【文章內(nèi)容簡介】 ，則可認(rèn)為聲速 C是基本不變的，計算 時取 C 為 340M/S。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ɑ蛘咴谟布娐坊静蛔兊那闆r下，通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補(bǔ)償問題。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。 測距原理圖如下： 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 哈爾濱理工大學(xué)?？飘厴I(yè) 論文 9 圖 21超聲波測距原理框圖 單片機(jī)發(fā)出 40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片機(jī)中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。 單片機(jī)控制 放大電路 超聲波接收器 放大電路 鎖相環(huán)檢波電路 顯示器 定時器 超聲波發(fā)射器 哈爾濱理工大學(xué)?？飘厴I(yè) 論文 10 3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C51 單片機(jī) 。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4位共陽 LED 數(shù)碼管 。 51 系列單片機(jī)的功能特點及測距原理 51 系列單片機(jī)的功能特點 51 系列 單片機(jī)中典型芯片 (AT89C31)采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU， 4kB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 個 16b 的定時／計數(shù)器 TO和 T1， 4 個 8 b 的工／ O 端 I： IP0， P1， P2， P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 5l 系列單片機(jī)提供以下功能： 4 kB 存儲器； 256 BRAM； 32 條工／ O線； 2 個 16b 定時／計數(shù)器； 5個 2級中 斷源； 1 個全雙向的串行口以及時鐘電路。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。 5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng) 哈爾濱理工大學(xué)?？飘厴I(yè) 論文 11 該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 31所示。 51 系列單片機(jī)測距原理 單片機(jī)發(fā)出 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波， 以 測出發(fā)射和接 收回波的時間差 t，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，(C 為超聲波波速 )。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。由于超聲波屬于聲波 范圍 ，其波速 C與溫度有關(guān)。 哈爾濱理工大學(xué)?？飘厴I(yè) 論文 12 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 22 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04和超聲波發(fā)射換能器 T構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 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(qiáng)度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R1O、 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 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。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反 之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 圖 32 超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電 極問未外加電哈爾濱理工大學(xué)專科畢業(yè) 論文 13 壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波接 收 電路的設(shè)計 集成電路 CX20206A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近，因為當(dāng) CX20206A 接受到 40KHZ 的信號時，會在第 7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號輸 入，可以利用它制作超聲波接收電路 (如圖 23)。實驗證明用 CX20206A接收超聲波 (無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 圖 33超聲波接收電路原理圖 CX20206A 的引腳注釋： l 腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 哈爾濱理工大學(xué)?？飘厴I(yè) 論文 14 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小 C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放 大倍數(shù)增大。但C 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為 R=， C=。 3 腳：該腳與 GND 之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 。 4 腳：接地端。 5 腳：該腳與電源端 VCC 接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ 時， fn≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率 f0≈38kHz。 6 腳： 該 腳與 GND 之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。 顯示電路的設(shè)計 在單片機(jī)系統(tǒng)中，最常用的顯示器有：發(fā)光二極管，簡稱 LED(Light Emitting Diode)；液晶顯示器，簡稱 LCD；熒光管顯示器，簡稱 VFD(Vacuum Fluorscents Display)。其中 LED 是一種極低功耗 顯示器，廣泛應(yīng)用于測量產(chǎn)品中 。 由于本課題不需要復(fù)雜的顯示信息，所以選擇的是 LED 顯示模塊，可以節(jié)約硬件資源，降低成本。 LED 數(shù)碼管里面有 8 只發(fā)光二極管，分別記作 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g、dp，其中 dp 為小數(shù)點， 每一只發(fā)光二極管都有一根電極引到外部引腳上，而另外一只引腳就連接在一起同樣也引到外部引腳上，記作公共端 （ COM） ，如 下 圖所示 。 哈爾濱理工大學(xué)?？飘厴I(yè) 論文 15 圖 34LED數(shù)碼管引腳圖 市面上常用的 LED數(shù)碼管有兩種即共陽極數(shù)碼管與共陰極數(shù)碼管。共陽極是數(shù)碼管里面的發(fā)光二極的陽極接在一起作為公共引腳即公共陽極，在使用時此公共引腳接到電源正極。相反，共陰極就是數(shù)碼管里面的發(fā)光二極管的陰極接在一起作為公共引腳即公共陰極，在使用時此引腳接到電源負(fù)極。 單片機(jī)對數(shù)碼管的顯示可以分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示，靜態(tài)顯示能夠穩(wěn)定地