超声波测距系统设计方案

第 1页 共 35页 超声波测距系统 设计方案 超声波测距系统作为一种经典的非接触式测量技术，包含了电子，材料，物理等学科的知识理论，其应用领域也十分的广泛。 超声波作为声波的一种，有着和声波同样的性质：它的产生来源于振动，另外，在不同物体中的传的速度也是不一样的。超声波测距传感器在粉尘多，光线暗或有其他电磁干扰的情况下，性能几乎不受影响，所以，现代社会中，许多地方都可以用到。例如：建筑施工测量，智能机器人，汽车倒车雷达，油箱液位测量等。 1 1 系统设计背景 在过去许多科学家的研究基础之上，我们已经知道用许多种不同的方法来测距，不再局限于传统的简单的接触式测量器具，我们今天的电子技术正以飞一般的速度向前推动着大量非接触式测距仪的发展。近几十年以来，关于非接触式测量系统的研究包含以下几类：激光，微波，红外线及超声波。这其中，激光的测量精度较高，但其有个很大的缺点，就是极易受到周围环境的影响，而且激光测距系统后期的检测和维护成本较高，所以会产生较高的费用，很难推广到日常生活和工作中去，一般用于高端专业领域，如军事类。而对于微波雷达测距来说，电路部分的制作成本就非常之 高，也只用于专业领域，如军事和工业类。红外线测距虽然造价便宜，但其不能达到高精度，且方向性不好。另外，红外线传播速度为 3 108米 /秒，速度之快，相较于超声波在普通情况下的速度来说，红外线是超声波的八十多万倍。因此，利用超声波测距能大大增加时间（同样的距离下），使得测量更容易，误差更小。 超声波测距系统的优势在于： (1)可以用于空气中，液面下和固体内等传播介质中测量，应用灵活； (2)不易受光影响，在黑暗及烟雾环境下都可使用，不易受电磁场影响，使人可以远离这些恶劣工作环境； (3)制作起来不复杂，该成品预计价格不贵，而且体积不大，还非常容易集成； 由于超声波测距系统具有以上这些特点而被广泛的应用。随着现代电子技术的发展，超声波测距技术在汽车制作，国防安全，工业制造及日常生活中都随处可见。目前的系统主要采用单片机微核心，结合温度补偿电路等模块组成，由于计时的精确度和电路的 第 2页 共 35页 影响，现有超声波的测量区间大致在 到 20 米之内，误差为毫米级，存在几十厘米的盲区。综上，超声波测距系统应用广泛，为了满足未来技术参数的精度需求，我们需要在高精度方向做出深入研究，解决这个技术难题以面对更加高 的市场需求 ,因此这项技术的研究将有重大的意义。 1 2 国内外研究现状 首先，从国外来看，最先的研究记录是 18世纪 70年代的科学家高尔顿所做的气哨实验，这是我们人们有史以来的第一次通过实验产生的高频声波，后来的 30 年内，超声波的概念仍旧很少有人知道，再加上那时的技术方面的达不到要求，对超声波的研究产生了难以逾越的鸿沟。直到第一次世界大战爆发，期间关于超声波的研究渐渐地被人们所看重。一个叫做朗之万的德国科学家用了晶体传感器对超声波进行发射和接收，这项研究是在水下进行的，且只能接频率相对较低的超声波。这项研究可 以用来进行水下通讯，另外，也可用于检测水下物体，如水下潜艇，用于军事领域。 而后，超声波的应用领域的研究也在逐渐扩大，到了 1928 年， 先提出了关于超声波探伤的研究，即利用超声波的特性来检查金属器件是否存在裂痕或者缺损。又过了两年，另外一个科学家穆尔豪瑟获取了一个德国专利，这个专利是针对超声波检查方法的，这让我们又看到超声波的研究进了一步。 1935年， 细的介绍了他的研究结果。就是在液体的实验槽里进行穿透测试，并记录了穿过实验物的超声能量。因为在液体之中实验会很容 易得观察到波纹。德国的贝格曼在他的书超声波中，比较完整的介绍了大量的超声波的资料。这是早期的比较系统的资料之一，一直被奉为经典。 关于探伤仪的研究，最早出现于 论文中。这是超声波的应用最广的一面。根据此研究基础，衍生出大量超声波仪器，目前，超声波在无损检测中发挥出无与伦比的作用。 从国内来看，目前超声波在测试方面的研究成果比较多。如国内的测试研究所就在超声波测距方向做出了较为系统的研究并发表了诸多相关论著。这些论著详细的说明了超声波测距的原理。还留下诸多相关实验的数据结论 ，如，超声波的传播速度（即声速）的影响因素有哪些，波的特性在传播过程中对测距系统的影响分析。详细可见于国家测试研究所超声波原理及实践技术，作者李冒山。 第 3页 共 35页 厦大的同峰教授提出了一种针对高精度测距的改进方法。根据他的结论，测距之所以有误差，是由于对回波的脉冲检验方式有问题。他根据实验，验证了回波的包络方程，给出了软硬件的设计方案。在智能机器人研究领域，超声波测距也有不可缺少的作用。一个高精度的超声波测距系统不仅能准确的引导机器人的行动，而且还能迅速的反馈周围的环境状况，为机器人完成各种复杂工作提供必要的辅助。 我国的超声波测距技术已经趋于成熟，但与发达国家相比，在精度方面还是差一大截，我们想要进入现代化的建设中去，就要提高速度和效率，而这些都是建立在高科技水平，高质量的仪器之上的，所以我们还需加强研究，使得精度达到未来的需求，从而为工业的发展做出贡献。通过长时间的研究和发展，超声波测距不仅仅是单一的技术了。而且不断加入各个其他的领域的知识，结合了人类智慧的结晶。渐渐形成一个深入、实用、值得探讨的专业的研究方向。 通过查询相关资料了解到，我们国家使用的大多数高精度测距系统均来源于进口，这在很大程度上对我国的经济和 现代化的发展产生巨大的阻力，因此，我们需要增加在超声波测距系统的研究经费，使我国的测距装置不仅能满足自己本国的需要，还能出口到国外。 第 4页 共 35页 超声波测距原理和方案 超声波测距的基本理论 超声波简介 所谓超声波，跟普通声波的区别是频率范围不同。物理学上将它规定为频率在20000赫兹以上的波。它具有很好的方向性，并且有着非同一般的穿透力。属于比较容易获取的声能中的一种。超声波的使用范围也是很广的，比如：测量，测量又分为速度的测量和距离的测量；各种需要杀灭细菌的环境；超声波的能量还可用于破碎物体，用于分割等。因此不难看出，超声波的应用领域不受限制，即可用于军事也可用于日常生活，对工农业和医疗业也有着巨大作用。说道超声波的命名来源，顾名思义，超过声音的波，人类的听力是无法接收如此高频率的波的。虽然如此，但其本 质还是声波，因此能满足声波的各种特性，也就是说，声波的规律对于超声波也完全适用。 声波是一种传递了物体运动的能量，比如，桌子被拍打，桌面就会产生上下运动，从而传播声音。声波的特性很多，首先，声音在同一环境下的传播速度是一个定值。其次，遇到障碍后一部分声波会被反弹回来。第三，声波传出去以后，距离越大，衰减也就越大。最后，也是最重要的一点，超声波传播的方向是直的，这就使得超声波用于测距有了一个很好的基础条件。 超声波与传播介质的关系 当超声波在通过几种不同的媒介时 ,在这两个介质交界的地方会发生折射和反射两种现象。根据物理的反射、折射等定律可知，波的传播遵守如图 2 第一介质 第二介质 入射波 折射横 波 折射纵 波 反射横 波 反射纵 波 图 2声波的反射、折射规律 第 5页 共 35页 超声波沿 （ 2 （ 2 其中， A(x)代表超声波的振幅（质点位移的大小）、代表角频率、 t 代表时间、k=2 /代表波数，代表波长，代表衰减的系数。且有如下关系： （ 2 上式中 超声波的衰减，波在传播当中，由于外界因素的影响，其具有的能会逐渐减小。造成其减小的原因主要有波的发散、散射等。 其衰减的规律可由以下公式表示： （ 2 （ 2 其中， x=0 时候的声压， x=0 出的声强。 代表系数，单位是：奈培 / 其衰减与距离的关系如表 2 表 2波衰减与距离的关系表 L(1 2 5 10 20 40 80 160 200 幅值（ 141 112 86 74 52 41 31 8 3 经研究证明，在介质中，声音传播速度会受到环境温度的影响。通常，超声波在空气中的向各个方向传的速度约为 340 m/s 。温度变高后，一般情况下速度也会加快，这两者间的关系如表 2示： 表 2速与温度关系 温度（） 20 10 20 30 100 波速（ m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386 用公式可表示为： （ 2 其中， 第 6页 共 35页 超声波换能器简介 超声波传感器，别名超声波换能器，是超声波测距系统里不可或缺的一个重要元件。它的主要作用是完成电能和声能的相互转换。 超声波传感器的种类多样化，可分为压电、电磁、磁滞、电动等几类。 以上分类依据是基于实现超声波的传感器声能和电能转换的物理方式。有一些特殊的材料在接受一定压力是会在其内部产生一个电场，这就是我们通常所说的压电效应，而能达到这种效应的材料就是作为超声波传感器的核心部件。 超声波测距系统总体设计 超声波测距的具体方式有多种，可以采取检测相位的方式，也可以采取检测幅值的方式，最普遍的度量时间的方式。 具体来说就是，当声波发射出去后，一旦遇到阻挡物就会被反弹回来，我们知道，超声波在空气中相同温度下是的速度是一个定值，所以距离的计算很简单了，只要得到发出和接收到的时间差值， 和通过查询表格就能算出距离。具体计算公式如下： （ 2 其中， 该测距的原理可简单的表示为图 2 图 2声波测距原理图 系统框图如图 2示： 第 7页 共 35页 图 2统框图 系统工作总流程说明： 首先 ,系统初始化完成后，测温电路开始工作， 片开始采集环境温度并将最后采集到的数据送入单片机。 ，该信号经超声波发射驱动电路的处理后输送到超声波的发射探头。 当信号到达被测目标后，立即被反射回来，而超声波接收探头将接收到的回波信号经行适当的放大。经过一级放大的信号分两路同时输送到双比较器整形电路中去，如图的 即为双比较器整形电路的两个比较器。其中一路信号经过 后再次放大，通过双比较器整形电路的 外一路信号直接进入双比较器整形电路的 双比较器设置了不同的阈值， A 比较器用于测量远距离的信号， B 比较器用于测量近距离的信号，因此不符合的信号会被完全屏蔽掉，系统的精度得到非常大的提升。单片机收 到回波信号后立即经行中断处理，获取时间差值，即可计算出测量的最后结果。测温电路 发射驱动电路 T 一级放大电路 二级放大电路 比较器B 比较器A 第 8页 共 35页 该测量结果由显示电路输出，该显示模块主要由 74个 用了动态显示的方法，占用的 I/分发挥了软件作用。具体电路及芯片选型将在下一章详述。 第 9页 共 35页 硬件设计 硬件的选型 主控单片机的选型 本系统中，单片机主要用于控制超声波的发射和接收，与此同时，还要进行准确的时间的记录，也就是说需要在发送的同时启动计时器，并且在接收到回波的时候立刻停止计时并将时间长度值返回，用于计算目标距离。 其次，超声波还要负责控制其他外围电路，比如，本设计中的温度补偿电路采用了一块收发温度信号的芯片，由单片机控制，将环境温度采集后进行查温度与速度表，用于确定当前环境下具体温度，最终目的是获取当前环境的声波的准确传播速度，使得测距结果更加准确。 此外，单片机还需要负责控制显示电路，将测量出的距离的结果通过 过研究，选用 有着低电压的特点。是一个八位的高性能 片 ,片内有8K 只读程序存储器 ,该存储器可以多次的写入和删除数据 ,反复使用的次数高达一千次。拥有可编程的 些特点表明 用的灵活性很高。 0个引脚，充足的 32个可编程双向 I/该超声波测距系统中，这样多的双向 I/O 口可以使所有需要的外设电路方便的与单片机连接起来，还有3 个 16 位定时 /计数器。详细来说， ： 8 位漏极的开路双向输入 /输出口，作为输出口时，每位可以驱动 8个 别地， 数据口时内部没有上拉电阻 ，使用时需要外接上拉电阻。不同于 输出口，缓冲器输出能驱动 4个 表 3二功能说明表 引脚号 第二功能 2（定时器 /计数器 时钟输出 2时器 /计数器 重载触发信号和方向控制） 第 10页 共 35页 续表 3 引脚号 第二功能 行输入口 ) 行输出口 ) 中断 0) 中断 1） 0 (定时 /计数器 0) 1(定时 /计数器 1) R(外部数据存储器写选通 ) D（外部数据存储器读选通） 实物图片如图 3 图 3 超声波传感器的选型 本设计中选用的是型号为 T/体参数如表 3 表 3（ 发射声压最小电平（ 接收最小灵敏度 (最小宽带 (电容 射 接收 T/0 1 115 25% 该超声波换能器分为发出超声波的部分和接收超声波的部分，电磁的振荡被发射端发出，接着转换为超声波然后发送到外界。收到的超声波被接收器进行一定的处理，将声音和电这两种能量进行转换，最后使得接收到的信号变为电脉冲信号。其中 T 为发出端， R 为接收端，它们一般是在同一系统中共存。 第 11页 共 35页 工作原理简单总结如下，在输入 40频率下，压电陶瓷、谐振片会被转变成机械的振动，接着就把超声的这个信号的振动发到外界去。被发出的超声波向空中各个方向不断传播，碰到物体后就立刻被反射回来。接收端随即收到回来的这部分超声波，对内部的谐振片产生一个谐振，将接收的声波转换为电脉冲信号，接着将转换后的信号输入到放大电路中，然后输出最终信号。 其频率特性为图 3示： (a) 声压能级曲线 (b)灵敏度曲线 图 3从图中很容易看出，它的声压性能大约在 40最优，灵敏度也同样。因此该测距系统选用该频率作为传感器的工作频率。 图 3T/ 第 12页 共 35页 温度传感器的选型 本设计采用 线数字温度传感器作为测量和向单片机输入环境温度数据的核心元件。 位数字信息反映温度值的一个器件，通过一个单线口既可以用来接收也可以用来发送数据到单片机，因此，该芯片使用时只需和单片机用一根连接线即可以达到读取和传送温度值的目的，由于电源和信号是复合起来的，所以不需要另外加一个外界的电源就可以工作。 跟总线”的有三个接口的测量和传递温度的传感器，该优点可以灵活组建电路，而且更加经济，占用的体积更小。且每个持物联网的寻址， 图 3脚图 图 3 第 13页 共 35页 引脚说明如表 3 表 316脚 号 说明 9 1 地 8 2 据输入 /输出脚。对于单线操作：漏极开路 7 3 选的 注：上表中没有提到的引脚均为空脚，没有连接。 模块电路的设计 电路原理图如图 3 图 3 于接串口通信电路， 于接双比较整形电路的 2路输入信号， 12 14页 共 35页 发送 40 外 电源模块产生， 时钟电路，本设计中，由于测距系统需要采集超声波发送和接收的时间差，需要计时，故选用 12 晶振，这样分频后就是整数， 能使计时更加精确。此外， 单片机需要复位时按下开关 部复位电路产生 2机周以上的高电平，是单片机完成复位。 电源电路的设计 由于该系统需要用到 5V 的电源，为了保证系统的正常运行，设计如下电路，电路原理图如图 3 图 3源电路原理图 该电路主要作用是通过将 220V 的交流电变为稳定的 5V 直流电，用于系统的供电。主要步骤如表 3 表 3准电源电路工作流程 名称 作用 降压 通过变压器将 220V 整流 将得到的 9V 电源通过整流桥，将交流电变成直流电，这样做的好处是：即使粗心电源接反，也不用担心单片机会被烧毁 稳压 通过三端正稳压电路 7805将电源稳压成 5V 直流电源提供给系统使用 滤波 7805左边两个是降压后的电源滤波电容，大电容旁边并联一个小电容的目的是降低 20V 95 15页 共 35页 续表 3 滤波 高频内阻，大的电解电容等效电感较大，小电容提供一个小内阻的高频通道，降低电源的全频带内阻。右边电容是 5直流稳压电源的工作流程如图 3 图 3流稳压电源工作流程图 通过以上步骤即可以得到系统所需的稳定的 5伏直流电源，最后在该电源电路中并联了一个二极管，以便于观察系统的运行状态。 发射电路的设计 超声波的发射器利用主要是利用超声波发射探头的压电晶体振动从而带动周围空气振动来工作。 超声波发射包括两部分的内容：首先是超声波的发射电路，本设计中选用 4069 非门组成，当输入口输入的信号为高时，经过反相器变为低电平；当输入口输入信号为低时，经过反相器后变为高电平，这样就实现了振荡的信号，以此来对发射探头进行控制。其次是超声波发射控制电路，采用软件控制的方式，从单片机 发出 40方波信号，通过以上驱动电路来使超声波发射探头发射超声波。 电源变压器 整流电路 滤波电路 稳压 交流输入 负载 2 4 0 0 0 0 t t t t t 第 16页 共 35页 超声波的发射电路设计如图 3 图 3声波发射电路原理图 接收电路的设计 接收电路主要由三部分组成，用来接收反射回来的超声波信号，超声波换能器将超声信号转变为电信号，虽然完成了声电转换，但得到的这个信号并不能被单片机直接接收，需要通过一定的调理信号经行处理，先将回波信号经行一定的放大。然后，为了使反射回来的超声波更加稳定，需要设计一个时间增益补偿处理。最后，为了减小盲区，需要采用双比较器来对远近信号经行比较，接着就可以将处理过的回波信号传入单片机，得到测量距离。 回波接收及滤波放大电路 由于超声波在传递的过程中能量会衰减，因此，首先我们需要将接收探头接收到的信号进行一 定的放大，该放大电路的核心元件为 放器，这是一个性能较高而噪声较低的双运放器，而且该器件占用的信号和电源的带宽都不高，和大多数的普通运放相比显示出较高的性能。 1 17页 共 35页 本设计采用的放大电路如图 3 图 3波放大滤波电路原理图 通过选择合适的基准参考电压，该电路能较好的实现回波电路的放大要求，达到系统需求，在信号通过该电路后被放大和滤波，消除和过滤了因传播而造成的噪声和其他各种多余的信号干扰，使得信噪比达到最大，保证了测距结果的准确性。 时间增益补偿（）电路 超声波的传递一段时间后的衰减特征，即在空中传播时，声波的强度会根据传出的距离的变大而降低，这是由于多种因素造成。距离增的增加会导致回波信号的幅值衰减，并且衰减呈现指数规律。也就是说，近距离物体反射的回波幅度稍大，远距离物体反射的回波幅度略小。 因此，我们如果要提高测量的精度，就需要对这部分产生衰减的信号作增益补偿处理。本设计加入了有时间增益处理作用的放大器，这样一来，距离近的增益小，距离远的增益比较大。既可以使发射信号的余振幅度降低，也可以同时使持续时问变短。用这样的方法就能够辨别出近处的信号，盲区也就变小 了。除此之外，还能提高系统的精确度。根据以上系统要求，设计出如下电路。该电路主要通过数字电位器变化主化阻值来达到目的。 时间增益补偿电路原理图如图 3 V+5 18页 共 35页 图 3间增益补偿电路原理图 该电路中 片为一个数字电位器，有三十二级抽头。该数字电位器包含三线串行口实现阻值的调节，阻值为 50K。数字电位器的抽头位置由实验获得的与距离对应的放大增益换算而成，并将此位置参数写入程序存储器中。 系统工作时，单片机通过查表法取得相应的增益，接着通过串行设置不同阻值，从而实现增益作用。数字电位器由 单片机控制，实现起来相对容易，增益效果能按照电路实际要求来做出调整。 时间增益补偿电路效果如图 3 3V+5V+5V 第 19页 共 35页 图 3间增益补偿图 双比较器整形电路 该设计有两个超声波探头，一个用于接收超声波信号，另一个用于发射超声波信号，由于超声波的衍射特性，在测量的距离很近时，会有一个盲区。超声波发射探头发出的超声波角度在 360 度以下，而 0 度到 60度最为常见，因为两探头之间有外壳包围，故而超声波是不会直接进入接收器的。但由于声波特殊的性质，会有一部分声波没有经过发射到反射这个过程，而是直接进入接收端，这是接收端子无法分辨是否为反射信号，从而会导致错误测量。这是一中无法避免的误差源，因此需要设计一个双比较器整形电路，用于比较两段不同远近的回波信号。 实物测距系统的超 声波接收换能器和发射换能器的距离较近，当测量的距离较近时，反射信号的幅值衰减较小，比起衍射产生的波的幅值小很多。因此只要设定一个恰当的信号强度 距 离 回波幅值 距 离 补偿增益 距 离 回波幅值 距 离 （ a）信号强度与距离的关系 （ b）回波幅值与距离的关系 （ c） 补偿增益曲线 （ c） 补偿后的回波曲线 第 20页 共 35页 比较器临界值，就能达到屏蔽衍射波的目的，这时反射波就能与衍射波成功的区分开来。近距离比较器用来处理 3 距离的反射波，远距离比较器用来处理 50体电路如 3 图 3比较器整形电路原理图 总的来说，经发射回的超声信号首先通过 行首次放大，其中一路信号进入近距离比较器，经电路处理后进入单片机，这部分电路用 来处理近距离（ 3超声波信号。第二路进到时间增益补偿及放大电路中，用来处理远距离（ 50超声波信号。 温度补偿电路的设计 由第二章中表 2速与温度关系可以看出温度会造成超声波测距的精度降低。本设计使用数字温度计 最后通过查表法获得声音的速度。 在章节 有三个外接引脚 ,分别为 氏度到 +85 摄氏度之间的测温误差小于 氏度。 温度补偿电路的具体设计如图 3 0V+5 21页 共 35页 图 3度补偿电路原理图 显示电路的设计 显示数字普遍用到的电子元件为七段数码管，七段数码管的七个亮段表示一个数字“ 8”， 点亮不同亮段的组合就形成了数字 09。在许多的电子产品中都采用了常见的七段数码管来显示所需信息。 七个亮段实际上就是 7 个条形的发光二极管。按顺时针方向，这七个亮段分别称为 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g。 22页 共 35页 七段数码管如图 3示 :图 3段数码管示意图 七段数码管的亮段和普通的发光二极管一致，我们可以把这 7 个亮段之间当做 7个发光二极管来看待。按照其中 7 个发光二极管的接法的不同，可以将七段数码管分为共阳（共阳极）和共阴（共阴极）两种。顾名思义，所谓共阳极七段数码管意思就是将所有发光二极管的额阳极连在一体，而共阴极七段数码管的意思就是将所有发光二极管的负极连在一起，由于单片机的输出口不能够提供足够的电压使二极管发光，所以在本设计中采用了共阳极的数码管，将所用到的 4 个七段数码管的阳极并接到一起。 共阳极和共阳极的七段数码管示意图如下图 3示： 图 3阳极和共阳极七段数码管示意图 亮段 小数点 第 23页 共 35页 式如图 3 图 3码管数字显示图 从上图中我们很容易发现 ,若要求显示数字“ 1”，需要让 b、 c 两个发光二极管点亮；若要求显示数字“ 5”，需要让 a、 f、 g、 c、 数码管有不同的工作显示方式 ,分为静态和动态，这两种不同的显示方式有着各自不同的优缺点，需要根据系统的实际需要来决定用哪种方式。 静态显示要求数码管的所有段选端都要接上 8 位的数据线，以此来显示的字形码。字形码被送入数码管后，可一直保持不变，直到下个字形码替代原先的字形码。这样做的好处是不会长时间占用 且更加容易控制，但对硬件的要求会更高。 动态显示要求数码管的所有段选端并联在一起，具体用到的那位数码管的选择是由位选线控制的，采用动态扫描显示。 动态扫描的意思是：电路依次往各个数码管传送字形码、位选信号，由于发光管有余辉且肉眼有一个视觉暂留的效果，我们就会觉得所有的数码管是同时显示的。自然，动态显示的亮度不如静态显示那么亮， 其限流电阻的阻值比静态显示电路的值要小一点。结合实际考虑，本设计中选用了动态显示的方式。 基于以上理论基础，本设计的显示电路设计的具体方案为：由 输出的信号经过 74个数码管，数码管的位选分别接 I/0 口。 74的作用是驱动 芯片为 8路同相三态双向总线收发器，数据可以从 端，也可以从 端。另外，它还具有双向三态功能，可以同时输出和输入数据。当 片机的 总线负载大于等于 最大负载能力时 ，一般需要接入 74总线驱动器。片选端 /低电平有效。 0”，信号由 B 向 A 传输，即芯片为接收的作用。 1”，信号由 A 向 B 传输，即芯片为发送作用。 与 74入端相连 ,/接地，保证数据线畅通。位选信号由 第 24页 共 35页 具体电路如图 3 图 3示电路原理图 通讯电路的设计 计算机的功能比单片机更完善，单片机的计算能力受到硬件限制，很难完成复杂计算和数据的处理。利用计算机来控制和管理单片机，由计算机和单片机组成 的系统能实现更多拓展功能，所以我们很有必要设计单片机和计算机的通讯电路。 通信方式有两种，第一是并行通信，第二是串行通信，同样地，这两种通信方式各有其有点和缺点。 并行通信就是将需要传输的数据的每一位用不同的数据线同时传输过去。优点是容易控制且比串行的传送速度快很多。缺点是因为传输线非常多，如果需要长距离传送的话会用到许多路线，造成高额的成本，且给收发两方的设备都带来不小的挑战，并行通信如图 3 图 3行通信示意图 V+5应 答101011008 位 同 时 传 送 第 25页 共 35页 串行通信和并行通信不同的是，传输线只有一条，所有需要传输的数据逐位的 向目标设备输送。 串行通信的优点：用到的传输线少，长距离传送也只用一条线，与并行通信比起来便宜很多。而且可以直接通过电话线等现有的线路经行传送。缺点是数据传送控制起来较难，串行通信如图 3 图 3行通信示意图 串行通信 口是常用的串行接口标准， 1969 年被美国电子工业协会所修订，它明确了数据终端设备与数据通信设备的物理接口标准。 该标准的机械特性为： 口共有 25 个针连接器，另外还有具体尺寸规定，这 25个插针的位置如下图 3能如下表 3 图 3相关插针的功能如下表 3 表 3插针序号 信号名称 功能 信号方向 1 护接地 2（ 3） 送数据（串行输出） （ 2） 收数据（串行输入） 收设备发送设备8 位 顺 次 传 送D 0D 796512 51 41 31 第 26页 共 35页 续表 3针序号 信号名称 功能 信号方向 4（ 7） 求发送 （ 8） 许发送 （ 6） 据建立就绪） （ 5） 号接地 8（ 1） 波检测 0（ 4） 据终端准备就绪） 2（ 9） 铃指示 ：表中括号内的标号对应的是九针非标准型接口 从硬件条件来看，该设计的主控芯片为 芯片的通讯电路可以用到 在通讯系统中，上位机（计算机）为主机，下位机（单片机）为从机。单片机主要是对数据进行收集和控制电路，计算机主要是对单片机收集到的数据进行一系列计算和处理以及对单片机进行控制。串口通信是逐位传递数据的， 准接口简单，用到的线只有三根： 信距离在二十米以内。 单片机输出的 32 电平，也能将计算机发出的 232 电平变成单片机可以识别的 平。所谓 232 信号电平就是负10到正 10伏的信号，单片机 到正 5伏的信号。该 电路支持远距离通信和多个计算机直接的通讯，属于半双工型，并且不需要外界电源就可工作。 主要电路图如图 3 图 3讯电路原理图 V +5V +5V +5V+5口通信电缆线 子232 27页 共 35页 片机的 个异步接收发送端口 ,即 别为串行数据接收端和串行数据发送端。单片机到计算机的数据传送过程为：单片机 光电耦合器发送至 片的 ， 片将信号转换为计算机可接收的信号再通过 算机到单片机的数据传输过程为：计算机的 数据通过 口传到 片的 ，接着 信号转换为单片机可接收的信号，通过 输出，再经过一个光电耦合器，然后进入单片机的 。通过以上两种方式即可实现单片机和计算机的通讯，实现计算机与单片机的成功连接，这样计算机就能方便的获取单片机的数据，进行复杂的计算或者为调控单片机做好准备。 第 28页 共 35页 软件设计 主程序 在本设计中， 片机是整个系统的核心，需要通过它来控制各个子系统的运行，主程序流程图如图 4 图 4程序流程图 主程序的基本流程是：首先对单片机的时钟和外围电路进行初始化，接着，使用温度补偿电路来测量实际温度，并且代入温度计算公式中计算出该温度条件下的超声波传播的速度值。接着产生 40超声波信号，通过 片机的 输出并等开始 初始化 温度测量 启动定时器开始发射方波 是否收到回波 继续接收 400软件滤波查找峰值点计算距离 结束 是否超过 30 否 显示并上传测量结果 是 是 第 29页 共 35页 待接收回波。等经过接收电路处理过的回波被单片机接收后， 时记录下降沿产生的时间，经过软件计算找到峰值点作为接收到回波的时间，最后通过公式计算出测量结果。另外，还可通过串口将结果传递给计算机。 初始化子程序 系统工作时，软件部分首先 要进行初始化。 初始化包括时钟的设置，看门狗电路，各个输入 /输出口的功能分配，定时、中断的设置以及其他外围电路的初始化。外围电路的初始化包括：显示电路初始化、 度补偿电路初始化、 初始化子程序代码如下： # /器件配置文件 # /函数头文件 #Q /定义 # /宏定义 #i,c; ; ; S=0; 0; ; =0 /定义一个数组 =0 =0,0,0,0; t); 第 30页 共 35页 t); x); 温度测量子程序 测温子程序是为了控制 而完成采集温度并向单片机传递温度数据。该芯片的最高分辨率在 12 位，表 4示 片在该分辨率下的温度与二进制的关系。 本设计在程序部分用的方式是查表法，预先将不同温度下对应的声速通过公式（ 2算出来，并做成声速 /数据对应关系表。这样一来，系统测距时就不用逐次计算声速