【正文】 到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 。 展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更高定位、更高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。激光和雷達測距儀造價偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性。 目前測量距離可以采用波在介質(zhì)中的傳播速度和時間關(guān)系進行測量。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計包括單 片機基本擴展、外圍電路設(shè)計和程序設(shè)計、單片機應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境、系統(tǒng)可靠性設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計等內(nèi)容。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)概述 單片機的出現(xiàn)及發(fā)展使計算機技術(shù)從通用型數(shù)值計算領(lǐng)域進入到智能化的控制領(lǐng)域。 在 整個倒車過程中自動測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會發(fā)出警告聲，提醒駕駛員注意剎車 。 關(guān)鍵字 單片機 超聲波 溫度補償 測距 LCD 顯示 角度補償 設(shè)計的應(yīng)用前景 目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計超聲波測距儀，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。在分析超聲波測距原理的基礎(chǔ)上，給出了實現(xiàn)超聲波倒車雷達系統(tǒng)的硬件設(shè)計電路圖和軟件設(shè)計流程圖。目 錄 .............................................................. 1 設(shè)計的應(yīng)用前景 ............................................. 1 單片機應(yīng)用系統(tǒng)概述 ......................................... 1 超聲波測距系統(tǒng)概述 ......................................... 2 本設(shè)計任務(wù)主要要求 ......................................... 2 .................................................... 2 超聲波的基本理論 ........................................... 2 超聲波測距系統(tǒng)原理 ......................................... 3 .............................................. 5 3． 1 超聲波測距系統(tǒng)電路總體設(shè)計方案 ............................ 5 超聲波發(fā)射和接收電路的設(shè)計 ................................. 6 單片機主機系統(tǒng)電路 ......................................... 7 ..................................................... 11 系統(tǒng)程序的結(jié)構(gòu) ............................................ 11 系統(tǒng)主程序 ................................................ 12 40KHZ 超聲波發(fā)送子程序 .................................... 13 DS18B20 溫度采集程序 ...................................... 14 距離計算子程序 ............................................ 14 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子程序 ............................................ 14 LCD 顯示子程序 ............................................ 15 基于 PROTEUS 的軟件仿真 .................................... 16 ..................................................... 17 超聲波發(fā)射波形的改進 ...................................... 17 樣機的制作 ................................................ 17 進一步研究系統(tǒng)的抗干擾性能 ................................ 17 致謝 ............................................................... 18 參考文獻 ........................................................... 18 附錄 ............................................................... 20 1 基于單片機的超聲波測距儀的設(shè)計 摘要 利用超聲波測距原理，出于低成本、高精度的目的，提出了一種基于 AT89S52的超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設(shè)計方案。硬件部分采用 AT89S52 單片機作為控制器，主要有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收 電路、溫度檢測電路、 LCD 顯示電路和報警電路。該系統(tǒng)測量精度為 1cm，測量范圍為 ，完全能夠滿足汽車倒車系統(tǒng)的設(shè)計要求。而 本設(shè)計 研究的測距儀 成本低廉，性能優(yōu)良，市場前景極為廣闊 。 本設(shè)計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 ， 如集裝箱車、載貨車、公共汽車等倒車交通事故 。從此，計算機技術(shù)在兩個重要領(lǐng)域 —— 通用計算機領(lǐng)域和嵌入式計算機領(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。通常開發(fā)一個單片機系統(tǒng)的步驟如下： 圖 1 技術(shù)路線 2 超聲波測距系統(tǒng)概述 隨著社會的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。常用的技術(shù)主要有激光測距、微波雷達測距和超聲波測距三種。 超聲波測距由于其能進行非接觸測量和相對較 高的精度，越來越被人們所重視。 由于超聲波具有指向性好、能量損耗低、傳播距離較遠、不易受外界環(huán)境影響和對被測目標無損害等特點，利用超聲波測量距離就可以解決傳統(tǒng)測量方法中遇到的問題。 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)試困難，可擴展性差，所以基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。 超聲波測距適用于高精度的中長距離測量，超聲波在標準空氣中的傳播速度為 ，由單片機計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度在理論上可以達到毫米級 。 本設(shè)計任務(wù)主要要求 （ 1）設(shè)計一個以單片機為核心的超聲波測距儀，可以應(yīng)用于汽車倒車、工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控； （ 2）測量范圍在 ～ ，測量精度 1cm； （ 3）測量時與被測物無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。超聲波技術(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。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。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。 超聲波的物理性質(zhì) (1) 超聲波的反射和折射 當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。超聲波引起質(zhì)點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以達到破壞介質(zhì)的程度。 (3) 熱學作用 如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實 際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩極間未外加電壓，當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，這時它就成為超聲波接收器了。設(shè) l為測量距離， t為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。 圖 4 測距原理 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，聲速增加 米／秒。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補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算法的方法來加以校正?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示 為： )/( smTTc ???? 聲 速 確 定 后 ， 只 要 測 得 超 聲 波 往 返 的 時 間 ， 即 可 求 得 距 離 ：l=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進行角度補償） 3． 1 超聲波測距系統(tǒng)電路總體設(shè)計方案 本系統(tǒng)硬件部分由 AT89S52 控制器、超聲波發(fā)射電路及接 收電路、溫度測量電路、聲音報警電路和 LCD 顯示電路組成。 超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 5 系統(tǒng)設(shè)計總框圖 由單片機 AT89S52 編程產(chǎn)生 10us以上的高電平 ，由指定引腳輸出， 就可以在 指定 接收口等待高電平輸出。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭 接收到信號，通過接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取 6 單片機中定時器的值。 由時序圖可以看出，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，當收到回波后，產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。 圖 6 時序圖 超聲波發(fā)射和接收電路的設(shè)計 分立元件構(gòu)成的發(fā)射和接收電路容易受 到外界的干擾，體積和功耗也比較大。 3． 2． 1 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩部分，可采用軟件發(fā)生法和硬件方法產(chǎn)生超聲波。單片機輸出的方波經(jīng)過反相器接到發(fā)射器 T1 的兩極，用圖中的推挽形式將方波信號加到發(fā)射器 T1 兩端，可以提高發(fā)射器 T1 的發(fā)射強度。 74HC04 是一個高速 CMOS 六反相器，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時間，而相對于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。 超聲波接收電路 圖 8 是由 CX20xx6 構(gòu)成的接收電路，在實物的制作過程中，我們將用CX20xx6A 這一型號代替。CX20xx6A 采用單列 8腳直插式，超小型封裝， +5V 供電。 圖 8 CX20xx6 構(gòu)成的接收電路 綜合以上的分析，在由集成電路構(gòu)成的接收和發(fā)射電路中， 發(fā)射電路我們選用由反相器構(gòu)成的電路，接收電路采用由紅外接收檢波芯片 CX20xx6A 構(gòu)成，主要是考慮到系統(tǒng)的調(diào)試簡單，成本低以及可靠性好。 在系統(tǒng)上電的瞬間， RST 與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升， RST電位下降，于是在 RST 形成一個正脈沖。當人按下按鈕 SW1 時，使電容 C1 通過 R1 迅速放電，待 SW1 彈起后， C1再次充電，實 現(xiàn)手動復(fù)位。 圖 10 時鐘電路 按鍵電路 我們通過 來啟動測量，程序中通過查詢 的電平來檢測是否按鍵被按下，在軟件中通過軟件延時來消除按鍵的機械抖動。蜂鳴器是一塊壓電晶片，在其兩端加上 35V 的直流電壓，就能 產(chǎn)生 3KHz 的蜂鳴聲，電路如圖 12。 圖 12 蜂鳴器電路 溫度測量電路 由于超聲波的傳播速度 c會受溫度、濕度、壓強等的影響，其中溫度的影響尤為嚴重。 10 圖 13 溫度檢測電路 本系統(tǒng)采用 DALLAS 公司的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器進行溫度測量，它所測量的溫度值用 9位二進制數(shù)