【正文】 示電路如圖33所示。利用中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。時(shí)鐘電路ROMRAM定時(shí)/計(jì)數(shù)器CPUCPU并行接口串行接口中斷系統(tǒng)P0P1P2P3TXDRXD/INT0/INT1T0T1圖32 AT89C52結(jié)構(gòu)圖T2復(fù)位電路 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路單片機(jī)采用AT89C52或其兼容系列。（3） 控制總線 （CB）：由部分P3口的第二功能狀態(tài)和4根獨(dú)立控制線RESET、ALE、組成。16位地址總線由P0經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（A0～A7）；P2口直接提供高8位地址（A8～A15）。 AT89C52總線結(jié)構(gòu)AT89C52的管腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入、用戶I/O口部分P3外，其余管腳都是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。編程完成后， 變?yōu)楦唠娖奖硎緶?zhǔn)備就緒狀態(tài)。寫周期完成后，所輸出的數(shù)據(jù)是有效的數(shù)據(jù)，即可進(jìn)入下一個(gè)字節(jié)的寫周期，寫周期開始后，Data Palling 可能隨時(shí)有效。 AT89C52除了有AT89C51所有的定時(shí)/計(jì)數(shù)器0 和定時(shí)/計(jì)數(shù)器1 外，還增加了一個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器2。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。 特殊功能寄存器在AT89C52 片內(nèi)存儲器中，80HFFH 共128 個(gè)單元為特殊功能寄存器（SFR），SFR 的地址空間映象。 如圖31顯示了AT89C52的引腳圖。216。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管8550驅(qū)動。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。 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、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。 (2)盡量減小硬件電路的復(fù)雜性，能在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)的功能，最好不要再外接電路，多選用集成度高的芯片。因此，在能夠保證實(shí)現(xiàn)超聲波測距所需要功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該需要重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)原則: (1)盡量選擇一些典型芯片，典型的應(yīng)用電路。硬件電路設(shè)計(jì)的合理性將直接影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性。圖25 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)通過對四種方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較，本設(shè)計(jì)采用第四種設(shè)計(jì)方案。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。電氣方式包括壓電型、電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。在測量精度方面也能達(dá)到日常使用要求。它的原理如圖24所示：圖24超聲波原理圖 方案設(shè)計(jì)四 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng) 常用于距離的測量。具體方案如下：首先通過頻率合成技術(shù)產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過信號線將采用鎖頻率相合成技術(shù)得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測距。由于由于EPM7128SLC8415的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來編程也較復(fù)雜。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPFA, 一塊雙口RAM，還需要一塊用來存儲波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68 Pin可編程I/O口，使該器件可以充分將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、震蕩功能全部集中在一起。開始測量超聲波開定時(shí)器關(guān)定時(shí)器數(shù)據(jù)運(yùn)算顯示器驅(qū)動電路接收檢測電聲轉(zhuǎn)換器電聲轉(zhuǎn)換器單 片 機(jī) 處 理 器LED顯示器圖 23 采用單片機(jī)來控制的單片機(jī)測距儀 方案設(shè)計(jì)二采用CPLD來控制的超聲波測距儀，主要是在軟件上應(yīng)用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)編寫程序主要使用用的是MAX + PLUX II 軟件進(jìn)行軟硬件的調(diào)試和仿真，最終實(shí)現(xiàn)測距功能。錐形振子壓電晶片電極 圖22 壓電式傳感器構(gòu)圖 方案選擇的論證和選擇 設(shè)計(jì)方案一采用單片機(jī)來控制的超聲波測距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)錐形振子接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應(yīng)來工作的。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號。在壓電陶瓷上加上有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。小功率超聲探頭多作探測作用。這里介紹了超聲波傳感器的組成部分，性能指標(biāo)，工作模式等內(nèi)容。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。將式(25)帶入式(24)可得： (26)當(dāng)被測距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，式(26)變?yōu)椋? (27)這就是所謂的時(shí)間差測距法。 超聲波測距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計(jì)時(shí)。 聲波在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)不隨頻率發(fā)生變化，也就是說超聲波的傳播速度與可聽聲波的傳播速度是相同的，超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律與可聽聲波并無質(zhì)的區(qū)別，與一般聲波相比，超聲波具有更好的定向性，并且可以穿透不透明物質(zhì)。由于空氣沒有剪切彈性，只有體積彈性，因而氣體中聲波的傳播形式只能是縱波。由聲波產(chǎn)生的物理過程可知，聲速與質(zhì)點(diǎn)速度是完全不同的，聲波的傳播只是擾動形式和能量的傳遞，并不把在各自平衡位置附近振動的媒質(zhì)點(diǎn)傳走。板波可以分為對稱型和非對稱型兩種。 (4)板波 板波亦稱拉姆波，板波只產(chǎn)生在大約一個(gè)波長的薄板內(nèi)，在板的兩表面和中部都有質(zhì)點(diǎn)的振動，聲場遍及整個(gè)板的厚度。其振動質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，質(zhì)點(diǎn)位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點(diǎn)位移的短軸平行于傳播方向，隨著深度增加很快衰減，離表面一個(gè)波長以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動的振幅很微弱。 (3)表面波 瑞利于1887年首先研究和證實(shí)了表面波的存在，因此稱為瑞利波，用字母R表示。 (2)橫波 當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動方向和超聲波的傳播方向垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波型，以T表示。任何介質(zhì)，當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均產(chǎn)生縱波。人們所感覺到的聲音是機(jī)械波傳到人耳引起耳膜振動的反應(yīng)，能引起人們聽覺的機(jī)械波頻率在20Hz20KHz，超聲波是頻率大于20KHz的機(jī)械波 在超聲波測距系統(tǒng)中，用脈沖激勵(lì)超聲波探頭的壓電晶片，使其產(chǎn)生機(jī)械振動，這振動在與其接觸的介質(zhì)中傳播，便形成了超聲波。 2超聲波測距的基本理論及測量方案的選擇 超聲波的定義 波是由某一點(diǎn)開始的擾動所引起的，并按預(yù)定的方式傳播或傳輸?shù)狡渌c(diǎn)上。對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波測距的方法測量物體之間的距離。了解超聲波測距的原理的，只有對理論知識有一定的學(xué)習(xí)才能運(yùn)用到實(shí)際操作中。本文所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)在測量范圍1cm—10cm，%。山東科技大學(xué)的王紅梅在《高分辨力超聲測距系統(tǒng)的研究》中研究了己有超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，采用超聲波多次發(fā)射，以多次測量的平均值作為測量值的方法提高超聲波測距精度，并使用了溫度補(bǔ)償聲速的方法進(jìn)一步提高了系統(tǒng)精度。文中溫度檢測部分采用了美國DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)單線數(shù)字溫度傳感器DS 18B20測量環(huán)境溫度，用以溫度補(bǔ)償以修正超聲波速度，來減小溫度變化對距離測量精度的影響。 聲速的測量在超聲波測距中對提高超聲波精度有重要的作用，超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。比如:在計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了“延遲接收，信號分離”的技術(shù)和相關(guān)計(jì)數(shù)法減小了計(jì)數(shù)誤差，對于聲速的測量誤差，使用溫度補(bǔ)償法，在軟件設(shè)計(jì)中采用了查表的方法，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動補(bǔ)償校正。作者介紹了超聲波料位測量的原理以及超聲波料位測量儀的軟硬件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)主要分為超聲波信號的產(chǎn)生發(fā)射電路、信號接收處理電路、AT89C2051單片機(jī)控制電路等。作者還進(jìn)行了超聲波測距誤差源分析以及超聲波測距儀的檢驗(yàn)。 中國測試技術(shù)研究所的李茂山在《超聲波測距原理及實(shí)踐技術(shù)》中闡述了用超聲波在空氣里傳播速度為已知條件，測量超聲波行進(jìn)于待測距離所耗費(fèi)時(shí)間的超聲波測距原理。文中給出了設(shè)計(jì)原理、硬件實(shí)施和測量結(jié)果。 HuaHong, Wang Yongtia闡述了其所研究的一種調(diào)幅連續(xù)超聲波大范圍動態(tài)測距系統(tǒng)。這種方法除可用于手工檢測外，還可與采用先進(jìn)技術(shù)的自動系統(tǒng)聯(lián)用，自第一種脈沖回波儀器問世以來，根據(jù)相同的原理，有無數(shù)種其他儀器得到了發(fā)展，并有許多改進(jìn)和精化。 美國的Firestone和英國的Sproule首次介紹了脈沖回波探傷儀，使超聲波檢測技術(shù)發(fā)展到了更重要的階段。4年之后，1934年Sokolov首次發(fā)表了關(guān)于在液體槽子里用穿透法作實(shí)物試驗(yàn)的結(jié)果，他用了各種方法做了實(shí)驗(yàn)，用來檢測穿過試件的超聲能量，其中之一是用簡單的光學(xué)方法觀察液體表面由超聲波形成的波紋。 1929年，Sokolov首先提出用超聲波探查金屬物內(nèi)部缺陷的建議。法國人Langevin使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。在之后的三十年中，超聲波仍然是一個(gè)鮮為人知的東西，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。面對廣闊的市場空間以及日益苛刻的測量要求，如何提高適用范圍和測距精度就成為了當(dāng)前超聲波測距設(shè)備開發(fā)的關(guān)鍵所在?，F(xiàn)有超聲波測距系統(tǒng)不僅測量范圍有限制，且測量精度有限。但由于超聲波傳播時(shí)間難于精確捕捉，溫度對聲速的影響等原因，使得超聲波測距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測距系統(tǒng)在測量精度要求更高的場合下的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距技術(shù)在國防、汽車工業(yè)及日常生活中無處不在。 由于超聲波具有以上特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于測量物體的距離、厚度、液位等領(lǐng)域。 (2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)等惡劣環(huán)境中，可以降低勞動強(qiáng)度。紅外傳播速度為310^8m/s，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的，因此在同等距離的情況下，超聲波的傳播時(shí)間遠(yuǎn)大于紅外，往返時(shí)間更易測量。激光測距雖然測距精度高，操作簡單，但是受環(huán)境的影響比較大，且系統(tǒng)檢測維護(hù)不便，價(jià)格相對昂貴，一般多在軍事領(lǐng)域應(yīng)用。 AT89C52目 錄1 緒論 1 論文研究的背景和意義 1 超聲波測距領(lǐng)域的歷史和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1 本課題的研究方法 32超聲波測距的基本理論及測量方案的選擇 4 超聲波的定義 4 超聲波的波型 4 超聲波的傳播速度 4 超聲波測距的原理 5 6 方案選擇的論證和選擇 7 設(shè)計(jì)方案一 7 方案設(shè)計(jì)二 8 方案設(shè)計(jì)三 8 方案設(shè)計(jì)四 93超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 10 AT89C52單片機(jī)的介紹 10 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 12 超聲波檢測接收電路 13 超聲波發(fā)射電路 14 PCB電路的抗干擾處理 15 15 超聲波測距器的的算法設(shè)計(jì) 15 系統(tǒng)的主程序 16 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 17 系統(tǒng)的軟調(diào)試及性能分析 184誤差分析 19 超聲波回波聲強(qiáng)的影響 19 超聲波波束入射角的影響 19 超聲波傳播速度的影響 20總結(jié) 21致 謝 22參考文獻(xiàn) 23附錄一 原理圖 24附錄二 源程序 25 1 緒論 論文研究的背景和意義 測距的原理和方法有很多，根據(jù)信息載體的不同可分為光學(xué)方法、無線電方法和超聲波方法。 Ultrasonic Distance Measure。關(guān)鍵詞：倒車防撞；超聲波測距；超聲波；AT89C52ABSTRACTWith the social and econ