1、 PAGE27 / NUMPAGES30 基于單片機的超聲波測距設(shè)計目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc30321 設(shè)計總說明 PAGEREF _Toc30321 I HYPERLINK l _Toc346 introduction PAGEREF _Toc346 II HYPERLINK l _Toc21404 第1章 緒論 PAGEREF _Toc21404 1 HYPERLINK l _Toc4943 1.1 概述 PAGEREF _Toc4943 1 HYPERLINK l _Toc17021 1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc17021

2、 1 HYPERLINK l _Toc29968 第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 PAGEREF _Toc29968 1 HYPERLINK l _Toc15406 2.1 設(shè)計要求 PAGEREF _Toc15406 1 HYPERLINK l _Toc11459 2.2 方案選擇 PAGEREF _Toc11459 2 HYPERLINK l _Toc8682 2.2.1 單片機的選擇 PAGEREF _Toc8682 2 HYPERLINK l _Toc25527 第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 PAGEREF _Toc25527 2 HYPERLINK l _Toc6330 3.1 整體方案設(shè)計 PA

3、GEREF _Toc6330 2 HYPERLINK l _Toc12256 3.1.1 系統(tǒng)概述 PAGEREF _Toc12256 2 HYPERLINK l _Toc6031 3.1.2 系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc6031 2 HYPERLINK l _Toc25347 3.2 最小系統(tǒng)模塊 PAGEREF _Toc25347 3 HYPERLINK l _Toc16177 3.2.1 STC89C52簡介 PAGEREF _Toc16177 3 HYPERLINK l _Toc19549 3.2.2 最小系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc19549 5 HYPERLINK l

4、_Toc23462 3.3 HC-SR04模塊 PAGEREF _Toc23462 6 HYPERLINK l _Toc30097 3.3.1 HC-SR04簡介 PAGEREF _Toc30097 6 HYPERLINK l _Toc19432 3.3.2超聲波的特性 PAGEREF _Toc19432 7 HYPERLINK l _Toc10828 3.3.3 超聲波換能器 PAGEREF _Toc10828 8 HYPERLINK l _Toc16853 超聲波傳感器原理 PAGEREF _Toc16853 9 HYPERLINK l _Toc7756 測距分析 PAGEREF _Toc

5、7756 13 HYPERLINK l _Toc11811 3.4 顯示電路 PAGEREF _Toc11811 14 HYPERLINK l _Toc9110 3.4.1 數(shù)碼管簡介 PAGEREF _Toc9110 14 HYPERLINK l _Toc22087 數(shù)碼管概述 PAGEREF _Toc22087 15 HYPERLINK l _Toc16202 3.4.2 數(shù)碼管顯示模塊電路 PAGEREF _Toc16202 15 HYPERLINK l _Toc4719 3.4.3 按鍵模塊電路 PAGEREF _Toc4719 16 HYPERLINK l _Toc31268 3.4

6、.4 報警模塊電路 PAGEREF _Toc31268 17 HYPERLINK l _Toc15502 第4章軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc15502 18 HYPERLINK l _Toc29158 4.1 程序語言與開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc29158 18 HYPERLINK l _Toc24714 4.2程序流程圖設(shè)計 PAGEREF _Toc24714 19 HYPERLINK l _Toc6981 4.2.1 超聲波模塊程序流程圖設(shè)計 PAGEREF _Toc6981 19 HYPERLINK l _Toc32521 第5章 硬件組裝與調(diào)試 PAGEREF _Toc3

7、2521 20 HYPERLINK l _Toc24594 5.1 元器件的選擇與測量 PAGEREF _Toc24594 20 HYPERLINK l _Toc32622 5.2 元件的焊接與組裝 PAGEREF _Toc32622 21 HYPERLINK l _Toc25510 5.3 電路的調(diào)試 PAGEREF _Toc25510 21 HYPERLINK l _Toc4872 5.3.1 調(diào)試方法 PAGEREF _Toc4872 21 HYPERLINK l _Toc18414 5.3.2 調(diào)試步驟 PAGEREF _Toc18414 22 HYPERLINK l _Toc6794

8、 第6章 總結(jié) PAGEREF _Toc6794 23 HYPERLINK l _Toc24447 鳴 PAGEREF _Toc24447 24 HYPERLINK l _Toc26674 參考文獻 PAGEREF _Toc26674 25設(shè)計總說明 利用超聲波進行測距有許多優(yōu)點比如不受光強度、色彩和電磁場等外界因素的影響，而且超聲波傳感器的價位較低、結(jié)構(gòu)也較為簡單，超聲波以聲速傳播，方便收發(fā)與計算。在汽車倒車雷達、移動機器人的避障、特別是測量距離等許多方面都已有了非常普遍的應(yīng)用。本次畢業(yè)設(shè)計的超聲波測距儀是在STC89C51單片機的基礎(chǔ)上設(shè)計的，在分析和了解了超聲波的一些優(yōu)點和特性后，又查看

9、了利用超聲波測距的基本原理。最后決定使用51單片機系統(tǒng)和超聲波傳感器共同組成。設(shè)計的超聲波測距儀的硬件部分主要包括電源與復(fù)位模塊、單片機與超聲波模塊組成的超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、LED數(shù)碼顯示模塊和擴展報警模塊。軟件部分主要包括單片機主程序、根據(jù)超聲波發(fā)射與接收計算距離程序、LED距離顯示程序、按鍵控制程序和蜂鳴器報警程序，這樣安排使得系統(tǒng)具有模塊化的特點。系統(tǒng)容易進行控制，具有可靠地的性能，具有較高的測量精度，最重要的是能對距離進行實時測量。關(guān)鍵詞：單片機；超聲波傳感器 ；數(shù)碼管；報警introduction The distance has many advantages such

10、 as not affected by light intensity, color and electromagnetic field of external factors such as the use of ultrasound, and the ultrasonic sensor price is low, the structure is simple, ultrasonic wave at the speed of sound transmission, convenient receiving and calculation. In the car reversing rada

11、r, mobile robot obstacle avoidance, especially the measurement of distance and many other aspects have been very widely used.The graduation design of ultrasonic distance measuring instrument is based on the STC89C51 microcontroller design, in the analysis and understanding of some of the advantages

12、and characteristics of ultrasound, and then view the basic principles of ultrasonic distance measurement. Finally decided to use the 51 single-chip microcomputer system and ultrasonic sensors to form a common. The hardware design of ultrasonic rangefinder consists of ultrasonic power and reset modul

13、e, microcontroller module and ultrasonic transmitting module, ultrasonic receiving module, LED digital display module and alarm module extension. The software includes the main microcontroller, according to ultrasonic transmitting and receiving distance, LED distance calculation program display prog

14、ram, key control procedures and buzzer alarm procedures, the characteristics of this arrangement makes the system has a modular. The system is easy to control, with reliable performance, with high measurement accuracy, the most important is to be able to real-time measurement of distance.Keywords: S

15、ingle chip microcomputer; ultrasonic sensor; digital tube; alarm第1章 緒論1.1 概述超聲波測距法是通過超聲波測量從已知位置到被測物體表面的距離的利用超聲波的方法。超聲波也是一種機械波，是一種頻率在20kHz以上的聲波。超聲波測距是人們根據(jù)蝙蝠通過超聲波反射進行捕食的方法發(fā)現(xiàn)的，也是仿生學(xué)中非常出名的例子，對生產(chǎn)領(lǐng)域產(chǎn)生了很大的影響。跟著電子測量技術(shù)的不斷飛速發(fā)展，已經(jīng)可以利用超聲波實現(xiàn)精準測量了。測量技術(shù)在經(jīng)濟的不斷發(fā)展下得到了越來越廣的應(yīng)用，因此超聲波憑借著性能穩(wěn)定、成本低廉、精度高等優(yōu)點得到了重視。機器人技術(shù)在出現(xiàn)后發(fā)展迅

16、猛，機器人的用途也不在局限在工業(yè)生產(chǎn)而是進入了人們的日常生活。普遍的應(yīng)用對于增加群眾對機器人技術(shù)的認識變得非常重要。機器人能夠通過特有的感知系統(tǒng)感知并確定前面障礙物的位置和周圍的環(huán)境以完成躲避障礙物、自動尋路、測距等功能。超聲波測距具有其他的測距技術(shù)沒有的特點，比如測量精度高，成本低廉，對環(huán)境的要求低，使用簡便等。將紅外、灰度等傳感器和超聲波結(jié)合在一起將可以共同作用使機器人實現(xiàn)自動尋路和繞開障礙等功能。超聲波由于傳播方向較穩(wěn)定、并且在介質(zhì)里傳播時能量削減緩慢，能夠發(fā)送很遠的距離，所以在測量距離的時候經(jīng)常用到。超聲波最普遍的應(yīng)用是在汽車倒車雷達、物位測量儀、測距儀、研發(fā)移動機器人以與一些特殊工業(yè)

17、現(xiàn)場等場合。以后超聲波傳感器很可能將會智能化、自動化，實現(xiàn)更加方便高效的測距儀器。1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀超聲波測距技術(shù)是一種非常有前景的的技術(shù)，近距離的超聲測距不會被光線影響，并且結(jié)構(gòu)比較簡單，成本經(jīng)濟實惠。超聲波測量最重要的優(yōu)點是：環(huán)境介質(zhì)很普遍，空氣、液體和固體都能使用，因此適合使用的圍非常大。更重要的是使用超聲波檢測能很大程度的降低勞動強度，可以避免工作人員在惡劣工作環(huán)境中可能受到的傷害，還能夠提高距離結(jié)果的準確度；另外，超聲波測距儀也可以作用到別的功能系統(tǒng)中，如在機器人的避障系統(tǒng)、車置防撞系統(tǒng)、自動停車系統(tǒng)和倒車雷達，因此超聲波測距儀對電子測量技術(shù)發(fā)展是非常重要的。第2章 系統(tǒng)總體方案設(shè)

18、計2.1 設(shè)計要求 1）可進行距離測量。采用數(shù)碼管顯示距離數(shù)據(jù)。可按鍵設(shè)置距離門限值具有報警功能2.2 方案選擇2.2.1 單片機的選擇方案一：采用DSP作為系統(tǒng)控制器。DSP（digitalsignalprocessor）是一種獨特的微處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。DSP具有對元件值的容限不敏感，受溫度、環(huán)境等外部因素影響小，容易實現(xiàn)集成，可分時復(fù)用，共享處理器，方便調(diào)整處理器的系數(shù)實現(xiàn)自適應(yīng)，可用于頻率非常低的信號等優(yōu)點。但DSP硬件電路比較復(fù)雜，且價格昂貴，數(shù)字系統(tǒng)由耗電的有源器件構(gòu)成，沒有無源設(shè)備可靠。方案二：采用單片機作為系統(tǒng)控制器。單片機具有可靠性強、性價比搞、電壓低、

19、功耗低等優(yōu)點得到迅猛發(fā)展和大圍推廣，單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種邏輯功能，本身帶有定時器、計數(shù)器，可以用來定時和計數(shù)，并且其功耗低，體積小，計數(shù)成熟和成本低等優(yōu)點。基于以上分析，擬定方案二，用STC89C52單片機作為控制器。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 整體方案設(shè)計3.1.1 系統(tǒng)概述整個系統(tǒng)以STC89C51單片機為核心器件，配合電阻電容晶振等器件，構(gòu)成單片機的最小系統(tǒng)。其它個模塊圍繞著單片機最小系統(tǒng)展開。其中包括，測距傳感器采用HC-SR04模塊，顯示設(shè)備為共陰數(shù)碼管；電源供電則采用USB 5V供電，報警部分采用蜂鳴器，同時還包括按鍵部分，用來設(shè)置距離

20、門限值。3.1.2 系統(tǒng)框圖數(shù)碼管顯示單片機最小系統(tǒng)HC-SR04報警部分電源部分按鍵部分 3-1 系統(tǒng)框圖3.2 最小系統(tǒng)模塊3.2.1 STC89C52簡介（1）概述STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片含8k bytes的可反復(fù)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MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，功能強大的STC89C52單片機可為您提供許多較復(fù)雜系統(tǒng)控制應(yīng)用場合。 STC89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O

21、）端口，同時含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。STC89C52有PDIP、PQFP/TQFP與PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 （2）主要功能特性兼容MCS51指令系統(tǒng)；8k可反復(fù)擦寫(1000次）Flash ROM； 32個雙向I/O口； 256x8bit部RAM ；3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；時鐘頻率0-24MHz； 2個串行中斷；可編程UART串行通道； 2個外部中斷源； 共8個中斷源； 2個讀寫中斷口線； 3級加密位； 低功耗空閑和掉電模式； 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能；（3）8051單片機的引腳功能MCS-51系列單片機一

22、般采用40個引腳，雙列直插式封裝，用HMOS工藝制造，其外部引腳排列如圖3-2所示。其中，各引腳的功能為:圖3-2 STC89C52引腳圖 主電源引腳VCC（40腳），接5V電源正端；GND（20腳），接5V電源地端； 外接晶體或外部振蕩器引腳XTAL1（19腳），接外部晶振的一個引腳。在單片機部，它是一個反相放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳），接外部晶振的另一個引腳。在片接至反相放大器的輸出端和部時鐘電路的輸入端。當采用外部振蕩器時，此腳接外部振蕩器的輸出端。 控制信號線RESET（9腳），復(fù)位信號輸入端，復(fù)位/掉電時部RAM的備用電源輸入端。ALE（30

23、腳），地址鎖存允許/編程脈沖輸入，用ALE鎖存從P0口輸出的低8位地址。在對片EPROM編程時，編程脈沖由此輸入。PSEN（29腳），外部程序存儲器讀選通信號，低電平有效。 EA（31腳）,訪問外部存儲器允許/編程電壓輸入。EA為高電平時，訪問部存儲器；低電平時，訪問外部存儲器。 多功能I/O口引腳8051單片機設(shè)有4個雙向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一組I/O口線都可以獨立地用作輸入或輸出口，其中：P0口（3239腳）雙向口（三態(tài)），可作為輸入/輸出口，可驅(qū)動8個LSTTL門電路。實際應(yīng)用中常作為分時使用的地址/數(shù)據(jù)總線口，對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器尋址時低8位地址與數(shù)據(jù)總線分時使用P

24、0口：先送低8位地址信號到P0口，由地址鎖存信號ALE的下降沿將地址信號鎖存到地址鎖存器后，再作為數(shù)據(jù)總線的口線對數(shù)據(jù)進行輸入或輸出。 P1口（18腳）準雙向口（三態(tài)），可驅(qū)動4個LSTTL門電路。用作輸入線時，口鎖存器必須由單片機先寫入“1”，每一位都可編程為輸入或輸出線。 P2口（2128）準雙向口（三態(tài)），可驅(qū)動4個LSTTL門電路?？勺鳛檩斎?輸出口，實際應(yīng)用中一般作為地址總線的高8位，與P0口一起組成16位地址總線，用于對外部存儲器的接口電路進行尋址。 P3口（1017腳）準雙向口（三態(tài)），可驅(qū)動4個LSTTL門電路。雙功能口，作為第一功能使用時，與P1口一樣；作為第二功能使用時，每

25、一位都有特定用途，其特殊用途如表3.1所示：表3.1 P3口第二用途端口引腳第二功能注 釋P3.0RXD串行口數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2/INT0外中斷請求0P3.3/INT1外中斷請求1P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)信號輸入P3.5T1定時/計數(shù)器1外部計數(shù)信號輸入P3.6/WR外部RAM寫選通信號輸出P3.7/RD外部RAM讀選通信號輸出3.2.2 最小系統(tǒng)電路STC89C52的最小系統(tǒng)如圖3-3所示，整個最小系統(tǒng)由三個部分組成，晶振電路部分、復(fù)位電路部分、電源電路等三個部分組成。晶振電路包括2個30pF的電容C2和C3，以與12M的晶振X1。電容的作用在這里是起

26、振作用，幫助晶振更容易的起振，取值圍是15-33pF。晶振的取值也可以是24M，晶振的取值越高，單片機的執(zhí)行速度越快。在進行電路設(shè)計的時候，晶振部分越靠近單片機越好。單片機復(fù)位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在使用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕電腦部的程序從頭開始執(zhí)行。單片機也一樣，當單片機系統(tǒng)在運行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復(fù)位按鈕部的程序自動從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路由10uF的極性電容C1和10K的電阻R4構(gòu)成。利用電容電壓不能突變的性質(zhì),可以知道,當系統(tǒng)一上電，RESET腳將會出現(xiàn)高電平，并且這個高電平持續(xù)的時間由電路的RC值來決定。典型的51單片機當RESET腳的高電平持續(xù)兩個機

27、器周期以上就將復(fù)位，所以適當組合RC的取值就可以保證可靠的復(fù)位。在電路圖中，電容的的大小是10uF，電阻的大小是10k。所以根據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍（單片機的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V），需要的時間是10K10UF=0.1S。也就是說在電腦啟動的0.1S，電容兩端的電壓時在0-3.5V增加，這個時候RESET引腳所接收到的電壓是5V-1.5V。在5V正常工作的51單片機中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機0.1S，單片機系統(tǒng)自動復(fù)位（RESET引腳接收到的高電平信號時間為0.1S左右）。最后一個是電源部分，

28、采用5V的USB直接供電，可采用手機充電器、電腦USB口、移動電源等設(shè)備進行供電。此外，除了單片機最小系統(tǒng)的3個部分之外，這里還多了一些外部電路。由于STC89C52的P0口是漏極開路輸出，因此在P0口接了一個10K的排阻R1，使得P0口可以作為普通的I/O口使用，本設(shè)計用P0口來做液晶的數(shù)據(jù)口。特別注意的是，對于31腳(EA),當接高電平時,單片機在復(fù)位后從部ROM的0000H開始執(zhí)行；當接低電平時,復(fù)位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。由于我們的程序存儲在了單片機部，所以EA要接高電平，保證單片機是從部讀取程序去執(zhí)行的。圖3-3 單片機最小系統(tǒng)3.3 HC-SR04模塊3.3.1 H

29、C-SR04簡介超聲波模塊采用現(xiàn)成的超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎?IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號;模塊自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S)/2。實物如下圖4。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。圖4 超聲波模

30、塊實物圖超聲波探測模塊HC-SR04的使用方法如下：IO口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動測量；模塊自動發(fā)送8個40Khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口Echo輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，測試距離=（高電平時間*340）/ 2，單位為m。程序中測試功能主要由兩個函數(shù)完成。 實現(xiàn)中采用定時器0進行定時測量，8分頻，TCNTT0預(yù)設(shè)值0XCE，當timer0溢出中斷發(fā)生2500次時為125ms，計算公式為（單位：ms）：T = （定時器0溢出次數(shù) * （0XFF - 0XCE）/ 1000 其中定時器0初值計算依據(jù)分頻不同而有差

31、異。3.3.2 超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為20000赫茲)時，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽覺圍如圖5所示。圖5 人的聽覺圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當射線透過一種物質(zhì)進入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。（2）吸收特性聲波在各種介質(zhì)中

32、傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。（3）超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強大得多的功率。為什么有這么強大的功率呢?因為當聲波進入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平

33、方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性當聲波進入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。3.3.3 超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探

34、頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不一樣，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效

35、。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率圍為：20Hz20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340ms，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高

36、頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多種超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，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一樣，因而用途也各不一樣。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。圖6 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 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)生器部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加

37、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，這時它就成為超聲波接收器了。如圖6所示。超聲波傳感器原理市面上常見的超聲波傳感器多為開放型，其部結(jié)構(gòu)如圖7所示，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是由諧振器以與一個金屬片和一個壓電瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。當電壓作用于壓電瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，

38、當振動壓電瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電瓷或一片壓電瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔茫憧梢詫弘姶捎米鞒暡▊鞲衅?。圖7 超聲波部結(jié)構(gòu)超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體與固體中傳播，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。超聲波的基本特性如下所述：波長波的傳播速度是用頻率乘以波長來表示。電磁波的傳播速度是3108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢

39、，約為344m/s (20時)。在這種比較低的傳播速度下，波長很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進行測量時獲得很高的精確度。反射要探測某個物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎100的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測到它們。同時，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測到凹凸表面以與斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。溫度效應(yīng)聲波傳播的速度“c”可以用下列公式

40、表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中，t=溫度 ()也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測量與某個物體之間的距離時，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室外溫差較大，對超聲波測距的精度影響很大，此時可用18B20作溫度補償來減小溫度變化所帶來的測量誤差，考慮到本設(shè)計的測試環(huán)境是在室，而且超聲波主要是用于測距功能，對測量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。4. 衰減傳播到空氣中的超聲波強度隨距離的變化成比例地減弱，這是因為衍射現(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴散損失，也是因為介質(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖8所示，超聲波的頻率

41、越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。圖8 聲壓在不同距離下的衰減特性5聲壓特性聲壓級 (S.P.L.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”為有效聲壓 (bar)，“Pre”為參考聲壓 (210-4bar)如圖6所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。圖9 超聲波傳感器的聲壓圖6靈敏度特性靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示。靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產(chǎn)生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(bar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影

42、響著系統(tǒng)測距圍，如圖7所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn)40KHz時傳感器的聲壓級最高，也就是說40KHz時所對應(yīng)的靈敏度最高。圖10 超聲波傳感器靈敏度示意圖7輻射特性把超聲波傳感器安裝在臺面上。然后，測量角度與聲壓 (靈敏度) 之間的關(guān)系。為了準確地表達輻射，與前部相對比，聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖11所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。圖11 超聲波傳感器輻射特性示意圖分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在40KHz圍具有最大的聲壓級和最高的靈敏度。測距分析超聲

43、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：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。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)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于

44、超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖12所示：超聲波發(fā)射 障礙物S H 超聲波接收圖12 超聲波的測距原理 （3-1） （3-2）式中:L兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 3-3)式中:v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超聲波的傳播速度v在

45、一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=349m/s);當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(34)變?yōu)? ( 3-5) 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.3.4 顯示電路3.4.1 數(shù)碼管簡介數(shù)碼管是一種半導(dǎo)體發(fā)光器件，其基本單元是發(fā)光二極管。數(shù)碼管按段數(shù)分為七段數(shù)碼管和八段數(shù)碼管，八段數(shù)碼管比七段數(shù)碼管多一個 HYPERLINK :/baike.baidu /view/84213.htm t _blank 發(fā)光二極管單元（多一個小數(shù)點顯示）；按能顯示多少個“8”可分為1位、2位、4位等等數(shù)碼管； 按發(fā)光二極管單元連接方式分為共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管

46、。共陽數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陽極接到一起形成公共陽極(COM)的數(shù)碼管，共陽數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到+5V，當某一字段發(fā)光二極管的陰極為低電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陰極為高電平時，相應(yīng)字段就不亮。共陰數(shù)碼管是指將所有發(fā)光二極管的陰極接到一起形成公共陰極(COM)的數(shù)碼管，共陰數(shù)碼管在應(yīng)用時應(yīng)將公共極COM接到地線GND上，當某一字段發(fā)光二極管的陽極為高電平時，相應(yīng)字段就點亮，當某一字段的陽極為低電平時，相應(yīng)字段就不亮。數(shù)碼管概述圖5：數(shù)碼管數(shù)碼顯示器是一種由LED發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件，它使用了8個Led發(fā)光二極管，其中七個用于顯示字符，一個顯示小數(shù)點，所以

47、通稱為七段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。4位一體數(shù)碼管，其部段已連接好，引腳如圖所示（數(shù)碼管的正面朝自己，小數(shù)點在下方）。a、b、c、d、e、f、g、dp為段引腳，S1、S2、S3、S4分別表示四個數(shù)碼管的位。3.4.2 數(shù)碼管顯示模塊電路本模塊的電路的連接圖如圖3所示，R8為1k上拉電阻，為共陰數(shù)碼提供電流，A-G,DP連接的是單片機的P0口，S1-S4為位選,連接單片機的P2口。圖 模塊連接圖3.4.3 按鍵模塊電路通過K1，K2，K3鍵來設(shè)置報警距離的門限值。3.4.4 報警模塊電路 采用9012PNP三極管來驅(qū)動報警電路，當三極管的基極為低電平時，三極管導(dǎo)通，電流流過蜂鳴器，這樣來實現(xiàn)報警。第

48、4章 軟件設(shè)計4.1 程序語言與開發(fā)環(huán)境 C語言是一種計算機程序設(shè)計語言，它既具有高級語言的特點，又具有匯編語言的特點。它由美國貝爾實驗室的Dennis M. Ritchie于1972年推出，1978年后，C語言已先后被移植到大、中、小與微型機上，它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程序設(shè)計語言，編寫不依賴計算機硬件的應(yīng)用程序。它的應(yīng)用圍廣泛，具備很強的數(shù)據(jù)處理能力，不僅僅是在軟件開發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語言，適于編寫系統(tǒng)軟件、三維、二維圖形和動畫，具體應(yīng)用例如單片機以與嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機

49、C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境將這些部分組合在一起。運行Keil軟件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系統(tǒng)。如果你使用C語言編程，那么Keil幾乎就是你的不二之選，即使不使用C語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。4.2 程序流程圖設(shè)計4.2.1 超聲波模塊程序流程圖設(shè)計圖4-1 超聲波模塊程序流程圖4.2.2 主程序流程圖設(shè)計系統(tǒng)初始化報警

50、結(jié)束測得距離與設(shè)定值比較，小于距離比較，報警是否持續(xù)開始啟動報警電路開始報警再次檢測等待下次報警結(jié)束YNNYYN第5章 硬件組裝與調(diào)試5.1 元器件的選擇與測量本次設(shè)計的元器件主要有：STC89C52單片機、晶振、電阻、電容、按鍵、開關(guān)、電源座、數(shù)碼管等。這些元器件的引腳需要我們認真查找資料，了解每個器件的特性再進行焊接。這些元器件直接根據(jù)型號到電子元器件市場就很容易買到。其中焊接時要注意元件正負極性，電阻電容大小、芯片引腳順序等細節(jié)。一般電阻的大小可以通過色環(huán)讀取，或直接用萬用表進行測量；電容和晶振等的大小會標準在元件本身；元件的正負可以遵循長正短負的原則，一些特殊元件可以通過查找資料獲知正

51、負極。5.2 元件的焊接與組裝組裝電路通常采用焊接和在面包板上插接兩種方法，無論采用哪種方法均應(yīng)注意以下幾方面。 (1)所有元器件在組裝前應(yīng)盡可能全部測試一遍，以保證所用元器件均合格。 (2)所有集成電路的組裝方向要保持一致，以便于正確進行焊接合理安排布線。 (3)分立元件時應(yīng)仔細辨明器件的正反向，標志應(yīng)處于比較容易觀察的位置方便檢查和調(diào)試。對于有正負極性的元件，例如電解電容器、晶體二極管等，組裝時一定要特別注意極性，否則將會造成實驗失敗。 (4)為了便于焊接查線以與后期的檢查電路，可根據(jù)電路中接線的不同作用選擇不同顏色的導(dǎo)線。一般習(xí)慣是正電源用紅色線、負電源用藍色線、地線用黑色線、信號線用黃

52、色線等。當然使用一種顏色也是可以的。 (5) 在實際焊接中連線需要盡量做到排版簡潔連線方便。連線不跨接集成電路芯片上，必須從其周圍通過。同時應(yīng)盡可能做到連線不相互穿插重疊、盡量不從電路中元器件上方通過。 (6)為使電路能夠正常工作與調(diào)測，所有地線必須連接在一起，形成一個公共參考點。 正確的組裝方法和合理的布局，不僅可使電路整齊美觀、工作可靠，而且便于檢查、調(diào)試和排除故障。如果能在組裝前先擬訂出組裝草圖，則可獲得事半功倍之效果，使組裝既快又好。5.3 電路的調(diào)試調(diào)試是指系統(tǒng)的調(diào)整、改進與測試。測試是在電路組裝后對電路的參數(shù)與工作狀態(tài)進行測量，調(diào)整則是在測試的基礎(chǔ)上對電路的某些參數(shù)進行修正，使?jié)M足

53、設(shè)計要求。在進行調(diào)試前應(yīng)擬訂出測試項目、測試步驟、調(diào)試方法和所用儀器等，做到心中有數(shù)，保證調(diào)試工作圓滿完成。5.3.1 調(diào)試方法調(diào)試方法原則有兩種。第一種是邊安裝邊調(diào)試的方法。它是把復(fù)雜的電路按原理框圖上的功能分成單元進行安裝和調(diào)試，在單元調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴大安裝和調(diào)試的圍，最后完成整機調(diào)試。這種方法在新設(shè)計的電路中比較常用。第二種方法是在整個電路系統(tǒng)全部焊接完畢后，實行一次性調(diào)試。這種方法比較適用于電路相對來說比較簡單，系統(tǒng)不復(fù)雜的電路調(diào)試。5.3.2 調(diào)試步驟（1）通電前檢查 電路焊接完畢后, 不要急于通電，首先要根據(jù)原理電路認真對照檢查電路中的接接線是否正確，包括錯線（連線一端正確、另一

54、端錯誤），少線（安裝時漏掉的線），多線（連線的兩端在電路圖上都是不存在的）和短路（特別是間距很小的引腳與焊點間），并且還要檢查每個元件引腳的使用端數(shù)是否與圖紙相符。查線時最好用指針式萬用表“1”檔進行檢查, 或是用數(shù)字萬用表“”檔的蜂鳴器來測量，而且要盡可能直接測量元器件引腳，這樣同時可以發(fā)現(xiàn)接觸不良的地方。 （2）通電觀察 在電路安裝沒有錯誤的情況下接通電源（先關(guān)斷電源開關(guān)，待接通電源連線之后再打開電路的電源開關(guān)）。但接通電源后不要立即進行電路功能的測試，首先要充觀察整個電路有無異常現(xiàn)象，電路中元器件是否有發(fā)熱燒壞等現(xiàn)象，是否有漏電現(xiàn)象，電源是否有短路和開路現(xiàn)象等。如果電路在測試過程中出現(xiàn)異常，首先應(yīng)該立即關(guān)閉電源，檢查后排除故障再重新通電測試。然后再按要求測量各元器件引腳電源的電壓，而不只是測量各路總電源電壓，以保證元器件正常工作。 （3）單元電路調(diào)試 在調(diào)試單元電路時應(yīng)明確本部