【正文】 聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、 鍵盤程序 、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。 獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵 必須占用一根 I/O 口線，因此，在按鍵較多時(shí)， I/O 口線浪費(fèi)較大，不宜采用。獨(dú)立式鍵盤的硬件接口電路簡單，軟件設(shè)計(jì)也比較方便，但由于每個(gè)按鍵均需要單片機(jī)超聲波測距硬件 設(shè)計(jì) 17 的一根 I/O口，因此，獨(dú)立式鍵盤值適合于按鍵較少的場合。但是根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，采用獨(dú)立式鍵盤既能滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省 I/O 和鍵盤的數(shù)量。 LED 的伏安特性類似于普通二極管，正向壓降約為 2伏左右，工作電流一般在 10 20 mA之間較為合適。常用的顯示器件有顯示記錄儀、發(fā)光二極管顯示器 LED、液晶顯示器 LCD、大屏幕顯示器和圖形顯示器終端 CRT。利用溫度檢測電路實(shí)時(shí)的測量環(huán)境溫度 T，再根據(jù) 式子 C=331． 4+0． 607T 計(jì)算超聲波的速度 C。溫度測量電路是基于 DS18B20 單線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡單 ，可直接將其 DQ端與單片機(jī) 。計(jì)數(shù)器 1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器 1的預(yù)置值減到 0時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置將重 新被裝入，計(jì)數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器 2 計(jì)數(shù)到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。 圖 7 超聲波接收 電路 圖 8 超聲波 PCB電路圖 超聲波測距硬件 設(shè)計(jì) 12 下列為超聲波的實(shí)物圖： 溫度補(bǔ)償電路 溫度傳感器工作原理 DS18B20 測溫原理如圖所示。經(jīng)放大后的波形送入檢波電路 ，射隨后經(jīng) LM324 比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波，可送給 STC89C51 的 EXT1 外部中斷。適當(dāng)?shù)馗碾娙?C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力?？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，如圖所示。兩個(gè)上拉電阻一方面可以提高反向器CD4069 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，以縮短其自由振蕩的時(shí)間。發(fā)射電路主要由 555 振蕩電路和反向器 CD4069 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口控制 555 輸出的 40kHz 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(gè)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(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射速度。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時(shí)，電容迅速放電，使 RST 端迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使 RST 端恢復(fù)低電平。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位 [3]。 復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要 RST 引腳出至少保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)位。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、蕩器的穩(wěn)定性、震的快速性和溫度穩(wěn)定性。這個(gè)放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。本設(shè)計(jì)只有一片單片機(jī)，采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所需的時(shí)鐘信號，其有兩種時(shí)鐘方式：外部時(shí)鐘和內(nèi)部時(shí)鐘。退出模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變 RAM 中的內(nèi)容，在 VCC 恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重新啟動并穩(wěn)定工作 [5]。在這種情況下片內(nèi)硬件禁止對內(nèi)部RAM 的讀寫，但允許對端口的訪問，要消除硬件復(fù)位終止空閑模式對端口意外寫入的可能，原則上進(jìn)入空閑模式指令的下一條指令不應(yīng)對端口引腳或外部存儲器進(jìn)行訪問?？臻e模式可由任何允許的中斷請求或復(fù)位終止。 圖 3 STC89C52RC 實(shí)物圖 (1)STC89C52 芯片共 40 引腳 : 1~8 腳 : 通用 I/O 接口 ~ 9 腳 : RST復(fù)位鍵 10 ~11 腳 :RXD 串口輸入 TXD串口輸出 12~19:I/O p3 接口 (12,13 腳 INT0 中斷 0 INT1 中斷 1 14~15 : 計(jì)數(shù)脈沖 T0 T1 16,17: WR 寫控制 RD讀控制輸出端 ) 18~19: 晶振諧振器 20 地線 21~28 p2 接口 高 8 位地址總線 29: psen 片外 rom選通端 單片機(jī)對片外 rom操作時(shí) 29 腳 (psen)輸出低電平 30:ALE/PROG 地址鎖存器 31:EA/ROM 取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取 32~39:~(注意此接口的順序與其他 I/O 接口不同 與引腳號的排列順序相反 ) 40:電源 +5V[4] (2)其主要特性有： 工作電壓 用戶程序應(yīng)用空間： 8K 壽命： 1000 寫／擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 工作頻率： 0Hz 一 40MHz，外部晶振 20MHz 以下可省復(fù)位電路 三級程序存儲器鎖定 片上集成 1280字節(jié)或 512 字節(jié) RAM 32 可編程 I／ O線 超聲波測距硬件 設(shè)計(jì) 7 兩個(gè) 16 位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 有 EEPROM 功能 看門狗 在空閑模式下， CPU 保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式又軟件產(chǎn)生。 因此在實(shí)現(xiàn)超聲波測距的過程中我們需要測出傳播時(shí)間及當(dāng)前溫度，這就需要軟硬件共同作用來實(shí)現(xiàn)。為了增加所測量的覆蓋范 圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射 接收的設(shè)計(jì)方法。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波 之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。在設(shè)計(jì)中 還加入了 報(bào)警裝置，當(dāng)測量的距離過長或過短報(bào)警器就會發(fā)出蜂鳴聲并有指示燈指示是過長還是過短 。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。其時(shí)序圖如圖 2所示 。 該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射 /接收電路和 LED 顯示器組成。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理 ,送至單片機(jī)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本例決定采用 AT89C52 單片機(jī)作為主控器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波各不相同，因而用途也各不相同。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是使用電氣方式產(chǎn)生超聲波；另一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。（其往返時(shí)間為 t， v為超聲波在空氣中的傳播速度） 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素， 在本課題中 采用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示 ，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如 圖 1所示： 圖 1 超聲波測距系統(tǒng) 原理 框圖 超聲波測距硬件 設(shè)計(jì) 3 方案論證 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗慢，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。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight）。 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。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，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量。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接 收超聲波。這就是我設(shè)計(jì) 超聲波測距儀 的 目的及 意義。展望未來，超聲波 測距儀 作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，在新的世紀(jì)里，面貌一新的 測距儀 將發(fā)揮更大的作用。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在 測距儀 中的應(yīng)用越來越廣。 在 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測量計(jì)，胎兒檢查儀，超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性。 因此超聲波在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用非常廣泛， 在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。 向在線自動檢測和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測試技術(shù)取得突破進(jìn)展 ?？偟膩碚f，我國在超聲方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。在應(yīng)用方面， B 超和 A超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)和醫(yī)療應(yīng)用。表面波換能器的研究我國開始于 1965 年，于 1970 年開始了高頻表面波的研究，1977 年，我國研制成表面脈沖壓縮濾波器。溫度補(bǔ)償 超聲波測距硬件 設(shè)計(jì) 目 錄 1 序言 ................................................................... 1 課題研究的背景及意義 .............................................