【正文】 動發(fā)送 8 個 40kHz 的方波脈沖，并能夠自動檢測是否有信號返回，如果檢測到有信號返回則通過 I/O口輸出高電平，高電平的持續(xù)時間就是超聲波從發(fā)射到返回所用的時間，則所測量的距離 =（高電平時間聲速） /2。此模塊的測距范 圍為 2cm～ 5m，能基本滿足測距要求，而且其精度可以達(dá)到 ，盲區(qū)僅僅為 2cm，完全可以能夠滿足本設(shè)計的測距要求，而且測距也比較穩(wěn)定。而且，它的感應(yīng)的角度不大于 15176。 圖 36 超聲波接收電路電路圖 超聲波測距模塊 HCSR04 HCSR04 超聲波集成模塊是將超聲波發(fā)射探頭，超聲波接收探頭， CX20216A芯片電路， 74LS04 芯片放大電路集成到的一起的一個超聲波集成模塊。 CX20216A 芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而 且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計的要求。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 芯片 CX20216A 的前置放大器具有自動增益控制的功能，當(dāng)測量的距離比較近時，放大器不會過載；而當(dāng)測量距離比較遠(yuǎn)時，超聲波信號微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。 圖 35 超聲波發(fā)射電路電路圖 超聲波接收電路 由于超聲波在空氣中的傳播過程中是有衰減的，如果距離較遠(yuǎn)，那么超聲波接收電路所接收到的超聲波信號就會比較微弱，因此需要對接收到的信號進(jìn)行放大而且放大的倍數(shù)也要比較大。 工作時，由單片機(jī) 產(chǎn)生 40kHz 的脈沖向超聲波的發(fā)射電路部分發(fā)出信號，再經(jīng) 74LS04 放大電路放大后，驅(qū)動超聲波探頭將超聲波發(fā)射出去。 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路是由超聲波探頭和超聲波放大器組成。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn) 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 生超聲波。超聲波傳感器實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。反之，如果兩極間未外加電壓，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 就成為超聲波接收器了。它有兩個壓電晶片和一個共振板。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖 超聲 波測距模塊 超聲波傳感器介紹 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。一般外接晶體時，電容選為 30pF 左右。為確保單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定且可靠地工作，復(fù)位電路是必不可少的一部分，復(fù)位電路可分為上電復(fù)位和手動復(fù)位，本設(shè)計為考慮周全，采用上電復(fù)位和手動復(fù)位兩種方式。當(dāng)該引腳訪問片外程序存儲器時，應(yīng)該輸入的是低電平，要使單片機(jī)只訪問片外程序存儲器 ,這時該引腳必須保持低電平；而在對 Flash 存儲器編程時，用于施加 Vpp 編程電壓。但在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時， PSEN___________ 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 將不會有脈沖輸出。 ○ 2 PSEN___________（ 29）： 片外程序存儲器讀選通信號輸出端，低電平時有效。 表 31 P3各口線與專用功能表 I/O 功能 第二功能 RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INT0(外部中斷 0) INT1(外部中斷 1) T0(定時 /計數(shù)器 0 的外部輸入 ) T1(定時 /計數(shù)器 1 的外部輸入 ) WR（ 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 ） RD（ 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 ） （ 5） 其它控制或復(fù)用引腳 ○ 1 ALE（ 30）： 地址鎖存有效信號輸出端。 P3口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口電位拉到高電平，作輸入口使用；在對內(nèi)部 Flash 程序存儲器編程時，此端接控制信息。 P3 口 （ 10～ 17） 也是一個帶內(nèi) 部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P3 口能驅(qū)動4個 LSTTL 負(fù)載，這 8個引腳還用于專門的第二功能。 P2 端口置 1 時，內(nèi)部上拉電阻將端口的電位拉到高電平，作為輸入口使用；在對內(nèi)部的 Flash 程序存儲器編程時， P2口接收高 8位地址和控制信息，而在訪問外部程序和 16位外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 口就送出高 8 位地址。對 于輸出功能，在單片機(jī)工作的時候，可以通過用程序指令控制單片機(jī)引腳輸出高電平或低電平。 P0 口在有外部擴(kuò)展存儲器時將會被作為地址 /數(shù)據(jù)總線口，此時 P0口就是一個真正的雙向口；而在沒有外部擴(kuò)展存儲器時，P0口也可以作為通用的 I/O 接口使用，但此時只是一個準(zhǔn)雙向口；另外， P0口的輸出級具有驅(qū)動 8個 LSTTL 負(fù)載的能力即輸出電流不小于 800μ A。復(fù)位后的 P0口至 P3口均置于高電平，這時程序計數(shù)器和特殊功能寄存器將全部清零。單片機(jī)使用的工作方式是自激振蕩的方式， XTAL1 和 XTAL2 外接的是12 MHz 的石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率頻率進(jìn)行振蕩，從而就可以產(chǎn)生時鐘信號。 GND（ 20）：接地端。 STC12C5A60S2如圖 31 所示。 單片機(jī)控制模塊 STC12C5A60S2 單片機(jī) STC12C5A60S2 單片機(jī) 是 高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，但速度快 812 倍。電路設(shè)計采用模塊化，以便于調(diào)試與檢修。 經(jīng)比較，單總線具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，多點測溫，供電方式靈活，宜采用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。 （ 1）熱敏電阻 熱敏電阻可以將環(huán)境的溫度變化轉(zhuǎn)化成電壓的變化，通過 AD 轉(zhuǎn)換將信號傳輸給單 片機(jī)，測出當(dāng)前環(huán)境溫度，但阻值與溫度的關(guān)系非線性化嚴(yán)重，且不易互換。 常用的溫度采集元器件為熱敏電阻和 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。 為使所測溫度與距離可以同時顯示，經(jīng)過比較，使用液晶顯示屏顯示可以有更好的顯示效果，所以選擇使用液晶顯示屏顯示。 （ 1）液晶顯示屏顯示 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 液晶顯示屏是帶有字庫的高性能顯示器件，它可以顯示數(shù)字、字母、漢字和圖片等，但是液晶顯示屏屬于反光式的，在外界光線過亮?xí)r容易看不清。 顯示模塊 論證 顯示模塊是該設(shè)計的顯示界面，它通過接收控制器發(fā)出的指令顯示相應(yīng)的內(nèi)容，簡潔明了地體現(xiàn)出整個設(shè)計的功能。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。 超聲波傳感器選擇 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。例如，如果信號線取電只能提供幾 毫安 的電流，所以為了能滿足低功耗的要求這個時候選用 STC 的 單片機(jī)是最合適的。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、 PLCC封裝及表面貼附等。例如：對于程序存儲器來說，最好選用的是 Flash的 存儲器。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲器的容量， I/O 口的 引腳數(shù)量等。目前，市面上的單片機(jī)的種類繁多，并且他們在功能方面也是各自有各自的特點。所以單片機(jī)非常適合作為該操作系統(tǒng)的控制器所使用。它有很強(qiáng)的接口性能和位尋址運算功能，非常適合于控制應(yīng)用的場合，因此又叫微控制器（ MCU）。 圖 23 超聲波測距時序圖 方案論證 控制模塊 論證 控制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分，其功能是能接收溫度模塊、時鐘模塊發(fā)送的信息，并將該信息進(jìn)行分析處理后發(fā)出控制指令控制顯示模塊的顯示內(nèi)容。 由超聲波測距時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在 T0 時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。超聲波測距系統(tǒng)硬件框圖如圖 22所示。本設(shè)計主要采用 HCSR04 超聲波測距模塊，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，從而實現(xiàn)利用超聲波測距的方法測量物體之間的距離。 方案的總體設(shè)計 為方便檢修和維護(hù)硬件電路，設(shè)計時常常采用模塊化的設(shè)計方法。s1 313 319 322 331 337 344 350 所以， 本次 設(shè)計 我們考慮 到 溫度補(bǔ)償，以使我們的設(shè)計更加精確。一般 情況下 溫度 每升高 1℃， 超聲波波度 增加約為 ，表 21 為超聲波在不同溫度下的波速值。 溫度補(bǔ)償 在常溫下，超聲波的傳播速度 約 為 340m/s，但其傳播速度 v容 易受到空氣中的溫度、濕度、壓強(qiáng)等 環(huán)境 因素的影響。為了消除多解，常常需要引入包絡(luò)檢測和采用發(fā)射多種不同頻率波的方式減小不確定度，這就使得該方法的實現(xiàn)復(fù)雜化。 采用相位比較法時，測距精確度有了很大的提高，但這種方法本身存在明顯的缺陷。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物 后 返回 的 過程中所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到 2倍的超聲波 發(fā)射 源與障礙物之間的距離。 圖 21 超聲波測距原理 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 21中被測距離為 H，兩探頭中心距離的一半用 M表示，超聲波單程所走過的距離用 L 表示，由圖可得 ?cosLH? (21) ? ?HMarctan?? (22) 將式 (22)帶入式 (21)得 ? ?? ?HMLH a r ct a nc o s? (23) 在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為 vtL?2 (24) 式中： v 為超聲波的傳播速度， t 為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。 超聲波發(fā)射器以與水平方向成θ角度對外發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到返回波就立即停止計時。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。 超聲波測距的方法有多種：如 脈沖回波 法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。 對這個課題設(shè)計進(jìn)行總結(jié) ,并對設(shè)計發(fā)展前 景展望 。對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 ,對硬件與軟件調(diào)試進(jìn)行分析 以及對誤差進(jìn)行分析。 在軟件設(shè)計中采用不模塊化編程進(jìn)行設(shè)計的，本設(shè)計分別對系統(tǒng)的主程序、 系統(tǒng)初始化子程序 、溫度測量模塊 、判斷報警模塊 和液晶顯示模塊的各個程序進(jìn)行了設(shè)計。對超聲波 測距系統(tǒng)的控制模塊進(jìn)行介紹， 并 具體討論了超聲波測距模塊中的超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路的硬件設(shè)計，最后介 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 紹了顯示模塊電路 、溫度采集模塊、電源模塊 和蜂鳴器報警電路的設(shè)計。對超聲波測距原理和溫度補(bǔ)償進(jìn)行簡要介紹 ,并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求，設(shè)計出對測距系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，對各模塊進(jìn)行討論。包括課題的背景， 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ，研究內(nèi)容與方法，論文內(nèi)容說明等。 論文內(nèi)容說明 本課題的研究內(nèi)容是基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，系統(tǒng)完成的主要功能是測量距離并將其顯示，根據(jù)距離長度進(jìn)行報警。 設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距系統(tǒng)能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離，以數(shù)字的形式顯示測量距離 。 研究內(nèi)容與方法 制作超聲波測距系統(tǒng)，并外加溫度補(bǔ)償使測距更精確。隨著超聲波回波信號處理方法的不斷完善，如何研發(fā)新型、高性能超聲波換能器以進(jìn)一步拓寬超聲波測距的應(yīng)用空間，作為解決超聲波測距系統(tǒng)不足的根本手 段，越來越受到國內(nèi)學(xué)者關(guān)注。 近十年來，國內(nèi)科研人員在超聲波回波信號處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對超聲測距的常見影響因