【正文】 頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 壓電式超聲波傳感器的原理 目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生的超聲波。只要計算出超聲波信號從發(fā)射到接收到回波信號的時間，知道在介質(zhì)中的傳播速度，就可以計算出距被測物體的距離： 超聲 波測距系統(tǒng) 5 d=s/2=(vt)/2 （ 1） 其中 d為被測物到測距儀之間的距離， s為超聲波往返通過的路程， v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度， t 為超聲波從發(fā)射到接收所用的時間。波速確定后，只要測得超聲波往返 的時間，即可求得距離。所以列出了幾種不同溫度下的波速 ,請看表 1 所示。 單片機 (AT89C51)發(fā)出短暫的 40kHz 信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖超聲 波測距系統(tǒng) 4 定信號啟動單片機中斷程 序， 得出時間，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至 LED 顯示電路進(jìn)行顯示。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可 測距離。 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C為超聲波波速。 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩 ,傳播速度僅為光波的百萬分之一 ,縱向分辨率較高 .超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感 ,因此超聲測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力 ,在液位測量、機器人避障和定位、倒車?yán)走_(dá)、物體識別等方面有著廣泛的運用。最后由單片機裝置 對接受信號依據(jù)時間差進(jìn)行處理，自動計算出該智能距離提示器離障礙物之間的距離。工作時，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機提供一個短脈沖。本文論述了采用單片機技術(shù)研制成功的智能距離提示器的原理與方法。測試結(jié)果表明，該設(shè)計滿足設(shè)計要求，具有一定的實用價值。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，常用于距離的測量。 設(shè)計了一種基于 8051 單片機的超聲波測距系統(tǒng)。然后簡要介紹了利用 51 系列單片機設(shè)計測距儀的原理 :單片機發(fā)出的超聲波，通過換能器發(fā)射出去，遇到被測物體后反射回來，計算此超聲波從發(fā)射出到接受的時間差從而得出被測物體到測距儀的距離。在介紹了單片機性能和特點的基礎(chǔ)上，分析了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，介紹了傳感器的原理及特性。超聲 波測距系統(tǒng) 1 超聲波測距系統(tǒng) 畢業(yè)設(shè)計（論文）中文摘要 本文詳細(xì)介紹了一種基于單片機的超聲測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件 ,利用反射超聲波測量待測距離。由此提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計方案做 了論證。介紹了超聲波測距的原理及 8051 單片機的性能和特點，并在此基礎(chǔ)上，給出了實現(xiàn)超聲波測距方案的系統(tǒng)框圖及軟、硬件設(shè)計。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，且在測量精度方面也能達(dá)到要求。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波； 8051 單片機；測距 超聲 波測距系統(tǒng) 2 目錄 1 引 言 ........................................................... 3 2 微控制器 MC9S12DG128B ............................................ 7 3 DS18B20 溫度補償電路 ............................................ 9 4 超聲波傳感器 ................................................... 11 5 集成電路 CX20206A 簡介 .......................................... 13 6 超聲波傳感器測距模塊的硬件設(shè)計 ................................ 17 硬件電路設(shè)計方法 ........................................... 18 多路同步超聲波測距系統(tǒng) ..................................... 19 FPGA 內(nèi)部各組成模塊設(shè)計 ............................... 20 發(fā)射電路 .............................................. 22 接收電路 .............................................. 22 超聲波的產(chǎn)生與功率放大 ...................................... 23 接收模塊 .................................................... 25 7 AT89C51 單片機簡介 .............................................. 26 8 LED 動態(tài)掃描顯示電路 ............................................ 28 9 提高敏感器件抗干擾性能 ......................................... 30 系統(tǒng)硬件干擾 ..................................................... 33 降低外時鐘頻率 ................................................... 35 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................ 36 多任務(wù)調(diào)度管理的仿真實現(xiàn) ....................................... 40 結(jié)論 ............................................................................................................................. 42 致謝 ............................................................................................................................. 43 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................................... 44 超聲 波測距系統(tǒng) 3 1 引 言 近年來，隨著單片機在我國的推廣，以其簡單實用、功能強、體積小而日益廣泛的被廣大設(shè)計師采用，尤其在控制領(lǐng)域中的應(yīng)用更為突出。該智能距離提示器主要是利用超聲波探測傳感器發(fā)送超聲波來測試相對應(yīng)的距離。超聲波接收器則在接收到遇障礙物反射回來的反射波后，也向單片機提供一個短脈沖。該超聲波智能距離提示器具有測距原理簡單，成本低，制作 方便 易于實時控制，并且在精度方面也能達(dá)到工業(yè)實用的要求 等 特點。由于超聲傳播不易受干 擾 , 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 . 本文以超聲波理論為依據(jù)，給出日常生活中可以方便 使用的非接觸式超聲波測距裝置的設(shè)計過程。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4個因素：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。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。 圖 11 超聲波測距電路 表 1 溫度與波速的關(guān)系表 溫度/℃ 20 10 0 10 20 30 100 波速/m/s 319 325 323 338 344 349 386 由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C與溫度有關(guān)。在測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計算距離時的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。 超聲波發(fā)生器在某一時刻發(fā)出超聲波信號，遇到被測物體后反射回來，被超聲波接收器接收到。為了提高精度，需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系： v=+ （ 2） 式中， T 為實際溫度 (℃ )， v 的單位為 m/s。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時即為超聲波接收器。 超聲 波測距系統(tǒng) 6 圖 12 本超聲波測距儀的具體工作過程如下，在單片機產(chǎn)生復(fù)位信號后，MC9S12DG128B 產(chǎn)生一個控制信號，控制外圍電路產(chǎn)生 40kHz 的超聲波，經(jīng)整形放大后加到超聲波換能器發(fā)射出頻率為 40kHz 的超聲波。同時，由溫度傳感器 DS18B20 測得當(dāng)前的環(huán)境溫度，讀入單片機，然后經(jīng)其處理，在液晶顯示屏上顯示相應(yīng)的測量值以及當(dāng)前溫度。其集成度高，片內(nèi)資源豐富，接口模塊包括 SPI、 SCI、 I2C、 A/D、 PWM等，在FLASH 存儲控制及加密方面有較強的功能。 超聲波的發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路一般由超聲波反射器 T、 40kHz 的超音頻振蕩器、驅(qū)動（或激勵）電路等組成，本設(shè)計利用門電路產(chǎn)生 40kHz 的超聲波，組成的超聲波發(fā)射電路見圖 21。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計利用了單運放 LM386，發(fā)射距離可達(dá) 4m。接收頭采用與發(fā)射頭配對的超聲波接收器R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枴Ｕ魏蟮男盘栍?C1 耦合給帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊 LM567 的輸入端 3 腳，當(dāng)輸入信號的幅度落在其中心頻率上時， LM567 的邏輯輸出端 8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖?。系統(tǒng)采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 來采集溫度， DS18B20 是美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的 1wire 總線串行數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化 、 抗干擾能力強、易于與微處理器接口等優(yōu)點，適合于各種溫度測控系統(tǒng)。 數(shù)字式溫度傳感器和模擬溫度傳感器最大的區(qū)別是：將溫度信號直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后通過串行通信的方式輸出。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖時隙；寫 “0” 、讀 “1” 時隙，讀 “0” 、讀 “1” 時隙。 液晶顯示電路 字符點陣系列模塊是一類專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等的點 陣型顯示模塊。它提供 57 點陣 +光標(biāo)和 510 點陣 +光標(biāo)的顯示模式。它提供了豐富的指令設(shè)置：清顯示，光標(biāo)回原點，顯示開 /關(guān)，光標(biāo)開 /關(guān)，顯示字符閃爍，光標(biāo)移位，顯示移位等。 OCM2X16 顯示兩行字符，每行可以顯示 16個字符 。 圖 31液晶顯示電路 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、定時器計時子程序、計算子程序、液晶顯示子程序等。 圖 32系統(tǒng)軟件設(shè)計圖 超聲 波測距系統(tǒng) 11 4 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。電聲型主要有： 1 壓電傳感 器； 2 磁致伸縮傳感器； 3 靜電傳感器。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” 。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。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。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。 超聲波發(fā)射電路 超聲波 發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器 T構(gòu)成，單片機 端口輸出的 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。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。 接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器了。 超聲 波測距系統(tǒng) 12 超聲波檢測接收電路 超聲波 檢測接收電路 是利用壓電晶體的諧振來工作的。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)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā) 生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板 ?？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