【正文】 ...33 致謝 .............................................................................................................................34 附錄一 電路圖 .........................................................................................................35 附 錄二 程序 .............................................................................................................36 第一章 引言 1 第一章 引 言 選題背景 隨著科技發(fā)展的不斷進(jìn)步，自動測量 技術(shù)不斷更新，非接觸式測量技術(shù)也有了長足的發(fā)展。 該系統(tǒng) 設(shè)計 主要 由 主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊 設(shè)計 、超聲波接收模塊、 報警模塊 和顯示模塊等 五 個模塊構(gòu)成 。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進(jìn)行了介紹，并闡述了它們的工作原理。 論文概述了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。 中 文摘要 I 摘 要 論文的內(nèi)容是基于 AT89C51 單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和 AT89C51 單片機(jī)結(jié)合于一體。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點。通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計方案比較，得出了最佳設(shè)計方案，并對系統(tǒng)各個設(shè)計單元的原理進(jìn)行了介紹。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu) ，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。 這套系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級 ， 可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)檢查、日常生活、無人駕駛汽車、自動作業(yè)現(xiàn)場的自動引導(dǎo)小車、機(jī)器人、液位計等 。在很多工控場合，測量的物體是不能夠直接接觸到的，或者是測量物體不宜直接接觸 , 這個時候就要用到非接觸式的測量儀器。 而在超聲波測量領(lǐng)域，尤其 是在測距領(lǐng)域，結(jié)合各種其他技術(shù)的應(yīng)用，超聲波測量變得十分普及。 超聲波對色彩、光照度、外界光線和電磁場不敏感 ， 因此超聲測距對于被測物處于黑暗、有灰塵或煙霧、強(qiáng)電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力 ， 在液位測量、機(jī)器人避障和定位、倒車?yán)走_(dá)、物體識別等方面有著廣泛的運(yùn)用。 (2) 相對于光學(xué)方法，超聲波的波速小，可以直接測量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；對色彩、光照度、電磁場不敏感， 被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。 (3) 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。盡管測距有多種方式 ， 比如 ： 激光測距 、 微波測距 、 紅外線測距和超聲波測距等。雖然超聲波測距電路多種多樣 ，可是 有的電路復(fù)雜 、 技術(shù)難度大 ， 有的調(diào)試?yán)щy ， 有的元件不易購買 ，這就在一些方面限制了超聲波測距系統(tǒng)的應(yīng)用 。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，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，如測距儀和物位測量儀等都 可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波智能測距儀具有廣泛的實際用途，超聲波測距儀廣泛應(yīng)用于生活、軍事等各個領(lǐng)域，如施工建筑單位對空間距離的測量、汽車倒車防撞系統(tǒng)、潛水艇的超聲波探測定位系統(tǒng)。目前對超聲波高精度測距系統(tǒng)的需求越來越大。 近年來國內(nèi)外 發(fā)展?fàn)顩r 超聲波測距系統(tǒng)在國外的發(fā)展 一般認(rèn)為 ，關(guān)于超聲波的研究最初起始于 1876 年 的氣哨實驗，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲波的研究逐漸受到重視。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并進(jìn)行水下通信。相隔 2 第一章 引言 3 年， 1931 年 Mulhauser 獲準(zhǔn)一項關(guān)于超聲檢測方法的德國專利，不過他并未做更多的工作。德國人Bergrnann 在他的論著《 ULTRASONIC》中，詳細(xì)的論述了有關(guān)超聲波的大量早期資料，該論著一直被認(rèn)為是該領(lǐng)域的經(jīng)典之作。在各種系統(tǒng)中，這是最成功的一種，因為它有最廣泛的通用性，其檢測結(jié)果也最容易解釋。目前，在超聲無損檢測中，脈沖回波系統(tǒng)仍是使用最為廣泛的一種。由于其信號的高頻特性，超聲測距早期僅使用模擬量信號的分析，大部 分檢測設(shè)備僅有 A 掃描形式，需要通過有經(jīng)驗的人員對信號進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結(jié)果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動化檢測。目前國內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波測距設(shè)備，并已成為超聲波檢測的發(fā)展方向。該方法在測距中通過兩次探測求取回波包絡(luò)曲線來得到回波的起點，通過這樣處理后超聲波傳播時間的精度得到了很大的提高。這些處理方法都取得了較好的效果。國內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲測距 儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。超聲 儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)。 第二章 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 5 第二章 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 超聲波簡介 與應(yīng)用 聲波是物體機(jī)械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機(jī)械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好 的束射性和方向性 。 超聲效應(yīng)已廣泛用于實際，主要有如下幾方面： 1 超聲檢驗。超聲 測量 是利用超聲波 直線傳播的特性，從發(fā)射器 發(fā) 出 超聲波 ，超聲波遇到障礙物是會反射回來，進(jìn)而由接收器 接收測量出相應(yīng)的距離。 2 超聲處理。 3 基礎(chǔ)研究。通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。但對頻率在 1012 赫以上的特超聲波，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點陣結(jié)構(gòu)。特超聲對固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。 系統(tǒng)的設(shè)計思路 超聲波測距系統(tǒng) 包括超聲波的發(fā)射與接收系統(tǒng)、報警系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)。當(dāng)超聲波遇到障礙物時會反射回來，由接收電路接收。所得到的結(jié)果會通過 LED 數(shù)碼管顯示出來。在此過程中，如果發(fā)射裝置與障礙物之間有相對運(yùn)動，那么 LED 數(shù)碼管會不斷地顯示兩者之間最新的 距離。如果兩者的距離超出一定的范圍（本次設(shè)計是四米），就不再會進(jìn)行報警。 本系統(tǒng)的設(shè)計主要分為系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計和系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計兩部超聲波接收 單片機(jī) 控制器 LED 顯示 掃描驅(qū)動 報警裝置 超聲波發(fā)射 第二章 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 7 分。單片機(jī)為系統(tǒng)主控芯片， 超聲波傳感器作為測量器件，通過 單片機(jī)進(jìn)行程序處理，最后通過 顯示模塊 顯示出測量的距離值并進(jìn)行報警。整個系統(tǒng) 由主程序、系統(tǒng)初始化子程序、超聲波發(fā)射程序、超聲波結(jié)束程序、顯示程序、報警程序等模塊組成，如圖 22 所示 。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 v，根據(jù)計時器記錄的時間 t，發(fā)射點距障礙物的距離 H，如圖 23所示 ： 第二章 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理 8 圖 23 超聲波測距原理 圖 23中被測距離為 H， 兩探頭中心距離的一半用 M表示 ， 超聲波單程所走過的 距離用 L表示 ， 由圖中關(guān)系可得 : H= Lcosθ (1) θ =arctan( M/H ) (2) 將式 ( 2) 代入式 ( 1) 得 : H =L cos[arctan(M/H ) ] (3) 在整個傳播過程中 ， 超聲波所走過的距離為 : 2L = vt (4) 上 式中 : v 為超聲波的傳播速度 ； t為傳播時間 ， 即為超聲波從發(fā)射到 接收的時間。 首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。對一個系統(tǒng)來說，硬件電路是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)平臺。 系統(tǒng)硬件電路部分由 AT89C51 單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、語音報警模塊、時鐘模塊、復(fù)位模塊組成。若此距離小于一定的數(shù)值（此次 設(shè)計是四米），則進(jìn)行報警。目前各半導(dǎo)體公司、電氣商都向市場上推出了形形色色的單片機(jī)，并提供了良好的開發(fā)環(huán)境。例如指令執(zhí)行速度 、 程序存儲器容量 、 I/O 引腳數(shù)量等。對于程序存儲器來說， Flash 存儲器和 OTP（一次性可編程）存儲器相比較，最好是 Flash 存儲器。如 DIP（雙列直插）封裝， PLCC（ PLCC 有對應(yīng)插座）封裝及表面貼附等。比如設(shè)計并口加密狗時，信號線取電只能提供幾 mA 的電流，選用 AT 單片機(jī)就是因為它能滿足低功耗的要求。 芯片保密性能好、單片機(jī)的抗干擾性能好。 AT89系列單片機(jī)高速 (最高時鐘頻率 90MHz)，低功耗，不占用戶資源。 與其 他的單片機(jī)相比， AT89C51 有其獨特的特點。其次 內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16位可編程定時計數(shù)器 ， 2 個全雙工串行通信口。其將通用的微處理器和 Flash 存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。具體步驟如下： (1) 根據(jù)實際電路的要求，選 擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義其相應(yīng)的寄存器； (2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； (3) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 11 圖 31 AT89C51 的引腳圖 圖 32 AT89C51 單片機(jī)芯片外觀圖 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計要求，各接口功能如下： : 產(chǎn)生輸出一個 40KHZ 的脈沖信號。 : 產(chǎn)生輸出一個 40KHZ 的脈沖信號。 INT1: 產(chǎn)生中斷請求，接前方測距電路。 : 接 ICA3 輸入端，用于中斷優(yōu)先級的判斷。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 用于顯示輸出，接顯示器。 : 接報警電路 。 XTAL1：接外部晶 振的一個引腳。它采用外部振蕩器時， 引腳應(yīng)接地。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時鐘發(fā)生器輸入端。 RST： AT89C51 的復(fù)位信號輸入 引腳，高電位工作，當(dāng)要對芯片要復(fù)位 時，只要將此引腳電位提升到高電位，并持續(xù)兩個機(jī)器周期以上的時間， AT89C51 便能完成系統(tǒng)復(fù)位的各項工作，使得內(nèi)部特殊功能寄存器的內(nèi)容均被設(shè)成已知狀態(tài) 。這種方法的特 點是 無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。這種方法的特 點是 充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電流為 100mA 以上的驅(qū)動電路。 發(fā)射電路主要由反向器 74ls04 和超聲波發(fā)生器 T構(gòu)成，單片機(jī) 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發(fā)生器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器送到超聲波的另一個電極。 電路設(shè)計如圖 33所示。 下 表 31 是 其工作 范圍 的分布 情況，圖 34 為 引腳圖介紹。C IOH 最大輸出電流 8 mA IOL 最小輸出電流 mA 圖 34 74LS04 引腳圖 超聲波測距接收電路方案的選擇與設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng)接收電路 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)接收探頭變換后的正弦波電信 號非常弱，因此必須經(jīng)放大電路放大。常用的波形變換的方法有三種 ： 方案一：采用集成鎖相環(huán) NE567 對放大后的信號進(jìn)行頻率監(jiān)視和控制。這種方法的特 點是 電路簡單，但鎖相環(huán)接收的頻帶較窄，不易鎖相。因此它可以用來作為超聲波檢測接收電路。 方案三：采用集成運(yùn)放芯片（ LM324）作為比較器對放大后的信號進(jìn)行波形變換。這種方法的特 點是 電路簡單，但選擇比較電壓非常關(guān)鍵。 超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致 ，本設(shè)計采用 TCT40－ 16T/R，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。正弦波信號不能直接被單片機(jī)接收，必須進(jìn)行波形變換。 接收電路的設(shè)計采用 CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。 下面對紅外遙控接收器集成電路 CX20216A 做一個簡要的介紹。 CX20216A 的基本性能如下