畢業(yè)論文-超聲波測距報警系統(tǒng)設計.doc

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1、湖南工學院畢業(yè)設計說明書 設計課題： 超聲波測距報警系統(tǒng)系 部： 電氣與信息工程系專 業(yè)： 電子信息工程技術(shù)班 級： 姓 名： 學 號： 指導老師： lei 畢業(yè)設計（論文）任務書一、課題名稱：超聲波測距報警系統(tǒng)二、設計時間：10周1下達任務書、學生收集資料、熟悉畢業(yè)設計課題（1周）；2總體方案設計（2周）；3電路設計和軟件編制（4周）；4電路制作和調(diào)試（2周）；5編寫畢業(yè)設計說明書（1周）；6教師評閱設計，學生進行總結(jié)、準備答辯（0.5周）；7畢業(yè)設計答辯（0.5周）；三、設計任務設計一超聲波測距裝置四、技術(shù)要求1. 超聲測距傳感器作用距離為0.2-30米。2可以分為大、中、小三種量程。其中

2、，小量程探測距離小于2m，工作頻率在60-300kHz之間;中量程探測距離約為2-lOm，工作頻率在40-60kHz之間;大量程探測距離約為20-3Om，工作頻率處在16-30kHz之間。3LED或LCD顯示，報警距離可設置。4擴展功能：可用于汽車測速。五、指導教師：雷軍六、畢業(yè)設計參考資料：1 謝自美，電子電路設計，華中理工出版社期20002單片機原理與接口技術(shù)，北航出版社，1999.4；3李翰蓀主編，電路分析M，北京：中央廣播電視大學出版社；4楊素行主編，模擬電子技術(shù)基礎簡明教程M，北京：高等教育出版社，1998.10；5全國大學生電子設計競賽作品選，1999年；6電子系統(tǒng)設計，浙江大學出

3、版社2000；摘 要 本設計從實驗研究分析的角度，分析了大作用超聲波測距系統(tǒng)的基本設計原理。較詳細的介紹大作用超聲波測距系統(tǒng)以及根據(jù)該系統(tǒng)設計，研制汽車倒車防撞報警器，現(xiàn)場機器人，以及能自動檢測障礙物的距離。它是一種時實檢測前方障礙物的測距系統(tǒng)，當達到極限位置的時候，它能發(fā)出聲報警。文章以增大超聲測距系統(tǒng)的作用距離為主要目標，對超聲換能器的機械結(jié)構(gòu)、驅(qū)動電源、接收電路和信號處理算法等各個方面，展開了研究與實驗驗證，設計且成功實現(xiàn)了大作用距離超聲測距系統(tǒng)。超聲波距離傳感器采用壓電元件鋯鈦化鉛，一般稱為RZT，這種傳感器的特點在于具有方向性，在這所用的測距系統(tǒng)利用超聲波距離傳感器的“回聲”現(xiàn)象制成

4、的，倒車時向車輛后方發(fā)射超聲波，測定超聲波遇到障礙物后返回的時間，就可以得到車到障礙物的距離。首先，文章研究了壓電效應及壓電超聲換能器，設計了一種大作用距離超聲換能器。其次，文章通過理論推導計算，設計了一種新型超聲換能器驅(qū)動電源，一種單電源、帶AGC 的回波接收電路，擴大了超聲信號處理的動態(tài)范圍。利用Nl 數(shù)據(jù)采集卡搭建了超聲測距系統(tǒng)。 關鍵詞：超聲波，大作用距離，新型電源，脈沖回波法。Abstract This design from the experimental study analysis angle, hasanalyzed the major function ultrasoni

5、c ranging system basic designprinciple. The more detailed introduction major function ultrasonicranging system as well as acts according to this system design,develops the automobile back-draft proximity warner, the scene robot,as well as can the automatic detection obstacle distance. It is frontone

6、 kind of time solid examination the obstacle range measuringsystem, when achieved limiting position time, it can send out thesound to report to the police. The article increases the supersonicrange measuring system the range coverage primarily to want the goal,to the ultrasonic transducer mechanism,

7、 actuates the power source, theaccepting circuit and the signal processing algorithm and so on eachaspect, has launched the research and the experiment confirms, thedesign also the success realized the writings with to be away from thesupersonic range measuring system. whenback-draft launches the ul

8、trasonic wave to the vehicles behind, afterthe determination ultrasonic wave meets the time which the obstaclereturns, may obtain the vehicle to the obstacle distance. First, thearticle has studied the piezoelectric effect and the piezoelectricityultrasonic transducer, designed one kind of writings

9、with to be awayfrom the ultrasonic transducer. Next, the article through the theoryinferential reasoning computation, designed one kind of new ultrasonictransducer to actuate the power source, supersonicrange measuring system using the Nl data acquisition card. Key word: The ultrasonic wave, the wri

10、tings use the distance, newpower source, pulse echo law.目 錄第1章 緒 論- 3 -1.1超聲波測距研究意義及發(fā)展概況- 3 -1.1.1 超聲波測距系統(tǒng)研究的意義- 3 -1 .2 超聲波特性及超聲換能器現(xiàn)狀- 4 -12.1 超聲波及其特性- 4 -1.2.2 超聲換能器現(xiàn)狀- 6 -1.2.3 本課題設計目的及簡介- 7 -第2章 超聲波測距系統(tǒng)的原理及設計方案- 8 -2.1超聲波發(fā)生器及測距原理- 8 -2.1.1 超聲波發(fā)生器- 8 -2.1.2、壓電式超聲波發(fā)生器原理- 8 -2.1.3超聲波測距原理- 9 -2.2 方案

11、的設計- 9 -2.3 超聲波的電路設計- 11 -2.3.1 AT89C52的簡介- 11 -2.3.2 前置放大電路.- 13 -2.3.3 復位電路- 13 -2.3.4 時鐘電路- 14 -2.3.5 報警電路- 15 -2.3.6鍵盤電路- 15 -2.4 超聲波發(fā)射與接收電路- 17 -2.4.1 發(fā)射部分- 17 -2.4.2 接收電路- 18 -2.4.3 帶通濾波器- 19 -2.4.4溫度檢測電路- 20 -2.4.5 發(fā)射接收模塊總原理圖- 21 -第3章 軟件設計- 22 -3.1主流程圖- 22 -3.2溫度讀取程序- 23 -3.3 LCD顯示流程圖- 24 -3.

12、4外中斷服務程序- 24 -3.5 超聲波發(fā)射程序- 25 -第4章 調(diào)試說明誤差分析- 26 -4.1軟件調(diào)試和硬件調(diào)試- 26 -4.1.1軟件調(diào)試- 26 -4.1.2 硬件調(diào)試- 27 -4.2 誤差分析- 28 -4.2.2 超聲波波束入射角的影響- 28 -4.2.3 超聲波傳播速度的影響- 29 -4.3實測比較- 30 -結(jié)束語- 31 -參考文獻- 33 -附 錄 1 源程序- 34 -附錄2 總電路圖- 43 -致 謝- 44 -第1章 緒 論由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，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)

13、。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。 1.1 超聲波測距研究意義及發(fā)展概況 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，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)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。下面就介紹一下超聲波測距研究意義及發(fā)展概況。1.1.1 超聲波測距系統(tǒng)研究的意義道路交通事故是現(xiàn)代社會的一大公害,與之相關的先進安全

14、技術(shù)研究日益受到重視?；谥悄芙煌ㄏ到y(tǒng)的汽車防撞系統(tǒng)是先進安全技術(shù)的一項重要內(nèi)容,國內(nèi)外相繼開展了相關的研究,但迄今為止在該領域還存在許多尚未解決的問題。探討和研究一種在高速公路汽車防撞系統(tǒng)。在正常行駛時,該系統(tǒng)不報警,當自車與前車之間的距離小于所設定的安全距離并有可能發(fā)生碰撞時,該系統(tǒng)將發(fā)出報警信息,提醒駕駛員采取相應的措施,以避免碰撞事故的發(fā)生。高速公路汽車防撞系統(tǒng)的研究符合國內(nèi)外汽車智能化的發(fā)展趨勢,該系統(tǒng)的應用可以保證高速運行車輛的安全性,提高公路運輸效率,具有廣泛的應用前景和經(jīng)濟前景。特別是在空氣測距中，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有

15、很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高。如今，超聲測距技術(shù)在國防、汽車工業(yè)、公路監(jiān)測及日常生活中也無處不在。1.1.2 超聲波測距系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展的概況迄今為止，國內(nèi)外許多學者均著眼于測距傳感器的研究。能夠全天候工作的毫米波雷達是最為理想的測距傳感器，這己是目前國際上公認的結(jié)論。超聲測距傳感器也可以全天候工作，而且價格低廉、便于安裝使用，也是一種較為理想測距傳感器。因此，倘若不考慮從國外進口價格昂貴的毫米波雷達，那么，超聲傳感器的作用距離問題，就成了當前開發(fā)超聲測距系統(tǒng)的瓶頸制約。根據(jù)聲學理論，超聲換能器的機電能量轉(zhuǎn)換效率、超聲波傳播過程的能量衰減和回波接收電路的處理增益是影響超聲傳感器作用

16、距離的主要因素。因此，為擴大超聲測距的范圍，不能僅僅依賴于大功率超聲測距傳感器，還必須從以下兩個方面采取措施：其一、優(yōu)化換能器的機械結(jié)構(gòu)、電子線路和機電阻抗匹配參數(shù)，以提高換能器的機電能量轉(zhuǎn)換效率；其二、增加濾波電路或采用基于微處理器的自適應噪聲抵消器對回波信號進行預處理，增大后續(xù)信號處理算法的處理增益，以提高超聲測距儀的輸出信噪比。只有這樣，才可能研制出功耗低、量程大（2040m）而且價格低廉的超聲測距系統(tǒng)。毋庸置疑，大作用距離超聲傳感器的研制成功，不僅有益于促進科技進步、加快國內(nèi)超聲測距系統(tǒng)的開發(fā)進程，而且具有相當廣闊的市場前景。1 .2 超聲波特性及超聲換能器現(xiàn)狀具備發(fā)送和接收超聲波功能

17、的裝置，稱為超聲換能器，習慣上稱為超聲傳感器或超聲波探頭。下面，簡要介紹一下超聲波特性和超聲換能器現(xiàn)狀。12.1 超聲波及其特性 超聲波具有較好的指向性 頻率越高，指向性越強。這在諸如探仿和水下聲通訊等應用場合是主要的考慮因素。頻率高時，相應地波長將變短，因而波長可與傳播超聲波的試樣材料的尺寸相比擬。甚至波長可遠小于試樣材料的尺這在厚度尺寸很小的測量應用中以及在高分辨率的探傷應用中是非常重要的。 超聲波用起來很安靜,這一點在高強度工作場合尤為重要。這些高強度的工作用可聞頻率的聲波來完成時往往更有效，然而遺憾的是，可聞聲波工作時所產(chǎn)生的噪聲令人難以忍受，有時甚至是對人體有害的超聲波的應用被嚴格地

18、區(qū)分為低強度應用和高強度應用兩類”。在低強度應用類中，超聲波或是用來研究試樣材料的特性，或是用來作為控制手段。絕大多數(shù)情況是被測材料本身經(jīng)受不起結(jié)構(gòu)上的持久變形或是經(jīng)受不起化學特性上的變化，才采用低強度超聲波作為測試手段的。許多低強度應用場合中所用的超聲波，其頻率都很高，典型的工作頻率是在兆赫茲的范圍內(nèi)，而其聲功率的范圍則較寬，一般可從數(shù)微瓦到數(shù)十毫瓦。在高強度應用類中，超聲波通常是用來改變它所通過的物質(zhì)的性質(zhì)。高強度應用幾乎總是在低頻的情況下進行的，通常就把工作頻率選在剛好高出可聞聲頻的上限處，而其聲功率則可以從數(shù)毫瓦至上千瓦。 現(xiàn)代聲學已經(jīng)涵蓋了從“1010”Hz 的頻率范圍，相當于從大約

19、3 小時振動一次的次聲到波長短于固體中原子間距的分子熱振動，即跨越了10 “量級的寬廣頻段。振動頻率在16Hz 20kHz 之間的機械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16Hz 的機械波，稱為次聲波；高于20kHz 的機械波，稱為超聲波，而高于100 MHz 的機械波，則稱之為特超聲波。 由于人耳聽域有限，所以在自然界中似乎超聲不存在，其實超聲是廣泛存在的。人耳聽到的聲音只是自然界聲音的一部分，即可聽聲部分，而即使是可聽聲部分的聲音，有時仍然含有超聲成分，只是人耳聽不到。比如：自然界中許多動物發(fā)出的聲音中就含有超聲成分，蝙蝠是最出名的。它可以利用超聲進行探測洞穴、捕獲昆蟲，人類從18 世紀就開始

20、研究它，一直延續(xù)至今，并利用仿生學的原理制造出雷達等探測工具。在我國，解放前超聲的研究是個空白。解放后不久，出現(xiàn)了很少量的超聲學研究。大規(guī)模的超聲研究開始于1965 年。到目前，我國在超生學的各個領域都開展了研究和應用。有不少的項目和成果達到了國際水平。 同其它聲波一樣，超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)密度和介質(zhì)的彈性常數(shù)。在大氣條件下，超聲波在相同傳播介質(zhì)中的傳播速度是一樣的，而且，在相當大的頻率范圍內(nèi)，聲速是固定不變的。空氣中的聲波傳播速度c 可近似地表示為； C331.4331.4+0.6T(m/s) (1.1) 其中T 是空氣介質(zhì)的溫度（C ）。因為聲波是借助于傳播介質(zhì)中的質(zhì)點運動而傳播的，

21、其傳播方向與其振動方向一致，所以空氣中的聲波屬于縱向振動的彈性機械波。在理想介質(zhì)中，描述簡諧聲波向x 正方向傳播的質(zhì)點位移運動可表示為： S(t)=A(x)cos(t+kx)=Aecos(t+kx) (1.2) 式中，s (t）表示質(zhì)點的位移；A是振動初始條件決定的常數(shù)；，t 分別表示角頻率和時間；x 為聲波的傳播距離（也稱為射程）; k = / c 稱為波數(shù)；a 為衰減系數(shù)。由此可見，在傳播過程中聲波的振幅A (x)將隨距離x 的增加而呈指數(shù)形式衰減。衰減系數(shù)與聲波頻率及傳播介質(zhì)的關系為 (1.3) 其中，A為介質(zhì)常數(shù)，在空氣中，A2 (s), f 是聲波的振動頻率。例如，當超聲波的振動頻率

22、為25kHz 時，1/80m 。其物理意義是：超聲波在空氣介質(zhì)中傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗，在聲波的傳播距離等于1/ 時，聲波振幅將衰減到初始值的1/e 倍。顯然，聲波頻率愈高，聲能被吸收衰減愈大，聲波的傳播距離愈??；反之，聲波頻率愈低，聲能的吸收衰減愈小，聲波的傳播距離就愈大。聲波的另一種重要的性質(zhì)是：波的頻率越高，波束越窄，聲波定向傳播（或稱為直線傳播）和反射能力越強，其能量遠遠大于振幅相同的低頻聲波。超聲波的特性除了與其諧振頻率有關，還與發(fā)射換能器的輻射面積有關。換能器的輻射面積越大，超聲波的波束角就越小。因此，在設計大作用距離超聲測距傳感器時，必須選用恰當?shù)膿Q能器工

23、作頻率和換能器輻射面積1.2.2 超聲換能器現(xiàn)狀換能器就是進行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。通常所說的換能器一般都是指的電聲換能器。用來發(fā)射聲波的換能器叫發(fā)射換能器。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時，將電能轉(zhuǎn)換成機械能，再轉(zhuǎn)換成聲能。用來接受聲波的換能器叫接收器。換能器處在接受狀態(tài)時，將聲能轉(zhuǎn)換成機械能，再轉(zhuǎn)換成電能。一般情況下，換能器既能用來發(fā)射，也能用來接收。通常換能器都有一個電的儲能元件和一個機械振動系統(tǒng)。按照實現(xiàn)機電轉(zhuǎn)換的物理效應的不同，可將換能器分成：電動式、電磁式、磁致伸縮式、電容式、壓電式和電磁致伸縮式等。1.2.3 本課題設計目的及簡介 本次超聲波測距儀的設計要

24、求：1. 超聲測距傳感器作用距離為0.2-30米。2可以分為大、中、小三種量程。其中，小量程探測距離小于2m，工作頻率在60-300kHz之間;中量程探測距離約為2-lOm，工作頻率在40-60kHz之間;大量程探測距離約為20-3Om，工作頻率處在16-30kHz之間。3LED或LCD顯示，報警距離可設置。本課題以研制功耗低、體積小、作用距離大而且價格低廉的超聲測距系統(tǒng)為目標，對超聲換能器的機電特性、機械結(jié)構(gòu)、發(fā)射與接收電路、機電阻抗匹配、超聲測距處理方法等各個技術(shù)專題，現(xiàn)將論文中各個章節(jié)的主要內(nèi)容簡要介紹如下： 第一章以論文的研究背景與現(xiàn)實意義為核心，介紹了測距傳感器概況，重點闡述了研制超

25、聲傳感器的關鍵技術(shù)和各種超聲波測距處理方法，簡要介紹了超聲測距在各個領域的應用。 第二章具體介紹了超聲波測距系統(tǒng)的原理及設計方案。和各個電路的原理圖。 第三章介紹了軟件設計個主要的流程圖。 第四章主要說明了軟件和硬件的設計。第五章的重點是總結(jié)全文的主要研究成果，并指出進一步研究工作可以采取的措施和應當注意的問題。第2章 超聲波測距系統(tǒng)的原理及設計方案 2.1超聲波發(fā)生器及測距原理超聲波發(fā)生器的可分幾大類，本節(jié)介紹壓電式發(fā)生器的原理和超聲波測距的原理。2.1.1 超聲波發(fā)生器為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲

26、波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。2.1.2、壓電式超聲波發(fā)生器原理壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當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，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當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，這時它就成為超聲

27、波接收器了。圖2-1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)2.1.3超聲波測距原理在超聲探測電路中，在發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，這一系列方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時間間隔，顯然被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖的個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法： (1)取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓(電壓的幅值基本固定)與距離成正比，測量電壓即可測得距離； (2)測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t。因此，被測距離為S=1/2vt。 本測量電路采用第二種方案。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，附表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本

28、不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ囟龋–）-30-20-100102030100聲速（米/秒）313319325323338344349386表2-1 溫度與聲速變化2.2 方案的設計我們做的是基于單片機的超聲波測距儀。用單片機控制超聲波的發(fā)射、接受電路以及進行數(shù)據(jù)處理，再用液晶顯示屏進行數(shù)據(jù)的顯示。因為聲音的速度會隨著溫度的變化而改變，所以，我們增加了溫控裝置，即通過溫度傳感器（18B20），把當前的溫度信息傳給單片機，再通過一定的算法，得到當前的聲音速度。操作者可以通過幾個簡單的按鍵完成測量方式的選擇（實時監(jiān)測、手動測量）。由單片機產(chǎn)生一個信號，經(jīng)過信號線，把

29、信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，在由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：其中，D為換能器與障礙物之間的距離，C為波聲傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時間間距。原理框圖如下： 開始測量超聲波信號開定時器關定時器數(shù)據(jù)運算顯示器接收檢測電聲換能器電聲換能器驅(qū)動電路圖2-2 總原理框圖本次設計包含硬件設計與軟件設計兩部分，根據(jù)設計任務要求，采用AT89C52單片機，配置時鐘電路

30、，復位電路構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成超聲波發(fā)射、接收模塊。由鍵盤，LED顯示構(gòu)成人機對話通道，以及溫度傳感器來構(gòu)成由單片機最小系統(tǒng)來控制的超聲波測距儀，其結(jié)構(gòu)框圖如下：單片機最小系統(tǒng)發(fā)射、接收（模擬電路）信號保持（數(shù)字電路）溫度傳感器按鍵、LCD顯示2-3 圖總結(jié)構(gòu)框圖2.3 超聲波的電路設計本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。介紹個電路的電路圖和簡介。2.3.1 AT89C52的簡介AT89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和256 bytes的隨機存取數(shù)

31、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MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的AT89C52單片機可為您提供許多較復雜系統(tǒng)控制應用場合。AT89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線，AT89C52可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。AT89C52芯片的管腳、引線與功能AT89C52芯片圖如圖2-4：

32、圖2-4AT89C52芯片圖(1)引腳信號介紹：P00P07 ：P0口8位雙向口線P10P17 ：P1口8位雙向口線P20P27 ：P2口8位雙向口線P30P37 ：P3口8位雙向口線訪問程序存儲器控制信號：當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；而當信號為高電平時，則對ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延至外部程序存儲器。ALE地址鎖存控制信號：在系統(tǒng)擴展時，ALE用于控制把P0口輸出低8位地址鎖存起來，以實現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定頻率輸出的正脈沖，因此可作為外部時鐘或外部定時脈沖作用。外部程序存儲器讀選取通信號：在讀外部ROM時有

33、效（低電平），以實現(xiàn)外部ROM單元的讀操作。XTAL1和XTAL2外接晶體引線端：當使用芯片內(nèi)部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當使用外部時鐘時，用于拉外部的時鐘脈沖信號。RST復位信號：當輸入的復位信號延續(xù)2個機器周期以上高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。 VSS：地線 VCC：+5V電源（2）P3口的第二功能如表2-1 表2-1 P3口的第二功能口線第二功能替代的專用功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2外部中斷0P3.3外部中斷1P3.4T0定時器0的外部輸入P3.5T1定時器1的外部輸入P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通2.3.2 前置放大

34、電路.考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗。前置放大電路是一個精密、高輸入阻抗儀表放大器AD620 構(gòu)成的精密放大器，如圖： 圖2-5 前置放大電路AD62O 是一種電阻可編程的放大器，其內(nèi)部是由三運放組成的儀表放大器結(jié)構(gòu)，內(nèi)部的電阻經(jīng)激光技術(shù)校準，整個放大器具有很高的精度和共模抑制比，其增益范圍在11000 之間，由管腳1 、8 之間的電阻調(diào)節(jié)，增益公式為： G= （2.1） 由于在此采用了收發(fā)同體傳感器，因而收發(fā)信號之間要產(chǎn)生干擾，較大的發(fā)送信號能量有可能直接進入接收電路，它要比回波大得多，因此，前級放大器會飽和，電路工作不穩(wěn)定，為此，接收信號放大器的輸入

35、端要接入一對互為反向的二極管進行箱位，以保護后面的放大電路。 此外，當換能器從發(fā)射狀態(tài)切換到接收狀態(tài)的瞬間，其輸出電壓較高，但阻抗也高，易受噪聲影響，故通常需要接入一個偏流電阻凡。注意，凡的阻值不能太小，否則，換能器上的感應電荷將通過它快速地放電，從而影響超聲波接收電路的靈敏度；同時，凡的值也不能取得太大，以避免外部噪聲在接收電路中得到進一步的放大。實驗證明，凡取lookn 比較合適。2.3.3 復位電路復位電路是使單片機的CPU或系統(tǒng)中的其他部件處于某一確定的初始狀態(tài)，并從這上狀態(tài)開始工作。（1）單片機常見的復位電路通常單片機復位電路有兩種：上電復位電路，按鍵復位電路。上電復位電路：上電復位

36、是單片機上電時復位操作，保證單片機上電后立即進入規(guī)定的復位狀態(tài)。它利用的是電容充電的原理來實現(xiàn)的。按鍵復位電路：它不僅具有上電復位電路的功能，同時它的操作比上電復位電路的操作要簡單的多。如果要實現(xiàn)復位的話，只要按下RESET鍵即可。它主要是利用電阻的分壓來實現(xiàn)的在此設計中，采用的按鍵復位電路。按鍵復位電路如圖2-6所示：圖2-6復位電路圖（2）復位電路工作原理上電復位要求接通電源后，單片機自動實現(xiàn)復位操作。上電瞬間RESET引腳獲得高電平，隨著電容的充電，RERST引腳的高電平將逐漸下降。RERST引腳的高電平只要能保持足夠的時間（2個機器周期），單片機就可以進行復位操作。上電與按鍵均有效的復

37、位電路不僅在上電時可以自動復位，而且在單片機運行期間，利用按鍵也可以完成復位操作。故本設計選用第二種上電復位與按鍵均有效的各單位電路。2.3.4 時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地作。（1）時鐘信號的產(chǎn)生單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳XTAL1，其輸出端為引腳XTAL2。而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。圖2-7 時鐘振蕩電路電容器C1和C2的作

38、用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值的范圍在5pF30pF,典型值為30pF。晶振的頻率通常選擇兩種6MHz和12MHz。只要在單片機的XTAL1和XTAL2引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機內(nèi)部產(chǎn)生時鐘脈沖信號。（2）時鐘振蕩電路如圖2-7所示：2.3.5 報警電路 把“單片機系統(tǒng)”區(qū)域中的P1.0端口用導線連接到“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPK IN端口上，在“音頻放大模塊”區(qū)域中的SPK OUT端口上接上一個8歐或者是16歐的喇叭。音頻放大模塊由LM386組成。報警電路如圖2-8所示： 圖2-8 報警電路 當LED顯示所測定的轉(zhuǎn)速超過限定的的速度時報警信號從P1.0端口輸出，產(chǎn)生方波

39、頻率，方波從P1.0輸出0.2秒，接著0.2秒從P1.0輸出電平信號，經(jīng)音頻放大模塊放大，送入喇叭產(chǎn)生報警聲。2.3.6鍵盤電路鍵盤電路是很多設計中很重要的組成部分。它主要是輸入設備。單片機應用系統(tǒng)中鍵盤有獨立式和行列式兩種。獨立式鍵盤：獨立式鍵盤中，每個按鍵占用一根I/O口線，每個按鍵電路相對獨立。I/O口通過按鍵與地相連，I/O口有上拉電阻，無鍵按下時，引腳端為高電平，有鍵按下時，引腳電平被拉低。I/O口內(nèi)部有上拉電阻時，外部可不接上拉電阻。行列式鍵盤：行列式鍵盤鍵數(shù)比較多，從按一個鍵到鍵功能被執(zhí)行主要包括兩項工作：一是鍵的識別，即在鍵盤中找出被按的是那一個鍵，另一項是鍵功能的實現(xiàn)，第一項

40、是接口電路來實現(xiàn)的，而第二項是通過執(zhí)行中斷服務程序來實現(xiàn)的。具體來說，鍵盤借口應完成以下操作功能： 鍵盤掃描，以判斷是否有鍵按下。 鍵識別，以來確定閉和鍵的行列位置。 產(chǎn)生閉和鍵的鍵碼。 排除多鍵，串鍵以及抖動。本次設計中采用的是獨立式鍵盤，鍵盤電路圖如圖2-9所示： 圖2-9與單片機相連的獨立式鍵盤2.4 超聲波發(fā)射與接收電路2.4.1 發(fā)射部分圖2-11 超聲波發(fā)射原理圖超聲波信號由單片機產(chǎn)生，信號經(jīng)過三極管后驅(qū)動超聲波換能器發(fā)送超聲波，途中碰到障礙物就立即返回。否則認為沒有探測到物體。此電路有兩個三極管構(gòu)成推拉式驅(qū)動電路，三極管工作在開關狀態(tài)。當信號線來一個高電平時，三極管Q1導通，Q1

41、的集電極高電平，Q2截止，Q2的發(fā)射極為低電平，從而使超聲波換能器工作。在此電路圖中的電容（C1）起隔直耦合作用。2.4.2 接收電路圖2-12 超聲波接收原理圖超聲波接收是用來將探測波回波的聲能轉(zhuǎn)換為電信號，實現(xiàn)超聲波回波的接收。在被測物距離較遠的情況下回波很弱，要求將信號多次放大，放大后的信號整形、比較、觸發(fā)后產(chǎn)生中斷信號，此中斷信號向CPU發(fā)中斷請求，執(zhí)行中斷服務程序中，讀取計時器的定時值。此電路由信號放大部分，檢波部分，電壓比較部分和信號保持部分組成，收到的信號經(jīng)過兩級放大，再通過倍壓式峰值檢波電路檢波，得到一個基本穩(wěn)定的信號，再通過與電壓比較器比較，若信號電壓大于參考電壓，則輸出高電

42、平，若低于參考電壓則輸出為低電平，若輸出高電平，則RS觸發(fā)器觸發(fā)，輸出高電平，且一直保持下去，直到單片機給出控制信號，觸發(fā)器回到低電平狀態(tài)。超聲波從發(fā)射到接收時間間距的測量，是由單片機內(nèi)部的計數(shù)器（如T0）來完成的 。超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔的測量, 是由單片機內(nèi)部的計數(shù)器(如T 0) 來完成的。在CPU 停止發(fā)送脈沖群后, 由于電阻尼, 換能器不會立即停止發(fā)送超聲波, 在一定時間內(nèi)仍然發(fā)送。這段時間的存在使系統(tǒng)不能夠測量比較近的物體, 形成所謂的“盲區(qū)”, 需要對盲區(qū)時間產(chǎn)生的信號進行屏蔽, 不同性能的超聲波換能器的盲區(qū)有所差異, 以一個通道工作的時序為例進行說明, 如圖2-8 所示。圖

43、2-12一個通道的工作時序2.4.3 帶通濾波器帶通濾波器采用無限增益多路反饋型濾波電路，它是由一個理論上具有無限增益運算放大器賦以多路反饋構(gòu)成的濾波電路。如圖2-13 所示是由單一運算放大器構(gòu)成的無限增益多路反饋二階帶通濾波電路的基本結(jié)構(gòu)。濾波器參數(shù)為A ( 2-1 ) ( 2-2 ) ( 2-3 )圖2-13 帶通濾波器無限增益多路反饋型濾波電路由于沒有正反饋，故穩(wěn)定性高。為計算方便，可先選定CA ，A, Q =4 ，由以上方程聯(lián)立得R,R.濾波器輸出再通過一級放大后接采集卡進行A/D 采樣。末級放大電路是由普通的反向運算放大器和電阻元件構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)電位器來放大器的增益，使之輸出幅值滿足

44、采樣電路的要求即可。2.4.4溫度檢測電路 采用美國答拉斯（Dallas）公司的單線數(shù)字溫度傳感器芯片DS18B20作為溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻所不同，DS18B20可直接將被測溫度轉(zhuǎn)換成串口數(shù)字信號，一供單片機處理，DS18B20可以實現(xiàn)912位的溫度讀取，信息經(jīng)過單線借口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從微處理器到DS18B20僅需連接一條信號線和地址線。讀、些和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)本身供，而不需要外部電源。溫度傳感器（DS18B20）的引腳分布圖如2-14，其封裝為（DIP8或三極管封裝）。圖2-14 18B20的引腳分布圖引腳功能如下：NC （1、2、6、

45、7、8腳）：空引腳，懸空不使用VDD（3腳）：可選電源腳，電源電壓范圍33.5V。當工作寄生電源時，此引腳必須接地。DQ（4腳）：數(shù)據(jù)輸入/輸出腳。漏極開路，常態(tài)下為高電平。GND（5腳）：接地2.4.5 發(fā)射接收模塊總原理圖圖2-15 發(fā)射接收模塊總原理圖第3章 軟件設計3.1主流程圖程序開始輸入要溫度為狀態(tài)選擇作準備。狀態(tài)選擇分為手動控制與實時控制。當選擇手動控制時程到手動控制部分，然后判斷是否有鍵按下。如果有鍵按下，則出現(xiàn)高電率。程序判斷為yes；然后控制。發(fā)射超聲波后，通過傳感器等待回波。如果判斷為高電平則表示有回波則進入中斷服務。如果沒有則回到是否有鍵按下的判斷。如果選擇實時控制部分

46、，則由實時控制超聲波的發(fā)射。等待回波程序如果通過傳感器收到超聲波。則進入中斷服務程序，否是返回重新。中斷服務后，通過數(shù)據(jù)運算，顯示距離，再返回到狀態(tài)的選擇。 圖3-1主流程圖3.2溫度讀取程序首先開始，初始化地址，通過地址得到應答脈沖，如果沒有則返回，重新應答，應答脈沖為高電平，則skip rom命令。再發(fā)生conver T命令后，延時1s等待溫度1s等待溫度轉(zhuǎn)的完成，溫度轉(zhuǎn)換完成后，在初始化地址，給出應答脈沖時發(fā)出Read Scratchpad命令。后讀出先后脈沖，讀取第12字節(jié)溫度數(shù)據(jù)，再返回開始初始化程序。 圖3-2 溫度檢測程序3.3 LCD顯示流程圖程序開始初始化后，檢查忙信號如果有

47、則寫入命令函數(shù)，如果沒有則重新檢查忙信號，至到有信號為止，寫完命令函數(shù)則寫入數(shù)據(jù)函數(shù)，通過一定的延時程序，再返回到程序初始代。圖3-3 LCD顯示流程圖3.4外中斷服務程序關定時器關中斷讀取時間值返回圖3-4外中斷服務程序 當收到外部中斷信號時，關閉定時器，關閉中斷。讀取當時的時間值并存儲時間值。返回主程序。3.5 超聲波發(fā)射程序定時器初始化發(fā)射超聲波開計時器返回停止發(fā)射圖3-5 超聲波發(fā)射程序第4章 調(diào)試說明誤差分析4.1軟件調(diào)試和硬件調(diào)試4.1.1軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件設計、調(diào)試的過程如圖41所示源程序編輯 編譯Y有語法錯誤？ 動態(tài)在線調(diào)試 成功有邏輯錯誤？NYN圖41其過程分為以下幾個步驟：第

48、一步，建立源程序。通過計算機開發(fā)系統(tǒng)的編輯軟件，按照所要求的格式、語法規(guī)定、源程序輸入到開發(fā)系統(tǒng)中，并存在磁盤上。第二步，在計算機上，利用KILE軟件對第一步輸入的源程序進行編譯，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標代碼。如果源程序有語法錯誤，則其錯誤將顯示出來，然后返回到第一步進行修改，再進行編譯，直到語法錯誤全部糾正為止。第三步，動態(tài)在線調(diào)試。對于與系統(tǒng)、硬件無聯(lián)系的程序，可以借助動態(tài)在線調(diào)試手段，如單步運行、設置斷點等，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤，然后返回到第一步修改，直到邏輯錯誤糾正為止。對于與系統(tǒng)硬件緊密相關的程序，則需軟件，硬件同時進行調(diào)試，將程序燒入CPU，然后將CPU 插入系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)硬件故障排除故障，發(fā)現(xiàn)邏輯錯

49、誤，修改程序，消除邏輯錯誤。4.1.2 硬件調(diào)試 硬件調(diào)試分兩步：第一步：系統(tǒng)上電之前，先用萬用表等工具，根據(jù)硬件邏輯設計圖，仔細檢查線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，應特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線的短路。第二步：第一步的調(diào)試，只是對系統(tǒng)進行初步調(diào)試，可以排除一些明顯的故障，而硬件故障（如各個部件內(nèi)部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤）主 要是靠軟件和硬件聯(lián)調(diào)來排除。硬件調(diào)試和軟件調(diào)試是不能完全分開的，許多硬件錯誤是在軟件調(diào)試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。4.2 誤差分析4.2.1超聲波回波聲強的影響回

50、波的聲強與障礙物距離的遠近有直接關系, 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4-2所示。這種誤差不能從根本上消除, 但是可以通過根據(jù)障礙物的距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)以及動態(tài)調(diào)整比較電壓來減小這種誤差。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) 。圖4-2脈沖個數(shù)與回波聲強對計時影響示意圖4.2.2 超聲波波束入射角的影響如果系統(tǒng)是用來測量面與點的距離, 則被測物、換能器及換能器所在測量參考平面三者之間存在一個幾何角度, 即反射波入射到換能器的角度, 當這個角度不是90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測量參考平面

51、之間的距離, 這就會造成測量誤差, 如圖5-2 所示。圖5-2超聲波回波入射角影響分析圖當障礙物的距離較小時, 這個誤差就會成為近距離時的主要誤差來源?？梢杂枚鄠€換能器同時測量, 利用幾何關系來計算得出實際距離, 消除這種誤差。 （4-1） 式中 -換能器a 、b到被測物的距離 - 換能器a、b之間的距離 -被測物到測量的距離4.2.3 超聲波傳播速度的影響穩(wěn)定準確的聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件, 傳播介質(zhì)的溫度、壓力及密度對聲速都產(chǎn)生直接影響。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。采用聲速預置和傳播介質(zhì)溫度測量結(jié)合的方法對聲速進行修正, 可有效地降低溫度變

52、化產(chǎn)生的誤差。在對距離的精確度要求不高的應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5% 之間。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。影響測量誤差的因素8 很多, 包括現(xiàn)場環(huán)境干擾、時基脈沖頻率等。在實際應用中可以根據(jù)系統(tǒng)測量精度要求, 采用合理的補償手段。4.3實測比較表4-1 實際測量值與測量值的比較實測值測量值0.64m0.64m1.24m1.24m1.84m1.84m2.44m2.44m3.04m3.04m3

53、.64m3.65m4.24m4.25m結(jié)束語超聲測距原理簡單，成本低、制作方便，但由于目前存在的超聲測距系統(tǒng)作用距離短，所以在很多領域的應用有著一定的局限性，因此，研制和開發(fā)高精度、大作用距離超聲測距系統(tǒng)，仍然是當今超聲測距領域中富有挑戰(zhàn)性的課題之一。本文通過對壓電換能器結(jié)構(gòu)的分析，設計了一種大作用距離的超聲換能器。超聲測距技術(shù)是一門融合了聲學、力學、電子學、材料學等多方面技術(shù)的學科，每一項技術(shù)的新發(fā)現(xiàn)都會推動超聲學的進展。新型換能器及大功率驅(qū)動電源等技術(shù)的發(fā)展必將使超聲的測距范圍進一步擴大，結(jié)合快速時延搜索算法，超聲測距技術(shù)將廣泛應用于移動機器人自動導航系統(tǒng)、汽車防撞預警系統(tǒng)、機械手定位系統(tǒng)

54、、交通流量監(jiān)測系統(tǒng)等方面。另外，若在超聲測距中采用擴頻技術(shù)，將在很大程度上解決遠距離測量與分辨力之間的矛盾，提高測距系統(tǒng)的信噪比和分辨率。而且，采用偽隨機碼擴頻解擴方法，容易實現(xiàn)碼分多址（只要給安裝在大范圍測量區(qū)域中多個傳感器分配相應的偽隨機碼，就可以方便地辨認出各個區(qū)域傳感器發(fā)出的信號），擴大超聲測距的測量范圍。比常規(guī)超聲測距方法具有更廣闊的應用前景。在這次畢業(yè)設計中也使我們的同學關系更進一步了，同學之間互相幫助，有什么不懂的大家在一起商量，聽聽不同的看法讓我們更好的理解知識，所以在這里非常感謝幫助我的同學。我的心得也就這么多了，總之，不管學會的還是學不會的的確覺得困難比較多，真是萬事開頭難

55、，不知道如何入手。最后終于做完了有種如釋重負的感覺。此外，還得出一個結(jié)論：知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。參考文獻1 王瑞華脈沖變壓器設計北京：科學出版社，1996 .2 張國雄，金篆芷測控電路北京：機械工業(yè)出版社，2001 .3 李翰蓀主編，電路分析M，北京：中央廣播電視大學出版社. 4 楊素行主編，模擬電子技術(shù)基礎簡明教程M，北京：高等教育出版社，1998.10.5 全國大學生電子設計競賽作品選，1999年.6 電子系統(tǒng)設計，浙江大學出版社2000.7 潘松，EDA技術(shù)應用M，北京：科學出版社

56、，2002.10.8 周立功，基于ARM7設計，北京：北航出版社，2005.3. 9 謝自美，電子電路設計，華中理工出版社期2000.10 張國雄，金篆芷測控電路北京：機械工業(yè)出版社，2001 .11 單片機原理與接口技術(shù)，北航出版社，1999.4.12 龔耀寰自適應濾波北京：電子工業(yè)出版社，1989 .13 召華，劉貴忠，馬社祥基于正交小波變換的瞬變步長的LMS 自適應濾波算法通訊學報，2001 , 22.14 童峰，許水源，許天增基于遺傳算法的超聲信號自適應時延估計應用聲學，2000 , 19.附 錄 1 源程序#include#include#define uchar unsigned

57、char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longuint c=340;ulong l,time;char i=1,j=1,k=80,aa;char t,tp=10,ts,tg,lb,ls,lg,lsf,fh,cb,cs,cg;sbit RW=P21;sbit RS=P20;sbit E=P22;sbit rece=P33;sbit k2=P11;sbit k1=P10;sbit k3=P12;sbit k4=P13;sbit sg=P37;sbit ctl=P35;void delay(uint i) /延時程序/while(i-

58、); /*液晶顯示*/void writercom(uchar q) /寫命令/E=1; RS=0; RW=0; P0=q; E=0; delay(20); void writerdata(uchar o)/寫數(shù)據(jù)/ E=1; RS=1; RW=0; P0=o; E=0; delay(20); void writer_d(uchar *u)/寫數(shù)據(jù)串/while(*u) writerdata(*u+); void xsinit(void)writercom(0 x01); writercom(0 x38);/使用8位數(shù)據(jù)，顯示兩行，使用5*7的字型/ writercom(0 x0c);/顯示設置，不顯示光標，字符不顯閃瑣/ writercom(0 x06);/光標從左往右移，內(nèi)容不移/ /*超聲波發(fā)射程序*/void sen() /超聲波發(fā)射程序/uchar times=0; TMOD=0 x12; /定時器1工作在定時方式1，定時器0工作在定時方式2/ IE=0 x84; /中斷設置/ TH0=244;