【正文】 )聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進(jìn)算法的方法來加以校正，為了節(jié)省成本、減小電路的復(fù)雜性、提高電路的穩(wěn)定性，本文采用編寫軟件改進(jìn)算法的方法加以校正。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，／秒。它通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S。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(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。 壓電式超聲波發(fā)生器的原理壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：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。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。 超聲波的應(yīng)用超聲波測(cè)距主要應(yīng)用與倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。超聲波以直線方式傳播，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。超聲與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應(yīng)）。超聲波具有的特點(diǎn)： 超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。超聲波會(huì)產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 超聲波的特性及特點(diǎn)超聲波具有如下特性：超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。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(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。系統(tǒng)組成的設(shè)計(jì)：各部分硬件的選取很有講究，要十分合理。本設(shè)計(jì)的任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車倒車位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。當(dāng)然還可以設(shè)置若干個(gè)鍵，以用來控制電路的工作狀態(tài)。本設(shè)計(jì)可望成為駕駛員特別是貨車以及公共汽車駕駛員的好幫手，可有效的減少和避免那些視野不良的大型汽車的如冷藏車、集裝箱車、垃圾車、食品車、載貨車、公共汽車等倒車交通事故，另外還特別適用于夜間輔助倒車、倒車入庫以及進(jìn)入停車場(chǎng)停車到位，甚至還能防止盜賊扒車.４第一章 概 述本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是采用以AT89S51單片機(jī)為核心，來設(shè)計(jì)一種低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀。實(shí)際使用表明，極大的提高了安全性、可靠性和準(zhǔn)確度。本文論述了單片機(jī)技術(shù)研制成功的超聲波測(cè)距儀的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)方案。由芯片AT89S51控制計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。利用單片機(jī)控制的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)摘 要由于現(xiàn)代生產(chǎn)要求，人們發(fā)現(xiàn)需要實(shí)現(xiàn)無接觸式的生產(chǎn)測(cè)距，而超聲波測(cè)距是一種性能良好的測(cè)距方式，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，本文設(shè)計(jì)了一種以AT89S51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化LED顯示超聲波測(cè)距儀，并使用一些常用芯片如：74LS04等。系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收放大電路以及顯示電路構(gòu)成。本系統(tǒng)具有易檢測(cè)、軟件功能完善，工作可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。采用軟件校正，提高了測(cè)量精度和整機(jī)的可靠性。關(guān)鍵詞：測(cè)距儀， 超聲波，　傳感器， 單片機(jī)目 錄摘 要 1前 言 4第一章 概 述 5 5 5第二章 超聲波測(cè)距的原理 6 超聲波的介紹 6 什么是超聲波 6 超聲波的特性及特點(diǎn) 6 超聲波的應(yīng)用 7 超聲波測(cè)距器的原理 7 超聲波發(fā)生器 7 壓電式超聲波發(fā)生器的原理 8 超聲波測(cè)距的原理 8第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 芯片AT89S51介紹 11 AT89S51單片機(jī)的概述 11 傳感器的選取 15 傳感器的定義及作用 15 傳感器的特性 15 傳感器的選用 15 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 18 測(cè)距顯示電路的設(shè)計(jì) 18 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 20 超聲波接收電路的設(shè)計(jì) 21 探測(cè)電路的設(shè)計(jì) 21 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 22第四章 系統(tǒng)調(diào)試 25 硬件的調(diào)試 26 儀器精度分析及如何提高超聲測(cè)距精度 26總 結(jié) 30參考文獻(xiàn) 31致 謝 32附 錄 33附錄1 硬件電路總設(shè)計(jì)圖 33附錄2 程序 33前 言目前國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是專用集成電路的成本很高，并且顯示距離也比較困難，操作使用也不是很方便，而本設(shè)計(jì)研究的測(cè)距器成本低廉，性能優(yōu)良，市場(chǎng)前景極為廣闊，對(duì)提高我國(guó)汽車工業(yè)實(shí)際水平，具有較大的時(shí)間意義，在整個(gè)倒車過程中自動(dòng)測(cè)量車尾到最近障礙物的距離，并用數(shù)字顯示出來，在倒車到極限距離時(shí)會(huì)發(fā)出急促的警告聲，提醒駕駛員注意剎車。超聲波測(cè)距可測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，利用S=Ct/2就可以算出距離，再在LED上顯示出來。限制的最大可測(cè)距離存有四個(gè)因素:超聲波的幅度，反射面的質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來完成。測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果，能夠手工設(shè)定報(bào)警量值。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是：超聲波信號(hào)的接收、發(fā)射的設(shè)計(jì)顯示電路設(shè)計(jì)流程圖及程序的設(shè)計(jì)第二章 超聲波測(cè)距的原理 超聲波的介紹 什么是超聲波超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠(yuǎn)的距離。（治療）超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過一定值時(shí)，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。另外，超聲波在空氣中傳播速度較慢，為340m/s，這就使得超聲波使用變得非常簡(jiǎn)單。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確與否。 超聲波測(cè)距器的原理 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。電氣方式包括電壓型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。 超聲波測(cè)距的原理超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。一般采用渡越時(shí)間法：即S=CT/2，其中S為測(cè)量點(diǎn)與被測(cè)物體之間的距離，C為聲波在介質(zhì)（此處為空氣）中的傳播速度，T為超身波發(fā)射到返回的時(shí)間間隔。下表列出了幾種溫度下的聲速：溫度（攝氏度）－30－20－100102030100聲速（米／秒）313319325323338344349386在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速C是基本不變的，計(jì)算時(shí)取C為340m/s。如果環(huán)境溫度變化顯著,則必須考慮溫度補(bǔ)償問題。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(cè)量。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。利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量低速行駛車輛與飛機(jī)的距離，當(dāng)車輛與飛機(jī)的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車輛與飛機(jī)之間的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車輛與飛機(jī)碰撞、拖掛等事故。如圖21所示超聲波換能器功放編碼調(diào)制高頻振蕩單脈沖發(fā)生器 聲光報(bào)警51單片機(jī)系統(tǒng)收發(fā)轉(zhuǎn)換距離顯示超聲波換能器接收放大編碼解調(diào)圖 21　超聲波測(cè)距報(bào)警裝置原理框圖發(fā)射部分由高頻振蕩器、單脈沖發(fā)生器、編碼調(diào)制器、功率放大器及超聲換能器組成。接收部分由超聲換能器、接收放大器和編碼解調(diào)器組成?！≡诙嗯_(tái)車輛同時(shí)作業(yè)時(shí)，某臺(tái)車輛發(fā)射的超聲波信號(hào)可能被其它車輛接收，從而因造成 系統(tǒng)混亂而產(chǎn)生誤報(bào)。為有效消除干擾，編碼解調(diào)采用積累檢測(cè)解調(diào)。單穩(wěn)電路1和單穩(wěn)電 路2 相互配合與或非門共同構(gòu)成一個(gè)可以重新觸發(fā)的單穩(wěn)電路，通過此單穩(wěn)電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖序 列的延時(shí)積累，其輸出為V3，V3經(jīng)積分器積分后輸出V4，最后經(jīng)整形電路整形后輸出，V5并送入單片機(jī)處理。在單片機(jī)編碼發(fā)送完畢后，即轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉發(fā)射部分的單脈沖發(fā)生器；當(dāng)接收一定時(shí)間后再轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)重發(fā)編碼時(shí) ，同時(shí)關(guān)閉接收放大器。若系統(tǒng)量程為5m，則接收時(shí)間T應(yīng)滿足： (式22)第三章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖31所示：定時(shí)器障礙物電聲換能振蕩器調(diào)制器控制聲電換能接收檢測(cè)計(jì)時(shí)器顯示器 圖31 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)的框圖系統(tǒng)框圖中的單片機(jī)AT89S51用來協(xié)調(diào)各個(gè)單元，超聲波接收電路用來接收要接收的信號(hào)，超聲波發(fā)射電路用來發(fā)射需要發(fā)射的信號(hào)，存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)接收的信號(hào)，用數(shù)碼管LED顯示距離。如圖32所示：圖32 AT89S51芯片引腳圖AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80S51引腳結(jié)構(gòu)， AT89S51具有40個(gè)引腳，4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，128 Bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)2層中斷嵌套中斷，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。：地。邏輯門電路，對(duì)端口寫：“1”可作為高阻抗輸入端用。在Flash編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電