【正文】 開 工業(yè)噪聲頻譜段。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進(jìn)行修正的方法，可以測得比較準(zhǔn)確的距離。當(dāng)開始計時，測量超聲波在空氣中的 傳播時間才有效。 使用 單 個探頭同時充當(dāng)發(fā)射 器 和接收 器的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達(dá)幾十伏，雖然發(fā)射信號只維持一個很短的時間，但 施加發(fā)射信號 停止后，探頭上還有 一定的余 振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值還是很 強的，可以達(dá)到限幅電路，引起探頭振動， 導(dǎo)致不能進(jìn)行正確的測量。目前使用的方法有信號過零檢測，包絡(luò)檢測和脈沖檢測等方法。 [5] 圖 超聲波傳感器指向特性圖 超聲波測距 超聲測距的方法 超聲波測距的方法有多種，如 聲波幅值檢測法 、相位檢測法 和往返時間檢測法等。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動。 頻率特性 圖 是超 聲波的頻率特性曲線。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。它是 不同 介質(zhì)固有的一個常數(shù)，它的數(shù)值對超聲波在介質(zhì)中的傳播非常重要，單位為瑞利 (rayl)。由于介質(zhì)的壓強 、 溫度 和流速等狀態(tài)參量的變化都會引起 相 應(yīng)的聲速變化，因此出現(xiàn)了超聲溫度計和超聲流量計等 儀器 。它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距離，與介 質(zhì)的彈性性質(zhì) 和 密度 有關(guān)。 超聲波概述 聲音是和 人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對 很早以前對 聲音 就有一定認(rèn)識，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音 。超聲波測距通過發(fā)出超聲波并接收反射回來的回波，并通過單片機的計算就可以知道物體的距離。 國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究 ?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度 的 在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。 ranging。它廣泛應(yīng)用于建筑施工 、 防盜 、 倒車 、 水位測量以及一些工業(yè)現(xiàn)場。最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了 所需功能 。 對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。 設(shè)計的意義 超聲波測距 在生活 中的應(yīng)用越來越廣，但人們可以具體 采用 的測距 方法還十分有限，因此，這是一個 蓬勃發(fā)展而 且 又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。目前已研制的超聲波測距儀中，量程一般為 3cm12m，美國 AIRMAR 公司生產(chǎn)的 airducer AR30 超聲波傳感器的作用距離可達(dá) 30m，但價格昂貴 。 顯示技術(shù)：數(shù)據(jù) 顯示 ， 1602 顯示 測距儀與 物體 之間的距離。當(dāng)聲 波 的頻率高到超過人耳的頻率極限時，人們就覺察不出聲 音的存在，我們 將 這種高頻率的聲 波稱 為超聲 波 。除水以外， 聲波在 大部分液體的 傳播速度 隨溫度的升高而增加。當(dāng)波在界面處生折射時， 折射角的正弦 與入射角的正弦 之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速與折射波在第二介質(zhì)中的波速之比。 圖 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。將適當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘柺┘拥骄w上，晶 體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產(chǎn)生振動，振動頻率與交變電壓的頻率相同，若把晶體藕 合到彈性介質(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個超聲源的作用，超聲波將被輻射到相應(yīng) 介質(zhì)中。因此超聲波接收器具有很好的頻率選擇特性，在構(gòu)成遙測系統(tǒng)時一般不 需再設(shè)置選頻電路。下圖 就是 超聲波傳感器的指向圖。顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。 超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠(yuǎn)限 用往返時間檢測法測量距離時，障礙物與超聲波傳感器間的距離既 不能太遠(yuǎn)也不能太近，存在著距離測量的近限和遠(yuǎn)限。這就構(gòu)成了遠(yuǎn)限的問題。 所以，在本實驗中，我們選取了雙 探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。 (3)信噪比問題 超聲波測距儀都有一定的量程。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有 限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。由于在這 ，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離 如下： 如圖 21 為測距原理 [4] 圖 測距原理 因為θ /2 角度較小 ,可以忽略不計，所以 L≈ S。 主要特性如下： 增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任 意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051； 工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） ； 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工 作頻率可達(dá) 48MHz； 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) ； 片上集成 512 字節(jié) RAM； 通用 I/O 口 (32 個 )復(fù)位后為 :P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉 ,P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻 ； ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在 應(yīng)用可編程） ，無需專用編程器，無 需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 ； 具有 EEPROM 功能 ； 具有看門狗功能 ； 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。在 Flash ROM 編在程時， P0 端口接收指令字節(jié) 端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié) 則輸出指令字節(jié)。 在訪問外部程序存儲器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“ MOVX DPTR”指令）時， P2 送出高 8 位地址。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復(fù)位初始化操作。這個 ALE 使能標(biāo)志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效 ； 外部程序存儲器 選通信號（ SEN）是外部程序存儲器選 SEN（ 29 引腳）通信號。 XTAL2（ 18 引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。設(shè)置為計數(shù)器模式時，外部事件計數(shù)脈沖由 T0 或 T1 引腳輸入到計數(shù)器。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 圖 超聲波發(fā)射電路圖 超聲波接收電路 本設(shè)計中選用的 TL740C 芯片采用了前置放大電路 +帶通濾波電路 +后級放大電路。華氏器件 67℉～ +257℉，以 ℉遞增 ； 溫度以 9 位數(shù)字量讀出 ； 溫度數(shù)字量轉(zhuǎn)換時間 200ms； 用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置 ； 報警搜索命令識別并標(biāo)志超過程序限定溫度 的器件 ； 應(yīng)用包括溫度控制工業(yè)系統(tǒng)消費品溫度計或任何熱感測系統(tǒng)。 [11] 1602LCD 主要技術(shù)參數(shù) ： 顯示容量 :162 個字符 ； 芯片工作電壓 :—； 工作電流 :()； 模塊最佳工作電壓 :； 字符尺寸 :(WH)mm。 電腦輸出電壓通過電容濾波穩(wěn)壓后得到更穩(wěn)定的電壓輸出。 [13] 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 圖 程序下載電路圖 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 第四章 系統(tǒng) 軟件設(shè)計 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序、溫度檢測子程 序及顯示子程序組成。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收。 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 Delay400Ms()。 TempCyc++) Delay400Ms()。 while(!RX)。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 _nop_()。 _nop_()。 _nop_()。 TL0=0。 //顯示點 DisplayOneChar(2, 1, ASCII[11])。 //顯示點 DisplayOneChar(2, 1, ASCII[disbuff[1]])。 在常溫下，超聲波的傳播速度為 340m/s，但其傳播速度 V易受到空氣中的溫度、濕度、壓強 等因素的影響，其中溫度的影響最大。 [17] 溫度補償及其原理 : 目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進(jìn)行溫度測量時，通常采用模擬式溫度敏感元件，如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等 ，將溫度轉(zhuǎn)化為電信號，經(jīng)過信號放大電路放大到合適的范圍，再由 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。圖中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中振蕩器溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測量。這樣在轉(zhuǎn)換期間可以允許在單線總線上進(jìn)行其他數(shù)據(jù)傳輸，硬件結(jié)構(gòu)如下圖 : 圖 溫度采集電路 溫度采 集 系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、 T1 中斷服務(wù)程序、 INT0外部中斷服務(wù)程序、溫度測量子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序等。 [20] 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 圖 初始化時序圖 。由于 DS18B20 是在一根 I/O 線上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時序要求。由經(jīng)驗公式 V=+ 得出現(xiàn)場波速，實現(xiàn)溫度補償。 DS18B20 是 Dallas 公司開發(fā)的 1wire（單總線）高精度數(shù)字式半導(dǎo)體溫度傳感器，它具有節(jié)省 I/O 口弦資源，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度高，便于總線擴展和維護(hù)等諸多特點。表 1 為超聲波在不同溫度下的波速值。 DisplayOneChar(4, 1, ASCII[12])。 DisplayOneChar(4, 1, ASCII[12])。 /*讀取當(dāng)前溫度 */ Delay400Ms()。 } 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 距離計算子程序 距離計算子程序通過公式 41 計算距離，首先根據(jù)定時器 T0 計算超聲波傳播時間，然后再加入溫度校正，根據(jù)公式 V=(+*i)/2 計算當(dāng)前環(huán)境下超聲波速度，再由公式 S=(time*V)計算出距離，單位為 米。 _nop_()。 _nop_()。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準(zhǔn)確。 //開啟計數(shù) while(RX)。 while(1) { TMOD=0x01。 //LCM 初始化 Delay5Ms()。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行設(shè)置，初始化 1602 屏。 超聲波測距的算法設(shè)計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。 圖 系統(tǒng)供電電路圖 下載電路通過 PL2303 完成。（說明： 1 為高電平、 0 為低電平） ： 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 指令 1：清顯示，指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置 ； 指令 2：光標(biāo)復(fù)位，光標(biāo)返回到地址 00H； 指令 3：光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D：光標(biāo)移動方向，高電平右移，低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。 當(dāng)距離較遠(yuǎn)時，回波信號會非常微弱，轉(zhuǎn)換后的信號電平幅值很小，故要經(jīng)過若干級放大，使輸出功率達(dá)到一定要求，并且為了防止信號出現(xiàn)較大的失真，接收電路可以保證有 4MHz 的帶寬。當(dāng)某周期采樣到一高電平輸入，而下一周期又采樣到一低電平時，則計數(shù)器加 1，更新的計數(shù)值在下一個機器周期的S3P1 期間裝入計數(shù)器。 單片機最小系統(tǒng)電路介紹： 52 單片機最小系統(tǒng)復(fù)位電路 中 的極性電容 C1 的大小直接影響單片機的復(fù)位時間，一般采用 10~30uF 電容 ， 52 單片機最小系統(tǒng) 電 容值越大需要的復(fù)位時間越短。 A/VPP（ 31 引腳） 訪問外部程序存儲器控制信號。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功 能無效。 在對 Flash ROM 編程和程序校驗期間，P2 也接收高位地址和一些控制信號 ； P3 端口（ ～ ， 10～ 17 引腳） ： P3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P1 的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。 STC89C52RC 單片機的工作模式： 掉電模式：典型功耗 A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原 程序 ； 空閑模式：典型功耗 2mA 典型功耗 ； 南京工程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA 典型功耗。 HCSR04 集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波，遇到障礙物產(chǎn)生回波，被接收電路模塊接收， STC89C52 單片機 計算 出聲波傳輸所用時間，經(jīng)過溫度補償溫，計算出正確的待測距離， DS18B20測出的溫度通過 1602 顯示。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間 t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離 l。這個閾值 決定信噪比。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。所以把這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。在距離過