【正文】 分組成，用來(lái)接收反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，超聲波換能器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，雖然完成了聲電轉(zhuǎn)換，但得到的這個(gè)信號(hào)并不能被單片機(jī)直接接收，需要通過(guò)一定的調(diào)理信號(hào)經(jīng)行處理，先將回波信號(hào)經(jīng)行一定的放大。此外，RESET用于接復(fù)位電路，當(dāng)單片機(jī)需要復(fù)位時(shí)按下開(kāi)關(guān)S1，外部復(fù)位電路產(chǎn)生2機(jī)周以上的高電平，是單片機(jī)完成復(fù)位。DS18B20溫度傳感器是一個(gè)以9位數(shù)字信息反映溫度值的一個(gè)器件，通過(guò)一個(gè)單線口既可以用來(lái)接收也可以用來(lái)發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機(jī)，因此，該芯片使用時(shí)只需和單片機(jī)用一根連接線即可以達(dá)到讀取和傳送溫度值的目的，由于電源和信號(hào)是復(fù)合起來(lái)的，所以不需要另外加一個(gè)外界的電源就可以工作。收到的超聲波被接收器進(jìn)行一定的處理，將聲音和電這兩種能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后使得接收到的信號(hào)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)。擁有可編程的Flash，這些特點(diǎn)表明AT89C52可以滿足多種系統(tǒng)的需要，使用的靈活性很高。單片機(jī)收到回波信號(hào)后立即經(jīng)行中斷處理，獲取時(shí)間差值，即可計(jì)算出測(cè)量的最后結(jié)果。具體計(jì)算公式如下： （27）其中，S為所求距離，T為波來(lái)回的時(shí)間，V為當(dāng)前超聲波傳遞的速度。溫度變高后，一般情況下速度也會(huì)加快，這兩者間的關(guān)系如表22所示：表22 聲速與溫度關(guān)系溫度（℃）3020100102030100波速（m/s）313319325323338344349386用公式可表示為： （26）其中，T代表溫度。超聲波沿x正向傳播的運(yùn)動(dòng)方程為： （21） （22）其中，A(x)代表超聲波的振幅（質(zhì)點(diǎn)位移的大?。ⅵ卮斫穷l率、t代表時(shí)間、A0則是常數(shù)、x代表傳播的距離、k=2π/λ代表波數(shù)，λ代表波長(zhǎng)，α代表衰減的系數(shù)。雖然如此，但其本質(zhì)還是聲波，因此能滿足聲波的各種特性，也就是說(shuō)，聲波的規(guī)律對(duì)于超聲波也完全適用。通過(guò)查詢相關(guān)資料了解到，我們國(guó)家使用的大多數(shù)高精度測(cè)距系統(tǒng)均來(lái)源于進(jìn)口，這在很大程度上對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)和現(xiàn)代化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的阻力，因此，我們需要增加在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究經(jīng)費(fèi)，使我國(guó)的測(cè)距裝置不僅能滿足自己本國(guó)的需要，還能出口到國(guó)外。根據(jù)他的結(jié)論，測(cè)距之所以有誤差，是由于對(duì)回波的脈沖檢驗(yàn)方式有問(wèn)題。這是超聲波的應(yīng)用最廣的一面。而后，超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域的研究也在逐漸擴(kuò)大，到了1928年，Sokolve首先提出了關(guān)于超聲波探傷的研究，即利用超聲波的特性來(lái)檢查金屬器件是否存在裂痕或者缺損。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：(1)可以用于空氣中，液面下和固體內(nèi)等傳播介質(zhì)中測(cè)量，應(yīng)用靈活；(2)不易受光影響，在黑暗及煙霧環(huán)境下都可使用，不易受電磁場(chǎng)影響，使人可以遠(yuǎn)離這些惡劣工作環(huán)境；(3)制作起來(lái)不復(fù)雜，該成品預(yù)計(jì)價(jià)格不貴，而且體積不大，還非常容易集成；由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上這些特點(diǎn)而被廣泛的應(yīng)用。例如：建筑施工測(cè)量，智能機(jī)器人，汽車倒車?yán)走_(dá)，油箱液位測(cè)量等。1．1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景在過(guò)去許多科學(xué)家的研究基礎(chǔ)之上，我們已經(jīng)知道用許多種不同的方法來(lái)測(cè)距，不再局限于傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的接觸式測(cè)量器具，我們今天的電子技術(shù)正以飛一般的速度向前推動(dòng)著大量非接觸式測(cè)距儀的發(fā)展。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距技術(shù)在汽車制作，國(guó)防安全，工業(yè)制造及日常生活中都隨處可見(jiàn)。又過(guò)了兩年，另外一個(gè)科學(xué)家穆?tīng)柡郎@取了一個(gè)德國(guó)專利，這個(gè)專利是針對(duì)超聲波檢查方法的，這讓我們又看到超聲波的研究進(jìn)了一步。根據(jù)此研究基礎(chǔ)，衍生出大量超聲波儀器，目前，超聲波在無(wú)損檢測(cè)中發(fā)揮出無(wú)與倫比的作用。他根據(jù)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了回波的包絡(luò)方程，給出了軟硬件的設(shè)計(jì)方案。 ２　超聲波測(cè)距原理和方案　超聲波測(cè)距的基本理論　超聲波簡(jiǎn)介所謂超聲波，跟普通聲波的區(qū)別是頻率范圍不同。聲波是一種傳遞了物體運(yùn)動(dòng)的能量，比如，桌子被拍打，桌面就會(huì)產(chǎn)生上下運(yùn)動(dòng)，從而傳播聲音。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。　超聲波換能器簡(jiǎn)介超聲波傳感器，別名超聲波換能器，是超聲波測(cè)距系統(tǒng)里不可或缺的一個(gè)重要元件。該測(cè)距的原理可簡(jiǎn)單的表示為圖22所示： 圖22 超聲波測(cè)距原理圖系統(tǒng)框圖如圖23所示：雙比較器整形電路圖23 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作總流程說(shuō)明：首先,系統(tǒng)初始化完成后，測(cè)溫電路開(kāi)始工作，DS18B20芯片開(kāi)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)。該測(cè)量結(jié)果由顯示電路輸出，該顯示模塊主要由74LS245鎖存器來(lái)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。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(cè)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(lái)，還有3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。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。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(cè)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?！‰娫措娐返脑O(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：圖37 電源電路原理圖該電路主要作用是通過(guò)將220V的交流電變?yōu)榉€(wěn)定的5V直流電，用于系統(tǒng)的供電。然后，為了使反射回來(lái)的超聲波更加穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)一個(gè)時(shí)間增益補(bǔ)償處理。本設(shè)計(jì)加入了有時(shí)間增益處理作用的放大器，這樣一來(lái)，距離近的增益小，距離遠(yuǎn)的增益比較大。數(shù)字電位器的抽頭位置由實(shí)驗(yàn)獲得的與距離對(duì)應(yīng)的放大增益換算而成，并將此位置參數(shù)寫(xiě)入程序存儲(chǔ)器中。 實(shí)物測(cè)距系統(tǒng)的超聲波接收換能器和發(fā)射換能器的距離較近，當(dāng)測(cè)量的距離較近時(shí)，反射信號(hào)的幅值衰減較小，比起衍射產(chǎn)生的波的幅值小很多。在10攝氏度到+。共陽(yáng)極和共陽(yáng)極的七段數(shù)碼管示意圖如下圖316所示：圖316 共陽(yáng)極和共陽(yáng)極七段數(shù)碼管示意圖LED顯示不同數(shù)字的方式如圖317所示：圖317數(shù)碼管數(shù)字顯示圖從上圖中我們很容易發(fā)現(xiàn),若要求顯示數(shù)字“1”，需要讓b、c兩個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮；若要求顯示數(shù)字“5”，需要讓a、f、g、c、d五個(gè)發(fā)光二極管點(diǎn)亮。結(jié)合實(shí)際考慮，本設(shè)計(jì)中選用了動(dòng)態(tài)顯示的方式。 DIR=“1”，信號(hào)由 A 向 B 傳輸，即芯片為發(fā)送作用。串行通信的優(yōu)點(diǎn)：用到的傳輸線少，長(zhǎng)距離傳送也只用一條線，與并行通信比起來(lái)便宜很多。MAX202芯片的作用：把單片機(jī)輸出的TTL電平變成計(jì)算機(jī)能識(shí)別的232電平，也能將計(jì)算機(jī)發(fā)出的232電平變成單片機(jī)可以識(shí)別的TTL電平。接著產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)。unsigned int time=0。void init_DS18B20(void)。這樣一來(lái)，系統(tǒng)測(cè)距時(shí)就不用逐次計(jì)算聲速，而可由測(cè)得的溫度值直接從表中查到相應(yīng)的溫度下的目標(biāo)速度，就能省下很大一部分時(shí)間，使得系統(tǒng)效率更高。dealy(8)。 delay(4)。 value=1。 delay(300)。0xf0)4。具體程序如下：{ time=TH0*256+TL0。 flag=0。}　顯示子程序顯示電路采用動(dòng)態(tài)顯示的驅(qū)動(dòng)方式，段選信號(hào)AT89C52的P0口輸出。delay1(5)。最普遍的對(duì)反射波信號(hào)的處理辦法是采用比較器電路，給比較器設(shè)置一個(gè)固定的臨界值，當(dāng)比較器翻轉(zhuǎn)之時(shí)即反射波到達(dá)的時(shí)刻。經(jīng)過(guò)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，我們知道方波信號(hào)的占空比會(huì)有一個(gè)上升到一個(gè)峰值然后下降的過(guò)程，相應(yīng)的占空比最大的那一刻就是峰值點(diǎn)所在的區(qū)間，而此區(qū)間的正中間就是峰值時(shí)間點(diǎn)的所在。本設(shè)計(jì)是基于AT89C52單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)，為了提高該系統(tǒng)的測(cè)量精度，采用的方法有以下幾方面：首先針對(duì)穩(wěn)定性來(lái)說(shuō)，需要從硬件設(shè)計(jì)和軟件濾波這兩個(gè)切入點(diǎn)進(jìn)行。同時(shí)為了補(bǔ)償因?yàn)榫嚯x推移造成的反射波幅值的降低，專門(mén)設(shè)計(jì)了時(shí)間增益補(bǔ)償電路(TGC)，時(shí)間增益補(bǔ)償電路在發(fā)射方波的同時(shí)開(kāi)始工作，工作過(guò)程是根據(jù)事先寫(xiě)入Flash中的增益表，逐漸提高接入放大器的阻值，實(shí)現(xiàn)電路的實(shí)時(shí)補(bǔ)償，增益表有事先的試驗(yàn)獲取。若有條件，更應(yīng)該從改進(jìn)超聲波傳感器，設(shè)計(jì)新型高性能超聲波傳感器入手，對(duì)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件進(jìn)行性能大幅度的改進(jìn)。它的抗干擾力也不強(qiáng)，RS232是通過(guò)單端輸入輸出來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換的，傳輸時(shí)會(huì)有干擾和噪聲?？紤]到這些衰減，我們需要設(shè)計(jì)更加復(fù)雜的電路或軟件算法，以此降低或者補(bǔ)償這些衰減，使得測(cè)距系統(tǒng)的精確度又向前邁進(jìn)一步。這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我通過(guò)圖書(shū)館和Internet查閱了相關(guān)的資料，并且和同學(xué)互相學(xué)習(xí)和自學(xué)，不懂的地方就像老師請(qǐng)教，經(jīng)過(guò)2個(gè)多月的努力，終于克服困難完成了自己的畢業(yè)設(shè)計(jì)。雖然自己的設(shè)計(jì)仍然存在許多需要改進(jìn)的地方，但是在做畢設(shè)的過(guò)程中收獲到很多書(shū)本上學(xué)不到的知識(shí)。我們也知道，我國(guó)大多數(shù)的高精度測(cè)距儀器都需要靠國(guó)外進(jìn)口，作為一個(gè)工業(yè)大國(guó)，我們需要用到大量的儀器設(shè)備，而儀器的精度在很大程度上也決定著工業(yè)的發(fā)達(dá)程度。為了配合工業(yè)領(lǐng)域的使用，輸出口應(yīng)該增加一個(gè)模擬信號(hào)4到20毫安且0到5伏的輸出，而且還需要將整個(gè)系統(tǒng)的防護(hù)工作做得更好一點(diǎn)。另外，就通信電路來(lái)說(shuō)，本設(shè)計(jì)提供的輸出接口是RS232。在測(cè)距系統(tǒng)工作時(shí)，按照時(shí)間的改變來(lái)控制電位器阻值的改變，達(dá)到補(bǔ)償反射波信號(hào)幅值的作用，為系統(tǒng)的高精度做出保障。且在3厘米到4米的量程下，能保證系統(tǒng)正常使用，達(dá)到高精度測(cè)距的目的。AT89C52單片機(jī)獲取到超聲波回波信號(hào)的上升沿和下降沿，從而計(jì)算出回波信號(hào)的占空比。根據(jù)以上結(jié)論，我們只是采用普通的比較器來(lái)