毕业论文-超声波测距报警系统设计.doc

湖南工学院毕业设计说明书 设计课题： 超声波测距报警系统系 部： 电气与信息工程系专 业： 电子信息工程技术班 级： 姓 名： 学 号： 指导老师： lei 毕业设计（论文）任务书一、课题名称：超声波测距报警系统二、设计时间：10周1下达任务书、学生收集资料、熟悉毕业设计课题（1周）；2总体方案设计（2周）；3电路设计和软件编制（4周）；4电路制作和调试（2周）；5编写毕业设计说明书（1周）；6教师评阅设计，学生进行总结、准备答辩（0.5周）；7毕业设计答辩（0.5周）；三、设计任务设计一超声波测距装置四、技术要求1. 超声测距传感器作用距离为0.2-30米。2可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在60-300kHz之间;中量程探测距离约为2-lOm，工作频率在40-60kHz之间;大量程探测距离约为20-3Om，工作频率处在16-30kHz之间。3LED或LCD显示，报警距离可设置。4扩展功能：可用于汽车测速。五、指导教师：雷军六、毕业设计参考资料：1 谢自美，电子电路设计，华中理工出版社期20002单片机原理与接口技术，北航出版社，1999.4；3李翰荪主编，电路分析M，北京：中央广播电视大学出版社；4杨素行主编，模拟电子技术基础简明教程M，北京：高等教育出版社，1998.10；5全国大学生电子设计竞赛作品选，1999年；6电子系统设计，浙江大学出版社2000；摘 要 本设计从实验研究分析的角度，分析了大作用超声波测距系统的基本设计原理。较详细的介绍大作用超声波测距系统以及根据该系统设计，研制汽车倒车防撞报警器，现场机器人，以及能自动检测障碍物的距离。它是一种时实检测前方障碍物的测距系统，当达到极限位置的时候，它能发出声报警。文章以增大超声测距系统的作用距离为主要目标，对超声换能器的机械结构、驱动电源、接收电路和信号处理算法等各个方面，展开了研究与实验验证，设计且成功实现了大作用距离超声测距系统。超声波距离传感器采用压电元件锆钛化铅，一般称为RZT，这种传感器的特点在于具有方向性，在这所用的测距系统利用超声波距离传感器的“回声”现象制成的，倒车时向车辆后方发射超声波，测定超声波遇到障碍物后返回的时间，就可以得到车到障碍物的距离。首先，文章研究了压电效应及压电超声换能器，设计了一种大作用距离超声换能器。其次，文章通过理论推导计算，设计了一种新型超声换能器驱动电源，一种单电源、带AGC 的回波接收电路，扩大了超声信号处理的动态范围。利用Nl 数据采集卡搭建了超声测距系统。 关键词：超声波，大作用距离，新型电源，脉冲回波法。Abstract This design from the experimental study analysis angle, hasanalyzed the major function ultrasonic ranging system basic designprinciple. The more detailed introduction major function ultrasonicranging system as well as acts according to this system design,develops the automobile back-draft proximity warner, the scene robot,as well as can the automatic detection obstacle distance. It is frontone kind of time solid examination the obstacle range measuringsystem, when achieved limiting position time, it can send out thesound to report to the police. The article increases the supersonicrange measuring system the range coverage primarily to want the goal,to the ultrasonic transducer mechanism, actuates the power source, theaccepting circuit and the signal processing algorithm and so on eachaspect, has launched the research and the experiment confirms, thedesign also the success realized the writings with to be away from thesupersonic range measuring system. whenback-draft launches the ultrasonic wave to the vehicles behind, afterthe determination ultrasonic wave meets the time which the obstaclereturns, may obtain the vehicle to the obstacle distance. First, thearticle has studied the piezoelectric effect and the piezoelectricityultrasonic transducer, designed one kind of writings with to be awayfrom the ultrasonic transducer. Next, the article through the theoryinferential reasoning computation, designed one kind of new ultrasonictransducer to actuate the power source, supersonicrange measuring system using the Nl data acquisition card. Key word: The ultrasonic wave, the writings use the distance, newpower source, pulse echo law.目 录第1章 绪 论- 3 -1.1超声波测距研究意义及发展概况- 3 -1.1.1 超声波测距系统研究的意义- 3 -1 .2 超声波特性及超声换能器现状- 4 -12.1 超声波及其特性- 4 -1.2.2 超声换能器现状- 6 -1.2.3 本课题设计目的及简介- 7 -第2章 超声波测距系统的原理及设计方案- 8 -2.1超声波发生器及测距原理- 8 -2.1.1 超声波发生器- 8 -2.1.2、压电式超声波发生器原理- 8 -2.1.3超声波测距原理- 9 -2.2 方案的设计- 9 -2.3 超声波的电路设计- 11 -2.3.1 AT89C52的简介- 11 -2.3.2 前置放大电路.- 13 -2.3.3 复位电路- 13 -2.3.4 时钟电路- 14 -2.3.5 报警电路- 15 -2.3.6键盘电路- 15 -2.4 超声波发射与接收电路- 17 -2.4.1 发射部分- 17 -2.4.2 接收电路- 18 -2.4.3 带通滤波器- 19 -2.4.4温度检测电路- 20 -2.4.5 发射接收模块总原理图- 21 -第3章 软件设计- 22 -3.1主流程图- 22 -3.2温度读取程序- 23 -3.3 LCD显示流程图- 24 -3.4外中断服务程序- 24 -3.5 超声波发射程序- 25 -第4章 调试说明误差分析- 26 -4.1软件调试和硬件调试- 26 -4.1.1软件调试- 26 -4.1.2 硬件调试- 27 -4.2 误差分析- 28 -4.2.2 超声波波束入射角的影响- 28 -4.2.3 超声波传播速度的影响- 29 -4.3实测比较- 30 -结束语- 31 -参考文献- 33 -附 录 1 源程序- 34 -附录2 总电路图- 43 -致 谢- 44 -第1章 绪 论由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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。 1.1 超声波测距研究意义及发展概况 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，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，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。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。下面就介绍一下超声波测距研究意义及发展概况。1.1.1 超声波测距系统研究的意义道路交通事故是现代社会的一大公害,与之相关的先进安全技术研究日益受到重视。基于智能交通系统的汽车防撞系统是先进安全技术的一项重要内容,国内外相继开展了相关的研究,但迄今为止在该领域还存在许多尚未解决的问题。探讨和研究一种在高速公路汽车防撞系统。在正常行驶时,该系统不报警,当自车与前车之间的距离小于所设定的安全距离并有可能发生碰撞时,该系统将发出报警信息,提醒驾驶员采取相应的措施,以避免碰撞事故的发生。高速公路汽车防撞系统的研究符合国内外汽车智能化的发展趋势,该系统的应用可以保证高速运行车辆的安全性,提高公路运输效率,具有广泛的应用前景和经济前景。特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高。如今，超声测距技术在国防、汽车工业、公路监测及日常生活中也无处不在。1.1.2 超声波测距系统国内外发展的概况迄今为止，国内外许多学者均着眼于测距传感器的研究。能够全天候工作的毫米波雷达是最为理想的测距传感器，这己是目前国际上公认的结论。超声测距传感器也可以全天候工作，而且价格低廉、便于安装使用，也是一种较为理想测距传感器。因此，倘若不考虑从国外进口价格昂贵的毫米波雷达，那么，超声传感器的作用距离问题，就成了当前开发超声测距系统的瓶颈制约。根据声学理论，超声换能器的机电能量转换效率、超声波传播过程的能量衰减和回波接收电路的处理增益是影响超声传感器作用距离的主要因素。因此，为扩大超声测距的范围，不能仅仅依赖于大功率超声测距传感器，还必须从以下两个方面采取措施：其一、优化换能器的机械结构、电子线路和机电阻抗匹配参数，以提高换能器的机电能量转换效率；其二、增加滤波电路或采用基于微处理器的自适应噪声抵消器对回波信号进行预处理，增大后续信号处理算法的处理增益，以提高超声测距仪的输出信噪比。只有这样，才可能研制出功耗低、量程大（2040m）而且价格低廉的超声测距系统。毋庸置疑，大作用距离超声传感器的研制成功，不仅有益于促进科技进步、加快国内超声测距系统的开发进程，而且具有相当广阔的市场前景。1 .2 超声波特性及超声换能器现状具备发送和接收超声波功能的装置，称为超声换能器，习惯上称为超声传感器或超声波探头。下面，简要介绍一下超声波特性和超声换能器现状。12.1 超声波及其特性 超声波具有较好的指向性 频率越高，指向性越强。这在诸如探仿和水下声通讯等应用场合是主要的考虑因素。频率高时，相应地波长将变短，因而波长可与传播超声波的试样材料的尺寸相比拟。甚至波长可远小于试样材料的尺这在厚度尺寸很小的测量应用中以及在高分辨率的探伤应用中是非常重要的。 超声波用起来很安静,这一点在高强度工作场合尤为重要。这些高强度的工作用可闻频率的声波来完成时往往更有效，然而遗憾的是，可闻声波工作时所产生的噪声令人难以忍受，有时甚至是对人体有害的超声波的应用被严格地区分为低强度应用和高强度应用两类”。在低强度应用类中，超声波或是用来研究试样材料的特性，或是用来作为控制手段。绝大多数情况是被测材料本身经受不起结构上的持久变形或是经受不起化学特性上的变化，才采用低强度超声波作为测试手段的。许多低强度应用场合中所用的超声波，其频率都很高，典型的工作频率是在兆赫兹的范围内，而其声功率的范围则较宽，一般可从数微瓦到数十毫瓦。在高强度应用类中，超声波通常是用来改变它所通过的物质的性质。高强度应用几乎总是在低频的情况下进行的，通常就把工作频率选在刚好高出可闻声频的上限处，而其声功率则可以从数毫瓦至上千瓦。 现代声学已经涵盖了从“1010”Hz 的频率范围，相当于从大约3 小时振动一次的次声到波长短于固体中原子间距的分子热振动，即跨越了10 “量级的宽广频段。振动频率在16Hz 20kHz 之间的机械波，能为人耳所闻，称为声波；低于16Hz 的机械波，称为次声波；高于20kHz 的机械波，称为超声波，而高于100 MHz 的机械波，则称之为特超声波。 由于人耳听域有限，所以在自然界中似乎超声不存在，其实超声是广泛存在的。人耳听到的声音只是自然界声音的一部分，即可听声部分，而即使是可听声部分的声音，有时仍然含有超声成分，只是人耳听不到。比如：自然界中许多动物发出的声音中就含有超声成分，蝙蝠是最出名的。它可以利用超声进行探测洞穴、捕获昆虫，人类从18 世纪就开始研究它，一直延续至今，并利用仿生学的原理制造出雷达等探测工具。在我国，解放前超声的研究是个空白。解放后不久，出现了很少量的超声学研究。大规模的超声研究开始于1965 年。到目前，我国在超生学的各个领域都开展了研究和应用。有不少的项目和成果达到了国际水平。 同其它声波一样，超声波的传播速度取决于介质密度和介质的弹性常数。在大气条件下，超声波在相同传播介质中的传播速度是一样的，而且，在相当大的频率范围内，声速是固定不变的。空气中的声波传播速度c 可近似地表示为； C331.4331.4+0.6T(m/s) (1.1) 其中T 是空气介质的温度（C ）。因为声波是借助于传播介质中的质点运动而传播的，其传播方向与其振动方向一致，所以空气中的声波属于纵向振动的弹性机械波。在理想介质中，描述简谐声波向x 正方向传播的质点位移运动可表示为： S(t)=A(x)cos(t+kx)=Aecos(t+kx) (1.2) 式中，s (t）表示质点的位移；A是振动初始条件决定的常数；，t 分别表示角频率和时间；x 为声波的传播距离（也称为射程）; k = / c 称为波数；a 为衰减系数。由此可见，在传播过程中声波的振幅A (x)将随距离x 的增加而呈指数形式衰减。衰减系数与声波频率及传播介质的关系为 (1.3) 其中，A为介质常数，在空气中，A2 (s), f 是声波的振动频率。例如，当超声波的振动频率为25kHz 时，1/80m 。其物理意义是：超声波在空气介质中传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗，在声波的传播距离等于1/ 时，声波振幅将衰减到初始值的1/e 倍。显然，声波频率愈高，声能被吸收衰减愈大，声波的传播距离愈小；反之，声波频率愈低，声能的吸收衰减愈小，声波的传播距离就愈大。声波的另一种重要的性质是：波的频率越高，波束越窄，声波定向传播（或称为直线传播）和反射能力越强，其能量远远大于振幅相同的低频声波。超声波的特性除了与其谐振频率有关，还与发射换能器的辐射面积有关。换能器的辐射面积越大，超声波的波束角就越小。因此，在设计大作用距离超声测距传感器时，必须选用恰当的换能器工作频率和换能器辐射面积1.2.2 超声换能器现状换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电声换能器。用来发射声波的换能器叫发射换能器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。用来接受声波的换能器叫接收器。换能器处在接受状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成：电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等。1.2.3 本课题设计目的及简介 本次超声波测距仪的设计要求：1. 超声测距传感器作用距离为0.2-30米。2可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于2m，工作频率在60-300kHz之间;中量程探测距离约为2-lOm，工作频率在40-60kHz之间;大量程探测距离约为20-3Om，工作频率处在16-30kHz之间。3LED或LCD显示，报警距离可设置。本课题以研制功耗低、体积小、作用距离大而且价格低廉的超声测距系统为目标，对超声换能器的机电特性、机械结构、发射与接收电路、机电阻抗匹配、超声测距处理方法等各个技术专题，现将论文中各个章节的主要内容简要介绍如下： 第一章以论文的研究背景与现实意义为核心，介绍了测距传感器概况，重点阐述了研制超声传感器的关键技术和各种超声波测距处理方法，简要介绍了超声测距在各个领域的应用。 第二章具体介绍了超声波测距系统的原理及设计方案。和各个电路的原理图。 第三章介绍了软件设计个主要的流程图。 第四章主要说明了软件和硬件的设计。第五章的重点是总结全文的主要研究成果，并指出进一步研究工作可以采取的措施和应当注意的问题。第2章 超声波测距系统的原理及设计方案 2.1超声波发生器及测距原理超声波发生器的可分几大类，本节介绍压电式发生器的原理和超声波测距的原理。2.1.1 超声波发生器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。目前较为常用的是压电式超声波发生器。2.1.2、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图2-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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器了。图2-1 超声波传感器结构2.1.3超声波测距原理在超声探测电路中，在发射端得到输出脉冲为一系列方波，这一系列方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲的个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： (1)取输出脉冲的平均值电压，该电压(电压的幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离； (2)测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t。因此，被测距离为S=1/2vt。 本测量电路采用第二种方案。 由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，附表列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。温度（C）-30-20-100102030100声速（米/秒）313319325323338344349386表2-1 温度与声速变化2.2 方案的设计我们做的是基于单片机的超声波测距仪。用单片机控制超声波的发射、接受电路以及进行数据处理，再用液晶显示屏进行数据的显示。因为声音的速度会随着温度的变化而改变，所以，我们增加了温控装置，即通过温度传感器（18B20），把当前的温度信息传给单片机，再通过一定的算法，得到当前的声音速度。操作者可以通过几个简单的按键完成测量方式的选择（实时监测、手动测量）。由单片机产生一个信号，经过信号线，把信号引入到与超声波发射器相连的信号引脚上，在由超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：其中，D为换能器与障碍物之间的距离，C为波声传播速度，T为超声波发射到返回的时间间距。原理框图如下： 开始测量超声波信号开定时器关定时器数据运算显示器接收检测电声换能器电声换能器驱动电路图2-2 总原理框图本次设计包含硬件设计与软件设计两部分，根据设计任务要求，采用AT89C52单片机，配置时钟电路，复位电路构成单片机最小系统，由模拟电路和数字电路构成超声波发射、接收模块。由键盘，LED显示构成人机对话通道，以及温度传感器来构成由单片机最小系统来控制的超声波测距仪，其结构框图如下：单片机最小系统发射、接收（模拟电路）信号保持（数字电路）温度传感器按键、LCD显示2-3 图总结构框图2.3 超声波的电路设计本系统的特点是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。介绍个电路的电路图和简介。2.3.1 AT89C52的简介AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52芯片的管脚、引线与功能AT89C52芯片图如图2-4：图2-4AT89C52芯片图(1)引脚信号介绍：P00P07 ：P0口8位双向口线P10P17 ：P1口8位双向口线P20P27 ：P2口8位双向口线P30P37 ：P3口8位双向口线访问程序存储器控制信号：当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存储器；而当信号为高电平时，则对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序存储器。ALE地址锁存控制信号：在系统扩展时，ALE用于控制把P0口输出低8位地址锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。此外由于ALE是以晶振六分之一的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲作用。外部程序存储器读选取通信号：在读外部ROM时有效（低电平），以实现外部ROM单元的读操作。XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：当使用芯片内部时钟时，此二引线端用于外接石英晶体和微调电容；当使用外部时钟时，用于拉外部的时钟脉冲信号。RST复位信号：当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的复位初始化操作。 VSS：地线 VCC：+5V电源（2）P3口的第二功能如表2-1 表2-1 P3口的第二功能口线第二功能替代的专用功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2外部中断0P3.3外部中断1P3.4T0定时器0的外部输入P3.5T1定时器1的外部输入P3.6外部数据存储器写选通2.3.2 前置放大电路.考虑到超声换能器的输出电阻比较大，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗。前置放大电路是一个精密、高输入阻抗仪表放大器AD620 构成的精密放大器，如图： 图2-5 前置放大电路AD62O 是一种电阻可编程的放大器，其内部是由三运放组成的仪表放大器结构，内部的电阻经激光技术校准，整个放大器具有很高的精度和共模抑制比，其增益范围在11000 之间，由管脚1 、8 之间的电阻调节，增益公式为： G= （2.1） 由于在此采用了收发同体传感器，因而收发信号之间要产生干扰，较大的发送信号能量有可能直接进入接收电路，它要比回波大得多，因此，前级放大器会饱和，电路工作不稳定，为此，接收信号放大器的输入端要接入一对互为反向的二极管进行箱位，以保护后面的放大电路。 此外，当换能器从发射状态切换到接收状态的瞬间，其输出电压较高，但阻抗也高，易受噪声影响，故通常需要接入一个偏流电阻凡。注意，凡的阻值不能太小，否则，换能器上的感应电荷将通过它快速地放电，从而影响超声波接收电路的灵敏度；同时，凡的值也不能取得太大，以避免外部噪声在接收电路中得到进一步的放大。实验证明，凡取lookn 比较合适。2.3.3 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2-6所示：图2-6复位电路图（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。故本设计选用第二种上电复位与按键均有效的各单位电路。2.3.4 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。（1）时钟信号的产生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。图2-7 时钟振荡电路电容器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）时钟振荡电路如图2-7所示：2.3.5 报警电路 把“单片机系统”区域中的P1.0端口用导线连接到“音频放大模块”区域中的SPK IN端口上，在“音频放大模块”区域中的SPK OUT端口上接上一个8欧或者是16欧的喇叭。音频放大模块由LM386组成。报警电路如图2-8所示： 图2-8 报警电路 当LED显示所测定的转速超过限定的的速度时报警信号从P1.0端口输出，产生方波频率，方波从P1.0输出0.2秒，接着0.2秒从P1.0输出电平信号，经音频放大模块放大，送入喇叭产生报警声。2.3.6键盘电路键盘电路是很多设计中很重要的组成部分。它主要是输入设备。单片机应用系统中键盘有独立式和行列式两种。独立式键盘：独立式键盘中，每个按键占用一根I/O口线，每个按键电路相对独立。I/O口通过按键与地相连，I/O口有上拉电阻，无键按下时，引脚端为高电平，有键按下时，引脚电平被拉低。I/O口内部有上拉电阻时，外部可不接上拉电阻。行列式键盘：行列式键盘键数比较多，从按一个键到键功能被执行主要包括两项工作：一是键的识别，即在键盘中找出被按的是那一个键，另一项是键功能的实现，第一项是接口电路来实现的，而第二项是通过执行中断服务程序来实现的。具体来说，键盘借口应完成以下操作功能： 键盘扫描，以判断是否有键按下。 键识别，以来确定闭和键的行列位置。 产生闭和键的键码。 排除多键，串键以及抖动。本次设计中采用的是独立式键盘，键盘电路图如图2-9所示： 图2-9与单片机相连的独立式键盘2.4 超声波发射与接收电路2.4.1 发射部分图2-11 超声波发射原理图超声波信号由单片机产生，信号经过三极管后驱动超声波换能器发送超声波，途中碰到障碍物就立即返回。否则认为没有探测到物体。此电路有两个三极管构成推拉式驱动电路，三极管工作在开关状态。当信号线来一个高电平时，三极管Q1导通，Q1的集电极高电平，Q2截止，Q2的发射极为低电平，从而使超声波换能器工作。在此电路图中的电容（C1）起隔直耦合作用。2.4.2 接收电路图2-12 超声波接收原理图超声波接收是用来将探测波回波的声能转换为电信号，实现超声波回波的接收。在被测物距离较远的情况下回波很弱，要求将信号多次放大，放大后的信号整形、比较、触发后产生中断信号，此中断信号向CPU发中断请求，执行中断服务程序中，读取计时器的定时值。此电路由信号放大部分，检波部分，电压比较部分和信号保持部分组成，收到的信号经过两级放大，再通过倍压式峰值检波电路检波，得到一个基本稳定的信号，再通过与电压比较器比较，若信号电压大于参考电压，则输出高电平，若低于参考电压则输出为低电平，若输出高电平，则RS触发器触发，输出高电平，且一直保持下去，直到单片机给出控制信号，触发器回到低电平状态。超声波从发射到接收时间间距的测量，是由单片机内部的计数器（如T0）来完成的 。超声波从发射到接收的时间间隔的测量, 是由单片机内部的计数器(如T 0) 来完成的。在CPU 停止发送脉冲群后, 由于电阻尼, 换能器不会立即停止发送超声波, 在一定时间内仍然发送。这段时间的存在使系统不能够测量比较近的物体, 形成所谓的“盲区”, 需要对盲区时间产生的信号进行屏蔽, 不同性能的超声波换能器的盲区有所差异, 以一个通道工作的时序为例进行说明, 如图2-8 所示。图2-12一个通道的工作时序2.4.3 带通滤波器带通滤波器采用无限增益多路反馈型滤波电路，它是由一个理论上具有无限增益运算放大器赋以多路反馈构成的滤波电路。如图2-13 所示是由单一运算放大器构成的无限增益多路反馈二阶带通滤波电路的基本结构。滤波器参数为A ( 2-1 ) ( 2-2 ) ( 2-3 )图2-13 带通滤波器无限增益多路反馈型滤波电路由于没有正反馈，故稳定性高。为计算方便，可先选定CA ，A, Q =4 ，由以上方程联立得R,R.滤波器输出再通过一级放大后接采集卡进行A/D 采样。末级放大电路是由普通的反向运算放大器和电阻元件构成，通过调节电位器来放大器的增益，使之输出幅值满足采样电路的要求即可。2.4.4温度检测电路 采用美国答拉斯（Dallas）公司的单线数字温度传感器芯片DS18B20作为温度传感器，与传统的热敏电阻所不同，DS18B20可直接将被测温度转换成串口数字信号，一供单片机处理，DS18B20可以实现912位的温度读取，信息经过单线借口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从微处理器到DS18B20仅需连接一条信号线和地址线。读、些和执行温度变换所需的电源可以由数据本身供，而不需要外部电源。温度传感器（DS18B20）的引脚分布图如2-14，其封装为（DIP8或三极管封装）。图2-14 18B20的引脚分布图引脚功能如下：NC （1、2、6、7、8脚）：空引脚，悬空不使用VDD（3脚）：可选电源脚，电源电压范围33.5V。当工作寄生电源时，此引脚必须接地。DQ（4脚）：数据输入/输出脚。漏极开路，常态下为高电平。GND（5脚）：接地2.4.5 发射接收模块总原理图图2-15 发射接收模块总原理图第3章 软件设计3.1主流程图程序开始输入要温度为状态选择作准备。状态选择分为手动控制与实时控制。当选择手动控制时程到手动控制部分，然后判断是否有键按下。如果有键按下，则出现高电率。程序判断为yes；然后控制。发射超声波后，通过传感器等待回波。如果判断为高电平则表示有回波则进入中断服务。如果没有则回到是否有键按下的判断。如果选择实时控制部分，则由实时控制超声波的发射。等待回波程序如果通过传感器收到超声波。则进入中断服务程序，否是返回重新。中断服务后，通过数据运算，显示距离，再返回到状态的选择。 图3-1主流程图3.2温度读取程序首先开始，初始化地址，通过地址得到应答脉冲，如果没有则返回，重新应答，应答脉冲为高电平，则skip rom命令。再发生conver T命令后，延时1s等待温度1s等待温度转的完成，温度转换完成后，在初始化地址，给出应答脉冲时发出Read Scratchpad命令。后读出先后脉冲，读取第12字节温度数据，再返回开始初始化程序。 图3-2 温度检测程序3.3 LCD显示流程图程序开始初始化后，检查忙信号如果有则写入命令函数，如果没有则重新检查忙信号，至到有信号为止，写完命令函数则写入数据函数，通过一定的延时程序，再返回到程序初始代。图3-3 LCD显示流程图3.4外中断服务程序关定时器关中断读取时间值返回图3-4外中断服务程序 当收到外部中断信号时，关闭定时器，关闭中断。读取当时的时间值并存储时间值。返回主程序。3.5 超声波发射程序定时器初始化发射超声波开计时器返回停止发射图3-5 超声波发射程序第4章 调试说明误差分析4.1软件调试和硬件调试4.1.1软件调试系统软件设计、调试的过程如图41所示源程序编辑 编译Y有语法错误？ 动态在线调试 成功有逻辑错误？NYN图41其过程分为以下几个步骤：第一步，建立源程序。通过计算机开发系统的编辑软件，按照所要求的格式、语法规定、源程序输入到开发系统中，并存在磁盘上。第二步，在计算机上，利用KILE软件对第一步输入的源程序进行编译，变为可执行的目标代码。如果源程序有语法错误，则其错误将显示出来，然后返回到第一步进行修改，再进行编译，直到语法错误全部纠正为止。第三步，动态在线调试。对于与系统、硬件无联系的程序，可以借助动态在线调试手段，如单步运行、设置断点等，发现逻辑错误，然后返回到第一步修改，直到逻辑错误纠正为止。对于与系统硬件紧密相关的程序，则需软件，硬件同时进行调试，将程序烧入CPU，然后将CPU 插入系统，发现硬件故障排除故障，发现逻辑错误，修改程序，消除逻辑错误。4.1.2 硬件调试 硬件调试分两步：第一步：系统上电之前，先用万用表等工具，根据硬件逻辑设计图，仔细检查线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，应特别注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线是否存在相互之间短路或与其它信号线的短路。第二步：第一步的调试，只是对系统进行初步调试，可以排除一些明显的故障，而硬件故障（如各个部件内部存在的故障和部件之间连接的逻辑错误）主 要是靠软件和硬件联调来排除。硬件调试和软件调试是不能完全分开的，许多硬件错误是在软件调试中发现和被纠正的。4.2 误差分析4.2.1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4-2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后加一个补偿系数来补偿计时误差,(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4.2.2 超声波波束入射角的影响如果系统是用来测量面与点的距离, 则被测物、换能器及换能器所在测量参考平面三者之间存在一个几何角度, 即反射波入射到换能器的角度, 当这个角度不是90时, 系统测量到的距离是障碍物与换能器之间的距离而不是和测量参考平面之间的距离, 这就会造成测量误差, 如图5-2 所示。图5-2超声波回波入射角影响分析图当障碍物的距离较小时, 这个误差就会成为近距离时的主要误差来源。可以用多个换能器同时测量, 利用几何关系来计算得出实际距离, 消除这种误差。 （4-1） 式中 -换能器a 、b到被测物的距离 - 换能器a、b之间的距离 -被测物到测量的距离4.2.3 超声波传播速度的影响稳定准确的声波传播速度是保证测量精度的必要条件, 传播介质的温度、压力及密度对声速都产生直接影响。对于在大气中传播的声波而言, 引起声速变化的主要原因是温度的变化。采用声速预置和传播介质温度测量结合的方法对声速进行修正, 可有效地降低温度变化产生的误差。在对距离的精确度要求不高的应用中可以不进行温度补偿, 选择室温20左右时的声速340m/s作为固定参数, 当温度在- 10 40 之间变化时声速误差在5% 之间。如果在室外测量, 对于季节温差大的地区, 还可以采用预置该地区12 个月的统计温度, 用以对温度进行补偿, 既可提高精度, 又不增加成本。影响测量误差的因素8 很多, 包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。在实际应用中可以根据系统测量精度要求, 采用合理的补偿手段。4.3实测比较表4-1 实际测量值与测量值的比较实测值测量值0.64m0.64m1.24m1.24m1.84m1.84m2.44m2.44m3.04m3.04m3.64m3.65m4.24m4.25m结束语超声测距原理简单，成本低、制作方便，但由于目前存在的超声测距系统作用距离短，所以在很多领域的应用有着一定的局限性，因此，研制和开发高精度、大作用距离超声测距系统，仍然是当今超声测距领域中富有挑战性的课题之一。本文通过对压电换能器结构的分析，设计了一种大作用距离的超声换能器。超声测距技术是一门融合了声学、力学、电子学、材料学等多方面技术的学科，每一项技术的新发现都会推动超声学的进展。新型换能器及大功率驱动电源等技术的发展必将使超声的测距范围进一步扩大，结合快速时延搜索算法，超声测距技术将广泛应用于移动机器人自动导航系统、汽车防撞预警系统、机械手定位系统、交通流量监测系统等方面。另外，若在超声测距中采用扩频技术，将在很大程度上解决远距离测量与分辨力之间的矛盾，提高测距系统的信噪比和分辨率。而且，采用伪随机码扩频解扩方法，容易实现码分多址（只要给安装在大范围测量区域中多个传感器分配相应的伪随机码，就可以方便地辨认出各个区域传感器发出的信号），扩大超声测距的测量范围。比常规超声测距方法具有更广阔的应用前景。在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法让我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。我的心得也就这么多了，总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。参考文献1 王瑞华脉冲变压器设计北京：科学出版社，1996 .2 张国雄，金篆芷测控电路北京：机械工业出版社，2001 .3 李翰荪主编，电路分析M，北京：中央广播电视大学出版社. 4 杨素行主编，模拟电子技术基础简明教程M，北京：高等教育出版社，1998.10.5 全国大学生电子设计竞赛作品选，1999年.6 电子系统设计，浙江大学出版社2000.7 潘松，EDA技术应用M，北京：科学出版社，2002.10.8 周立功，基于ARM7设计，北京：北航出版社，2005.3. 9 谢自美，电子电路设计，华中理工出版社期2000.10 张国雄，金篆芷测控电路北京：机械工业出版社，2001 .11 单片机原理与接口技术，北航出版社，1999.4.12 龚耀寰自适应滤波北京：电子工业出版社，1989 .13 召华，刘贵忠，马社祥基于正交小波变换的瞬变步长的LMS 自适应滤波算法通讯学报，2001 , 22.14 童峰，许水源，许天增基于遗传算法的超声信号自适应时延估计应用声学，2000 , 19.附 录 1 源程序#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longuint c=340;ulong l,time;char i=1,j=1,k=80,aa;char t,tp=10,ts,tg,lb,ls,lg,lsf,fh,cb,cs,cg;sbit RW=P21;sbit RS=P20;sbit E=P22;sbit rece=P33;sbit k2=P11;sbit k1=P10;sbit k3=P12;sbit k4=P13;sbit sg=P37;sbit ctl=P35;void delay(uint i) /延时程序/while(i-); /*液晶显示*/void writercom(uchar q) /写命令/E=1; RS=0; RW=0; P0=q; E=0; delay(20); void writerdata(uchar o)/写数据/ E=1; RS=1; RW=0; P0=o; E=0; delay(20); void writer_d(uchar *u)/写数据串/while(*u) writerdata(*u+); void xsinit(void)writercom(0 x01); writercom(0 x38);/使用8位数据，显示两行，使用5*7的字型/ writercom(0 x0c);/显示设置，不显示光标，字符不显闪琐/ writercom(0 x06);/光标从左往右移，内容不移/ /*超声波发射程序*/void sen() /超声波发射程序/uchar times=0; TMOD=0 x12; /定时器1工作在定时方式1，定时器0工作在定时方式2/ IE=0 x84; /中断设置/ TH0=244;