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1、. . . . 超声波传感器与应用超声波测距摘要：介绍了一种基于AT89C52单片机的超声波测距系统，由555和运放与比较器配合超声波传感器有效组成了超声波的发射电路和接收电路。同时在数据处理，盲区消隐方面提出了有效解决方法! 从而提高了检测的精度与灵敏度,以与用LCD液晶显示器配合美妙的音乐进行显示。本文主要阐述了超声测距系统的硬件电路构成、工作原理与软件设计方法。该系统硬件结构简单、工作可靠,有良好的测量精度和灵敏度。关键字 超声波 测距 LCD液晶 / 前言随着科技的迅猛发展越来越多科技成果被广泛的运用到人们的日常生活当中,给我们的生活带来了诸多方便。这一设计就是本着这个宗旨出发,利用超
2、声波的特性来为我们服务。人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ围，超过20KHZ称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。由于超声波指向性强,因而常于距离的测量。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,汽车安全,海洋测量等上得到了广泛的应用。本设计提供一种液晶显示测距装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间
3、的距离。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式,比如,激光测距,微波测距,红外线测距和超声波测距等。但是,超声波测距不失为一种简单可行的方法。虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。但是,有的电路复杂,技术难度大,有的调试困难,有的元件不易购买。本文介绍的电路,成本低廉,性能可靠,所用元件易购,并且利用测距原理,结合单片机的数据处理,使测量精度提高,电路实现容易,无须调试,工作稳定可靠。目 录前言I第一章绪论11.1选题背景与研究意义1第二章方案论证22.1超声波测距原理22.2系统的工作原理2第三章系统
4、硬件电路的设计43.1AT89C52单片机43.2超声波发射电路53.3超声波接收电路83.4 LCD液晶显示部分结构103.5音乐播放模块15第四章系统软件设计164.1超声波接收发射软件设计164.2音频脉冲的产生194.3 LCD液晶显示部分软件设计19结论22参考文献23致24附录25第一章 绪论1.1选题背景与研究意义1.1.1 选题背景在日常生活中，有各种各样的测距仪。与激光测距、红外线测距相比,超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明与漫反射性差的物体上也更有优势。而且超声波还有其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优
5、点。超声波测距是一种非接触式测量,广泛应用于倒车防撞雷达、机器人接近觉、海洋测量、物体识别等领域。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数,所以,测距就成为数据采集中要解决的一个问题。1.1.2研究意义本设计是超声波测距仪装置,该装置利用了发射接收一体化的超声波传感器和微处理器。采用超声波传感器分时工作于发射和接收,利用声波在空气中的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物到超声波测距器之间的距离。因此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。在日常生活中起了广泛的作用。第二章 方案论证2.1超声波测距原理为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多
6、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一样，因而用途也各不一样。目前较为常用的是压电式超声波发生器超声波测距通常采用度越时间法,即利用s=vt/2计算被测物体的距离。式中s为收发头与被测物体之间的距离, v为超声波在介质中的传播速度(v = 331. 41+T/273m/s),t为超声波的往返时间间隔。工作原理为:发射头发出的超声波以速度v在空气中传播,在到达被测物体时被其表面反射返回,由接收头接收,其
7、往返时间为t,由s算出被测物体的距离。T为环境温度,在量精度要求高的场合必须考虑此影响,但在一般情况下,可舍去此法,由软件进行调整补偿。由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，附表1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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，就可以求出距离。这就是超声波测距原理。表1 温度与声速的关系温度（）30 20100102030100声速（m/s）3133193253333383443493862.2系统的工作原理系统的工作是由软件和硬件的配合过程。先由微机使555使能
8、端置1，继而555送出40kHz频率的方波信号经过压电换能器（超声波发射头）将信号发射出去与发射超声波,同时该时刻启动定时器开时计时。该信号遇到障碍物反射回来在此称为回波。同时,压电换能器（超声波接收头）将接收的回波与接收超声波,通过信号处理的检波放大，与通过三级放大后再送到比较器进行比较输出比较电压, 输出电压经过三极管以后，使之电压与AT89C52的I/O口相匹配最后送至微机处理。最后进行LCD液晶显示同时配上美妙的音乐。超声波测距系统设计框图如图2.1所示。微处理器AT89C52LCD液晶显示温度采集超声波发射超声波接收音乐播放5V电源图2.1超声波测距系统组成框图第三章 系统硬件电路的
9、设计硬件电路主要分为单片机系统与显示电路、超声波发射电路、超声波接收电路和电路音乐回放电路等部分组成。3.1AT89C52单片机AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片含8KB的可反复檫写的程序存储器和12B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，片配置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可灵活应用于各种控制领域。单片机正常工作时，都需要有一个时钟电路，和一个复位电路。本设计中选择了部时钟方式和按键电平复位电路，来构成单片机的最小电路。如
10、图3.1所示。AT89C52VccGNDGNDC322UFR21KR1200RESET晶振C230PFC130PFVcc XTAL1RST XTLL2Vss图3.1 单片机的最小电路3.1.1时钟电路计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的，这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序。为了保证各部件间的同步工作。单片机部电路就在惟一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。要给单片机提供时序要有相关的硬件电路，即振荡器和时钟电路。因此选择了部时钟方式。利用蕊片部的振荡器，然后在引脚XTAL1和XTAL两端跨接晶体或瓷谐振器，就
11、构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入部时钟电路如图1所示，外接晶振时，C1和C2值通常选择为30PF左右。C1，C2对频率有微调作用。晶体的频率围可在1.212MHZ之间选择。在实际连接中，为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定。可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机蕊片靠近。3.1.2复位电路有图可以看出，是按键电平复位电路，相当于按复位键后复位端通过电阻与Vcc电源接通。复位是单片机的初始化操作。单片机在启动运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的
12、，必须配合相应的外部电路来实现。3.2超声波发射电路发射电路由555 构成的多谐振荡器和超声波发射头组成。3.2.1多谐振荡器采用555 构成多谐振荡器可以实现宽围占空比的调节!并且电路设计简单!占用面积小。 如图3.2所示 ，由单片机AT89C52的P2.3口发出同步脉冲信号!该同步脉冲启动多谐振荡器!使其输出40KHZ的高频电压信号! 经过整形直接加至超声波换能器探头! 根据逆压电效应! 产生振动频率为40KHZ的超声波。 图3.2 超声波发射电路接通电源后，电容C被充电，VC上升，当VC上升到2/3VCC时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时Vo为低电平，电容C通过R2和T放电，
13、使VC下降。当VC下降到1/3VCC时，触发器又被置位，Vo翻转为高电平。电容器C放电所需的时间为当C放电结束时，T截止，VCC将能过R1，R2向电容器充电，VC由1/3VCC上升到2/3VCC所需的时间为当VC上升到2/3VCC时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期性的方波，其频率为由于555部的比较器的灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压的温度变化的影响很小。VcVo2/3vcc1/3vcc图3.3 555的工作波形图从555的工作波形图，可看出占空比是固定不变的。为了调解的方便，我把R1和R2都换成了电位器，就形成了占空比可调的电位器。使的超声波的
14、发射电路更加具有高效性。也能满足波尽可能的减小失真。从面达到测距更长的效果。3.2.2超声波传感器从图3.2超声波的发射电路上看还有一个超声波传感器。它具有把电信号转化为机械信号，同时又能把机械信号转化为电信号的功能。在设计中选择了压电式超声波发声器。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。超声波发生器部结构如图3.4所示，它有两个压电晶片和一个共振板。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。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
15、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。本文所采用的超声波传感器是T/R-40-16（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16表示其外径尺寸，以毫米计）压电晶片电极共振板 图3.4 超声波传感器结构3.3超声波接收电路超声波接收电路包括由MC3403构成的三级回波放大电路以与LM358电压比较整形电路两部分,与超声波接收传感器T-40-16配合使用,实现超声波的接收功能。 图3.5 超声波接收电路3.3.1放大电路与其参数的设计当测量距离较大时,超声波的回
