【正文】 ............................................................ 17 超聲波報(bào)警電路設(shè)計(jì) ............................................................................... 18 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 電源電路 ..................................................................................................... 19 晶振電路 ..................................................................................................... 20 本章小結(jié) ..................................................................................................... 21 4 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) ............................................................................................... 22 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) ..................................................................... 22 主程序流程圖 ............................................................................................ 23 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 ...................................... 24 系統(tǒng)軟硬件調(diào)試 ........................................................................................ 26 本章小結(jié) ..................................................................................................... 27 結(jié) 論 ................................................................................................................... 28 參 考 文 獻(xiàn) ........................................................................................................... 29 附錄 A 程序清單 .................................................................................................. 30 附錄 B 硬件原理圖 .............................................................................................. 30 附錄 C 超聲波測(cè)距 PCB版封裝圖 ............................................................... 31 致 謝 .................................................................................................................. 32 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 引 言 隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，各種各樣的水力工程紛紛開工上馬。在各種大小水庫(kù)中，都有用于監(jiān)測(cè)庫(kù)容水面的儀器，各種測(cè)量方式中，以超聲波測(cè)距方法最為便捷，它有實(shí)時(shí)，精確，可全天候工作的優(yōu)點(diǎn)。而這正是本設(shè)計(jì)的主要意義和應(yīng)用領(lǐng)域。它能使水庫(kù)水位測(cè)距變得 更加方便快捷，測(cè)得的水位信號(hào)更加便于處理與傳送，可以滿足實(shí)時(shí)，無人和全天候的工作需求。 水庫(kù)水位測(cè)距 系統(tǒng)采用超聲波測(cè)距原理。工作時(shí)，超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波脈沖，超聲波接收器接收遇到障礙物反射回來的反射波，準(zhǔn)確測(cè)量超聲波從發(fā)射到遇到障礙物反射返回的時(shí)間，根據(jù)超聲波的傳播速度，可以計(jì)算出障礙物距離。 系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、 實(shí)時(shí) LCD 顯示和報(bào)警、抗干擾性能好等優(yōu)點(diǎn)?？梢愿鶕?jù)具體場(chǎng)合 ， 選擇合適功率的探頭 ， 以及調(diào)整程序中脈沖的頻率、寬度和個(gè)數(shù)等提高精度或測(cè)量距離 ， 擴(kuò)大系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此 ，這是一個(gè)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。因此，超聲波方法作為非接觸檢測(cè)和識(shí)別的手段，已越來越引起人們的重視。而我國(guó)的水力資源又比較豐富，更多的城市周邊開始興建各種水庫(kù)，用于城市居民的生活用水，工業(yè)設(shè)施用水和農(nóng)業(yè)水力灌溉。 而水位監(jiān)控又是水力設(shè)施的重要組成部分，因此，設(shè)計(jì)好的、精確的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要。 超聲波測(cè)距國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)上，在超聲波測(cè)距方面的研究方向的不同和研究水平的高低，主要體現(xiàn)在對(duì)測(cè)距原理，超聲信號(hào)處理方法和超聲波測(cè)距處理器的選用上。信號(hào)的處理方法大致分為：閾值檢驗(yàn)法，互相關(guān)時(shí)延估計(jì)法，偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測(cè)距法和最小均方法四種。而采用運(yùn)算速度更快， 效率更高的 dsp 芯北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 片作為處理器，也正成為一個(gè)非?；钴S的研究方向。如采用互相關(guān)或偽隨機(jī)法，最高可控制在 內(nèi)。 本課題研究?jī)?nèi)容和意義 由于本超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是作為水庫(kù)水位測(cè)距系統(tǒng)的一部分。在自動(dòng)化程度需求較高的今天，必將得到更加廣闊的應(yīng)用。超聲波測(cè)距系統(tǒng)代替了原始人工的低效測(cè)量，在水庫(kù)水位監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到了廣泛的的應(yīng)用。 本章小結(jié) 本章具體論述了課題的選題內(nèi)容和意義，以及選題的現(xiàn)階段的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 2 超聲波測(cè)距技術(shù)的綜述 超聲波及超聲波傳感器的簡(jiǎn)介 超聲概述 聲波是物體機(jī)械振動(dòng)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(dòng)，這種振動(dòng)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(diǎn)都是一種機(jī)械振動(dòng)，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會(huì)傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點(diǎn)是超聲波頻率高，波長(zhǎng)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。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。功率特性 ──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。 超聲波傳感器的簡(jiǎn)介 超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。 超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。若在 圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。若外部施加的極性變反，如圖 c 所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動(dòng)板 )接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。傳感器的標(biāo)稱頻率為 40kHz，這是壓電元件北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧 振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。 圖 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。 北華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 傳感器的方向性 超聲波測(cè) 距的原理與系統(tǒng)論述 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波， 從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t，然后求出距離 2ctS? () 式 ()中的 c 為超聲波在空氣中傳播的速度。接收換能器 對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測(cè)距離 。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速 c與溫度有關(guān)，表 。 單片機(jī) AT89S52 發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，檢波電路對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)，但在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。 GND：接地。當(dāng) P1口的管腳第一次寫 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P3 口 ： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。 RST：復(fù)位輸入。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在平時(shí)， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE 脈沖。此時(shí)， ALE 只有在執(zhí)行MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。在由外部程序