【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 數(shù)并送 LCD 顯示。 課題設(shè) 計(jì)的要求 設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀，要求： 1) 具有超聲波測(cè)距功能，測(cè)量距離 ~177。 1 ㎝。 2) 具有測(cè)量距離數(shù)值無(wú)線傳輸功能。 3) 實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的距離，顯示格式為： 。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 超聲波測(cè)距方法的選擇 超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight） 。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。 測(cè)量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn) 空氣中的傳播速度為 米 /秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、控制對(duì)象和現(xiàn)有條件 本系統(tǒng)硬件電路 采用 由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路 無(wú)線通信電路以及語(yǔ)音播報(bào)電路 構(gòu)成。本超聲波測(cè)距儀的具體工作過(guò)程如下， 單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生 40kHz的頻率信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲傳感器。每次發(fā)射包含 6個(gè)脈沖左右 ,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后 ,計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù) ,在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間 ,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時(shí)間 t 后 ,單片機(jī)讀取溫度值補(bǔ)償聲速 ,利用測(cè)距公式可計(jì)算出被測(cè)距離，同時(shí)由無(wú)線通信模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)進(jìn)行顯示和語(yǔ)音播報(bào)。系統(tǒng)總體框圖如圖所示。 超 聲 波 接 收放 大 電 路鎖 相 環(huán) 檢波 電 路定 時(shí) 器 單 片 機(jī) 控 制 無(wú) 線 發(fā) 射 器超 聲 波 發(fā) 射 器 放 大 電 路 圖 21 發(fā)射模塊 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 圖 22 接收模塊 超聲波發(fā)生器 選擇 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式 產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的 程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。 超聲波接受傳感器 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 無(wú)線接收 單片機(jī)控制 液晶顯示 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一 般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏 度低。 因此超聲波接受傳感器應(yīng)該應(yīng)用 集成電路 CX20216A， CX20216A 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。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與測(cè)距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路 (如圖 23)。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20216A 接收超聲波 (無(wú)信號(hào)時(shí)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 CS 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上 顯示單元選擇 顯示單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一，它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲(chǔ)器地址以及存儲(chǔ)器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。可以做顯示器的有： LED,LCD,CRT 等。 CRT 就是常見(jiàn)的顯像管式的顯示器。優(yōu)點(diǎn)是顏色視覺(jué)效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點(diǎn)是體積大耗電多，有微量的 X 射線輻射。 LED 就是發(fā)光二極管。 LED 一般適合做大 屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點(diǎn)那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對(duì)比度等都不如 CRT 顯示器。 但是考慮到本設(shè)計(jì)需要 顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持 ，安全等警告信號(hào)。所以選擇采用 128*64 液晶模塊。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、語(yǔ)音播報(bào)電路、溫度補(bǔ)償電路、無(wú)線傳輸、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接受電路五部分。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差 。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 的方波信號(hào)，利用外部中斷 1 口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。 顯示單元部分采用 12864 液晶模塊。 AT89C51 單片機(jī)的功能及特點(diǎn) STC89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機(jī)，片內(nèi)含有 4K bytes 的課反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS— 51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 STC89C51 單片機(jī)可以為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù) ? 與 MCS— 51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。 ? 4K 字節(jié)可以重復(fù)擦寫(xiě) Flash 閃速存儲(chǔ)器。 ? 1000 吃擦寫(xiě)周期。 ? 全靜態(tài)操作： 0Hz— 24Hz。 ? 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。 ? 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM。 ? 32 個(gè)可編程 I/O 口線。 ? 6 個(gè)中斷源。 ? 可編程串行 UART 通道。 ? 低功耗空閑和掉電模式。 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 功能特性概述 STC89C51 提供以下功能： ? 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器； ? 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM； ? 32 個(gè) I/O 口線； ? 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器； ? 一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)； ? 一個(gè)雙工串行口通信； ? 片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 同時(shí)， STC89C51 可以降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式。空閑方式停止 CPU 的工作，當(dāng)允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 圖 31 STC89C51 單片機(jī) 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 單片機(jī)最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。如圖 32 所示，單片 機(jī)最小系統(tǒng)主要由 STC89C51 單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和 +5V 電源組成。在外部振蕩電路中，單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 管腳分別接至由 12MHZ 晶振和兩個(gè) 30PF 電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復(fù)位電路中，單片機(jī) RESET 管腳一方面經(jīng) 20 F 的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開(kāi)關(guān) s 接電源。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，是單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重 新啟動(dòng) 。 因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 超聲波發(fā)射電路 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。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(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 表 31 反相器 74LS04 參數(shù) 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，如圖 33 所示，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式 將方波信號(hào)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(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R R3 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)間。 最大額定值 電源電壓 to + DC 輸入電壓 to Vcc+ 直流輸出電壓 to Vcc+ 鉗位二極管電流 177。20mA 直流輸出電流，每個(gè)引腳（輸出） 177。25mA 功耗 600mW 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 圖 33 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測(cè)接收電路 超聲波接收電路 CX20216A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 38kHz與測(cè)距的超聲波頻率 40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20216A接收超聲波 (無(wú)信號(hào)時(shí)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 C16的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖 34所示。 CX20216A 的引腳注釋 ： 1腳 IN：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。 2腳 AGC：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(gè)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(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)， 推薦選用參數(shù)為 R=， C=。 3腳 C0：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(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。 4腳 GND：接地端。 5腳 RC0：該腳與電源端 VCC接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0， 湖南人文科技學(xué)院畢業(yè)論文 阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ時(shí)， fn≈42kHz，若取 R=220kΩ，則中心頻率 f0≈38kHz。 6腳 C：該腳與 GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得 太大