【正文】 一類是用機械方式產(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。根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89C52單片機作為控制器，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。超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計如圖25所示。3超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 在整個超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計中占有很重要的位置的是超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計。其中選擇合適的器件和合理的電路布局將對系統(tǒng)有很大的影響，并且硬件系統(tǒng)的性能是整個測距系統(tǒng)可靠性的最根本保證。這樣可以保證電路設(shè)計模塊的正確性，為系統(tǒng)的標準化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 (3)在芯片選擇和線路板排布時候盡量考慮系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性能。單片機采用AT89C52或其兼容系列。利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。 AT89C52單片機的介紹AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。 主要功能特性①兼容MCS51指令系統(tǒng) 　?、?k可反復擦寫(大于1000次）Flash ROM； 　?、?2個雙向I/O口； 　?、?56x8bit內(nèi)部RAM； 　?、?個16位可編程定時/計數(shù)器中斷； 　?、迺r鐘頻率024MHz； 　?、?個串行中斷，可編程UART串行通道； 　?、?個外部中斷源，共8個中斷源； 　?、?個讀寫中斷口線，3級加密位； 　?、獾凸目臻e和掉電模式，軟設(shè)置睡眠和喚醒功能；有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等幾種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 圖31 AT89C52的引腳圖216。非所有的地址都被定義，從80H—FFH 共128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。不應(yīng)將數(shù)據(jù)寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元數(shù)值總是“0”。 數(shù)據(jù)查詢　　AT89C52 單片機用Data Palling 表示一個寫周期結(jié)束為特征，在一個寫周期中，如需讀取最后寫入的一個字節(jié)，則讀出的數(shù)據(jù)的最高位（）是原來寫入字節(jié)最高位的反碼。 　　Ready/Busy：字節(jié)編程的進度可通過“RDY/BSY 輸出信號監(jiān)測，編程期間，ALE 變?yōu)楦唠娖健癏”后，（RDY/BSY）端電平被拉低，表示正在編程狀態(tài)（忙狀態(tài)）。 　　 216。這些管腳構(gòu)成了三總線形式，即：（1）地址總線（AB）：地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲器直接地址外圍為64K字節(jié)。（2）數(shù)據(jù)總線（DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由P0口提供。圖32 為的AT89C52結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)采用12MHz高精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，并減小測量誤差。顯示電路采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼用74LS244驅(qū)動，位碼用PNP三極管9012驅(qū)動。圖33單片機系統(tǒng)及顯示電路 超聲波檢測接收電路 超聲波接收器包括超聲波接收探頭、信號放大電路及波形變換電路三部分。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波信號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。按照上面所討論的原理，單片機需要的只是第一個回波的時刻。 超聲波在空氣中傳播時，其能量的衰減與距離成正比，即距離越近信號越強，距離越遠信號越弱，通常在1mV~1V范圍內(nèi)。由于輸入信號的范圍較大，對放大電路的增益提出了二個要求：一是放大增益要大，以適應(yīng)小信號時時的需要；二是放大增益要能變化，適應(yīng)信號變化范圍大的需要。為減少負電源的使用，放大電路采用單電源供電，信號放大和變換采用了一片LM324通用運算放大器，前三級為放大器設(shè)計，后一級為比較器設(shè)計，LM324既可以雙電源供電，也可以單電源供電，因此滿足使用要求。對于交流信號而言，電容為短路，因此前三級放大電路的增益均為10。合理調(diào)節(jié)電位器R17,選擇比較基準電壓，可使測量更加準確和穩(wěn)定。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，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。上位電阻R1O、R11一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。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標志。根據(jù)印制電路板電流的大小，應(yīng)盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。 (2)地線設(shè)計。如果印制電路板上既有邏輯電路又有線性電路，應(yīng)使它們盡量分開。 若接地線用很細的線條，則接地電位隨著電流的變化而變化，降低抗噪性能。 (3)大面積敷銅。兩外還可以減少地線阻抗，并且屏蔽電路板的信號交叉干擾以提高電路系統(tǒng)的抗干擾能力。系統(tǒng)的主要功能是距離測量，軟件的設(shè)計目標是在硬件的基礎(chǔ)上，能實現(xiàn)所設(shè)計的各種功能，而且系統(tǒng)的穩(wěn)定性好，實時性高，測量精度高。 超聲波測距器的的算法設(shè)計 圖36展現(xiàn)了超聲波測距的原理，也就是說超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出了一個超聲波信號，當這個超聲波遇到障礙物后就會反射回來，然后被超聲波接收器R接收到。該距離的計算公式如下： d=s/2(vt)/2 （31）其中：d為被測物與測距器的距離；s為聲波的來回路程；v為聲速；t為聲波往返所用的時間。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386 系統(tǒng)的主程序 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)， ms（這也就是超聲波測距儀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。 d=(vt)/2 =(172T0/10000)cm （32） 其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。開始系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波計算距離圖37主程序流程圖 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。 定時器初始化發(fā)射超聲波開計時器返回停止發(fā)射 關(guān)定時器關(guān)中斷讀取時間值返回 圖38超聲波發(fā)射程序 圖39超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序的代碼為：*************************中斷程序**************************。啟動計數(shù)器T0，用于計算超聲波來回時間 SETB TR1 。T1中斷，發(fā)超聲波用INT1: CPL VOUT DJNZ RETIOUT CLR TR1 。開啟接收回波中斷RETIOUT: RETI。關(guān)計數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H, TL0 。接收成功標志 RETI 系統(tǒng)的軟調(diào)試及性能分析 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(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，其余元件無特殊要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(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，其余元件無特殊要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 4誤差分析 超聲波回波聲強的影響 回波的聲強與障礙物距離的遠近有直接關(guān)系, 實際測量時, 不一定是第一個回波的過零點觸發(fā), 其原理如圖41 所示。另一方面將求距離公式后加一個補償系數(shù)來補償計時誤差,(a 與距離、脈沖個數(shù)相關(guān)) 。時, 系統(tǒng)測量到的距離是障礙物與換能器之間的距離而不是和量參考平面之間的距離, 這就會造成測量誤差, 如圖42所示?？梢杂枚鄠€換能器同時測量, 利用幾何關(guān)系來計算得出實際距離, 消除這種誤差。對于在大氣中傳播的聲波而言, 引起聲速變化的主要原因是溫度的變化。在對距離的精確度要求不高的應(yīng)用中可以不進行溫度補償, 選擇室溫20℃左右時的聲速340m/s作為固定參數(shù), 當溫度在 10～ 40 ℃之間變化時聲速誤差在177。如果在室外測量, 對于季節(jié)溫差大的地區(qū), 還可以采用預置該地區(qū)12 個月的統(tǒng)計溫度, 用以對溫度進行補償, 既可提高精度, 又不增加成本。在實際應(yīng)用中可以根據(jù)系統(tǒng)測量精度要求, 采用合理的補償手段。特別是其具有高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。 論文詳細研究了超聲波測距原理,超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。此次設(shè)計采用反射波方式。通過實驗測試表明，~，滿足了設(shè)計要求。隨著發(fā)展，未來的設(shè)計可能會采用更好的測時方法來提高超聲波測距系統(tǒng)的精度，本系統(tǒng)采用的AT89C52單片機設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)有一定意義。鄧老師淵博的知識、深遠的學術(shù)前瞻性、嚴謹求實的治學作風、精益求精的工作態(tài)度、寬厚洞達的處世風格，都給我留下了終身難忘的印象。本論文工作是在鄧文娟老師的悉心指導下完成的。她豐富的專業(yè)知識和非常淵博的技能，學術(shù)洞察力的敏銳和治學態(tài)度的嚴謹，使我在半年里受益匪淺。在選題報告和方案設(shè)計階段，鄧文娟老師給了我一些關(guān)鍵性的指導和建議。鄧老師多次批改過本論文，有些章節(jié)從字到段、節(jié)、章，都是在鄧老師指點下修改完成的。鄧老師在百忙之中給了重要的指導和幫助，在此向鄧老師致以崇高的敬意并表示衷心的感謝! 感謝在攻讀學士學位期間幫助過我的所有老師和同學們 參考文獻[l] 「D].哈爾濱:哈爾濱工程大學，2007. 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