【正文】 節(jié) .................................................... 34 距離計算環(huán)節(jié) ...................................................... 36 顯示環(huán)節(jié) ......................................................... 36 主程序整合 ....................................................... 37 結(jié) 論 .......................................................................... 38 致 謝 .......................................................................... 39 參 考 文 獻(xiàn) .................................................................... 40 附 錄 .......................................................................... 41 附錄一 系統(tǒng)主電路接線圖 ..................................................... 41 附錄二 實物圖 .............................................................. 42 附錄三 系統(tǒng)主程序 .......................................................... 42 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 5 頁 共 45 頁 第一章 緒 論 超聲波 超聲波是頻率高于 20210 赫茲的聲波，它具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲 得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點。目前，超聲波技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)部門的超聲探測、超聲焊接、超聲 檢測和超聲醫(yī)療方面。利用超聲波測距迅速、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(dá)到工業(yè)實用的要求，因此得到廣泛應(yīng)用。安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 1 頁 共 45 頁 摘 要 單片微型計算機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制功能強(qiáng)、重量輕等優(yōu)點，在機(jī)械電子、航空航天、冶金采礦以及家用電器等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。超聲波指向性強(qiáng)，能量耗損緩慢，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。 超聲技術(shù)是一門各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)，它是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程完成的?；趩纹瑱C(jī)的超聲波測距系統(tǒng)易實現(xiàn)，成本低，精確度高，并且容易做到實時控制，具備較強(qiáng)的實用性，可實現(xiàn) — 10米的測量?？捎糜跍y距，測速，清洗，焊接，碎石，殺菌消毒。超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺上限而得名。譬如，鼓面受到擊打，他就會上下振動，這種振動 通過空氣媒介向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波和可 聞聲波在本質(zhì)上是一致的。 超聲波特點 (1) 超聲波在傳播過程中，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 (3) 超聲波與傳波媒介之間的相互作用適中，易于攜帶媒介狀態(tài)診斷信息，或 對媒介產(chǎn)生指定效果。 超聲波檢測簡介 超聲波測量在國防，航空航天，電力，石化，機(jī)械，材料等眾多領(lǐng)域有廣泛的運用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量，保障安全，還可以起到節(jié)約能源，降低成本的作 用。它作為一種特殊的聲波同樣具有一般聲波的物理特性 — 反射，折射，干涉，衍射，散射。主要用于倒車?yán)走_(dá)，施工現(xiàn)場以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位，井深，管道長度等場合。當(dāng)超聲波以脈沖形式在安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 6 頁 共 45 頁 介質(zhì)中傳播時，利用反射這一性質(zhì)，在多種介質(zhì)中均有廣泛的用途，例如在金屬，非金屬中用來探測缺陷的位置和性質(zhì)，從而對鋼板，鍛件，焊縫，混凝土，人造石墨等進(jìn)行探傷檢驗，在水中，根據(jù)反射波可 以探測潛水艇和魚群，測量海底深度以及探查海底底層等，在人體中則可以協(xié)助臨床診斷疾病，如腫瘤，結(jié)石等。利用超聲波的衰減特性，可以研究或測量材料的物理性質(zhì)。若將超聲波作為載波傳送某些信號，則可制成水中電話，水中遙測儀等，以進(jìn)行水中通行。除此之位，聲發(fā)射，聲成像技術(shù)的發(fā)展更大大豐富了超聲檢測的內(nèi)容。近幾十年來由于微機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代點擊技術(shù)，信號處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進(jìn)一步開闊了其使用范圍。正是因為 超聲波的這些特殊的屬性，使得它能夠在檢測方面得到廣泛的運用，并被廣大的社會使用者接受。如果把運算器與控制器封裝在一小塊芯片上，則該芯片稱作微處理器。如果在一塊芯片上，集成了一臺微型計算機(jī)的 4 個基本組成部分，則這種芯片就稱為單片 微型計算機(jī)（ singlechip microputer） ,簡稱單片機(jī)，以單片機(jī)為核心的硬件電路稱為單片機(jī)系統(tǒng)。 程序存儲器 ： 它采用 ROM，用來存放用戶程序，可分類為 EPROM, MaskROM, OTP ROM 和 Flash ROM 等。 并行輸入 \輸出端口 ： 并行輸入 \輸出端口通常為獨立的雙向 I\O 口，一 般既可以用作輸入方式，也可用作輸出方式，通過軟件編程來決定。 串行輸入 \輸出端口：用于單片機(jī)和串行設(shè)備或者其他單片機(jī)系統(tǒng)之間的 通信。 定時 \計數(shù)器 ： 用于單片機(jī)內(nèi)部精確定時或?qū)ν獠渴录M(jìn)行計數(shù)，有的單 片機(jī)內(nèi)部有多個定時 \計數(shù)器。系統(tǒng)時鐘 相當(dāng)于 PC 中的主頻。 單片機(jī)的特點和指標(biāo) 單片機(jī)除了具備體積小、價格低、性能強(qiáng)大、速度快、用途廣、靈活性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點外，它與通用微型計算機(jī)相比，在硬件結(jié)構(gòu)和指令方面還具有以下獨特之處。這樣的設(shè)計方案使單片機(jī)更適合用于實時控制（也稱為現(xiàn)場控制或過程控制）系統(tǒng)。實時控制僅需容量較小的 RAM，用于存放少量隨機(jī)數(shù)據(jù)，這樣有利于提高單片機(jī)系統(tǒng)的操作速度。 I/O 端口引腳具有分時復(fù)用功能 I/O 端口引腳通常設(shè)計有多種功能，以充分利用數(shù)量有限的芯片引腳。 品種規(guī)格的系列化 屬于一個產(chǎn)品系列、不同型號的單片機(jī)，通常具有相同的內(nèi)核，相同或者兼容的指令系統(tǒng)。 硬件功能具有廣泛的通用 性 單片機(jī)的硬件功能具有廣泛的通用性。換言之，給單片機(jī)固化上不同的軟件，便可形成用途不同的專用智能芯片。 存儲器 存儲器包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。 數(shù)據(jù)存儲器的字節(jié)數(shù)通常從幾十字節(jié)道幾百字節(jié)之間，程序存儲器的編程方式也是用戶選擇的一個重要因素，有的是串行編程，有的是并行編程，新一代的單片機(jī)有的還具有在系統(tǒng)編程（ InSystemProgrammable ） 或在應(yīng)用編程 (InApplication reProgrammable）功能，有的還有專用的 ISP 編程接口 JTAG口。 速度 速度是指 CPU 的處理速度，以每秒執(zhí) 行多少條指令來衡量，常用單位是 MIPS，目前最快的單片機(jī)可達(dá)到 100MIPS。 工作電壓 單片機(jī)的工作電壓通常都是 5V，范圍是177。 10%，也有 3V/ 電壓的產(chǎn)品，更低的可在 工作。 功耗 低功耗是現(xiàn)代單片機(jī)所追求的一個目標(biāo)，目前低功耗單片機(jī)的靜態(tài)電流可以低至微安或者納安級。 溫度 單片機(jī)根據(jù)工作溫度可分為民用級工業(yè)級和軍工級 3 種。 單片機(jī)的發(fā)展史 在 1970 年微型計算機(jī)研制成功之后，單片微型計算機(jī)就隨之出現(xiàn)了。 單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可 分為 3 個階段。 第二階段（ 19781982 年）：高性能的單片微型計算機(jī)階段，如 Intel 公司的MCS5 Motorola 公司的 6081 和 zilog 公司的 Z8 等系列。 第三階段（ 1982 年至今）： 8 位單片微型計算機(jī)改良型及 16 及 32 位單片微型計算機(jī)階段，如 Intel 公司的 16 位單片機(jī) MCS96 系列、 32 位單片機(jī) RAM 系列。 到目前為止，世界各地廠商研制出的大約 50 個系列、 300 多個各具特色的單片機(jī)產(chǎn)品。這些單片機(jī)和 51 單片機(jī)的指令完全兼容，資料和開發(fā)設(shè)備比較齊全，價格也比較便宜。 單片機(jī)的應(yīng)用 智能化產(chǎn)品 單片機(jī)與傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合，使傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單化，控制智能化， 構(gòu)成新一代的機(jī)電一體化產(chǎn)品。在電傳、打印機(jī)設(shè)計中，由于采用了單片機(jī)，可以節(jié)省近千個機(jī)械部件，用單片機(jī)控制空調(diào)機(jī)，使冷量無級調(diào)節(jié)的優(yōu)點得到了充分的 發(fā)揮，并增加了多種報警與控制功能，單片機(jī)還能實現(xiàn)通信系統(tǒng)中的臨時監(jiān)控、自適應(yīng)控制、頻率合成、信道搜索等功能，從而構(gòu)成自動撥號無線電話網(wǎng)、自動呼叫應(yīng)答設(shè)備和程控調(diào)度電話分機(jī)等。單片機(jī)智能儀表的這些特點不僅使傳統(tǒng)的儀器、儀表發(fā)生 根本的變革，也促進(jìn)了傳統(tǒng)儀器、儀表行業(yè)的技術(shù)改革。單片機(jī)最適合應(yīng)用于工業(yè)測控領(lǐng)域，可以構(gòu)成各種工業(yè)檢測與控制系統(tǒng)，如溫室氣候控制、電鍍生產(chǎn)線自動控制系統(tǒng)等。 智能化接口 在通用計算機(jī)的外部設(shè)備中，如鍵盤、打印機(jī)、繪圖儀、磁盤驅(qū)動器、 UPS、圖形終端和各種 智能終端等，都已實現(xiàn)了單片機(jī)控制和管理。這不僅大大提高了系統(tǒng)的運行速度，而且接口設(shè)備在單片機(jī)的控制下還可以對接口數(shù)據(jù)進(jìn)行安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 11 頁 共 45 頁 預(yù)處理，如數(shù)字濾波、線性化處理、誤差修正等，減小了主機(jī)和接口界面的通信密度，極大地提高了接口控制的管理水平。 由上所述，單片機(jī)無疑將是 21 世紀(jì)最為活躍的電子應(yīng)用技術(shù)之一。 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 12 頁 共 45 頁 第二章 超聲波測距系統(tǒng)的原理及 AT89C51 單片機(jī) 超聲波發(fā)生器及測距原理 超聲波發(fā)生器的可分幾大類，本節(jié)介紹壓電式發(fā)生器的原理和超聲波測距的原理。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。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。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上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，便產(chǎn)生超聲波。 圖 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波測距原理 在超聲探測電路中，在發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時間間隔，顯然被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個數(shù)與被測距離成正比。 (2)測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t。 安徽工業(yè)大學(xué) 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 第 13 頁 共 45 頁 本測量電路采用第二種方案。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。 如表 21所示： 表 21 溫度與聲速變化 方案的設(shè)計 我們做的是基 于單片機(jī)的超聲波測距儀。因為聲音的速度會隨著溫度的變化而改變，所以，我們增加了溫控裝置，即通過溫度傳感器（ 18B20），把當(dāng)前的溫度信息傳給單片機(jī)，再通過一定的算法，得到當(dāng)前的聲音速度。 由單片機(jī)產(chǎn)生一個信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，在由 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障 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時。原理框圖如下： 溫度（ o C） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（米 /秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 安徽工業(yè)大學(xué)