【正文】 t t t t 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 16 頁(yè) 共 48 頁(yè) 超聲波的發(fā)射電路設(shè)計(jì)如圖 39 所示： 圖 39 超聲波發(fā)射電路原理圖 ３ .５ 接收電路的設(shè)計(jì) 接收電路主要由三部分組成，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。在 X X2 接時(shí)鐘電路，本設(shè)計(jì)中，由于測(cè)距系統(tǒng)需要采集超聲波發(fā)送和接收的時(shí)間差，需要計(jì)時(shí)，故選用 12 MHz 的晶振，這樣分頻后就是整數(shù)，能使計(jì)時(shí)更加精確。 圖 33 T/R4018A 實(shí)物圖 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 12 頁(yè) 共 48 頁(yè) ３ .１ .３ 溫度傳感器的選型 本設(shè)計(jì)采用 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器作為測(cè)量和向單片機(jī)輸入環(huán)境溫度數(shù)據(jù)的核心元件。 25% 該超聲波換能器分為發(fā)出超聲波的部分和接收超聲波的部分，電磁的振蕩被發(fā)射端發(fā)出，接著轉(zhuǎn)換為超聲波然后發(fā)送到外界。是一個(gè)八位的高性能 CMOS 芯片 ,片內(nèi)有8K Bytes ISP 的只讀程序存儲(chǔ)器 ,該存儲(chǔ)器可以多次的寫入和刪除數(shù)據(jù) ,反復(fù)使用的次數(shù)高達(dá)一千次。 雙比較器設(shè)置了不同的閾值 ， A 比較器用于測(cè)量遠(yuǎn)距離的信號(hào)， B 比較器用于測(cè)量近距離的信號(hào)，因此不符合的信號(hào)會(huì)被完全屏蔽掉，系統(tǒng)的精度得到非常大的提升。 具體來(lái)說(shuō)就是，當(dāng)聲波發(fā)射出去后，一旦遇到阻擋物就會(huì)被反彈回來(lái)，我們知道，超聲波在空氣中相同溫度下是的速度是一個(gè)定值，所以距離的計(jì)算很簡(jiǎn)單了，只要得到發(fā)出和接收到的時(shí)間差值， 和通過(guò)查詢表格就能算出距離。通常，超聲波在空氣中的向各個(gè)方向傳的速度約為 340 m/s 。根據(jù)物理的反射、折射等定律可知，波的傳播遵守如圖 21所示的規(guī)則。說(shuō)道超聲波的命名來(lái)源，顧名思義，超過(guò)聲音的波，人類的聽力是無(wú)法接收如此高頻率的波的。漸漸形成一個(gè)深入、實(shí)用、值得探討的專業(yè)的研究方向。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 48 頁(yè) 廈大的同峰教授提出了一種針對(duì)高精度測(cè)距的改進(jìn)方法。 關(guān)于探傷儀的研究，最早出現(xiàn)于 Firsetone 和 Sprole 的論文中。這項(xiàng)研究可以用來(lái)進(jìn)行水下通訊，另外，也可用于檢測(cè)水下物體，如水下潛艇，用于軍事領(lǐng)域。因此，利用超聲波測(cè)距能大大增加時(shí)間（同樣的距離下），使得測(cè)量更容易，誤差更小。超聲波測(cè)距傳感器在粉塵多，光線暗或有其他電磁干擾的情況下，性能幾乎不受影響，所以，現(xiàn)代社會(huì)中，許多地方都可以用到。測(cè)量距離子程序的實(shí)現(xiàn)即是時(shí)間的測(cè)量，這也是該系統(tǒng)的核心部分。即所有數(shù)碼管的段選線并聯(lián)在一起，通過(guò)控制位選信號(hào)來(lái)控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮。用平均速度計(jì)算出的距離和實(shí)際距離可能會(huì)有一定的誤差。華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 目錄 設(shè)計(jì)總說(shuō)明 ............................................................... I Introduction ............................................................ IV １ 緒論 ................................................................. 1 1． 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景 .................................................... 1 1． 2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................. 2 ２ 超聲波測(cè)距原理和方案 ................................................. 4 ２ .１ 超聲波測(cè)距的基本理論 ........................................... 4 ２ .１ .１ 超聲波簡(jiǎn)介 .............................................. 4 ２ .１ .２ 超聲波與傳播介質(zhì)的關(guān)系 .................................. 4 ２ .１ .３ 超聲波換能器簡(jiǎn)介 ........................................ 6 ２ .２ 超聲波測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ......................................... 6 ３ 硬件設(shè)計(jì) ............................................................. 9 ３ .１ 硬件的選型 ..................................................... 9 ３ .１ .１ 主控單片機(jī)的選型 ........................................ 9 ３ .１ .２ 超聲波傳感器的選型 ..................................... 10 ３ .１ .３ 溫度傳感器的選型 ....................................... 12 ３ .２ ＣＰＵ模塊電路的設(shè)計(jì) .......................................... 13 ３ .３ 電源電路的設(shè)計(jì) ................................................ 14 ３ .４ 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) ................................................ 15 ３ .５ 接收電路的設(shè)計(jì) ................................................ 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?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。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。 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。 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。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。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。這是早期的比較系統(tǒng)的資料之一，一 直被奉為經(jīng)典。詳細(xì)可見于國(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。而且不斷加入各個(gè)其他的領(lǐng)域的知識(shí)，結(jié)合了人類智慧的結(jié)晶。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。 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。 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。 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。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)。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)。 1 115 64 6/100 60/71 2400177。因此該測(cè)距系統(tǒng)選用該頻率作為傳感器的工作頻率。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。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。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。 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 。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)。 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。 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。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) 。 DIR=“ 0”，信號(hào)由 B 向 A 傳輸，即芯片為接收的作用。優(yōu)點(diǎn)是容易控制且比串行的傳送速度快很多。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。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