毕业设计（论文）-基于单片机的超声波传测距系统设计.doc

i 摘要 单片微型计算机具有结构简单、控制功能强、重量轻等优点，在机械电子、 航空航天、冶金采矿以及家用电器等许多领域都得到了广泛的应用，发挥了巨 大的作用。超声波指向性强，能量耗损缓慢，在介质中传播的距离较远，因而 超声波经常用于距离的测量。利用超声波测距迅速、方便、计算简单、易于做 到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此得到广泛应用。 超声技术是一门各行各业都要使用的通用技术，它是通过超声波产生、传 播及接收的物理过程完成的。目前，超声波技术广泛应用于各个工业部门的超 声探测、超声焊接、超声检测和超声医疗方面。基于单片机的超声波测距系统 易实现，成本低，精确度高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性，可 实现 0.310 米的测量。在机器人领域，这种系统的装置大受机器人设计者的 欢迎且得到了广泛应用，为机器人的避障行走提供了可靠保障，大大提高了机 器人的灵活性和智能性。 关键词：关键词：超声波传感器，单片机，测距 ii abstract compared with other kinds of product, single-chip microcomputer is simple, small, light and easily controlled. it is used extensively in mechanical electron, aerospace, metallurgical mining technology, electric home appliances and such a lot of fields, so single-chip microcomputer has played huge role. orientation of ultrasonic is very good. when ultrasonic travels through air, it can go farther and energy consume slowly. for those many advantages, ultrasonic is used in distance measurement. this distance measurement is quick, nice and advanced. ultrasonic technology is a general technology that is used in commercial and professional fields. it is through ultrasonic production, propagate and reception. ultrasonic technology has been extensive application in the ultrasound of every industrial department survey, welding, detection and ultrasonic medical system. it easily realized. based on the ultrasonic system of range finding of single-chip microcomputer is low price, accuracy and easily controlled. in this measurement, ultrasonic wave can be reached 0.3-10m. in robot field, this kind of systematic installation is popular with designer of robot .it has gotten extensive and wise application. this treatment has offered reliable guarantee for robot avoid block walk. it also has raised intelligence and the flexibility of robot greatly. keywordskeywords： single chip microcomputer ，ultrasonic sensor ，distance measurement iii 绪论 人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感 觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。 为适应这种情况，就需要传感器 。因此可以说，传感器是人类五官的延长， 又称之为电五官。 新技术革命的到来，世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中，首 先要解决的就是要获取准确可靠的信息，而传感器是获取自然和生产领域中 信息的主要途径与手段。 在现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控 制生产过程中的各个参数，使设备工作在正常状态或最佳状态，并使产品达 到最好的质量。因此可以说，没有众多的优良的传感器，现代化生产也就失 去了基础。 1.1 研究背景研究背景 单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛地应用于各个领域。单片机 可以构成各种工业控制系统、数据采集系统，如数控机床、自动生产线控制、 电机控制、温度控制等。一些仪器仪表如智能仪器、医疗器械、数字示波器等 也用到单片机。计算机外部设备与智能接口如图形终端机、 传真机、复印机、 打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机，商用产品如自动售货机、电子收 款机、电子称，家用电器如微波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设 备等都离不开单片机。单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本 低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控 制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务，因而能获得最佳的性能价 格比；它抗干扰能力强，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作， 这是其它类型计算机无法比拟的；此外，可以方便地实现多机和分布式控制， 使整个控制系统的效率和可靠性大为提高。 在国内，单片机以其极其优越的特点受到人们高度重视，并取得了一系列 科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的 发展前景。近几年来，超大规模集成电路的出现，促使微型机算计向三个方向 发展：单片机、高性能微型机算计及专用微型机算计。单片机在微型机算计领 域中占据着十分重要的地位。如今，单片机的发展越来越迅速，国内外先进技 术不断涌现。目前，嵌入式数字信号处理器发展速度很快，和微控制器 mcu iv 结合在一起是近期单片机发展的一个方向。嵌入式系统一般指把单片机嵌入有 某种功能并有独立形态的系统中作为智能控制核心。它是计算，通信与消费结 合的产品，主要用于信号处理与控制，应用最多的是智能家用电器，是智能家 电产品的核心1 1.2 研究的意义研究的意义 在基础学科研究中，传感器 具有突出的地位。现代科学技术的发展， 进入了许多新领域：例如在宏观上要观察上千光年的茫茫宇宙，微观上要观 察小到 cm 的粒子世界，纵向上要观察长达数十万年的天体演化，短到 s 的瞬间反应。此外，还出现了对深化物质认识、开拓新能源、新材料等具有 重要作用的各种极端技术研究，如超高温、超低温、超高压、超高真空、 超强磁场、超弱磁砀等等。显然，要获取大量人类感官无法直接获取的信息， 没有相适应的传感器是不可能的。许多基础科学研究的障碍，首先就在于对 象信息的获取存在困难，而一些新机理和高灵敏度的检测传感器的出现，往 往会导致该领域内的突破。一些传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的 先驱。 1.3 应用应用现状现状 目前，超声波技术广泛应用于各个工业部门的超声探测、超声焊接、超声 检测和超声医疗方面。基于单片机的超声波测距系统易实现，成本低，精确度 高，并且容易做到实时控制，具备较强的实用性，可实现 0.310 米的测量。 在机器人领域，这种系统的装置大受机器人设计者的欢迎且得到了广泛应用， 为机器人的避障行走提供了可靠保障，大大提高了机器人的灵活性和智能性。 同时单片机正向 16 位和 32 位发展，并已取得很大成就，但从市场应用情 况来看，并不是高级阶段产品淘汰低级产品，它们都有着各自的应用领域。高 速应用场合选用 16 或 32 位单片机，低速应用场合仍选用 8 位单片机，也有用 4 位单片机的。mcs-51 与众多公司产品的兼容性，这就保证了 51 系列在 21 世 纪仍然具有技术的领先性。 1.4 课题的主要研究工作课题的主要研究工作 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的 计时。单片机选用 8051，便于编程。单片机通过计时并按一定的算法运算后将 所测物体的距离在八段数码管上显示出来。此外，对于超声波传感器还需设计 相应的辅助电路，将超声波调制脉冲变为电压信号，再经运算放大等一系列行 为，最终作为中断请求信号，送至单片机处理。 v 1 方案选择 无线液位传感器的设计与 主要突出的重点在于无线的实现，而无线的实 现的可供选择方法有以下几种：光电，超声波，压力。这几种方法我们必须 在设计之前选择出一个最简易的最高效的方法 1.1 光电传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信 号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引 起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用 来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位 移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感 器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中 获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是 ccd 图像传感器的诞 生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。光电池可以应用在光电检测 和自动控制方面，光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同， 但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压； 光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电 读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机 的熄火保护装置等。 1.2 超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振 动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它 具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向 传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的 固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射 形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应 用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波 和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器。 1.2.1 超声波探头的结构 vi 超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声 波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵 波）、斜探头（横波）、表 面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、 双探头（一个探头反射 、一个探头接收）等。 超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶 片的材料可以有许多种。 1.2.2 超声波传感器的主要性能指标 晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的， 我们使用前必须预先了解它的性能。 超声波传感器的主要性能指标包括 ： （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流 电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。 （2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波 探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。 医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。 （3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反 之，灵敏度低。 超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各 种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射 夹角较大的探头。 1.3 压力传感器 力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力 传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振 式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传 感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要 介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时，我们 必须知道一下电阻应变片这种元件。 电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。 它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属 电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔 状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应 变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应 变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受 力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后 续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路（通常是a/d 转换和 cpu ）显示或执行机构 。 1.4 方案的比较 现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量 vii 对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决 的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确 定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。 1、根据测量对象与测量环境确定传感器的类型 要进行个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需 要分析多方面的因素之后才能确定。因为，即使是测量同一物理量，也有多 种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测 量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位 置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法 ，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还 是自行研制。 2、灵敏度的选择 通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只 有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处 理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混 入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较 高的信噪比，尽量减少从外界引入的厂扰信号。 传感器的灵敏度是有方向性的。当被测量是单向量，而且对其方向性要 求较高，则应选择其它方向灵敏度小的传感器；如果被测量是多维向量，则 要求传感器的交叉灵敏度越小越好。 3、频率响应特性 传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围 内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有定延迟，希望延迟 时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受 到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的 频率较低。 在动态测量中，应根据信号的特点 (稳态、瞬态、随机等 )响应特性， 以免产生过火的误差。 4、线性范围 传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范 围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保 证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其 量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性 度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性 误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。 5、稳定性 传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传 感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因 此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。 在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择 合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。 传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标 定，以确定传感器的性能是否发生变化。 6、精度 viii 精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精 度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精 度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在 满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。 如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝 对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精 度等级能满足要求的传感器。根据方案设计的简易程度和设计的方便，以及现 代传感器的各种评判标准，本设计准备采用超声波传感器作为无线液位传感器 的中枢部分。 ix 2 无线液位传感器的硬件设计 在设计之前我们必须了解超声波传感器的构成， 超声波探头主要由压 电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作 探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、 表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、 一个探头接收）等 基本构造如图 2-1。 图 2-1 超声波传感器的 原理框图 框图中单片机为核心控制部分，根据设计的工作方式，产生40khz 方 波，经过驱动电路驱动超声波发生器发出一簇信号。单片机此时开始计时。 接收电路为谐振电路，将收到的微弱的回波信号检出，送信号放大器放大， 收到产生脉冲输出送单片机中断端，单片机收到中断信号后停止计时，计算 出距离值，保存等待读出或者直接进 uart送出。接收过程中，单片机定是 控制放大电路的增益，逐渐提高，以适应距离越远越弱的回波信号。 超声波发射器 放大电路超声波接收器 放大电路 锁相环 检波电路 定时器 单片机 控制显示器 图 2-2 超声波测距原理框图 单片机发出 40khz 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收 器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动 单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送数 码管显示。 下面分步介绍各个部分的电路原理。 x 2.1 超声波发射部分 由单片机产生的40khz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超 声波，发射驱动电路其实就是一个信放大电路，本设计选用的是74hc04集成芯 片，图2-3为发射电路图。 图 2-3 超声波发射电路 超声波发射电路的原理图如上所示。发射电路主要由反相器 74hc04 和超声 波换能器构成，单片机的端口输出 40khz 方波信号一路经一级反向器后送到超 声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电 极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端可以提高超声波的发 射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻一方面可 以提高反向器 74hc04 输出高电平的驱动能力；另一方面可以增加超声波换能器 的阻力效果，以缩短其自由振荡的时间。 2.2 超声波接收电路 超声波接收头接受到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必须 经过放大。本系统采用了 lm741 对接收到的信号进行放大，接收电路如图 2-4 所示。 xi 图2-4 超声波检测接收电路 超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一个正弦信号，起频率 为传感器的中心的中心频率，即40khz。该信号通过c1高通滤波后经lm741放 大，最后经过二极管整形后输出到单片机的中端口。lm741是以单运放集成 芯片。 2.3 at89c51 单片机介绍 89c51 单片机是现在市面上运用最多的单品级芯片之一，本设计也选用此 单片机作为控制部分的核心元件，图 2-5 是单片机封装图 图 2-5 51 单片机封装图 下面面是关于单片机个引脚的介绍 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每脚可吸收 8ttl 门电流。 当 p1 口的管脚第一次写 1 时，被定义为高阻输入。 p0 能够用于外部程序 数据存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原码输入口，当 fiash 进行校验时， p0 输出原码，此时 p0 外部必 须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能 接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时， p1 口作为第八位地址接收。 xii p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收， 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高， 且作为输入。并因此作为输入时， p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。 这是由于内部上拉的缘故。 p2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部 数据存储器进行存取时， p2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时， 它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2 口输 出其特殊功能寄存器的内容。 p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址 信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。 作为输入，由于外部下拉为低电平， p3 口将输出电流（ ill）这是由于上 拉的缘故。 rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst 脚两个机器周期的高 电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于 锁存地址的地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平 时，ale 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是： 每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale 脉冲。如想禁止 ale 的输出 可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次 /psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程 序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式 1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端保持高电平时，此间内部程序存 储器。在 flash 编程期间，此引脚也用于施加 12v 编程电源（ vpp）。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 2.4 单片机时钟电路和复位电路 2.4.1 单片机时钟电路时钟 电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中 各信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证 同步工作方式的实现，电路应在唯一的时 钟信号控制下严格地作。如图 2-6 所示。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:5-may-2004 sheet of file:c:documents and settings123my documentsmydesign.ddbdrawn by: c1 30pf c2 30pf y1 6mhz xtal2 xtal1 图 2-6 时钟振荡电路 xiii 单片机内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 xtal1，其输 出端为引脚 xtal2。而在芯片的外部，xtal1 和 xtal2 之间跨接晶体振荡器和微 调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。电容器 c1 和 c2 的作用是稳定频率 和快速起振，电容值的范围在 5pf30pf,典型值为 30pf。晶振的频率通常选择 两种 6mhz 和 12mhz。只要在单片机的 xtal1 和 xtal2 引脚外接晶体振荡器就构 成了自激振荡器并在单片机内部产生时钟脉冲信号。 2.4.2 单片机复位电路 复位电路是使单片机的 cpu 或系统中的其他部件处于某一确定的初始状态， 并从这上状态开始工作。 （1）单片机常见的复位电路 通常单片机复位电路有两种：上电复位电路，按键复位电路。上电复位电 路：上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复 位状态。它利用的是电容充电的原理来实现的。按键复位电路：它不仅具有上 电复位电路的功能，同时它的操作比上电复位电路的操作要简单的多。如果要 实现复位的话，只要按下 reset 键即可。它主要是利用电阻的分压来实现的 在此设计中，采用的按键复位电路。按键复位电路如图 2-7 所示： （2）复位电路工作原理 上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间 reset 引 脚获得高电平，随着电容的充电，rerst 引脚的高电平将逐渐下降。rerst 引脚 的高电平只要能保持足够的时间（2 个机器周期） ，单片机就可以进行复位操作。 上电与按键均有效的复位电路不仅在上电时可以自动复位，而且在单片机运行 期间，利用按键也可以完成复位操作。 123456 a b c d 654321 d c b a title numberrevisionsize b date:5-may-2004 sheet of file:c:documents and settings123my documentsmydesign.ddbdrawn by: c1 30pf c2 30pf y1 6mhz xtal2 xtal1 图 2-7 时钟振荡电路 xiv 2.5 显示模块的介绍 led(light-emitting diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和 共阳两种。led 数码管结构简单，价格便宜。图 2-8 示出了八段 led 数码显示 管的结构和原理图。图 2-8(a)为八段共阴数码显示管结构图，图 2-8(b)是它的 原理图，图 2-8(c)为八段共阳 led 显示管原理图。八段 led 显示管由八只发光 二极管组成，编号是 a、b、c、d、e、f、g 和 sp，分别与同名管脚相连。七段 led 显示管比八段 led 少一只发光二极管 sp，其他与八段相同。 单片机对 led 管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各 led 管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各 led 轮流地一遍一遍显示 各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各 led 似乎在同时显示不同 字形。 为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动 态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只 需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单 片机引脚输出可直接接到led显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。 图2-8 八段led数码显示管原理和结构 xv 3 无线液位传感器的软件设计 3.1 无线液位传感器的主流程图 xvi 图 3-1 液位传感器主流程图 如图 3-1 所示，在系统开始工作后，可以为系统工作选择特有的状态方式， 即手动控制和实时控制两种。手动控制一般用于单词测量中，即手动开启系统 工作，超声波探头发射和接收超声波，通过回波的时间差计算距离；实时控制 就是在需要实时监控时的工作模式，超声波探头连续不间断的发射 40khz 的超 声波，用来实时监测水位。 3.2 超声波测量接收和发射软件设计流程图 图 3-2 超声波接收流程图 图 3-3 超声波发射流程图 如图 3-2，图 3-3 所示，超声波在接受和发射的时候都要考虑计时器的初 始化问题，在超声波发射的瞬间打开计时器，在超声波接收的瞬间关闭计时器， 每次发射和接收作为一个循环，计时器在每次循环发生时初始化，保证每次计 时的准确性 3.3 超声波测量距离的基本算法 超声波测距的原理为超声波发生器 t 在某一时刻发出一个超声波信号，当 这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 r 所接收到。这样只 要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发 生器与反射物体的距离。距离的计算公式为： d=s/2=(ct)/2 （3-1） 其中，d 为被测物与测距仪的距离，s 为声波的来回的路程，c 为声速，t 为声 波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 t0，利 用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。则相同的可 以运用到液位测量中，当已知声波测算的距离和整个容器的高度时，此时液面 高度： h=h-d （3-2） xvii 其中，h 为已知的容器高度，d 为超声波测量的距离。当收到超声波反射波 时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 int0 或 int1 端产生一个中断请求信 号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算 距离。 3.4 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过 p1.0 端口发送 2 个左右超声波脉冲信号 （频率约 40khz 的方波） ，脉冲宽度为 12s 左右，同时把计数器 t0 打开进行 计时。超声波发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编 程。 超声波测距仪主程序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回 超声波信号（即 int0 引脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断后就立 即关闭计时器 t0 停止计时，并将测距成功标志字赋值 1。如果当计时器溢出时 还未检测到超声波返回信号，则定时器 t0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距 成功标志字赋值 2 以表示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机 int0 端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门 ic3a 的输出接 单片机 int1 端口，同时单片机 p1.3 和 p1.4 接到 ic3a 的输入端，中断源的识 别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序如下： void intersvro interrupt 0 using 1 /into 中断服务程序 uint bwei,shwei,gwei; uchar dh,dl; ulong count; ulong num; tro=0; /停止计数 dh=th0; dl=tl0; count=th0*256+tl0; num=（344*count）/20000; /计算距离 bwei=num/100; /取百位 gwei=(num-bwei*100)/10; /取十位 shwei=num%10; /取个位 p1=tabbwei; /输出百位 p2=tabshwei; /输出十位 p3=tabgwei; /输出个位 th0=0; xviii tl0=0; 4 无线液位传感器的误差分析 4.1 声速引起的误差 声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于 20khz 时的机械波称为超声波，媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常 称为压缩波或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为 (4-1) 2 e c 式(4-1)中e为媒质的弹性模量，单位 kg/mm2；为媒质的密度，单位 kg/mm3；e 为复数，其虚数部分代表损耗; c也是复数，其实数部分代表传播速 度，虚数部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量后者可 求得媒质中的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产 生折射、反射、衍射等)有关。 从式(4-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用 声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度 等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因 素会引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波 在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受 温度的影响最大。 声速受温度的影响为 xix (4-2) 2 0 1 273 cc 。 图 4-1 空气中温度-声速图 4.2 单片机时间分辨率的影响 不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定 时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。相对而言，单片 机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为12mhz 时，时间分辨率为 1s。 随机误差 由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可 在同一位置处多次重复测量 xi，然后取平均值 x 作为测量的真值 10。 提高测距精度的方法 4.3 超声波回波声强的影响 回波的声强与障碍物距离的远近有直接关系, 实际测量时, 不一定是第一 个回波的过零点触发, 其原理如图4-1 所示。这种误差不能从根本上消除, 但 是可以通过根据障碍物的距离调整脉冲群的脉冲个数以及动态调整比较电压来 减小这种误差。另一方面将求距离公式d=ct/2后加一个补偿系数来补偿计时误 差, d=ct/2+a (a 与距离、脉冲个数相关)。 图4-2 脉冲个数与回波声强对计时影响示意图 xx 4.4 测量误差的解决办法 上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是 超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下： 1. 合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。 据经验，超声测距的工作频率选择40khz 较为合适；发射脉宽一般应 大于填充波周期的 10 倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择 发射脉宽 1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快， 脉冲发射周期可选短些。 2. 在超声波接收回路中串入增益调节 (agc)及自动增益负反馈控制环节。 因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用agc 电 路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅 值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形 更加稳定。 3. 提高计时精度，减少时间量化误差。 如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测 距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分 之一，当晶振频率 6mhz 时，计数频率为 0.5mhz，此时在空气中的测距时间 量化误差为 0.68mm；当晶振频率为 12mhz 时，计数频率为 1mhz，此时测距 时间量化误差为 0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引 用单片机的晶振频率，时间量化误差更小 11。 4. 补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、 压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。 温度传感器 lm92 的温度测试分辨率为 0.0625，10至+85准确度为 1.0，i2c 总线接口。用 at89c51 的通用 i/o 端口能很容易的模拟 i2c 总线 的读写时序，lm92 高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。 xxi 总结 由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有做出实物。但是对设计有一 个很好的理论基础。设计的最终结果是使用超声波测距仪来实现液位传感中的 无线功能，使其能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超 声波方法测量液面距离顶端的高度。以数字的形式显示测量距离的液位。 无线液位传感器测量的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播 的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端， 一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反 射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发 射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用 at89c51 或其兼容系列。采 用 12mhz 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用 p1.0 端口输出超声波换能器所需的 40khz 的方波信号，利用外中断 0 口监测超声波 接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的 4 位共阳 led 数码管，段 码用 74ls244 驱动，位码用 pnp 三极管 8550 驱动。 发射电路主要由反相器 74ls04 和超声波发射换能器 t 构成，单片机 p1.0 端口输出的 40khz 的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电 极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式 将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采 两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻 r1o、r11 一方面可以提高反向 器 74ls04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果， xxii 缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号， 其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板 振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加 电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电 信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结 构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 检测接收电路主要是由集成电路cx20106a组成，它是一款红外线检波接收 的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38 khz与测距的超声波频率40 khz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收 电路。实验证明用cx20106a接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵 敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容c4的大小，可以改变接收电路的灵敏 度和抗干扰能力。 本设计的的软件主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序 及显示子程序组成。我们知道 c 语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言 程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程 序既有较复杂的计算（计算距离时） ，又要求精细计算程序运行时间（超声波测 距时） ，所以控制程序可采用 c 语言和汇编语言混合编程。主超声波测距仪主程 序利用外中断 0 检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即 int0 引 脚出现低电平） ，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器 t0 停止计 时，并将测距成功标志字赋值 1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回 信号，则定时器 t0 溢出中断将外中断 0 关闭，并将测距成功标志字赋值 2 以表 示此次测距不成功。 前方测距电路的输出端接单片机 int0 端口，中断优先级 最高，左、右测距电路的输出通过与门 ic3a 的输出接单片机 int1 端口，同时 单片机 p1.3 和 p1.4 接到 ic3a 的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中 断优先级为先右后左。 无线液位传感器中超声波测距的算法设计原理为超声波发生器 t 在某一时 刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波 接收器 r 所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用 的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。在启动发射电路的同时启 动单片机内部的定时器 t0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收 到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变， 在 int0 或 int1 端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外 部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是 很多，所以调试应该不会太难。一般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常 工作。电路中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求 不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容co的大小，以获得合适的接收 灵敏度和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗 干扰能力。 毕业设计对我来说，是三年来所学的所有知识的一个非常全面的综 合性应用，涉及的理论知识面也很广，需要了解各方面的知识，是理论与实践 相结合的最好体现，也是对我们大学四年生活的一种肯定，所以我们大家都是 用心去把它做到最好，毕业论文的编写经过了很长的时间，也发现了很多问题， 不过在老师的耐心指导下都一一得到了解决，在这里再次表示感谢，同时 xxiii 也非常感谢四年以来所有教导我的老师，你们辛苦了。 致谢 首先，我要感谢我的导师 xxx 老师在毕业设计中对我给予的悉心指导和严 格要求，同时也感谢本校的一些老师在毕业设计期间所给予我得帮助。在我毕 业论文写作期间，老师给我提供了种种专业知识上的指导和日常生活上的关怀， 没有您们这样的帮助和关怀，我不会这么顺利的完成毕业设计，借此机会，向 您们表示由衷的感激。 接着，我要感谢和我一起做毕业设计的同学。在毕业设计的短短 3 个月里， 你们给我提出很多宝贵的意见，给了我不少帮助还有工作上的支持，在此也真 诚的谢谢你们。同时，我还要感谢我的寝室同学和身边的朋友，正是