(jīng)液晶顯示屏將測得的結(jié)果顯示出來。 C8051F 的特點 (1)高速流水線結(jié)構(gòu)的 8051 與 MCS51 指令集完全兼容 (2)4 個 8 位寬的 I/O 端口 (3)峰值速度達(dá) 25MIPS（時鐘為 25MHZ 時） (4)全速非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口片內(nèi)，真正 12 位（ 8051F020） ,或 10 位C8051F02213 100KSPS 的 8 位通道 ADC 帶 PGA 和模擬多路開關(guān)。ADC, DAC, PCA, SPI 和 SMBVS 等部件。 測量范圍在 01m，測量精度 12cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯 示測量結(jié)果。 通過供電電路給蜂鳴器電路供 +5V 電源，接入蜂鳴器 BEER 的第一引腳作為供電電源。然后信號進(jìn)入由 TL084 和兩個超級二極管組成的整形電路同時將電信號由交流轉(zhuǎn)換成直流。 顯示電路采用 當(dāng)下最流行 的 漢顯LCD 液晶顯示屏 ， 顯示控制線接入單片機(jī)的 、 、 、 、 端口，顯示控制總線接入單片機(jī)的 、 、 、 、 、 端口以實現(xiàn)超聲波測距信號的顯示?？稍O(shè)定T1 的定時值，用來控制嘟聲間隙時間和閃爍顯示時間。另外， 電子設(shè)備 特別是剛啟動時，電源中也有許多干擾脈 沖。在焊接 SMD 器件時可先將器件的一個焊盤上錫（注意：先給接大面積地線的器件上錫，因為大面積地線的散熱作 用明顯，會給后續(xù)焊接帶來麻煩！）然后用尖鑷子拿住器件，先放在沒有焊錫的焊盤上，再用鑷子夾?。ㄟ@樣可以保證器件貼著 PCB）器件，同時用烙鐵熔化上好錫的焊盤，平推器件到焊錫中（注意：為了方便另外一個焊盤的焊接，可適當(dāng)偏向已上錫的焊盤，另一側(cè)焊盤留下較大的空間）。在電路板上加了保護(hù)裝置，一個穩(wěn)壓二極管，和一個電阻，問題解決。可以調(diào)節(jié)電位器，獲得合適的靈敏度。 下圖為測試時截取的波形 ，通過波形的變化說明測試的過程。不過這些問題在 馬 老師的細(xì)心幫助下一點一點地解決了。 轉(zhuǎn)眼間畢業(yè)設(shè)計已接近尾聲，在這兩個多月里，無論是在專業(yè)知識， 還是在專業(yè)技能方面自己都得到了很好的鍛煉，并有相應(yīng)的提高，作為大學(xué)四年學(xué)習(xí)的總結(jié)，使我認(rèn)識到學(xué)習(xí)過程中的許多缺陷與不足，并對所學(xué)的專業(yè)知識進(jìn)行了重新溫習(xí)與整理，使許多獨立的專業(yè)課程在實踐中得到了融會貫通。本次畢業(yè)設(shè)計的完成，除了自己的努力外，好多人給予了很多的幫助 ,有些問題才能得以順利解決。 sbit beep = P2^1。 //設(shè)備硬件初始化 lcd_init()。 //將超聲波發(fā)送次數(shù)設(shè)置為 1，以便第一次超聲波發(fā)送 //============一下是顯示圖標(biāo)和固定字符 ===================// WriteGraphic(2,0,48,160,Graphic_Clear160)。 WriteGraphic(3,104,16,8,DISP[7])。 WriteGraphic(5,72,16,8,DISP[15])。 TR1 = 1。 WriteGraphic(3,48,16,8,DISP[4])。 WriteGraphic(5,48,16,8,DISP[12])。 delay(50000)。 delay(50000)。 //關(guān)閉計數(shù)器 time_use = TH1。= ~0x40。 for (i = 0。 P0MDOUT = 0x08。 TMOD = 0x10。 //端口初始化，所有的端口在這里初始化 Timer_Init()。 //EIP1 = 0x10。 P0ODEN = 0xFF。= ~0x30。 PCA0CPM2 = 0x47。 count_num_s = 1。 } if(CCF0 == 1) { CCF0 = 0。 delay(50000)。 WriteGraphic(5,80,16,8,DISP[4])。 WriteGraphic(3,112,16,8,DISP[8])。 WriteGraphic(3,16,16,8,DISP[0])。 //打開發(fā)送 40KHZ 的方波，占空比為 50% delay(200)。 WriteGraphic(5,40,16,8,DISP[11])。 WriteGraphic(3,40,16,8,DISP[3])。i++) //給定一個較長的延時，等待設(shè)備初始化完成 { delay(50000)。 PCA0MD amp。路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索。 課程設(shè)計培養(yǎng)了嚴(yán)肅認(rèn)真和實事求是的 科學(xué)態(tài)度。在本設(shè)計中沒有涉及到芯片內(nèi)部的元件設(shè)計，另外就軟件設(shè)計而言也存在著一些不足之處，我相信這些不足之處在以后的工作和學(xué)習(xí)中會得到改進(jìn)。 所以測量一米的誤差在 1— 2cm。 等到回波信號收到以后，單片機(jī)捕 捉模塊， 捕捉 到信號的下降沿，這時可以認(rèn)為回波到達(dá)。 最后， 超聲波回波信號，接收到以后，進(jìn)行放大。如果一直顯示“ ”， 說明所測距離超過量程，需要縮短距離。 01H=1,有回波； 01H=0，無回波 INT0 中斷 T0 停止取計數(shù)值置有回波標(biāo)志 中斷返回 18 5 調(diào)試及性能分析 焊接注意事項 因為考慮到做好的傳感器 要具有一定的使用價值，所以體積要略有控制，使用了一些SMD 器件，給焊接帶來了難度，但對于我來講即使一個挑戰(zhàn)同樣也是一個挑戰(zhàn)自我的機(jī)會。