【正文】 listen and ultrasonic have the same essence, they are also a mechanical vibration. Their difference is that the ultrasonic have a highfrequency and a short wavelength, furthermore it is high directivity, concentrated energy, and free form light and dust, such as electromagic interference from external factors, etc. Therefore, ultrasound can be used for noncontact measurement, the use of ultrasound in the calculation of the measured objects and the transmission between the ultrasonic probe to measure the distance of the measured target without damage. This paper mainly introduces singlechip based on the AT89S51, auxiliary CX20206A infrared receiver to a dedicated amplifier and TCT4010 ultrasonic sensor designed ultrasonic range finder. Ranging general principle of the method used: transittime method TOF (time of flight) to measure objects with the sound source distance. Measuring the distance about 5m, the measurement accuracy of about . Key words： ultrasonic time of flight ultrasonicsensor AT89S51 CX20206A TCT4010 DS18B20 III 目 錄 一、引 言 ................................................................... 1 （一）課題背景 .............................................. 1 （二）課題研究目的和意義 .................................... 4 （三）研究內(nèi)容以及方法原理 .................................. 4 （四）論文完成的工作 ........................................ 6 二、總體方案設(shè)計(jì) ............................................................ 6 三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ............................................................ 7 （一）單片機(jī) AT89S51 的基本設(shè)計(jì) .............................. 7 （二） CX20206A 紅外接收放大模塊的設(shè)計(jì) ...................... 11 （三） TCT4010 超聲波傳感器的設(shè)計(jì) ........................... 13 （四） DS18B20 溫度傳感器的設(shè)計(jì) .............................. 15 （五） LED 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) .............................. 17 四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ........................................................... 18 五、總結(jié)與未來展望 ......................................................... 20 致 謝 ...................................................................... 21 附 錄 ..................................................................... 22 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................ 32 1 基于 AT89S51 單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì) 一、引 言 （一） 課題背景 隨著工業(yè)，建筑業(yè)，農(nóng)業(yè)建設(shè)的不斷發(fā)展，距離測量頻率的不斷提高，一些在早期社會(huì)，曾被人類廣泛應(yīng)用的米尺不在滿足人類的要求，就出現(xiàn)了現(xiàn)在人類所 應(yīng)用的間接測量工具。 測距原理采用一般的方法：渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight）來測量物體與發(fā)聲源的距離。此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，具有方向性強(qiáng)、能量集中、不受光和電磁波以及粉塵等外界因素的干擾等優(yōu)點(diǎn)。 我們把頻率高于20200 赫茲的聲波稱為 “ 超 聲波 ” 。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為 20～ 20200 赫茲。 基于 AT89S51 單片機(jī) 的 超聲波測距 儀設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 所 在 系： 專業(yè)名稱： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： I 基于 AT89S51 單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì) 學(xué)生 ： 指導(dǎo)老師 ： 內(nèi)容提要 ： 我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單 位是赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于 20200 赫茲或小于 20 赫茲時(shí)，我們便聽不見了。 超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng) 。因此，超聲波可用于非接觸測量，利用計(jì)算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對(duì)被測目標(biāo)無損害。 正由于這樣，目前對(duì)于超 聲波精確測距的需求也越來越大，在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛地應(yīng)用。 本文主要介紹基于 AT89S51 單片機(jī) ， 輔助以 CX20206A 紅外接收專用放大電路 ，TCT4010 超聲波傳感器 和數(shù)字化的溫度傳感器 DS18B20 設(shè)計(jì)的超聲波測距儀。測量距離大概 5m，測量精度約為 。測量能夠?yàn)槿藗兲峁┮粋€(gè)距離衡量的尺度，對(duì)待事物有準(zhǔn)確的物理概念。大到無邊宇宙，小到原子，或更加細(xì)微的測量區(qū)間，米尺加公式的測量時(shí)代早已不能滿足探索的需要，而被人們作為探測行業(yè)的基石。針對(duì)以上這些缺點(diǎn)。 在信息化，現(xiàn)代化的時(shí)代，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，非接觸測量出現(xiàn)了微波雷達(dá)測距，激光測距及超聲波測距等。所以現(xiàn)在我們所見到一些測量儀基本上都是利用超聲波來測距的。這就大大解決了在粉塵多情況下，給人類引起的身體接觸傷害，腐蝕性質(zhì)的被測物對(duì)測量 儀器腐蝕，觸點(diǎn)接觸不良造成的誤測情況。從長遠(yuǎn)利益看，是多向節(jié)能型研究。超聲波對(duì)于被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信 息很容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。它在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)。 超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕瓷?，折射，干涉，衍射，散射。并且更適合與高溫，高粉塵，高濕度和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。利用超聲波檢測即迅速，方便，計(jì)算簡 單，又易于做到實(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。 另外，在控制方面，單片機(jī)其卓越的性能，要本設(shè)計(jì)中得到了很好的體現(xiàn)，尤其在檢測，控制領(lǐng)域中，具有以下特點(diǎn)： 小巧靈活，成本低，易于產(chǎn)品化，它能方便地組裝成各種智能測試，控制設(shè)備及各種智能儀器表。 易擴(kuò)展，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，控制功能強(qiáng)。 可以很方便地實(shí)現(xiàn)多機(jī)制分布式控制。采用軟件控制，提高了測量精度和整機(jī)的可靠性。并且靈敏度高，可靠性強(qiáng)。例如：超聲波測距儀廣泛應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于聯(lián)合收割機(jī)、液位、井深、管道長度等的實(shí)時(shí)測量場合。因此本設(shè)計(jì)采用了以 AT89S51 單片機(jī)為核心低成本，高精度， LED 數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)果的硬件電路設(shè)計(jì)方法。綜合了各器件的功能，耐用性，市場價(jià)位等多方面因素，選件謹(jǐn)慎、適用。在文中還詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的主要芯片（ AT89S51， CX20206A, TCT4010）的性能和特點(diǎn)。通過實(shí)際測試使用證明，該超聲波測試系統(tǒng)工作穩(wěn) 3 定，測距精度高，性能良好，可廣泛應(yīng)用到實(shí)際中以方便觀察測試結(jié)果?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。當(dāng)聲波的振動(dòng)頻率大于 20200 赫茲或小于 20赫茲時(shí)，我們便聽不見了。聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。譬 如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動(dòng)，這種振動(dòng)狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。 斯帕拉 捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？ 1793 年夏天，一個(gè)晴朗的夜晚，喧騰熱鬧的城市漸漸平靜下來。當(dāng)他看到放出去的幾只蝙蝠輕盈敏捷地來回飛翔時(shí)，不由得尖叫起來。 斯帕拉捷為什么要把蝙蝠的眼睛蒙起來呢？原來，每當(dāng)他看到蝙蝠在夜晚自由自在的飛翔時(shí)，總認(rèn)為這些小精靈一定長著 一雙特別敏銳的眼睛，就不可能在黑夜中靈巧的多過各種障礙物，并且敏捷的捕捉飛蛾了。斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠憑什么來辨別前方的物體，捕捉靈活的飛蛾呢？ 于是，他把蝙蝠的鼻子堵住 .結(jié)果，蝙蝠在空中還是飛的那么敏捷、輕松。他又捉來幾只蝙蝠，用油漆涂滿它們的全身，然而還是沒有影響到它們飛行。這次，蝙蝠可沒有了先前的神氣。 ?。◎鹪谝归g飛行，捕捉食物，原來是靠聽覺來辨別方向、確認(rèn)目標(biāo)的！ 4 斯帕拉捷的實(shí)驗(yàn)，揭開了蝙蝠飛行的秘密，促使很多人進(jìn)一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“聽”到?jīng)]有聲音的物體呢？ 后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。超 聲波就像一位無聲的功臣，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和軍事等領(lǐng)域。 （二） 課題研究目的和意義 超聲波作為測距，已經(jīng)在很多領(lǐng)域起著非常重要的作用，而且也在不知不覺之中影響我們的生活。這一設(shè)計(jì)就是本著這個(gè)宗旨出發(fā) ,利用超聲波的特性來為我們服務(wù)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、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 ,因此在移動(dòng)機(jī)器人 ,汽車安全 ,海洋測量等上得到了廣泛的應(yīng)用。 （三 ） 研究內(nèi)容以及方法 原理 本課題的研究，是為了利用超聲波，來測量比較有難度的距離，通過一系列原件（ AT89S51, CX20206A ,TCT4010， LED 數(shù)碼管）組成一個(gè)測量系統(tǒng)，來達(dá)到對(duì)困難距離的測量，得到一個(gè)精確度在 以內(nèi)的精確距離數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)距離的測量。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。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。 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，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。 超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight）。 然而在實(shí)際環(huán)境中，空氣溫度是一個(gè)不可不考慮到的干擾因素，因?yàn)槌暡ㄔ诳諝庵械牡膫鬏斔俣仍诤艽蟮某潭壬鲜且軠囟鹊挠绊?，不?的溫度超聲波擁有不同的傳輸速度， 因此一般都還需要一個(gè)溫度補(bǔ)償，來計(jì)算出 當(dāng)前空氣溫度下，超聲波的傳播速度。當(dāng)溫度知道的情況下， 通過該式就可以知道該溫度下超聲波的傳播速度了。 關(guān)于溫度傳感器的選擇， 在傳統(tǒng)的中，低溫測溫領(lǐng)域中采用的方法有熱敏電阻，半導(dǎo)體溫度傳感器等。這導(dǎo)致了在工程應(yīng)用中的一系列問題，如造價(jià)高，互換性差，調(diào)試不方便等。 攝氏度等優(yōu)點(diǎn)。 設(shè)環(huán)境溫度為 T0=25 攝氏度，此時(shí)