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1、目录1. 引言12. 方案论证与比较22.1 超声波测距的原理22.1.1 超声波的基本理论22.1.2 超声波测距系统原理22.2 超声波发射电路42.3 超声波接收电路52.4 温度采集电路83. 硬件系统的设计93.1 系统整体框图93.2 系统整体电路103.2.1 单片机电路113.2.2 复位电路113.2.3 时钟电路123.2.4 按键电路123.2.5 蜂鸣器电路123.3 超声波发送电路133.4 超声波接收电路133.5 温度采集DS18B20电路153.5.1 DS18B20简介153.5.2 DS18B20使用163.6 LCD显示电路163.6.1 1602液晶模块
2、简介163.6.2 1602液晶模块初始化及设置184. 软件系统的设计184.1 系统主程序模块设计184.1.1 程序原理184.1.2 软件流程图194.1.3 程序代码204.2 系统其他程序模块设计224.2.1 超声波发送程序224.2.2 超声波的接收和处理234.2.3 距离计算程序244.2.4 DS18B20温度采集程序244.2.5 数据转换程序284.2.6 LCD显示程序295. 系统仿真326. 心得体会33参考文献34数据采集与数显的智能系统设计 摘要：基于传统的方法在很多特殊场合：如带腐蚀的液体，强电磁干扰，有毒等恶劣条件下，测量距离存在不可克服的缺陷，设计超声
3、波测距能很好的解决此类的问题。本论文先介绍单片机超声波测距系统的原理，重点设计测量距离的超声波的发生电路与接收电路系统和基于DS18B20温度采集电路系统，再将采集结果显示在LCD显示屏上，最后对系统进行误差分析。 关键词：单片机；超声波测距；DS18B20温度；LCD显示；软件设计；误差分析1. 引言在现代化的工业生产及日常生活中人们经常需要用到一些数据，如：距离、温度、湿度等等。传统的数据采集工具虽然也能得到这些数据但存在误差比较大，导致工作质量不高。采用单片机来采集数据系统能够解决误差大问题，提高采集数据的精确度，提高工作质量。而且基于传统的方法在很多特殊场合：如带腐蚀的液体，强电磁干扰
4、，有毒等恶劣条件下，人不能直接进行数据采集，导致采集数据存在不可克服的缺陷。利用MCS-51单片机数据采集系统能够代替人在这些危险的环境下进行数据的采集工作。数据采集器的市场需求量大，以数据采集器为核心构成的小系统应用广泛，因此开发高性能的数据采集器具有良好的市场前景。随着计算机技术的飞速发展和普及，数据采集系统在多个领域有着广泛的应用。如摄像头，麦克风，电子温度计，数显电子称，电子血压表都是我们日常生活中经常用到的数据采集工具。数据采集是工、农业控制系统中至关重要的一环，在医药、化工、食品、等领域的生产过程中，往往需要随时检测各生产环节的温度、湿度、流量及压力等参数。将其在某一时间段内检测得
5、到的数据经过转换提取出来，以便进行比较，做出决策，调整控制方案，提高产品的合格率，产生良好的经济效益。数据采集系统具有广阔的市场前景，在工业生产和日常生活中已越来越必不可小。数据采集与数显系统在社会生活中应用广泛。在各个领域中都有它的身影。它们具有测量精确、操作简单、工作稳定可靠等特点。它们代替了传统的数据采集工具，成为人们工作生活中的主要工具。2. 方案论证与比较数据采集与数显系统是以单片机为核心，辅助一定的外用设备就能够用于采集到许多数据，但本文重点介绍距离和温度的数据的采集。主要使用超声波测距的方法来采集距离数据，在硬件上增加了温度传感器测温电路，采取声速预置和媒质温度测量相结合的办法对
6、声速进行修正，降低了温度变化对测距精度的影响，有利于提高超声波测距系统的测量精度。重点设计测量距离的超声波的发生电路与接收电路系统和温度采集电路系统，再将采集结果显示在LCD显示屏上，最后对系统进行误差分析。2.1 超声波测距的原理2.1.1 超声波的基本理论超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐
7、射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声1。超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在1041012Hz，其中通常的频率大约在1043106之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。2.1.2 超声波测距系统原理在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比
8、2。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 (其幅值基本固定 )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，故被测距离为 S=12vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。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。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。超声波测距的算法设计: 超声波在空气中传播速度为每秒钟3
9、40米（15时）。X2是声波返回的时刻，X1是声波发声的时刻，X2-X1得出的是一个时间差的绝对值，假定X2-X1=0.03S，则有340m0.03S=10.2m。由于在这10.2m的时间里，超声波发出到遇到返射物返回的距离如下： 图 2-1 测距原理2.2 超声波发射电路(1) 分立元件构成的发射电路图 2-2 分立元件构成的超声波发射电路图2-2是由两只普通低频小功率三极管C9013构成的振荡、驱动电路，三极管Q1、Q2构成两级放大器，但是由于超声波发射头的正反馈作用，这个原本是放大器的电路变成了振荡器。超声波发射器的压电晶片可等效于一个串联LC谐振电路，具有选频作用，因此该振荡器只能振荡
10、在超声波发射头的固有谐振频率f0。第二个图中用电感L替代R3这样可以增大激励电压，使其具有较大的功率输出3。(2) 由集成电路构成的发射电路图2-3 555构成的超声波发射电路图2-3为由555集成芯片构成的振荡、调制、激励电路。该电路应使用双极型555（内部电路由普通三极管构成），不宜使用单极型7555（内部电路由CMOS电路构成，外部引脚与555相同），其原因是7555带负载能力小。由555集成芯片构成多谐振荡器，该电路的震荡周期为T=0.695（R19+2R22）C11，通过调节R22的阻值可以改变发射频率4。(3) 由非门构成的超声波发射电路图2-4 由非门构成的超声波发射电路图2-4
11、是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调试容易。很容易通过软件控制。图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。(4)超声波发射电路选择结论 以上为常用的发射电路，分立元件构成的发射电路容易受到外界的干扰，体积、功耗也比较大。而集成电路构成的发射电路具有调试简单，可靠性好，抗干扰能力强，体积小，功耗低的优点，所以首先考虑采用集成电路来组成收发电路。 在由集成电路构成的收发电路中，发射电路我们选用由非门构成，主要是考虑到系统的调试简单、成本低、可靠性好。2.3 超声波接收电路(1) 由分立元件构成的接收电路图 2-5 为由三极管T1, T2和若干电
12、阻电容组成的两级阻容耦合交流放大电路。第一级中RL为集电极负载电阻；R2为偏流电阻，同时引入了交直流并联电压负反馈，可以较有效的稳定静态工作点，改善非线性失真以及增益的稳定性；R4 是发射极负反馈电阻，引入直、交流串联电流负反馈，具有稳定工作点、增益、改善失真、提高输入阻抗等作用。 图 2-5 分立元件构成的超声波接收电路(2) 由运算放大器构成的接收电路 图2-6是由运放构成的超声波放大电路，该电路的形式在其他应用中经常遇到，特点如下： 1）一般用运放组成的放大电路都要求对称的正负电源供电，这里以单电源供电，输出端的静态电位必须设置在1/2的电源电压，这由同相输入端的点的电位来确定，R15和
13、R17分压取得1/2的电源电压加到运放的同相输入端，使其电位1/2电源电压。 2）采用同相端输入方式其输入阻抗高，超声波接收传感器的输出信号接到放大器的同相端，有利于超声波传感器充分发挥接收灵敏度和自生的选频作用。 3）反相端对地不提供直流通路，因此通过隔直电容C8提供直流通路。 图 2-6 运放构成的超声波接收电路(3) LM1812收发集成电路构成 LM1812是一种专用于超声波接收和发送的集成电路，它即可做发送电路，又可以做接收电路使用。如下图2-7所示： 图 2-7 由LM1812构成的接收电路(4) CX20106构成的接收电路图 2-8 CX20106构成的接收电路图2-8是CX2
14、0106构成的接收电路，内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器，将信号调整到合适的幅值；再经过带通滤波器滤波得到有用信号，滤除干扰信号；最后由峰值检波器和整形电路输出到锁相环路，实现准确的计时5。1脚是接收信号输入端。2脚是调节接收信号灵敏度，电阻越小，灵敏度越高。电容越大，灵敏度越高。电容一般取1F，电阻50300 的，在干扰较大的场合增加电阻阻值可将灵敏度调低，干扰小的场合减小阻值将灵敏度调高。5脚主要用来调节中心频率，这里取200 k，7脚接上拉电阻，这里取1 k左右。U4为超声波接收头
15、，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0上。当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机的外部中断0 口。单片机在得到外部中断0 的中断请求后，会转入外部中断0 的中断服务程序进行处理。(5)超声波接收电路选择结论以上为常用的接收电路。集成电路CX20106A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38kHz与测距的超声波频率40kHz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）具有很高的灵敏度和抗干扰能力。适当的更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。2.4 温度采集电路 本系统中的温度采集电路具有采集温度并且对测距进行补偿的作用，选用DS18B20温度传感器作为温度检测元件能使该系统采集的数据更加准确。 温度传感器DS18B20温度范围为-55125，最大分辨率在0.0625。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程
