【正文】 .............. 19 參考文獻 .... .......................................................... 20 附 錄 ................................................................. 21 附錄 A 主要原理圖 ................................................... 21 附錄 B 產(chǎn)品及市場成品圖 ............................................. 21 附錄 C C語言程序 .................................................... 22 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 1 頁 共 27 頁 超聲波身高測量儀 摘 要 :論文首先介紹了超聲波測 身高 的基本原理，隨后對幾種可性的方案進行了方案論證，確定最后的設(shè)計方案，并對整個的設(shè)計方案作了詳細(xì)的介紹。軟件設(shè)計 由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。使用在空氣中效率較高的中心頻率為 40KHz 的超聲波探頭來完成發(fā)射與接收功能，用四位數(shù)字顯示以達到 1cm的分辨率和 13m的測量范圍。 d為被測物與測發(fā)生器的距離， s 為聲波的來回路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時間。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。相比于其他技術(shù)，超聲波定位技術(shù)體積小、成本高，制作也簡易。 人體身高距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù)，測距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。 其用途極度廣泛，例如 :測繪地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開挖礦山、油井等。 單片機一般由中央處理器 CUP、存儲器和輸入輸出 I/O 組成。 展望未來，超聲波測身高作為一種新型的非常重要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。 下面介紹本次設(shè)計的具體實現(xiàn)方法。下面做本次設(shè)計方案的詳細(xì)介紹。 設(shè)計要求 設(shè)計一個超聲波測身高的作品，以空氣中超 聲波傳播速度為確定條件，利用超聲波的發(fā)射與反射時間差來測量待測的身高距離。測量范圍不低于 1～ 3 米，測量精度為 1cm，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果，測量結(jié)果以每 1cm 往上遞增，當(dāng)高位為“ 0”時，則不顯示，以達到省電的目的，當(dāng)測量距離低于最小距離時，則顯示最小距離“ 30” cm。 設(shè)計思路 超聲波是指頻率高于 20KHz的機械波。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)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換， 發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號 。 超聲波的接收與處理 接收頭采用與發(fā)射頭配對的 UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枺?jīng)運算放大器 IC1A 和 IC1B 兩極放大后加至 IC2。 集成塊 LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率 f0=1/，電容 C4 決定其鎖定帶寬 。 167。被接收器所接收到。公式如下： d=s/2=（ c*t） /2 。 167。聲波發(fā)射和接收采用 Φ15 的超聲波換能器 TCT4010F1（ T發(fā)射）和 TCT4010S1（ R接收），中心頻率為 40kHz，安裝 時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm 。 在軟件方面 根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 1m～ 3m，測距儀最大誤差不超過 1cm。 同時可以 修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。對集成電路有很大的要求，對元器件方面 五特別的要求。 167。 比如本次身高的測量。 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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。 利用超聲波檢測 身高 ，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求 。 根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，可以采用 AT89C52單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED數(shù)字顯 示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器完成 。 設(shè)計原理 該原理是主要利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知。 由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。 單片機發(fā)出信號，經(jīng)過放大輸出，經(jīng)過鎖相環(huán)檢波處理，氣動單片機的中斷程序，測得時間 t，同時都系統(tǒng)軟件進行分析、辨別、計算 ,得出數(shù)據(jù)，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED顯示結(jié)果。 單片機通過 引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當(dāng) INT0 引 腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。 設(shè)其往返時間為 t，速度為 v，則得距離為 s=vt/2 。 167。 為此設(shè)計了超聲波測身高原理框圖如下（圖 ） : 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 7 頁 共 27 頁 圖 超聲波發(fā)射器 放大電路 放大電路 單片機控制 LED 顯示 掃描驅(qū)動 鎖相環(huán)檢波 超聲波接收器 定時器 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 8 頁 共 27 頁 第三章 傳感器和電源的比較與選擇 167。 下面方案選擇具體介紹。 T/R4010傳感器設(shè)計電路 電路主要由以下電路構(gòu)成：超聲波傳感器 T/R40超聲波發(fā)射與接收構(gòu)成的收發(fā)電路；中央控制處理器 AT89C52組成的主機電路；輸出顯示電路等。 該電路主要用電磁式輸出與輸入振蕩電路，所輸入的信號經(jīng)過放大，直接發(fā)送到單片機 AT89C52單片機進行處理，通過編程可以進行自動控制。因此體積小。 167。控制距離可用 5千歐的電位器來調(diào)節(jié)。芯片內(nèi)包括：脈沖調(diào)制 C類振蕩器，高增益接收器，脈沖調(diào)制檢測器及噪音抑制器。 采用 LM1812的特點有： （ 1）檢測器輸出可驅(qū)動 1A的峰值電流 （ 2）器件內(nèi)部有保護電路 （ 3）在電路中使用時不用外接晶體管驅(qū)動 （ 4）使用時不用外接散熱器 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 9 頁 共 27 頁 （ 5）器件具有互換性 （ 6）可以使用一個發(fā)送 /接收換能器工作，也可使用兩個換能器分別發(fā)送和接收超聲波 （ 7）發(fā)送功率可達 12W（峰值） 所以此方案響應(yīng)速度慢，抗干擾能力相對較弱，外圍電路相對較復(fù)雜。無論是在性能、特點、還是電路材料上，或者是在原理圖上、設(shè)計上等都具有簡單、使用性強等特點。 3． 2 電源電路設(shè)計的方案選擇 電源系統(tǒng)通常由電源變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路等構(gòu)成。 電源變壓器將電網(wǎng)提供的交流電壓變換到電子線路所需的交流電壓范圍，同時還可起到直流電源與電網(wǎng)的隔離作用，可升壓也可降壓。 下面方案選擇具 體介紹。 ： 在圖 中，穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓值為 ，即當(dāng) D1 陰極加電壓超過 時，二極管陰極電壓就會保持 不變。此時即使輸入電壓在一定的范圍增加，輸出端都會保持穩(wěn)定電壓。 電路如圖 ，該電路是用硅穩(wěn)壓二極管的反向擊 穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓的。 R1 270D1++Vi Vo 圖 二極管穩(wěn)壓電路 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 10 頁 共 27 頁 167。它具有體積小、可靠性高、使用簡單安全等特點。 7805 是固定式三端集成穩(wěn)壓器，其輸出為 +5v。溫度范圍為 0176。C 。 三端固定式集成穩(wěn)壓器有正穩(wěn)壓器 78XXX系列和負(fù)穩(wěn)壓器 79XXX 系列。 78系列與 79系列的輸出引腳號不同，在使用時應(yīng)特別注意。F、 1000181。F以上，以取得良好的濾波效果， C C3在印制板上要盡可能靠近集成穩(wěn)壓器的輸入輸出端以消除可能產(chǎn)生的高頻自激 振 蕩 。 1234D1C122 0 uC2vi n vo u tgndL M 78 05C310 0 uC4V C C22 0 V 8V 圖 7805穩(wěn)壓 電源電路 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 11 頁 共 27 頁 第四章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 167。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的 4位共陽 LED數(shù) 碼管，段碼用 74LS245驅(qū)動，位碼用 PNP三極管驅(qū)動。 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。 壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。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，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器 。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接 收 轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。上 位電阻 R1 R20 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。 超聲波檢測接 收 電路 考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近，可以利用集成電路 CX20226A 制作超聲波檢測接收電路如圖 ?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率 40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路。適當(dāng)更改電容 C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾力。 共陰極七段 LED 數(shù)碼管 數(shù)碼管是常用的數(shù)值數(shù)據(jù)顯示組件，通常實現(xiàn)一位數(shù)碼管顯示的控制，是使用靜態(tài)的控制方式，將顯示的數(shù)據(jù)送到數(shù)碼管后程序可做其他事情，這在程序設(shè)計上十分容易。 當(dāng)工作時，每次只點亮一位數(shù)字進行顯示，延遲 一小段時間后再點亮下一位數(shù)字進行顯示，因為人們視覺暫留的現(xiàn)象，而感覺 4位數(shù)字同時被點亮。 167。主程序完成初始化工作、超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 圖 開始 超聲波脈沖發(fā)射 接收超聲波脈 沖 初始化 計數(shù)并儲存數(shù)據(jù) 關(guān)閉定時器 中斷關(guān)閉 讀取時間值 設(shè)置距離結(jié)束標(biāo)志 輸出數(shù)據(jù) 中斷打開 返回 數(shù)碼管顯示 聲波接收到？ N Y 開始測量 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 16 頁 共 27 頁 167。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 (這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因 )后，才打開外中斷 0接收返回的超聲波信號。 測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式 顯示 ,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。 超聲波發(fā) 射 子程序和接收中斷程序 設(shè)計 超聲波發(fā) 射 子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個左右的超聲波信號頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為 12us左右，同時把計數(shù)器 T0打開進行計時。進入該中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。 167。//顯示標(biāo)識 unsigned char convert[10]= {0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f}。 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 17 頁 共 27 頁 bit cl。 void delay(j)。 //顯示函數(shù) void timeToBuffer()。 void k1cl()。 void k3cl()。 void offmsd()。 超聲波接收中斷程序 void main() //主函數(shù) { EA=1。 //設(shè)定時器 0 為計數(shù)，設(shè)定時器 1 定時 ET0=1。 //定時器 1 中斷允許 TH0=0x00。 TH1=0x9E。 csbds=0。 csbout=1。 opto=0xff。 sj1=45。 sj3=400。 鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 2022屆自考本科生畢業(yè)論文（設(shè)計） 第 18 頁 共 27 頁 TR1=1。 if(jpjs1) { csbcj()。 buffer[1]=0x76。 } else if(ssj1) { buffer[2]=0x40。 buffer[0]=0x40。 } else timeToBuffer()。 scanLED()。 bg=1。 硬件部分調(diào)試與分析 超聲波發(fā)射和接收采用 Φ15 的超聲波換能器 T