超聲波傳感器及超聲波測距：超聲波傳感器及超聲波測距.doc
超聲波傳感器及超聲波測距
摘要:介紹了一種基于AT89C52單片機的超聲波測距系統(tǒng),由555和運放及比較器配合超聲波傳感器有效組成了超聲波的發(fā)射電路和接收電路。同時在數(shù)據(jù)處理,盲區(qū)消隱方面提出了有效解決方法! 從而提高了檢測的精度及靈敏度,以及用LCD液晶顯示器配合美妙的音樂進行顯示。本文主要闡述了超聲測距系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)成、工作原理及軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,有良好的測量精度和靈敏度。
[關(guān)鍵字] 超聲波測距 LCD液晶
前言
隨著科技的迅猛發(fā)展越來越多科技成果被廣泛的運用到人們的日常生活當(dāng)中,給我們的生活帶來了諸多方便。這一設(shè)計就是本著這個宗旨出發(fā),利用超聲波的特性來為我們服務(wù)。
人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的,它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi),超過20KHZ稱為超聲波,低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。由于超聲波指向性強,因而常于距離的測量。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,汽車安全,海洋測量等上得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計提供一種液晶顯示測距裝置,該裝置利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器和微處理器。采用超聲波傳感器分時工作于發(fā)射和接收,利用聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物到超聲波測距器之間的距離。
距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù),所以,測距就成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個問題。盡管測距有多種方式,比如,激光測距,微波測距,紅外線測距和超聲波測距等。但是,超聲波測距不失為一種簡單可行的方法。雖然超聲波測距電路多種多樣,甚至已有專用超聲波測距集成電路。但是,有的電路復(fù)雜,技術(shù)難度大,有的調(diào)試?yán)щy,有的元件不易購買。本文介紹的電路,成本低廉,性能可靠,所用元件易購,并且利用測距原理,結(jié)合單片機的數(shù)據(jù)處理,使測量精度提高,電路實現(xiàn)容易,無須調(diào)試,工作穩(wěn)定可靠。
目錄
前言.......................................................... II
第一章緒論................................................... 4
1.1 選題背景及研究意義.................................... 4
第二章方案論證............................................... 5
2.1 超聲波測距原理........................................ 5
2.2 系統(tǒng)的工作原理........................................ 5
第三章系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計..................................... 7
3.1 AT89C52單片機......................................... 7
3.2 超聲波發(fā)射電路........................................ 8
3.3 超聲波接收電路....................................... 11
第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計.......................................... 12
4.1超聲波接收發(fā)射軟件設(shè)計................................. 12
4.2 LCD液晶顯示部分軟件設(shè)計.............................. 13
4.3超聲波傳感器程序............................................................ ......15
結(jié)論.......................................................... 19
參考文獻...................................................... 20
第一章緒論
1.1選題背景及研究意義
1.1.1 選題背景
在日常生活中,有各種各樣的測距儀。與激光測距、紅外線測距相比,超聲波對外界光線、色彩和電磁場不敏感,更適于黑暗、電磁干擾強、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境,在識別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢。而且超聲波還有其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點。超聲波測距是一種非接觸式測量,廣泛應(yīng)用于倒車防撞雷達、
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1、 超聲波傳感器及超聲波傳感器及超聲波測距超聲波測距 摘要：摘要：介紹了一種基于 AT89C52 單片機的超聲波測距系統(tǒng)，由 555 和運放及比較 器配合超聲波傳感器有效組成了超聲波的發(fā)射電路和接收電路。同時在數(shù)據(jù)處理， 盲區(qū)消隱方面提出了有效解決方法! 從而提高了檢測的精度及靈敏度,以及用 LCD 液晶顯示器配合美妙的音樂進行顯示。本文主要闡述了超聲測距系統(tǒng)的硬件電路 構(gòu)成、工作原理及軟件設(shè)計方法。該系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠,有良好的測量 精度和靈敏度。 關(guān)鍵字關(guān)鍵字 超聲波 測距 LCD 液晶 前言前言 隨著科技的迅猛發(fā)展越來越多科技成果被廣泛的運用到人們的日常生活當(dāng)中, 給我們的生活帶來
2、了諸多方便。這一設(shè)計就是本著這個宗旨出發(fā),利用超聲波的特 性來為我們服務(wù)。 人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在 20HZ-20KHZ 范圍內(nèi)，超 過 20KHZ 稱為超聲波，低于 20HZ 的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十 KHZ- 幾十 MHZ。由于超聲波指向性強,因而常于距離的測量。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,汽車安全,海洋測量等上得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計提 供一種液晶顯示測距裝置,該裝置利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器和微處理 器。采用超聲波傳感器分時工作于發(fā)射和接收,利用聲
3、波在空氣中的傳播速度和發(fā) 射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物到超聲波測距器之間的距離。 距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù),所以,測距就成為數(shù)據(jù)采 集中要解決的一個問題。盡管測距有多種方式,比如,激光測距,微波測距,紅外線 測距和超聲波測距等。但是,超聲波測距不失為一種簡單可行的方法。雖然超聲波 測距電路多種多樣,甚至已有專用超聲波測距集成電路。但是,有的電路復(fù)雜,技術(shù) 難度大,有的調(diào)試?yán)щy,有的元件不易購買。本文介紹的電路,成本低廉,性能可靠, 所用元件易購,并且利用測距原理,結(jié)合單片機的數(shù)據(jù)處理,使測量精度提高,電路 實現(xiàn)容易,無須調(diào)試,工作穩(wěn)定可靠。 目目 錄錄 前言
4、.I 第一章 緒論 .1 1.1 選題背景及研究意義.1 第二章 方案論證 .2 2.1 超聲波測距原理.2 2.2 系統(tǒng)的工作原理.2 第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 .4 3.1 AT89C52 單片機 .4 3.2 超聲波發(fā)射電路.5 3.3 超聲波接收電路.8 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .12 4.1 超聲波接收發(fā)射軟件設(shè)計 .12 4.2 LCD 液晶顯示部分軟件設(shè)計 .13 4.3 超聲波傳感器程序. .15 結(jié)論 .19 參考文獻 .20 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 選題背景及研究意義選題背景及研究意義 1.1.11.1.1 選題背景選題背景 在日常生活中，有各種各樣的測距儀。
5、與激光測距、紅外線測距相比,超聲波 對外界光線、色彩和電磁場不敏感,更適于黑暗、電磁干擾強、有毒、灰塵或煙霧 的惡劣環(huán)境,在識別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢。而且超聲波還有其指 向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點。超聲波測距是一種非接觸式測量, 廣泛應(yīng)用于倒車防撞雷達、機器人接近覺、海洋測量、物體識別等領(lǐng)域。距離是 在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數(shù),所以,測距就成為數(shù)據(jù)采集中要解決 的一個問題。 1.1.21.1.2 研究意義研究意義 本設(shè)計是超聲波測距儀裝置,該裝置利用了發(fā)射接收一體化的超聲波傳感器和 微處理器。采用超聲波傳感器分時工作于發(fā)射和接收,利用聲波在空氣中的傳播速
6、 度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物到超聲波測距器之間的距 離。因此經(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)。在日常生活中起了廣泛的作用。 第二章第二章 方案論證方案論證 2.12.1 超聲波測距原理超聲波測距原理 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上 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
7、器 超聲波測距通常采用度越時間法,即利用 s=vt/2 計算被測物體的距離。式中 s 為收發(fā)頭與被測物體之間的距離, v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度(v=331. 41+T/273m/s),t 為超聲波的往返時間間隔。工作原理為:發(fā)射頭發(fā)出的超聲波以 速度 v 在空氣中傳播,在到達被測物體時被其表面反射返回,由接收頭接收,其往返 時間為 t,由 s 算出被測物體的距離。T 為環(huán)境溫度,在量精度要求高的場合必須考 慮此影響,但在一般情況下,可舍去此法,由軟件進行調(diào)整補償。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與溫度有關(guān)，附表 1 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
8、認(rèn)為聲速是基本不變的。如果 測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_定后，只要測得 超聲波往返的時間，就可以求出距離。這就是超聲波測距原理。 表 1 溫度與聲速的關(guān)系 溫度（）30 聲速（m/s） 2.22.2 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)的工作是由軟件和硬件的配合過程。先由微機使 555 使能端置 1，繼而 555 送出 40kHz 頻率的方波信號經(jīng)過壓電換能器（超聲波發(fā)射頭）將信號發(fā)射出 去及發(fā)射超聲波,同時該時刻啟動定時器開時計時。該信號遇到障礙物反射回來在 此稱為回波。同時,壓電換能器（
9、超聲波接收頭）將接收的回波及接收超聲波,通 過信號處理的檢波放大，及通過三級放大后再送到比較器進行比較輸出比較電壓, 輸出電壓經(jīng)過三極管以后，使之電壓與 AT89C52 的 I/O 口相匹配最后送至微機處 理。最后進行 LCD 液晶顯示同時配上美妙的音樂。超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖 2.1 所示。 微處理器 AT89C52 LCD 液晶顯示 溫度采集 超聲波發(fā)射 超聲波接收 音樂播放 5V 電源 圖 2.1 超聲波測距系統(tǒng)組成框圖 第三章第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 硬件電路主要分為單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電 路和電路音樂回放電路等部分組成。 3.1AT
10、89C523.1AT89C52 單片機單片機 AT89C52 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓、高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8KB 的可反復(fù)檫寫的程序存儲器和 12B 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(biāo)準(zhǔn) MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi) 配置通用 8 位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大的 AT89C52 單片機 可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 單片機正常工作時，都需要有一個時鐘電路，和一個復(fù)位電路。本設(shè)計中選 擇了內(nèi)部時鐘方式和按鍵電平復(fù)位電路，來構(gòu)成單片機的最小電路。如圖 3.1 所 示。 AT8
11、9C52 Vcc GND GND C3 22U F R2 1K R1 200 RESET 晶 振 C2 30P F C1 30P F Vcc XTAL1 RST XTLL2 Vss 圖 3.1 單片機的最小電路 3.1.13.1.1 時鐘電路時鐘電路 計算機工作時，是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下一拍一拍的進行的，這個脈沖 是由單片機控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機的時序就是 CPU 在執(zhí)行指令時所 需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作。單片機內(nèi)部電路就在惟 一的時鐘信號控制下嚴(yán)格的按時序進行工作。要給單片機提供時序要有相 關(guān)的硬件電路，即振蕩器和時鐘電路。因此選擇了內(nèi)部時鐘方式。利用蕊片
12、內(nèi)部 的振蕩器，然后在引腳 XTAL1 和 XTAL 兩端跨接晶體或陶瓷諧振器，就構(gòu)成了穩(wěn)定 的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路如圖 1 所示，外接晶振時， C1 和 C2 值通常選擇為 30PF 左右。C1，C2 對頻率有微調(diào)作用。晶體的頻率范圍可 在 1.212MHZ 之間選擇。在實際連接中，為了減少寄生電容，更好地保證振蕩器 穩(wěn)定。可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機蕊片靠近。 3.1.23.1.2 復(fù)位電路復(fù)位電路 有圖可以看出，是按鍵電平復(fù)位電路，相當(dāng)于按復(fù)位鍵后復(fù)位端通過電阻與 Vcc 電源接通。復(fù)位是單片機的初始化操作。單片機在啟動運行時，都需要先復(fù) 位，其
13、作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀 態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式。但單片機本身是不能自動進 行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路來實現(xiàn)。 3.23.2 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路 發(fā)射電路由 555 構(gòu)成的多諧振蕩器和超聲波發(fā)射頭組成。 3.2.13.2.1 多諧振蕩器多諧振蕩器 采用 555 構(gòu)成多諧振蕩器可以實現(xiàn)寬范圍占空比的調(diào)節(jié)!并且電路設(shè)計簡單! 占用面積小。 如圖 3.2 所示 ，由單片機 AT89C52 的 P2.3 口發(fā)出同步脈沖信號! 該同步脈沖啟動多諧振蕩器!使其輸出 40KHZ 的高頻電壓信號! 經(jīng)過整形直接加至 超聲波換能
14、器探頭! 根據(jù)逆壓電效應(yīng)! 產(chǎn)生振動頻率為 40KHZ 的超聲波。 TRIG 2 Q 3 R 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U1 NE555 R1 10K R2 10K 5V C1 0.1UF C2 0.01U F P2.3 VC 圖 3.2 超聲波發(fā)射電路 接通電源后，電容 C 被充電，VC 上升，當(dāng) VC 上升到 2/3VCC 時，觸發(fā)器被復(fù) 位，同時放電 BJT T 導(dǎo)通，此時 Vo 為低電平，電容 C 通過 R2 和 T 放電，使 VC 下 降。當(dāng) VC 下降到 1/3VCC 時，觸發(fā)器又被置位，Vo 翻轉(zhuǎn)為高電平。電容器 C 放電 所需的時間為
15、CRCR tpl 27 . 0ln2 2 當(dāng) C 放電結(jié)束時，T 截止，VCC 將能過 R1，R2 向電容器充電，VC 由 1/3VCC 上升到 2/3VCC 所需的時間為 CRRCRRtPH217 . 0ln21 2 當(dāng) VC 上升到 2/3VCC 時，觸發(fā)器又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，如此周而復(fù)始，在輸出端就得 到一個周期性的方波，其頻率為 CRRtt f PLPH 221 43 . 1 1 由于 555 內(nèi)部的比較器的靈敏度較高，而且采用差分電路形式，它的振蕩頻 率受電源電壓的溫度變化的影響很小。 Vc PH t PL t V o 2/3vcc 1/3vcc 圖 3.3 555 的工作波形圖 從 555
16、 的工作波形圖，可看出占空比是固定不變的。為了調(diào)解的方便，我把 R1 和 R2 都換成了電位器，就形成了占空比可調(diào)的電位器。使的超聲波的發(fā)射電 路更加具有高效性。也能滿足波盡可能的減小失真。從面達到測距更長的效果。 3.2.23.2.2 超聲波傳感器超聲波傳感器 從圖 3.2 超聲波的發(fā)射電路上看還有一個超聲波傳感器。它具有把電信號轉(zhuǎn) 化為機械信號，同時又能把機械信號轉(zhuǎn)化為電信號的功能。在設(shè)計中選擇了壓電 式超聲波發(fā)聲器。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 3.4 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。壓電晶 體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎?/p>
17、可以將電能轉(zhuǎn)變成機械振蕩而產(chǎn)生 超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接 收器。當(dāng)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(dāng)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。本文所采用的超聲波傳感器是 T/R-40- 16（其中 T 表示發(fā)送，R 表示接收，40 表示頻率為 40KHZ，16 表示其外徑尺寸， 以毫米計） 壓電晶片 電極 共振板 圖 3.4 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 3.33.3 超聲波接收電路超聲波接收電
18、路 超聲波接收電路包括由 MC3403 構(gòu)成的三級回波放大電路以及 LM358 電壓比較 整形電路兩部分,與超聲波接收傳感器 T-40-16 配合使用,實現(xiàn)超聲波的接收功能。 3 2 1 411 U3A MC3403 5 6 7 U3B MC3403 10 9 8 U3C MC3403 C8 1000P C9 1000P C12 1000P C13 0.1UF R1 10K R2 10K R3 10K R4 10K R5 10K R6 1M R7 1M 5V R? POT2 R? POT2 R? POT2 R? POT2 R1 10K 5V 5V C13 0.1UF C13 0.1UF 3 2
19、 1 84 U?A LM358 R? POT2 R? RES2 5V Q1 NPN R10 5.1K 5V P2.5 圖 3.5 超聲波接收電路 3.3.13.3.1 放大電路及其參數(shù)的設(shè)計放大電路及其參數(shù)的設(shè)計 當(dāng)測量距離較大時,超聲波的回波較弱,這時候就需要將信號放大,否則其轉(zhuǎn)換 成電信號的幅值也會比較小。如圖 3.5 所示,設(shè)計中,采用三級放大電路,將信號最 大能放大 50 萬倍。其中運算放大器 IC3A、IC3B 放大倍數(shù)為 100 倍,IC3C 放大倍 數(shù)為可調(diào)的。根據(jù)公式 Au=R6/R4(以第一級放大電路為例),可以求得各放大電路 的參數(shù)。計算后,取值如下，R3=10K，R4=1
20、0K，R6=1M，R7=1M。第三給放大是可調(diào) 的 Au=Rx/R2.其中 R2=10K。Rx 為 500K 可調(diào)的滑動變阻器。所以放大倍數(shù)是在 （050）之間。從圖 3.5 中，可以看到各個運放的基準(zhǔn)電壓都是可調(diào)的。這樣更 有利于達到自己想要的理想結(jié)果。超聲波接收頭接收到的 40 kHz 反射波交流信號。 電容 C5、C9、C12 的作用為濾掉直流信號,對電容的大小無特別要求,所以一律選 為 1000PF。其中的放大電路是由 MC3403 構(gòu)成的。MC3403 是四低功耗運算放大器。 它的引腳結(jié)構(gòu)如圖 3.6 所示。 圖 3.6 MC3403 的引腳結(jié)構(gòu) 3.3.23.3.2 電壓比較電路及
21、其參數(shù)的設(shè)計電壓比較電路及其參數(shù)的設(shè)計 電壓比較器的功能是比較兩個電壓值的大小,例如,將一個信號電壓 U1 和另一 個參考電壓 UR 進行比較,在 U1UR 和 U1UR 時,電壓比較器輸出兩個不同的電平, 即高電平和低電平。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài),因此它 相當(dāng)于一個受輸入信號控制的開關(guān),當(dāng)輸入電壓經(jīng)過閾值時開關(guān)動作,使輸出從一 個電平跳轉(zhuǎn)到另一個電平。系統(tǒng)中,比較器的作用是將信號電壓與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓 相比較,當(dāng)信號電壓大于基準(zhǔn)電壓時,比較器輸出正脈沖,Q1 導(dǎo)通,P2.5 接收負脈沖 信號,單片機 CPU 發(fā)出中斷,記錄發(fā)射信號與接受信號之間的時間,并計算距離。在 比
22、較器的設(shè)計中要考慮兩點因素:第一,要使 Q1 導(dǎo)通;第二,要使經(jīng)過三極管以后的 電壓與 AT89C52 的 P2.5 口相匹配。為了 在實際應(yīng)用時能得到合適的參數(shù),將 R10 設(shè)計為最大阻值為 5.1 k 的電阻,這樣, R10 的阻值便可得到滿足上述條件的電壓信號。用做電壓比較器的的 LM358，從圖 3.5 可以看出比較器的的基準(zhǔn)電壓是可調(diào)的，因為從超聲波接收的信號，要求有 很高的靈敏度和精度，從放大電路出來的電壓變化是非常微妙的，必須配和可調(diào) 的基準(zhǔn)電壓采能滿足進行比較達到達到設(shè)計中的需要。LM358 內(nèi)部包括有兩個獨 立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單
23、電 源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓 無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電 的使用運算放大器的場合。圖 3.7 為 LM358 的引腳結(jié)構(gòu)圖。 圖 3.7 LM358 的引腳結(jié) 第四章第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件部分包括主程序、中斷子程序和其他子程序。主程序完成系統(tǒng)初始 化后調(diào)用 LCD 液晶顯示程序，再調(diào)用測距在內(nèi)的各個子程序完成距離測量并顯示 輸出。各子程序主要有:延時子程序、距離計算子程序及 BCD 碼轉(zhuǎn)換子程序，壓縮 BCD 碼乘法子程序，壓縮 BCD 碼加子法程序等。主程序流程圖如圖 4.1 所示。
24、 4.14.1 超聲波接收發(fā)射軟件設(shè)計超聲波接收發(fā)射軟件設(shè)計 4.1.14.1.1 距離計算問題距離計算問題 超聲波發(fā)射接收所測距離的軟件設(shè)計中，讓單片機省去了繁雜的除法計算。 以 170 乘上超聲波從發(fā)射到接收的時間。即有壓縮 BCD 碼乘法進行計算。當(dāng)然我 們知道，定時器計數(shù)的最大值是 us,如果以這個時間乘以 170m 距離能達到 11.m.。因此在設(shè)計中，考慮到用上了定時器 0 溢出標(biāo)志 TF0。當(dāng)超聲波從 發(fā)射到接收的時間超過了 us，就把 TF0 置 1，然后軟件將 TF0 清 0。接著開 始計數(shù)。最后是把后來的計數(shù)時間乘以 170。所得的結(jié)果加上
25、11.N。N 為 TF1 置 1 次數(shù)。即調(diào)用壓縮 BCD 碼加法。最后就進行解壓縮進行顯示。把所得的 結(jié)果的每一位分配到不同的地址上。最后就根據(jù)地址確定位數(shù)了。超聲波接收發(fā) 射軟件流程圖如圖 4.2 所示。 4.1.24.1.2 串?dāng)_問題串?dāng)_問題 設(shè)計中,超聲波發(fā)射極和接收極距離較近,這樣,當(dāng)發(fā)射極發(fā)射超聲波后,有部 分超聲波沒經(jīng)過障礙物反射就直接繞射到接收極上,這部分信號是無用的,會引起 系統(tǒng)誤測。設(shè)計中采用延時技術(shù)來解決這個問題,并設(shè)定延時時間為 1 ms,即在發(fā) 射極發(fā)射超聲波 1 ms 內(nèi),沒有啟動定時器 ,接收電路對此期間接收到的任何信號 不予理睬,1 ms 后立即啟動
26、 T0,這時接收到的信號才有效,并在接收到回波信號的 同時,T0 停。此時 T0 所記錄的 CPU 發(fā)送脈沖信號的前沿到回波脈沖信號之間的時 間才是需要的. 4.24.2 LCDLCD 液晶顯示部分軟件設(shè)計液晶顯示部分軟件設(shè)計 Y N 初始化 LCD 刷新 LCD 調(diào)用 DS18B20 調(diào)用 LCD 顯 示 按鍵等待 返回測距初始化 超聲小波發(fā)射接收 距離計算 LCD 顯示 圖 4.1 主程序流程圖 4.2.14.2.1 二二/ /十進制數(shù)十進制數(shù)(BCD(BCD 碼碼) )的轉(zhuǎn)換問題的轉(zhuǎn)換問題 為了簡化硬件電路和節(jié)省轉(zhuǎn)換時間,首先用二進制對每 1 位十進制數(shù)字編碼, 即 BCD 碼,這種編碼
27、方式的特點是保留十進制的權(quán),而數(shù)字用二進制表示。這時獲 得的是壓縮的 BCD 碼,要想獲得要顯示的十進制數(shù),還必須執(zhí)行一個分 離 BCD 碼的子程序分別屏蔽每一字節(jié)高低 4 位,然后將所獲得的高低 4 位分別存放在 1 個字節(jié)中。 TF0=0 Y N Y N TF0=1 發(fā)射超聲波脈沖 查詢定時溢出 有回波嗎 計算距離 調(diào)用液晶顯示 初始化 按鍵等待 計時開始 停止計時 圖 4.2 超聲波接收發(fā)射軟件流程圖 4.34.3 超聲波傳感器程序超聲波傳感器程序 #include #include #include #define uchar unsigned char #define uint un
28、signed int sbit rs=P22; sbit rw=P21; sbit lcden=P20; sbit StartKey=P11; sbit C_send=P10; uchar table1=Times:0000us; uchar table2=Dista:0000cm; uint CTime=0,CDistan=0; uchar sendNum=0; void delay(uint x) uint a,b; for(a=x;a0;a-) for(b=10;b0;b-); void write_com(uchar com) rs=0; rw=0; P0=com; /lcde
29、n=0; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; void write_date(uchar date) rs=1; rw=0; P0=date; /lcden=0; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; void LCDinit() write_com(0 x38); write_com(0 x0f); write_com(0 x06); write_com(0 x01); void LCDDisp(uint time ,uint distance) uchar a; write_com(0 x80); delay(2
30、0); table16=0 x30 + time/1000; table17=0 x30 + time%1000/100; table18=0 x30 + time%1000%100/10; table19=0 x30 + time%10; table26=0 x30 + distance/1000; table27=0 x30 + distance%1000/100; table28=0 x30 + distance%1000%100/10; table29=0 x30 + distance%10; for(a=0;a12;a+) write_date(tab
31、le1a); delay(20); write_com(0 xc0); delay(50); for(a=0;a12;a+) write_date(table2a); delay(40); void Time_init(void) TMOD=0 x11; /設(shè)置定時器 1，定時器 0 均為 16 為定時/計數(shù)器 TH1=0 xff; TL1=0 xf4; TH0=0 x00; TL0=0 x00; ET1=1; /打開計數(shù)器 1 中斷 /ET0=1; void sysinit(void) EA=0; Time_init(); IT0=1; /INT0 上的電
32、平從高到低的負跳變有效 EX0=1; void ChaoSend(void) C_send=1; sendNum=0; TR1=1; /啟動定時器 TR0=1; void interrupt3() interrupt 3 TR1=0; C_send=C_send; TH1=0 xff; TL1=0 xf4; if(sendNum=20) TR1=0; else sendNum+; TR1=1; void interrupt0() interrupt 0 TR1=0; TR0=0; EA=0; CTime=(TH0* 256 + TL0
33、) * 12.0/11.0592; /CDistan=340 * CTime//2*100; CDistan=170*CTime/*100; TH0=0 x00; TL0=0 x00; void main() /uchar a; sysinit(); LCDinit(); while(1) /EA=1; if(StartKey=0) EA=1; ET0=1; ChaoSend(); LCDDisp(CTime, CDistan); /CTime=0; /CDistan=0; EA=0; 結(jié)論結(jié)論 系統(tǒng)測量范圍較大(最大限定 2.5
34、 m),測量誤差小,所用都是常規(guī)部件,具有較 強的實用價值。另外,由于其結(jié)構(gòu)簡單、體積小、抗干擾性能好,所以比較適用于 行走機器人。當(dāng)然,要滿足更高的精度要求,還須進行適當(dāng)改進,例如可增加溫度補 償單元;在某些特殊場合的應(yīng)用中,還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波 傳播介質(zhì)的密度、表面光滑度等因素。在設(shè)計中感覺在硬件方面還存在的諸多問 題。在超聲波發(fā)射電路中，曾經(jīng)試用過晶體管來加大功率，但是無法達到預(yù)想的 效果。在超聲波接收接收電路中，波形失真太大，而且雜波信號也非常的強，有 時候甚至超過接收到的信號，結(jié)果是肯定達不到靈敏度和精度要求。也嘗試過在 放大電路后出來加上整流電路，把交流信號轉(zhuǎn)化
35、直流信號送到比較器進行比較結(jié) 果也無法達到預(yù)想的效果。而且整個系統(tǒng)相當(dāng)?shù)牟环€(wěn)定，必須要時不時地進行調(diào) 試，才能使系統(tǒng)正常的工作。如果要進一步展開研究，在超聲波發(fā)射電路中，加 上達林頓管，進行兩級功率放大，可能能過使超聲波發(fā)射的更長，達到距離更遠 的效果。在超聲波接收電路中，可以當(dāng)超聲波接收到信號，將機械信號轉(zhuǎn)化為電 信號時，就進行整流，把交流信號轉(zhuǎn)化為直流電壓信號，然后進行三級放大，可 能能達到比較好的果。也可以在超聲波接收電路加上高阻濾波電路和低阻濾波電 路，濾除雜波，只讓 40KHZ 的信號能過，這樣就可以消除外界的干擾。或者還可 以，將比較器換在音頻譯碼集成塊 LM567，把它調(diào)成只讓
36、40KHX 的信號通過，當(dāng) 接收到 40KHZ 的信號時，輸出端就變成低電平，可以觸發(fā)單片機，這樣就可以使 系統(tǒng)更穩(wěn)定。 參考文獻參考文獻 1 LM567.PDF. MAXIM INTEGRATED PRODUCTS 1997 2 MAX232.PDF. TEXAS INSTRUMENTS INCORPORATED 1998 3 MC3403.PDF. STMICROELECTRonICS 1998 4 ULN2004.PDF. STMICROELECTRonICS 2002 5 DS18B20.PDF.DALLAS SEMIConDUCTOR CROP 2000 6 何立民.單片機應(yīng)用技術(shù)選
37、編（5）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社 1997 7 樓然苗等.51 系列單片機設(shè)計實例.北京：北京航空航天大學(xué)出版社 2003 8 胡漢才.單片機原理及接口技術(shù).北京：清華大學(xué)出版社 1996 9 張迎新等.單片機初級教程.北京：北就航空航天大學(xué)出版社 2000 10 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分.北京：高等教育出版社 1997 11 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分.北京：高等教育出版社 1997 12 劉文濤.單片機應(yīng)用開發(fā)實例.北京：清華大學(xué)出版社 2005 13 李光飛等.單片機課程設(shè)計實例指導(dǎo).北京：北京航空航天大學(xué)出版 2004 14 余永權(quán).ATMEL89 系列單片機應(yīng)用技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出 2002 15 付家才.單片機控制工程實踐技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出出版社 2004
超聲波傳感器及超聲波測距：超聲波傳感器測距原理與模塊使用
超聲波 ultrasonic (waves)：
人類耳朵能聽到的聲波頻率為20HZ～20KHz。當(dāng)聲波的振動頻率大于20KHz或小于20Hz時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20KHz赫茲的聲波稱為“超聲波”。因其方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。如超聲波清洗機，超聲波加濕器，醫(yī)學(xué)檢查B超，彩超，超聲波探傷儀等。
聲音是由振動產(chǎn)生的，能夠產(chǎn)生超聲波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。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預(yù)先了解它的性能。
常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波傳感器探頭內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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(dāng)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。 超聲波傳感器就是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換成超聲波發(fā)射出去；而在接收時，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。
超聲波測距原理：
最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，如下圖，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
超聲波發(fā)射電路：由555定時器產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號，加到超聲波探頭的引腳上，使內(nèi)部的壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射超聲波。
超聲波接收電路： 由于超聲波接收探頭產(chǎn)生的電信號非常弱，需要進行放大處理，下圖，由晶體管和運算放大器LM324構(gòu)成放大電路，對接收信號放大后，驅(qū)動繼電器。
一般采用集成的信號放大器芯片，對信號進行放大處理。CX是SONY公司的專用集成前置放大器，由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益,在近距離輸入信號強時放大器不會過載。?
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(rèn)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。V = 331．4 + 0．607T ，式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s
實際測量時由于傳感器和被測物體的角度不同，被測物體表面也可能是不是平整的，產(chǎn)生幾種特殊情況，會導(dǎo)致測量結(jié)果錯誤，如下圖，可以通過旋轉(zhuǎn)探頭角度多次測量來解決。
超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)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。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。
超聲波測距模塊： 市場上有很多做好的測量模塊，價格性能不一。
HC-SR04超聲波測距模塊可提供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。基本工作原理：
(1)采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號;
(2)模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，自動檢測是否有信號返回；
(3)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;
超聲波傳感器及超聲波測距：超聲波傳感器測距方法詳解
在日常生產(chǎn)生活中，超聲波測距傳感器主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_、及機器人自動避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場例如：液位、井深、管道長度等需要自動進行非接觸測距的場合。目前有兩種常用的超聲波測距方案。一種是基于單片機或者嵌入式設(shè)備的超聲波測距系統(tǒng)，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測距系統(tǒng)。想要了解超聲波測距傳感器的相關(guān)應(yīng)用設(shè)計首先我們必須了解超聲波傳感器測距的工作原理。
超聲波傳感器測距工作原理
超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換成其他能量信號（通常是電信號）的傳感器。超聲波是指頻率大于20 kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機械震蕩波，其具有指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離相對較遠等特點，因此常被用于非接觸測距。由于超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。，因此超聲波測距對環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，此外超聲波測量在實時、精度、價格也能得到很好的折衷。
目前超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關(guān)。測試傳輸時間可以得出距離例如：
假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s，超聲波傳播速度為v／m·s－1表示，則有關(guān)系式(1)
s=vt／2 (1)
在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。
v=331．4+0．607T (2)
式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。
超聲波測距傳感器工作原理
?
超聲波測距原理是通過超聲波發(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時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。而超聲波測距傳感器，采用超聲波回波測距原理，運用精確的時差測量技術(shù)，檢測傳感器與目標(biāo)物之間的距離，采用小角度，小盲區(qū)超聲波傳感器，具有測量準(zhǔn)確，無接觸，防水，防腐蝕， 低成本等優(yōu)點。超聲波測距傳感器常用的方式是1個放射頭對應(yīng)1個接收頭，也是多個發(fā)射頭對應(yīng)1個接收頭基于超聲波測距的簡單、易于操作和無損傷等特點所以要測得超聲波往返的時間,即可求得距離。這就是超聲波測距傳感器的工作原理。
對于超聲波測距工釆網(wǎng)小編向大家推薦一款韓國Hagisonic 超聲波測距傳感器模塊 - HG-C40U。
超聲波測距傳感器模塊擁有兩種可選傳輸模式，分別是自由運行模式：有電源時，傳感器自身發(fā)送觸發(fā)和突發(fā)信號(用于基本應(yīng)用)；外部觸發(fā)模式：外部系統(tǒng)(控制器或處理器電路)控制觸發(fā)信號用于高級應(yīng)用，這兩種模式適用于各種用途，此外該傳感器還涉及兩種輸入電源一種是低壓(5V)適用于處理器電路另一種是高壓(12V)適用于控制器可測量到障礙物的距離為3.5m (at 5V)、5m (at 12V)，并用UART通訊發(fā)送數(shù)據(jù)，分辨率在5mm以內(nèi)。另一方面在各種場合用戶可根據(jù)自身環(huán)境選擇不同的設(shè)置模式比如自由運行/ UART觸發(fā)/外部觸發(fā)設(shè)置等，同時也可根據(jù)測UART通訊波特率設(shè)定決定是否設(shè)置使用環(huán)形緩沖區(qū)，輸出信號具有高性能ASIC芯片，保證穩(wěn)定傳輸、靈敏接收等特點，因此傳感器到PC的通訊使用‘接口板’(RS232,功率調(diào)節(jié)器)數(shù)據(jù)顯示使用PC上的監(jiān)控程序(可用超級終端)可以將實際接收的超聲波實時放大用UART(ASCII, mm)輸出距離數(shù)在根據(jù)實時將探測信號轉(zhuǎn)為TTL電平矩形信號(方波)。
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