【正文】 344349386單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送液晶顯示器顯示。為了增加所測量的覆蓋范圍，減少測量誤差，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。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度與常溫的差值為△T 時(shí), 超聲波傳播速度V 的計(jì)算公式為：V = + △T ②限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(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。常溫下超聲波的傳播速度是334 米/秒,但其傳播速度V 易受空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響,其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1 ℃, 聲速增加約0. 6 米/ 秒。由于超聲波也是一種聲波, 其聲速C與溫度有關(guān),表1列出了幾種不同溫度下的聲速。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 21元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 22超聲波外部結(jié)構(gòu) 超聲波測距系統(tǒng)原理超聲波測距原理是通過超聲波發(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時(shí)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)。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為的交流電電壓時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣的張弛，當(dāng)落在音頻范圍內(nèi)時(shí)便會(huì)發(fā)出聲音。 3 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。(2) 空化作用在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為空化。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時(shí)，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴(kuò)散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì)的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴(kuò)散。按超聲波振動(dòng)輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ)償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。此外，超聲波測量距離技術(shù)還在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為了避免此類事故的發(fā)生，一個(gè)能夠直觀測出汽車與障礙物之間的距離的裝置就變得十分重要。由于超聲波具有強(qiáng)度大，方向性好等特點(diǎn)，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題。通常開發(fā)一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的步驟如下：總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)單元電路安裝調(diào)試編寫軟件程序在線調(diào)試軟硬件圖 11 設(shè)計(jì)步驟 超聲波測距系統(tǒng)的研究背景與意義在基于傳統(tǒng)的測量距離存在不可克服的缺陷。（6）醫(yī)療電子設(shè)備：各種醫(yī)療電子儀器，如X光機(jī)、超聲診斷儀、心臟起搏器、監(jiān)護(hù)儀器等，以及輔助診斷系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等。（4）商用設(shè)備：各種收款機(jī)、POS系統(tǒng)、電子秤、條形碼閱讀器、商務(wù)終端、IC卡輸入設(shè)備、自動(dòng)柜員機(jī)、防盜系統(tǒng)等。（2）家用電器：各種家電產(chǎn)品，如數(shù)字電視、機(jī)頂盒、數(shù)碼相機(jī)、VCD、DVD、可視電話、洗衣機(jī)、電冰箱、手機(jī)、智能玩具等?，F(xiàn)代社會(huì)中嵌入式系統(tǒng)無處不在，早已被應(yīng)用在國防、國民經(jīng)濟(jì)、以及人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，主要可以歸納為以下幾個(gè)方面。嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用可以使傳統(tǒng)的電子系統(tǒng)升級(jí)成為智能化的電子產(chǎn)品，使其成為具有“生命”的現(xiàn)代化智能系統(tǒng)。從此，計(jì)算機(jī)技術(shù)在兩個(gè)重要領(lǐng)域——通用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域和嵌入式計(jì)算機(jī)領(lǐng)域都得到了極其重要的發(fā)展,并正在深深地改變著我們的社會(huì)。s practical demand in measuring the precision .Key Words: Ultrasonic wave；Onechip puter；Range finding；AT89C51目 錄第1章 概 述 1 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述 1 超聲波測距系統(tǒng)的研究背景與意義 2第2章 超聲波測距的原理 3 超聲波的基本理論 3 超聲波測距系統(tǒng)原理 4第3章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計(jì) 7 方案論證與比較 7 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí) 11 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路 18 溫度采集DS18B20電路 20 LED數(shù)碼管顯示電路 21 超聲測距系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) 21第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 23 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu) 23 系統(tǒng)主程序 25 40KHZ超聲波發(fā)生及中斷子程序 26 DS18B20溫度采集程序 27 距離計(jì)算程序 30 LCD顯示程序 31第5章 試驗(yàn)分析 33 實(shí)驗(yàn)測試 33 試驗(yàn)數(shù)據(jù) 33 誤差分析 33 系統(tǒng)改進(jìn) 34總 結(jié) 35參考文獻(xiàn) 36致 謝 37附錄1 超聲波測距系統(tǒng)原理圖 38附錄2 實(shí)驗(yàn)源程序 39第1章 概 述 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)概述單片機(jī)是一個(gè)單芯片形態(tài)、面向控制對象的嵌入式應(yīng)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測速度快、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。摘 要超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，所以，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測距方案中，超聲波測距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、水位測量、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場。本課題詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：超聲波；單片機(jī)；測距；AT89C51AbstractUltrasonic wave has strong pointing to nature, slowly energy consumption, propagating distance farther ,so ,in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology automatic control technology bine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft ,move backward the radar ,water level measuring ,building construction site and some industrial scenes extensivelyThis subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of onechip puter AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to acplish realtime control ,and can reach industry39。它的出現(xiàn)及發(fā)展使計(jì)算機(jī)技術(shù)從通用型數(shù)值計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)入到智能化的控制領(lǐng)域。嵌入式系統(tǒng)無疑是當(dāng)前最熱門、最具有發(fā)展前景的IT應(yīng)用之一。嵌入式系統(tǒng)一般應(yīng)用于對實(shí)時(shí)響應(yīng)要求較高的設(shè)備中，單片機(jī)作為嵌入式系統(tǒng)的核心部件，其應(yīng)用使電子系統(tǒng)的智能化出現(xiàn)了意想不到的效果，常常無需對硬件資源做任何改動(dòng)，只需更新系統(tǒng)軟件就能使系統(tǒng)功能升級(jí)。（1）軍事裝備：各種武器控制（火炮控制、彈道控制、炮彈引信等），坦克、艦船、轟炸等各種電子裝備，雷達(dá)、電子對抗、軍事通訊裝備等。（3）工業(yè)控制：各種智能儀器儀表、數(shù)控裝置、可編程控制器、分布式控制系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人、機(jī)電一體化設(shè)備、汽車電子設(shè)備等。（5）辦公用品：復(fù)印機(jī)、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀、手機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）、變頻空調(diào)設(shè)備、通信終端、程控變換機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括單片機(jī)基本擴(kuò)展、外圍電路設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)、單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等內(nèi)容。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。隨著人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)的加快，城市車輛逐漸增多，因?yàn)橥＼嚥划?dāng)而造成的交通事故也越來越多。它可以及時(shí)將車輛與障礙物之間的距離反應(yīng)出來，給司機(jī)以更準(zhǔn)確的信息和更多的反應(yīng)時(shí)間，減少事故的發(fā)生。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。第2章 超聲波測距的原理 超聲波的基本理論超聲波是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。超聲波是聽覺閾值之外的振動(dòng)，其頻率范圍在10 Hz到10億KHz，其中通常的頻率大約在10000Hz到300萬Hz之間。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用：1 超聲波的傳播速度超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波——質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。2 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。反之，如果由超聲波機(jī)械振動(dòng)作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時(shí)，那么壓電晶片也會(huì)產(chǎn)生與振動(dòng)頻率相同的微弱的交流信號(hào)。超聲波在空氣中的傳播速度為v ,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t ,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S ,即: S = v * △t / 2 ① 這就是所謂的時(shí)間差測距法。在使用時(shí),如果溫度變化不大, 則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高, 則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕū鞠到y(tǒng)正是采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速c與溫度有關(guān)。超聲波測距原理框圖如圖所示。很容易通過軟件控制。且成本低廉。超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭（“也稱為超聲波換能器”）的型號(hào)選用CSB40T（其中心頻率為40KHz）。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)電流為100mA以上的驅(qū)動(dòng)電路。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動(dòng)電路，但缺乏靈活性。74HC04的管腳如下圖所示。由于超聲波接收探頭的信號(hào)非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過波形變換。CX20106是日本索尼公司的產(chǎn)品，采用單列8引腳的直插式封裝，內(nèi)部包含自動(dòng)偏置控制電路、前置放大電路、帶通濾波、峰值檢波、積分比較器、斯密特整形輸出電路，配合少量外接元件就可以對38KHz左右的信號(hào)的接收與處理，該芯片內(nèi)部。超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為40KHz毫伏級(jí)的電壓信號(hào),需要經(jīng)過放大、