【文章內(nèi)容簡介】 方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的 超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。 目前超聲波測距已得到廣泛應用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設(shè)計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機為核心的測距儀器可以實現(xiàn)預置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。以 8051 為內(nèi)核的單片機系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件齊全、功能 強等特點。尤其值得一提的是，出 8 位 CPU 外，還具備一個很強的位處理器，它實際上是一個完整的位微計算機，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM（ EPROM），位尋址寄存器、 I/O 口和指令集。所以， 8051 是雙 CPU 的單片機。位處理在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程測控等方面極為有效；而 8 位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有明顯長處。 根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用 AT89C52 單片機作為主控制器，它控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開始時間及脈寬，響應回波時刻并測量、計數(shù)發(fā)射至往返的時間差。利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出 引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)河南城建學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 3 章 課題設(shè)計方案制定 6 生超聲波；超聲波信號的接收采用鎖相環(huán) LM567 對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控制。一旦探頭接到回波，若接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由 RC值決定），則其輸出引腳的電平將從“ 1”變?yōu)椤?0”（此時鎖相環(huán)已進入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監(jiān)控。 可對測得數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，并采用溫度補償，使測量誤差降到更低限度； AT89C52 還控制顯示電路，用動態(tài)掃描法來實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示。 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如 圖 所示。它主要由單片機、超聲波發(fā)射及接收電路、超聲波傳感器、 LED 顯示電路及電源電路組成。系統(tǒng)主要功能包括： 1) 超聲波的發(fā)射、接收，并根據(jù)計時時間計算測量距離； 2) 通過 LED 電源指示燈，檢測電源電路是否正常工作； 3) LED 顯示器顯示距離； 4) 單片機綜合處理接收到的數(shù)據(jù)； 5) 當系統(tǒng)運行不正常時，用上電復位電路復位。 圖 超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 4 位 LED 顯示器 復位電路 電源電路 AT89C52 超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路 T40 R40 河南城建學院本科畢 業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 硬件電路的主要元器件介紹 7 第 4 章 硬件電路的主要元器件介紹 單片機 AT89C52 單片機即單片微型計算機 SCMC（ Single Chip Micro Computer）。它把構(gòu)成一臺計算機的主要功能部、器件，如 CPU（進行運算、控制）、 RAM（數(shù)據(jù)存儲）、 ROM（程序存儲）、輸入 /輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等）、中斷系統(tǒng)、定時 /計數(shù)器等集中在一塊芯 CPU（進行運算、控制）、 RAM（數(shù)據(jù)存儲）、 ROM（程序存儲）、輸入/輸出設(shè)備（例如：串行口、并行輸出口等）制功能，所以又稱為微控制器 MCU（ Microcontroller Unit）。相對于普通微機，單片機的體積要小得多，一般嵌入到其他儀器設(shè)備里，實現(xiàn)自動檢測與 控制，因此也稱為嵌入式微控制器 EMCU（ Embedded Microcontroller Unit)。 本設(shè)計的 MCU 采用的是 DIP（ Dual Inline Package 塑料雙列直插式）封裝的AT89C52 高性能 8 位單片機。 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的 AT89C52 提供了高性價比的解決方案。 AT89C52 是一個低功耗高性能單片機，40 個引腳， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 3 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，AT89C52 可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的 Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 其引腳圖如右圖 。 AT89C52 的引腳功能有： 圖 .1 AT89C52 的引腳圖 1) 主電源引腳 VSS—— 第 20 腳，電路接地電平。 VCC—— 第 40 腳，正常運行和編程校驗 +5V 電源。 河南城建學院本科畢 業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 硬件電路的主要元器件介紹 8 2) 時鐘源 XTAL1—— 第 19 腳，一般外接晶振的一個引腳，它是片內(nèi)反相放大器的輸入端口。當直接采用外部信號時，此引腳應接地。 XTAL1—— 第 18 腳，接外部晶振的另一個引腳，它是片內(nèi)反相放大器的輸出端口。當采用外部振蕩信號源泉時，此引腳為外部振蕩信號的輸入端口，與信號源相連接。 3) 控制、選通或復用 RST/VPD—— 第 9 腳， RESET 復位信號輸入端口。當單 片機正常工作時，由該引腳輸入脈寬為 2 個以上機器周期的高電平復位信號到單片機。在 VCC 掉電期間，此引腳 (即 VPD)可接通備用電源，以保持片內(nèi) RAM 信息不受破壞。 PROGALE/ —— 第 30 腳，輸出允許地址鎖存信號。當單片機訪問外部存儲器時，ALE 信號的負跳變將 P0 口上的低 8 位地址送入鎖存器。在非訪問外部存儲器期間，ALE 仍以 1/6 振蕩頻率固定不變地輸出，因此它可對個輸出或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。 PROG 為第二功能，當對片內(nèi)程序存儲器編程寫入時，此引腳作為編程脈沖輸入端。 PSEN —— 第 29 腳，訪問外部程序存儲器選能信，低電平有效。當 AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。 /VPP/EA ：外部訪問允許。欲使 CPU 訪問外部程序存儲器（地址 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LBI 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 VPP，當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 VPP。 4) 多功能 I/O 端口 P0 口 —— 第 32~39 腳， 8 位漏極開路雙向 I/O 端口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問數(shù)據(jù)存儲器或程序 存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 P1 口 —— 第 1~8 腳，具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準雙向 I/O 端口。在對片內(nèi)程序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，用做低 8 位地址總線。 P2 口 —— 第 21~28 腳，具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準雙向 I/O 端口。當單片機訪問存儲器時，用做高 8 位地址總線；在對片內(nèi)程序存儲器（ EPROM 型）進行程序編程和校驗時，亦用做高 8 位地址總線。 P3 口 —— 第 10~17 腳，具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準雙向 I/O 端口。它還提供特殊的第二變異功能。它的每一位均可 獨立定義為第一功能的 I/O 口或第二變異功能。第河南城建學院本科畢 業(yè)設(shè)計（論文） 第 4 章 硬件電路的主要元器件介紹 9 二變異功能的具體含義如表 ： 端口引腳 第二功能 RXD （串行輸入口） TXD （串行輸出口） 0INT （外中斷 0） 1INT （外中斷 1） T0 （定時 /計數(shù)器 0） T1 （定時 /計數(shù)器 1） WR （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 表 P3 口的第二變異功能 超聲波傳感器 超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 壓電陶瓷片具有如下特性：當在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時，就會產(chǎn)生“壓電效應”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為 0f 的交流電電壓時，它就會產(chǎn) 生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣的張弛，當 0f 落在音頻范圍內(nèi)時便會發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機械振動作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 傳感器外部結(jié)構(gòu) 河南城建學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 章 超聲波測距硬件電路設(shè)計 10 第 5 章 超聲波測距硬件電路設(shè)計 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74HC04 和超聲波發(fā)射換能器 T40構(gòu)成，單片機 40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器 的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R R5 一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。 圖 超聲波發(fā)射電路原理圖 河南城建學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 章 超聲波測距硬件電路設(shè)計 11 超聲波接收電路 超聲波接收包括接收探頭，信號放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號，否則可能導 致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探頭的信號非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過波形變換。 本次設(shè)計為了降低調(diào)試難度，減少成本，提供系統(tǒng)可靠性，所以我們采用了一種用在彩色電視機上面的一種紅外接收檢波芯片 CX20206A，由于紅外遙控的中心頻率在 38KHz，和超聲波的 40KHz 很接近，所以可以用來做接收電路。 CX20206A 是日本索尼公司的產(chǎn)品，采用單列 8 引腳的直插式封裝，內(nèi)部包含自動偏置控制電路、前置放大電路、帶通濾波、峰值檢波、積分比較器、斯密特整形輸出電路，配 合少量外接元件就可以對 38KHz 左右的信號的接收與處理。 超聲波接收電路如圖 所示。 圖 超聲波接收電路 河南城建學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 章 超聲波測距硬件電路設(shè)計 12 四位 LED 數(shù)碼管顯示電路 顯示電路如圖 ，四位 LED 組成動態(tài)掃描電路，由 AT89C52 的 P0 口輸出。動態(tài)掃描時，由 P2 口控制 LED 的當前顯示位。當距離測量結(jié)束并調(diào)用顯示程序，就會顯示距離大小，顯示兩位小數(shù)。 超聲波顯示電路如圖 所示： 圖 顯示電路 圖 超聲波顯示電路 USB 供電電源電路 電源電路如圖 所示。為方便起見，本設(shè)計采用的是 5V USB 供電，輸出 +5V穩(wěn)恒直流電，作為電路的電源。 LED 是電源指示燈，通電后發(fā)光。 河南城建學院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 5 章 超聲波測距硬件電路設(shè)計 13 圖 電源電路 單片機復位電路 A