毕业设计（论文）-基于单片机超声波测距仪.doc

基于单片机超声波测距仪 摘 要随着科学技术的快速发展，超声波将在科学技术中的应用越来越广。本文对超声波传感器测距的可能性进行了理论分析，利用模拟电子、数字电子、微机接口、超声波换能器、以及超声波在介质的传播特性等知识，采用以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。为了保证超声波测距传感器的可靠性和稳定性，采取了相应的抗干扰措施。就超声波的传播特性，超声波换能器的工作特性、超声波发射、接收、超声微弱信号放大、波形整形、速度变换、语音提示电路及系统功能软件等做了详细说明。该测距仪最大测量距离是6米，精确度是0.1mm。这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力强、实时性良好，经过系统扩展和升级，可以用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：测量液位、井深、管道长度等场合。可以广泛应用于工业生产、医学检查、日常生活、无人驾驶汽车、自动作业现场的自动引导小车、机器人、液位计等。关键词: AT89C51，超声波，传感器，LEDABSTRACTAlong with the science and technology fast development, the ultrasonic wave more and more will be broad in the science and technology application .This article has carried on the theoretical analysis to the ultrasonic sensor range finder possibility, the use simulation electron, the digital electron, the microcomputer connection, the ultrasonic wave transducer, as well as the ultrasonic wave in medium knowledge and so on dissemination characteristic, uses take AT89C51 monolithic integrated circuit as the core low cost, the high accuracy, the microminiaturized numeral demonstrated the ultrasonic wave distance gauge the hardware electric circuit and the software design method has designed the system overall concept in this foundation, finally has realized each function module through the hardware and the software. The related part attaches the hardware circuit diagram, the program flow diagram. In order to guarantee the ultrasonic ranging sensor the reliability and the stability, have taken the corresponding ant jamming measure. On the ultrasonic wave dissemination characteristic, the ultrasonic wave transducer operational factor, the ultrasonic wave launch, the receive, the supersonic weak signal enlarged, the wave shaping, the speed transformation, the voice prompt electric circuit and the system function software and so on have given the specify. This distance gauge maximum survey distance is 6 meters, the precision is 0.1cm.Proved after the experiment that, this set of system software and hardware design reasonable, ant jamming ability strong, timeliness is good, the process system expansion and the promotion, may use in the back-draft radar, the building construction work site as well as some industry scene, for example: Survey situations and so on fluid position, well depth, pipeline length. May widely apply in the industrial production, the medicine inspection, the daily life, pilot less automobile, automatic work scene automatic guidance car, robot, liquid meter and so on.Key words : AT89C51,ultrasonic wave, sensor, LED第一章 前言1.1概述超声波是指超过人的听觉范围以上(16KHZ)的声波。近二、三十年,特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。1.2超声波测距特性1.2.1 超声波用于距离测量的优势由于超声波频率较高，沿直线传播，绕射小，穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会产生反射波，因而超声波经常用于距离的测量。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个特点展开的。超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。 理论研究表明，在振幅相同的情况下，一个物体振动的能量跟振动频率的二次方成正比。超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。1.2.2 超声波测距仪一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡于水中或其它液体中，极易被腐蚀电解，失去灵敏性利用超声波测量距离可以解决这些问题，因此超声波测量技术在工业控制勘测，机器人定位和安全防范等领域得到了广泛应用。利用超声波检测往往比较迅速、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，因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。超声波测距仪广泛应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如联合收获机割台割幅、液位、井深、管道长度等的实时测量场合，也可用于使移动机器人能自动避障行走。要求测量范围在0.106.00 m，测量精度1mm，测量时与被测物体无自接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。1.3设计要求1.3.1 内容及任务熟悉掌握单片机与传感器的相关知识。具备基本的模块电路设计能力，例如：温度检测电路，超声波发射及控制电路，超声波接受及信号处理电路，显示电路，以及RS232通信接口等等。具备宏观设计硬件能力,利用所掌握的语言(汇编或C语言)实现软件设计，要求硬件布局合理,软件设计精练。.熟悉单片机与传感器相关知识.设计出相关电路模块的硬件.超声波测距仪的软件设计1.3.2 拟达到的要求或技术指标（1）测量距离范围要求为6M（2）精度要求优于1%（3）进行温度补偿（4）显示方式为数码管显示（5）具有RS-232通信功能，便于扩展第二章 总体设计2.1方案的选择2.1.1传感器的选择l 方案一 磁致式传感器：按结构方式不同，磁致式传感器可分为动圈式和磁阻式。磁致式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。超声波的发射原理是:把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。其接收原理是:当超声波作用在磁致材料上时，使磁致材料振动，引起内部磁场变化，根据电磁感应原理，使线圈产生相应的感应电势输出。但由于受外界温度、压力、电磁场的影响及自身结构的限制，在实际操作中产生了各种误差。l 方案二压电式传感器：压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和磷酸二氢胺等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷，这种现象称为“压电效应”。磷酸二氢胺属于人造晶体，能够承受高温和相当高的湿度，所以已经得到了广泛的应用。室外用途的超声波传感器必须具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰尘的侵入。压电陶瓷被固定在金属盒体的顶部内侧。底座固定在盒体的开口端，并且使用树脂进行覆盖。工作频率就是压电芯片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和芯片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。误差产生小。综合上面所叙，系统的设计中选择用压电式超声波传感器。2.1.2单片机的选择单片机是微电子技术与计算机技术的结晶，单片微型计算机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的，由于它具有体积小、功能强、性价比高等特点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、军事装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。单片机现在成为集成电路大家族的重要成员。单片机技术正日臻完善，国内外的单片机热更是经久不衰。单片机不仅用于智能仪器，电器设备，数据采集，自动控制及国防工业等技术领域，而且进入亿万家庭。目前，单片机正朝着兼容性，单片系统化，多功能和低功耗的方向发展。51系列单片机引脚与封装如图2.1所示。 图2.1 51系列单片机封装图5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时计数器TO和T1，4个8 b的IO端：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条IO线；2个16b定时计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时计数器、串行口和中断系统继续工作。掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件复位。5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。所以，单片机选用AT89C51。2.2 超声波测距的原理超声波检测通过超声量的测量来进行，其中声速超声量在工业的超声波测量中应用较广。在声速C已测知的媒介中，利用声波传播距离L和传播时间t的关系式L=Ct,就可测得距离。这是超声波测量位移的基本关系式。 实际中，测量位移采用的是脉冲回波法，先激励超声波探头发射超声波，超声波遇到被测物后反射回来即所说的回波，于是探头接收回波，记录下从超声波发射到接收的时间t，由于从发射到接收，超声波所走路程为超声波探头到被测物表面位移的两倍，因此，可以计算出超声波探头到被测物的位移L=Ct/2。C为声速。可以看出，测量位移的关键是要准确的测量处出时间T。在超声波发射器两端输入10个40KHz脉冲串，脉冲电信号经过超声波内部振子，振荡出机械波，通过空气，介质，传播到被测面，由被测面反射，被超声波接受器接收。在超声波接收器两端信号是毫伏级别的正弦波信号，超声波经气体介质转播到接收器的时间，即往返时间，往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。而所测距离为声波传输距离的一半，其关系式如公式2.1所示：L=1/2 Ct （2.1）式中：L为待测距离;C为超声波的声速;t为往返时间。采用微处理器脉冲计数的方法，可以精确的测出t的值。假设微处理器的机器周期为T，则t=NT，则探测距离如公式2.2所示：L=1/2Ct=1/2CNT （2.2）2.3总体设计框图超声波测距系统由超声波发射，回波信号接收，计时测量，数据处理与智能算法，显示报警等功能模块构成。单片机采用89C51，微处理器控制发出超声波信号，经功率放大推动超声波发射器发射出去。超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波，总设计框图如下： 图2.2 超声波测距系统原理框图整个系统由微处理器控制，超声波信号在空气中传播至障碍物后发生反射，反射的回波经空气传播给超声波接收换能器并转换成电信号，经滤波，放大，整形后，输入到微处理器的外部中断INTO处产生中断，计数器停止计数，此时计数器记得的脉冲数N，即为对应的需要测量时间，由N可通过公式求出间距L。L=1/2Ct=1/2CNT （2.3）由于串行通信方式具有使用线路少、成本低，特别是在远程传输时，避免了多条线路特性的不一致而被广泛采用。所以，在本系统的设计中加入了RS232接口。RS-232接口是目前最常用的一种串行通信接口。它采用全双工工作方式，一条发射，一条接收，一条地线。允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，但由于通信距离受驱动器允许的电容负载限制，而且存在共地噪声和不能抑制的共模干扰问题，所以一般用于小于15M的通信距离。在本系统中正好适用。RS-232用于多点互连时非常方便，可以省掉许多信号线。许多工业现场控制系统中一般都采用该总线标准进行数据传输。在数据输入后，通过转换可以输出多种数据。第三章 硬件电路设计3.1 AT89C51系列单片机的应用AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。单片机(AT89C51)发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，得出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED显示电路进行显示，若测得的距离超出设定范围系统将提示声音报警电路报警。AT89C51通过外部引脚P3.3输出脉冲宽度为25us、载波为40kHz的超声波脉冲串，加到射随器的基级，经功率放大推动超声波发射器发射出去。超声波接收器将接收到的反射超声波送到放大器进行放大，然后用锁相环电路进行检波。而通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。主控制器主要由单片机AT89C51、振荡器和复位电路三部分组成。设计原理图如3-1所示，由于它是单片机工作的必要组成部分，所以又称为单片机最小系统。它是测距仪的控制中枢，也是整个系统的核心部分。它之所以这样重要是因为它在测距仪中发挥了四个作用：1、控制超声波的发射；2、负责处理接收电路发出的信号； 3、时间转化成距离的数据处理；4、协调端口实现动态显示。由上可知，它的正常工作是保证测距仪成功测距的先决条件，单片机最小系统的设计虽简单但很关键。下面就其作一些简单的介绍。图3.1 单片机最小系统原理图3.1.1 AT89C51单片机单片机，又称微处理器，是许多自动控制系统中的核心部件。考虑到显示电路需要占用比较多的I/O口和需要处理较复杂的数学计算对单片机的运行速度的有较高的要求，本系统选用了AT89C51单片机作为主控器件8。AT89C51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.1.2 时钟振荡器单片机外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器（AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益的反相放大器）的反馈回路中构成并联振荡电路。为便于CPU处理数据，让计时器每计一次数就是1us，振荡器采用了12MHz的石英晶体。对外接电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，这里电容使用30pF10pF。本系统选用外部晶体作为时钟频率，晶体振荡器XTAL1与XTAL2分别为用作片内振荡器的反向放大器的输入和输出。晶体振荡器连接如下 图3.2 晶体振荡器连接3.1.3 复位电路本复位电路采用手动复位，在Vcc和RST端接一容量为22uF左右的电解电容，其两端并接一个轻触按钮（为限制按钮按下时电容瞬间释放的电流，避免产生火花，在按钮一侧串联一个电阻），利用RST内部复位下拉电阻便构成复位电路。其电路如图3-1所示。手动的好处在于能避免死机时关机复位。其复位过程为：接通电源瞬间，电容上的电压很小，RST端上的电压接近电源电压，在电容充电过程中，RST端电位逐渐下降，当RST端电位小于某一数值后，CPU脱离复位状态；当按钮按下时，电容通过R1放电，当电容放完电后，RST端的电位由R1、R2分压比决定。由于R2 R1，因此RST为高电平，CPU进入复位状态，松手后，电容C3开始充电，RST端电位下降，CPU脱离复位状态。3.2传感器的应用3.2.1传感器的定义及作用传感器是一种以测量为目的，以一定精度把被测量转换为与之有确定关系的、易于处理的电量信号输出的装置。传感器是摄取信息的关键器件，它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱，是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段，也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法，对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。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，有换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高，波长短，绕射现象好，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着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。以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。习惯上称为超声波换能器或超声波探头。3.2.2压电式传感器常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器(或称压电式超声波探头)和磁致式超声波传感器。本论文采用的是压电式超声波传感器,主要由超声波发射器(或称发射探头)和超声波接收器(或称接收探头)两部分组成，它们都是利用压电材料(如石英、压电陶瓷等)的压电效应进行工作的。利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。超声波传感器结构图如下：共振板 电极压电芯片 图3.3 超声波传感器结构一般而言，超声波传感器内部结构有两个压电芯片和一个共振板。当它的两级外加脉冲信号，其频率等于压电芯片故有振荡频率时，压电芯片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。可选用国产TC40-167R系列或MA40S2S(发送传感器)、MA40S2R(接收传感器)超声波传感器。其主要参数为(以TC40-167R为例):标准频率400.1KHz;灵敏度(dB)-68;声压(dB)114;方向角(度)60;静电容量/pf-2500;工作温度()-20-+70;有效距离15M,反射接收有效距离为4M-7M。技术参数（灵敏度：70dB / V / ubar；谐振频率：40KHZ1KHZ（UCMT40K1，发射用）；38KHZ1KHZ（UCMR40K1接收用）；频 带 宽：2KHZ0.5KHZ；外形尺寸：16mm22.5mm；使用环境温 度：20 + 60 ；相对湿度：20 5时达98%）。3.2.3利用传感器发送接收超声波发送传感器由发送器与使用直径为15mm左右的陶瓷振子换能器组成,换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中幅射；而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成, 换能器接收超声波产生机械振动,将其变换成电能量,作为传感器接收器的输出,从而对发送的超声波进行检测。而实际使用中,用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器上的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。超声波传感器的电源(或称信号源)可用DC12V10%或24V10%。若对发送传感器内谐振频率为40KHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40KHz高频电压,则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短,于是发送40KHz频率的超声波,其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制),并传给超声波接收器,接收器是利用压电效应的原理,即在压电组件上施加压力,使压电组件发生应变,则产生一面为”+”极,另一面为”-“极的40KHz正弦电压。因该高频电压幅值较小,故必须进行放大。 根据超声波传感器等效电路与阻抗特性可知,对发送传感器而言,工作于串联谐振,即谐振频率fr处阻抗Zr最低,故能供给最大功率,能用较大振动传感器;而对接收传感器而言,工作于并联谐振,即谐振频率fa处阻抗Za最高,难供大功率,但阻抗Za高就能得到较大振幅信号,所以fa处用作传感器其灵敏度高。3.2.4超声波传感器探测物体的方式在超声波探测电路中，发射端输出一系列方波，其宽度等于发射超声波的时间间隔，被测物距越远，脉冲宽度越大，输出脉冲个数和被测距离成正比，一般采用超声波往返时间检测法。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。此系统用的是压电式超声波发生器。3.3 超声波发射模块 3.3.1 测距的方案论证在测距电路中测距传感器的选择就显得尤为重要了。在市场上测距传感器种类很多：如激光测距传感器、红外测距传感器、超声波测距传感器等等，激光测距传感器和红外测距传感器等测距精度都十分高，且有的测距范围还很小，它们大多应用在精密测量工具上，因此导致传感器本身价格偏高。由于本次设计要求的测距精度不是很高，精确到厘米位就可以了，所以综合价格、测距精度和测距范围等各种因素考虑，本设计系统采用了超声波测距传感器。另外根据输出量划分，超声波传感器又主要分为：脉冲输出、模拟量输出和数字量输出三种。因此测距电路也有如下三种方案：（1）使用脉冲输出的超声波传感器，由单片机测出各输出脉冲之间的时间间隔，由基本公式s=vt/2计算出障碍物距汽车尾部的距离； （2）使用模拟量输出的超声波传感器，输出的模拟量正比于所测距离，将输出的模拟量经A/D转换，再将数据送至单片机内部存储单元即可得所需数据； （3）使用数字量输出的超声波传感器，输出数据为8位二进制数字量，再将8位数据送至单片机内部存储单元即可。本设计采用的是第一种方案，第二种方案耗时较多，且测距精度不高，第三种方案对超声波传感器的要求过高，价格也偏高，从经济角度上来说不合适。因此选择了既经济，又符合系统设计精度的第一种方案。虽然使用脉冲输出的超声波传感器其测距精度没有使用数字量输出的高，但本设计对距离精度要求不是特别高，精确到厘米位即可，这点脉冲输出的超声波传感器是可以做到的，而且在市场上脉冲输出的超声波传感器很容易买到。3.3.2 超声波发送模块设计比较超声波发送模块包括超声波产生驱动电路和超声波发射电路两个部分，超声波探头可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流在l00mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但缺乏灵活性。本设计采用第一种软件法。发射驱动电路的主要功能是产生足够的功率来利用40kHz的脉冲波驱动超声传感器发射超声信号。如果想要测量的距离足够远，除了探头的性能外，发射功率是否足够至关重要。本电路中采用中周变压器耦合放大来驱动超声传感器，设计电路如图3.4所示。 图3.4 发射驱动电路图中所示为第一路发射电路图，CH1的40kHz脉冲信号由单片机软件产生，经过ULN2003芯片驱动，再进入中周耦合，C37在发射时为中周的初级线圈提供所需的瞬间大电流。在发射的时候，中周变压器的次级线圈提供的电压峰峰值可以达到100V以上。其他三路与第一路相同。3.3.3 ULN2003驱动芯片ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。该芯片的特点如下：ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003采用DIP-16 或SOP-16 塑料封装。ULN2003的基本应用电路如图3.5所示：ULN2003基本特性如下表3-2。表3-2 ULN2003极限值 (若无其它规定，Tamb=25)参数名称符号数值单位输入电压VIN30V输入电流IIN25mA功耗PD1W工作环境温度Topr-20 to +85贮存温度Tstg-55 to+150图3.5 ULN2003基本电路图3.4 超声波接收模块超声波接收由接收换能器、多路选择开关、温度检测电路等电路组成。根据电路需求，需要接收放大电路满足以卜要求:（1）微弱信号放大，放大倍数要求mvV；（2）波形整形。如图所示，不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入INTO中断口，该低电平作为PIC16C711外部中断0的中断信号使PIC16C711产生中断，在中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换、信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。如图3-12，进行波形处理: 放大电路设计放大电路目的：微弱信号放大。微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、电压比较电路构成。根据所用的T/R40-16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测。此问题在软件中处理。超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机INTO端口辨识。接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。过去均采用分立元件构成，现在可以用集成电路来代替。采用超声波微弱信号放大芯片，如下图3.6所示。图3.6 运放构成接收电路图图3.6由集成运放A 1, A2构成，R，C，为无源滤波网络，二极管、R7为检波网络。在回波信号的放大过程中，由于干扰信号的存在，为避免将干扰信号放大而产生回波误识别，必须将干扰信号滤除，即回波信号放大过程中必须设计带通滤波器，对有效频带内的超声波信号进行选择放大。滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，.而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因此，本系统采用RC无源滤波方式，用于微弱回波信号的放大。由于集成运放技术已十分成熟，应用己经十分普及。检波网络的功能是通过二阶带通滤波网络，检测到系统所需要的40KHZ频率信号。 比较电路设计比较电路目的：将mv级的微弱信号放大后的V级信号整形成能为INTO辨识的脉冲信号，本文是下降沿引起中断。根据硬件电路的设计思想，要将回波信号转换成CPU识别的高低中断信号，所以在对回波信号(正弦波)经过两次放大以后，需要将正弦波整形成方波，于是后面接了一个电压比较电路。因为输入频率为40KHz，采用了集成电压比较器LM393。LM393具有低偏置电流和失调电流(典型值分别为10000nA和6nA，其响应速度为200ns。可用单电源供电(如+5V)，也可用双电源供电(如士12V )。在本系统中采用了+9V单电源供电。通过实验观察，LM393输出信号符合设计要求，单片机INTO端口识别引脚1处标准下降沿。电路图如图3.7所示：图3.7 LM393构成比较电路如图所示，放大后的信号由LM393第2脚进入，在第3脚是+2.5V有一个电容电阻接入的比较基准电压，由于R115电阻可调，即根据输入的信号可以调节基准电压。可以有效地防止干扰。LM393是+5V(可调)供电，需要在输出端口接上一个上拉电阻IOK，该电阻由+5V供电，供单片机INTO端口识别。3.5测温模块测温电路实现目的是实时测得介质温度，实时得出超声波在介质中的速度值延时250us。声波在介质中的速度受介质、介质温度影响。在本课题中，介质是空气，空气颗粒较小，对超声波衰减影响较小，忽视其带来的影响，但空气温度变化影响较大，不容忽视。芯片和LED显示组成。本测温系统则是用一线测温器件DS18B20与PIC16C711单片机共同组成了最小的测温系统。DS18B20是DALLAS公司生产的一线制数字温度传感器。温度测量范围-55+125，可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到一起，CPU只需一根数据线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。DALLASDS18B200图3.8 DS18B20封装形式可以采用外接电源与寄生电源供电，采用寄生供电如图3.10所示，注意需要将DS18B20的VDD引脚接地。图3.9 寄生电源供电采用外接电源供电如图3.5所示，是较常用的供电方式。3.6 报警模块本系统采用声音报警实现对驾驶员的报警。WTV040语音芯片是一款功能强大的一次性编程语音芯片，工作电压范围为DC2.53.5V，所加载的语音为6K采样率时，播放时间可达到40秒，音频输出为DAC和PWM模式，PWM输出时能直接推动0.5W/8扬声器，声音清晰洪亮。可选择的语音控制方式有按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、串口控制模式等。按键模式下又有脉冲可重复触发、脉冲不可重复触发、电平保持可循环触发、电平保持不循环触发等十几种触发方式。控制模式、触发方式和报警语音可以由上位机软件随意进行更改、设定，WTV040语音芯片可根据自身的设计要求，应用在多种场合中。WTV040语音芯片所支持的语音段数如下表所示： 警器工作原理当汽车与物距小于一定得距离时，测距器往外发出一个12V的恒定直流电压，WTV040语音芯片在检测到这个电压后，点亮报警指示灯进行提示并触发语音进行报警。由于测距器送出的电压是恒定的，只要超距，就一直有电压输出，并且要求持续的提供语音报警，直到汽车距离高于低于预设的距离为止。这是一种电平保持供给的信号，我们在上位机软件上将WTV040芯片的控制方式设置为按键模式，触发方式为电平保持可循环触发。在这里，我们先做一个简单又能满足大部分车主要求的汽车距离报警器，也就是说只在语音芯片里面录制一段报警语音，DIP16封装的WTV040语音芯片可支持4段语音的播放，所以选用DIP16封装的WTV040语音芯片就能够满足这些要求了。如果需要特殊制作豪华型的多段语音报警的汽车超速报警器，可以选用SSOP20封装的WTV040语音芯片，在SSOP20封装模式下，最多可提供128语音的播放。图3.10 语音芯片WTV040原理图电路中I/O口P01被定义为语音触发脚，因目前只用到一个I/O口触发语音播放，所以其他I/O口暂时被腾空。R8为下拉电阻，用于在触发时减小WTV040语音芯片的功耗，当汽车与物距小于一定得距离时，测距器往外发出一个12V的恒定直流电压，DC12V的电压使继电器K1工作并闭合，直接拉低I/O口P01的电平，使WTV040语音芯片被触发，触发后BUSY脚导通，BUSY指示灯就是超速报警状态指示灯被点亮，然后开始播放报警语音，提醒司机当前的距离已经小于预设的距离，需要停止靠近。车远离后，不再输出电压，继电器K1断开，触发状态被停止，WTV040语音芯片关闭超速报警状态指示灯和停止播放报警语音。电路由C5、Q1、R5、R6和D1组成上电复位电路，每次上电前自动给WTV040语音芯片进行复位，以确保WTV040语音芯片能处在最好的工作状态。WTV040语音芯片的震荡模式为RC震荡，震荡频率是48MHz，根据WTV040语音芯片的内部特性，选取了外部震荡电阻R1为270K。R2、R3、C2和C3组成WTV040语音芯片的内置功放外部反馈电路，R2、R3阻值的大小直接影响到SPEAKER声音的大小。汽车使用的是12V直流电压，超出了WTV040语音芯片的工作范围，需要在电路外部增加一个3V直流稳压电路，稳压电路可以先用电阻降压后使用LD1117进行稳压，这里就不对稳压电路进行阐述了。3.7 显示模块的设计根据用户需求，单屏需要显示四行数据，其中既有汉字又有数字，所以我们选择了一款型号为12864的图形点阵液晶显示器。它主要由行驱动器/列驱动器及128X 64全点阵列液晶显示器组成，可完成图形显示，也可以显示8X4个（16 X 16点阵）汉字21。 显示模块引脚说明表3-2 显示模块引脚明细引脚号引脚名称方向功能说明1VSS-模块的电源地2VDD-模块的电源正端3V0-LCD驱动电压输入端4RS(CS)H/L并行的指令/数据选择信号；串行的片选信号5R/W(SID)H/L并行的读写选择信号；串行的数据口6E(CLK)H/L并行的使能信号；串行的同步时钟7DB0H/L数据08DB1H/L数据19DB2H/L数据210DB3H/L数据311DB4H/L数据412DB5H/L数据513DB6H/L数据614DB7H/L数据715PSBH/L并/串行接口选择：H-并行；L-串行16NC空脚17/RETH/L复位 低电平有效18NC空脚19LED_A（LED+5V）背光源正极20LED_K（LED-OV）背光源负极 显示模块的时序说明液晶显示屏的串行连接时序如下图所示：图3.11 RT12864液晶显示屏的串行连接时序图第一字节：串口控制格式 11111ABC。A为数据传送方向控制：H表示数据从LCD到MCU，L表示数据从MCU到LCD，B为数据类型选择：H表示数据是显示数据，L表示数据是控制指令，C固定为0。第二字节：(并行)8位数据的高4位格式 DDDD0000。第三字节：(并行)8位数据的低4位格式 0000DDDD。 12864与AT89C51的接口电路图：图3.12 12864与MEGA16的接口电路图12864与，AT89C51的接口电路图可由图3.13表示。图上方的电路是为满足12864读写功能而设计逻辑电路。而下面是12864液晶模块的接口电路图。第四章 误差和数据分析4.1测距计算中温度补偿 温度补偿是在求取声速过程中一个必要环节,本次设计测距仪采用查表法进行温度补偿。采用查表法进行温度补偿的目的是为了避开复杂的浮点数运算及 浮点结果中各字节的提取操作,这样既保证了一定的精度要求,又可以避免浮点运算,在基于微处理器的系统中通常可将浮点运算改为定点运算。查表法的前提是,必须事先得到温度与声速的二维关系表,表格的密度可以根据精度的需求和微处理器资源的分配来决定。由于表格中的典型温度点有限而且是离散分布的，为了提高精度可以采取小区间插值计算法，例如，测得温度为23 ，而表格中与之最接近的特征温度点为20和30 ，对应的声速分别为344和349，即温度变化为10，声速变化为5，也即温度每增加2声速增加1，于是进行最简便的线性插补得到声速为345。表格可按照以下公式计算得到：C=331.4+0.61*T (4.1)式中，C为