【文章內容簡介】 數(shù)并送 LCD 顯示。 課題設 計的要求 設計一個超聲波測距儀，要求： 1) 具有超聲波測距功能，測量距離 ~177。 1 ㎝。 2) 具有測量距離數(shù)值無線傳輸功能。 3) 實時顯示測量的距離，顯示格式為： 。 湖南人文科技學院畢業(yè)論文 超聲波測距方法的選擇 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight） 。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，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 。 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標準 空氣中的傳播速度為 米 /秒，由單片機負責計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。 根據(jù)設計任務、控制對象和現(xiàn)有條件 本系統(tǒng)硬件電路 采用 由單片機最小系統(tǒng)、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路 無線通信電路以及語音播報電路 構成。本超聲波測距儀的具體工作過程如下， 單片機控制的振蕩源產(chǎn)生 40kHz的頻率信號來驅動超聲傳感器。每次發(fā)射包含 6個脈沖左右 ,當?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后 ,計數(shù)器開始計數(shù) ,在檢測到第一個回波脈沖的瞬間 ,計數(shù)器停止計數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時間 t 后 ,單片機讀取溫度值補償聲速 ,利用測距公式可計算出被測距離，同時由無線通信模塊將測量數(shù)據(jù)傳到下位機進行顯示和語音播報。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 器 單 片 機 控 制 無 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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?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，故短距離測量時應選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應用低頻率的傳感器。 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，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 無線接收 單片機控制 液晶顯示 湖南人文科技學院畢業(yè)論文 工作溫度。由于壓電材料的居里點一 般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏 度低。 因此超聲波接受傳感器應該應用 集成電路 CX20216A， CX20216A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與測距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路 (如圖 23)。實驗證明用 CX20216A 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的抗干擾能力。適當更改電容 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 顯示單元是計算機系統(tǒng)開發(fā)時使用的主要設備之一，它可將計算機的運算結果、中間結果、存儲器地址以及存儲器、寄存器中的內容顯示出來，從而實現(xiàn)人機對話?？梢宰鲲@示器的有： LED,LCD,CRT 等。 CRT 就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點是顏色視覺效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點是體積大耗電多，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 屏幕的顯示設備，最突出的有點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、對比度等都不如 CRT 顯示器。 但是考慮到本設計需要 顯示測量距離，補償溫度以及危險，保持 ，安全等警告信號。所以選擇采用 128*64 液晶模塊。 湖南人文科技學院畢業(yè)論文 第三章 系統(tǒng)的硬件結構設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、語音播報電路、溫度補償電路、無線傳輸、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接受電路五部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差 。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 的方波信號，利用外部中斷 1 口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。 顯示單元部分采用 12864 液晶模塊。 AT89C51 單片機的功能及特點 STC89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內含有 4K bytes 的課反復擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度。非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS— 51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 STC89C51 單片機可以為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。 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)可以重復擦寫 Flash 閃速存儲器。 ? 1000 吃擦寫周期。 ? 全靜態(tài)操作： 0Hz— 24Hz。 ? 三級加密程序存儲器。 ? 128*8 字節(jié)內部 RAM。 ? 32 個可編程 I/O 口線。 ? 6 個中斷源。 ? 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 閃速存儲器； ? 128 字節(jié)內部 RAM； ? 32 個 I/O 口線； ? 兩個 16 位定時器 /計時器； ? 一個 5 向量兩級中斷結構； ? 一個雙工串行口通信； ? 片內振蕩器及時鐘電路。 同時， 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)點工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，當允許 RAM，定時 /計數(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硬件復位。 圖 31 STC89C51 單片機 湖南人文科技學院畢業(yè)論文 單片機最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機系統(tǒng)能正常工作。如圖 32 所示，單片 機最小系統(tǒng)主要由 STC89C51 單片機、外部振蕩電路、復位電路和 +5V 電源組成。在外部振蕩電路中，單片機的 XTAL1 和 XTAL2 管腳分別接至由 12MHZ 晶振和兩個 30PF 電容構成的振蕩電路兩側，為電路提供正常的時鐘脈沖。在復位電路中，單片機 RESET 管腳一方面經(jīng) 20 F 的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復位，另一方面經(jīng)開關 s 接電源。其主要功能是把 PC 初始化為 0000H，是單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復位鍵重 新啟動 。 因此，復位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 圖 32 單片機最小系統(tǒng) 湖南人文科技學院畢業(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工作的。超聲波換能器內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當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，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 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 構成，如圖 33 所示，單片機 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。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。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。 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，每個引腳（輸出） 177。25mA 功耗 600mW 湖南人文科技學院畢業(yè)論文 圖 33 超聲波發(fā)射電路 超聲波檢測接收電路 超聲波接收電路 CX20216A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz與測距的超聲波頻率 40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用 CX20216A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的抗干擾能力。適當更改電容 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，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，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 C0：該腳與 GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，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 GND：接地端。 5腳 RC0：該腳與電源端 VCC接入一個電阻，用以設置帶通濾波器的中心頻率 f0， 湖南人文科技學院畢業(yè)論文 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 C：該腳與 GND之間接入一個積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得 太大