【正文】 圖 34超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子 有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。 超聲波發(fā)射端是將電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成 為超聲波接收器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波探頭將電信號轉(zhuǎn)換為機械波發(fā)射出去，而單片機所產(chǎn)生的 40kHz 的方波脈沖需要進行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動實際上就是一個信號的放大電路，本設(shè)計選用 74LS04 芯片進行信號放大 。超聲波發(fā)射電路如圖 35所示。超聲波接收電路主要是由集成電路 CX20216A 芯片電路構(gòu)成的， CX20216A 芯片電路可以對超聲波信號進行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢 波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會輸出一個低電平到單片機去請求中斷，當(dāng)即單片機停止計時，并開始去進行數(shù)據(jù)的處理。 CX20216A 芯片的 5 腳在外接電阻對它的帶通濾波器的頻率進行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場對芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。超聲波接收電路如圖 36 所示。 HCSR04型超聲波集成模塊的工作電壓為 5V，而且此模塊的靜態(tài)工作電流是小于 2mA 的，工作時候可以比較穩(wěn)定?？梢詼p少了很大部分可能存在的角度干擾問題。 HCSR04 超聲波集成模塊采用的是 I/O 觸發(fā)測距，給至少 10μ s的高電平信號。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 一個控制口發(fā)出一個 10μ s 以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。這樣不斷的循環(huán)周期測，就可以在不停地移動的過程中測量距離值了。 顯示模塊 本設(shè)計顯示部分采用字符型 1602 液晶顯示所測距離值。液晶顯示屏有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧、使用方便等諸多優(yōu)點，與數(shù)碼管相比，顯得更專業(yè)、美觀。 圖 37 1602液晶顯示屏電路圖 其中， 1602 第 4 腳 RS 為寄存器選擇，第 5 腳 RW 為讀寫信號線，第 6 腳 E為使能端。 單片機端的 P0口 接到 LCD1602的 D0～ D7,而 RS,RW,E 接線接到 ， ， 三個 I/O 口 。所以為了提高精度，本設(shè)計還引入了溫度采集使用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 進行溫度采集，其溫度測量范圍為 55℃～ +125℃，測溫分辨率可達 ℃。 DS18B20 溫度傳感器有以下特點： 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。 溫度傳感器電路圖如圖 38 所示。報警部分的連線，如圖 39所示。 電源模塊的原理圖如圖 310。 LM7805 是用來穩(wěn)壓的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。 圖 310 電源模塊電路圖 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 第 4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 超聲波測距的程序既有較復(fù)雜的計算，又要求精細(xì)計算程序運行時間，所以控制程序采用 C 語言編程。 主程序設(shè)計 主程序是對整個單片機系統(tǒng)進行初始化后，先將超聲波的回波接收標(biāo)志位置位并且使單片機 端口輸出一個低電平用來啟動超聲波發(fā)射電路，同時將定時器 T0 啟動，根據(jù) T0 得到記錄的時間。然后調(diào)用距離計算的子程序，再根據(jù)定時器 T0 記錄的時間和當(dāng)前環(huán)境溫度計算出所需要測量的距離，然后再調(diào)用顯示子程序，再將測出的距離和溫度通過液晶顯示屏顯示出來，同時調(diào)用聲音處理程序來控制蜂鳴器進行報警。 程序中對測距距離的計算方法是按 S=N(+ temp)/20210(cm)進行計算的，其中， N為計數(shù)器的值， temp 為當(dāng)前環(huán)境溫度，聲速的值取為 (+ temp)m/s。將系統(tǒng)各模塊進行初始化。判斷超聲波測距模塊是否接收到回波，如果沒有收 到回波則重新啟動系統(tǒng)。通過 DS18B20 采集溫度，將溫度進行轉(zhuǎn)換，并將所轉(zhuǎn)換的溫度進行顯示。將所測量的距離與當(dāng)前環(huán)境的溫度進行顯示。根據(jù)所測距離進行判斷是否需要報警。 系 統(tǒng) 初 始 化 子 程 序溫 度 采 集 子 程 序發(fā) 射 超 聲 波啟 動 T 0 開 始 計 數(shù)返 回 波 到 達 ？是 否 超 時 ？關(guān) 閉 T 0 ， 讀 取 計 數(shù) 值計 算 距 離顯 示 處 理 子 程 序判 斷 報 警 子 程 序開 始 圖 41 主程序流程圖 系統(tǒng)初始化 子程序設(shè)計 系統(tǒng)初始化子程序的流程圖如圖 42 所示。給 T0賦初值為 0，給 T1賦初值為 0x3C80，即 15536μ s，將標(biāo)志位復(fù)位之后，開啟總中斷之后返回主程序。所以必須對溢出中斷進行相應(yīng)的設(shè)置才能使得單片機正常工作。 定 時 器 T 1 賦 初 值2 4 0 m s 是 否 到 ？重 新 啟 動返 回YN定 時 器 程 序 開 始 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 43 定時器子程序流程圖 實現(xiàn)重要功能的 子 程序分析 DS18B20 溫度 采集 子程序 溫度采集子程序流程圖如圖 44 所示。若 DS18B20 判斷存在，則啟動溫度轉(zhuǎn)換，否則將重新進行。 溫 度 采 集 子 程 序 開 始D S 1 8 B 2 0 復(fù) 位D S 1 8 B 2 0 存 在 ？D S 1 8 B 2 0 發(fā) 送 存 在 脈 沖讀 取 D S 1 8 B 2 0 數(shù) 據(jù)溫 度 轉(zhuǎn) 換等 待 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 束D S 1 8 B 2 0 復(fù) 位數(shù) 據(jù) 處 理 并 顯 示讀 取 溫 度返 回 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 圖 44 溫度采集子程序 顯示處理子程序 顯示處理子程序流程圖如圖 45 所示。系統(tǒng) 開始先顯示溫度，然后顯示所測距離。 D I S T A N C E1 0 S 5 0 0 ？顯 示 溫 度數(shù) 值 SE r r o r進 行 顯 示返 回NY顯 示 處 理 子 程 序 開 始 圖 45 顯示處理子程序流程圖 判斷報警子程序 判斷報警子程序 流程圖 如圖 46 所示。在本設(shè)計中，利用的是單片機 引腳來產(chǎn)生的方波來控制蜂鳴器產(chǎn)生 “ 滴滴 ” 聲。 D i s t a n c e 4 0 ?開 警 報 2 0 k H z 關(guān) 閉 警 報返 回YN報 警 判 斷 子 程 序 開 始 圖 46 判斷報警子程序流程圖 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 第 5章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析 系統(tǒng)的調(diào)試可分為硬件調(diào) 試和軟件調(diào)試。這樣不但方便電路調(diào)試、及時發(fā)現(xiàn)問題，而且在這個硬件電路焊接完成的同時系統(tǒng)硬件的調(diào)試工作也就完成了。若單獨模塊測試正常，再 把各個模塊組合起來，全速運行，看程序是否能實現(xiàn)設(shè)計的系統(tǒng)的所有功能。因此把硬件調(diào)試按照一下四部分分步來進行： （ 1）所有焊接點是否有短路和虛焊的現(xiàn)象存在； （ 2）通電測試所有硬件芯片的輸入輸出電壓是否在設(shè)計要求的范圍內(nèi)； （ 3）通過軟件編程測試顯示屏是否能正常工作； （ 4）下載軟件程序測試系統(tǒng)硬件是否能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計的功能。具體操作是：當(dāng)萬用表的兩個探頭接觸到兩個原理上連接的焊接點時發(fā)出報警，則表明這兩個焊接點是導(dǎo)通的；反之，則是 虛焊。檢測和修改完成后，為下一步通電檢測排除了短路的危險和由于虛焊引起的檢測結(jié)果不真實的麻煩。 系統(tǒng)上電后首先觀察電路中是否有過熱，異味，冒煙等現(xiàn)象出現(xiàn)。測試各器件電源端電壓在 ～ 之間以滿足器件的電源電壓要求，單片機的端口在未接負(fù)載時端口電壓為 。 溫度傳感器測試 通過軟件編寫溫度顯示程序，結(jié)合硬件電路運行。 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法及過程 軟件的調(diào)試是運用模塊化調(diào)試，通過觀察存儲單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語法和邏輯錯誤，具體的調(diào)試步驟如下： （ 1）把系統(tǒng)的各個模塊在仿真軟件中逐個調(diào)試，如中斷模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射和接收模塊等。 （ 3）把各個模塊組合起來，全速運行，看程序是否能實現(xiàn)設(shè)計的系統(tǒng)的所有功能。因此超聲波 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 的傳播速度受氣體的密度、溫 度及氣體分子成份的影響。 所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有： （ 1）量程范圍 ，量程范圍越大，誤差越大 ； （ 2）目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。 觸發(fā)誤差 由于被測信號經(jīng)放大、整形，門控在產(chǎn)生“開門脈沖”和“ 關(guān)門脈沖”中，噪聲信號、干擾信號的摻入，使觸發(fā)的時間可能提前或滯后，給測量結(jié)構(gòu)帶來了隨機誤差，該誤差與信號的觸發(fā)波形有很大關(guān)系。實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。 電路本身影響 電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會造成測量誤差，主要表現(xiàn)為： （ 1）收到回波到被檢測出的滯后。從收 到實際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號肯定存在滯后，這和回波信號強弱、檢測電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測距的核心。 這是由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器。為減小此項誤差，應(yīng)該提高計時的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差，同時選用質(zhì)量好的晶振。這是由于系統(tǒng)是用來測量點和面的 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 距離，而被測物表面、超聲波發(fā)射探 頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 第 6 章 總結(jié) 與展望 本課題設(shè)計的是超聲波測距系統(tǒng)，即運用超聲波測距的原理和方法，設(shè)計的最終結(jié)果是利用超聲波實現(xiàn)測量物體間的距離，并以數(shù)字的形式顯示測量距離在液晶屏上，在距離小于 米時發(fā)出報警。超聲波測距系統(tǒng)的核心單片機采用 STC12C5A60S2，晶振為 12MHz。單片機控制超聲波發(fā)射與接收模塊進行信號的發(fā)射與接收，顯示電路采用 TC1602 液晶顯示，測溫電路采用 DS18B20 芯片進行溫度采集。 本設(shè)計還可以做如下改進： 系統(tǒng)的動態(tài)性能不高，被測物體表面移動速度小的時候，可以實現(xiàn)跟蹤測量；移動速度過大，波動較大時，誤差變大，可以研究更為合理的波導(dǎo)管和輔助測量手段； 提高超聲波發(fā)射探頭的固有頻率。 增加抗干擾措施。另外加上環(huán)境溫度、氣流等的影響，使超聲波測距系統(tǒng)受到干擾尤為嚴(yán)重。 （ 1）硬件方面 為了抑制外部干擾，接收裝置可以采用過零檢測裝置，保證接收到的超聲波為物體反射回來的超聲波，從而有效地抑制超聲波發(fā)射電路的輻射干擾。電路元件要選用低噪聲器件，采 取合理的電路布局，良好的印刷板走線，并注意進行屏蔽。通過這些處理，可以有效的減少干擾。 同時我還要感謝和我 一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計的短短幾個月里，給了我不少的幫助和支持，提出了許多寶貴的意見，正因為如此，我才能成功地完成畢業(yè)設(shè)計。 在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間，每位老師對我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長足的進步。 sbit Echo_bit = P1^1 。 unsigned char aa = 0。 unsigned temp=0 。 /********************************** 函數(shù)名稱 :main() 功能描述 :主函數(shù)，程序入口 入口參數(shù) :無 返回值 : 無 **********************************/ void main(void) { UB8 j,dat[]={0,0,0,0,0,0,0,0,0,0}。 lcd1602WriteCommand(0x0c) 。 lcd1602AddressWriteString( LCD1602_ROW0, 7, cm)。 lcd1602AddressWriteByte(LCD1602_ROW1,10,0xdf) 。C39。 init() 。 while((!Echo_bit)) 。 while(Echo_bit) 。 /*公式說明：假設(shè)時間為 T （ us），則距離為： T/1000000 (s) * (+*temp)(m/s) /2 = T*(+*temp)/2021000 (m) = T*(+*temp)/20210 (cm) */ S=(TH0*256+TL0)*(+*temp)/20210。 TL0 = 0 。039。 lcd1602AddressWriteByte(LCD1602_ROW0,5,S%100/10 +39。