畢業(yè)設(shè)計---超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）</p><p>　　學(xué)院（系）： </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　學(xué) 生： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成

2、日期 2010 年 5 月</p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　The Hardware Design of Ultrasonic Ranging Systerm</p><p>　　學(xué) 院（系）： </p><p>　　專 業(yè)：

3、 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名： </p><p>　　學(xué) 號： </p><p>　　指 導(dǎo) 教 師（職稱）： </p><p>　　評 閱 教 師：

4、 </p><p>　　完 成 日 期： 2010.05.10 </p><p>　　超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p><b>　　測控技術(shù)與儀器　 </b></p><p>　?。壅∫莩暡y距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及

5、一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合。在本次設(shè)計中，設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)的測量精度為1cm，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果。在整個超聲波測距硬件電路模塊中主要的電路設(shè)計有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路、溫度補(bǔ)償電路以及聲光報警電路構(gòu)成。其中接收電路主要采用的是CX20106A；發(fā)射電路采用的是反相器74HC04及超聲波發(fā)射換能器組成；另外，為了提高測量的精度在電路中又加入了溫度補(bǔ)償裝置，DS18B20

6、就是用來測量當(dāng)前溫度從而來實現(xiàn)這一功能。通過實物驗證這一設(shè)計方案是可行的。</p><p>　?。坳P(guān)鍵詞］STC89C52；超聲波測距；74HC04；CX20106A;溫度補(bǔ)償</p><p>　　The Hardware Design of Ultrasonic Ranging Systerm</p><p>　　Tracking Control Technolo

7、gy and Equipment </p><p>　　Abstract: Ultrasonic range finder, can be applied to the car into reverse, the construction sites and industrial the position to monitor and may be used as the old, dark, the lengt

8、h of such occasions. In the design of system design, precision measurement range of ultrasonic, the stability of 1cm clear that measurement. In the whole range of ultrasonic hardware circuit that the main circuit design

9、has an ultrasonic the circuit, an ultrasound the circuit, show circuit, temperature compensate circu</p><p>　　Keywords: STC89C52;Silent WaveMeasureDistance；74HC04;CX20106A;Temperature Compensation</p>

10、<p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　1 序言1</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義1</p><p>　　2 超聲波測距的設(shè)計思路2</p><p>　　2.1 超聲波傳感器及其測距原理2</p><

11、p>　　2.2 方案論證3</p><p>　　3 總體方案設(shè)計3</p><p>　　3.1 單片機(jī)測距原理4</p><p>　　3.2 單片機(jī)系統(tǒng)及其基本電路4</p><p>　　3.2.1 STC89C52的功能介紹5</p><p>　　3.2.2 單片機(jī)的基本連接電路6</

12、p><p>　　3.3 超聲波發(fā)射部分電路7</p><p>　　3.4 超聲波接收部分電路8</p><p>　　3.5 溫度補(bǔ)償電路10</p><p>　　3.5.1 溫度傳感器工作原理10</p><p>　　3.5.2 溫度補(bǔ)償電路11</p><p>　　3.6 數(shù)碼

13、顯示電路12</p><p>　　3.6.1 數(shù)碼管基本知識12</p><p>　　3.7 鍵盤電路14</p><p>　　3.7 報警電路15</p><p>　　4 軟硬件調(diào)試16</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)16</b></p><p>&l

14、t;b>　　附錄16</b></p><p><b>　　結(jié)束語19</b></p><p><b>　　致謝20</b></p><p><b>　　1 序言</b></p><p>　　1.1 課題研究的背景及意義 </p>

15、<p>　　在我國，超聲學(xué)的研究開始于二十世紀(jì)五十年代，1959年至1964年間我國建立了分子聲學(xué)實驗室，對馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測量設(shè)備，對粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰減的研究取得了令人興奮的成果。同時在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域取得了可喜的成績。表面波換能器的研究我國開始于1965年，于1970年開始了高頻表面波的研究，1977年，我國研制成表面脈沖

16、壓縮濾波器。在80年代以后，我國的超聲研究進(jìn)入了一個全新的階斷，取得了一系列標(biāo)志性成果，壓電復(fù)合材料研制成功，窄脈沖短余振探頭問世，PVDF高分子壓電薄膜材料趕上并超過國際水平，高分子壓電PVDF型換能器和超聲顯微鏡的研究獲得了實用，高頻壓電材料LiNb03研制成功。在應(yīng)用方面，B超和A超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)和醫(yī)療應(yīng)用。超聲顯微鏡投入應(yīng)用?？偟膩碚f，我國在超聲方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。</p><p&g

17、t;　　近年來超聲測試技術(shù)已明顯表現(xiàn)出下列趨向:</p><p>　　1、由定性的判斷缺陷的有無而發(fā)展為對缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進(jìn)行定量判斷，并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像;</p><p>　　2、向在線自動檢測和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測試技術(shù)取得突破進(jìn)展; </p><p>　　3、超聲測試技術(shù)和材料的物性評價相結(jié)合，材料的設(shè)計

18、、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展[1]。</p><p>　　因此超聲波在我們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用非常廣泛，在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測量計，胎兒檢查儀，超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性。在軍事領(lǐng)域中，超聲波用于雷達(dá)目標(biāo)定位，武器制導(dǎo)等方面[2]。 </p>

19、;<p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。 因此設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了

20、。這就是我設(shè)計超聲波測距儀的目的及意義。</p><p>　　2 超聲波測距的設(shè)計思路</p><p>　　2.1 超聲波傳感器及其測距原理  </p><p>　　超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收

21、器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(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，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 </p><p>　　測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方

22、便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用11.095M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。 </p><p>　　

23、超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF（time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離即s=vt/2。（其往返時間為t，v為超聲波在空氣中的傳播速度）</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，在本課題中采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完

24、成，超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖1所示： </p><p>　　圖1 超聲波測距系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　2.2 方案論證</b></p><p>　　由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到

25、使用要求。 </p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。     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

26、是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機(jī)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。另外測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器[3]。

27、</p><p>　　根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本文采用STC89C52單片機(jī)作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器來驅(qū)動。 </p><p><b>　　3 總體方案設(shè)計</b></p><p>　　由單片機(jī)STC89C52編程產(chǎn)生40kHz的方波，由P3.3口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲

28、波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來。</p><p>　　該測距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和LED顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯

29、示電路輸入端相連接。其時序圖如圖2所示。</p><p><b>　　圖2 時序圖</b></p><p>　　單片機(jī)在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。另外由于超聲波受溫度的影響比較大，因此為了提高測量的精度我在

30、這里加入了溫度補(bǔ)償裝置，利用DS18B20測的當(dāng)前溫度值，在根據(jù)溫度與超聲波傳播的速度之間的關(guān)系計算出實際在空氣中傳播的速度，從而來計算實際的距離。在設(shè)計中還加入了報警裝置，當(dāng)測量的距離過長或過短報警器就會發(fā)出蜂鳴聲并有指示燈指示是過長還是過短。</p><p>　　3.1 單片機(jī)測距原理</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出

31、發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離S＝Ct／2，式中的C為超聲波波速。</p><p>　　限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)即C=33

32、1．4+0．607T。因此在實現(xiàn)超聲波測距的過程中我們需要測出傳播時間及當(dāng)前溫度，這就需要軟硬件共同作用來實現(xiàn)。</p><p>　　單片機(jī)系統(tǒng)及其基本電路</p><p>　　3.2.1 STC89C52的功能介紹</p><p>　　STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾一種單片機(jī)，其指令代碼兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)，12時鐘、機(jī)

33、器周期和6時鐘、機(jī)器周期可以任意選擇。</p><p>　　圖3 STC89C52RC實物圖</p><p>　　(1)STC89C52芯片共40引腳:</p><p>　　1~8腳: 通用I/O接口p1.0~p1.7         9腳:  RST復(fù)位

34、鍵         10 ~11腳:RXD串口輸入 TXD串口輸出         12~19:I/O p3接口 (12,13腳 INT0中斷0   INT1中斷1      

35、;   14~15 : 計數(shù)脈沖T0 T1 16,17: WR寫控制 RD讀控制輸出端)         18~19: 晶振諧振器 20 地線            21~28 p2 接口 高8位

36、地址總線         29: psen 片外rom選通端   單片機(jī)對片外rom操作時 29腳(psen)輸出低電平         30:ALE/PROG 地址鎖存器      

37、    31:EA/ROM取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取          32~39:p0.7~p0.0(注意此接口的順序與其他I/O接口不同 與引腳號的排列順序相反)         

38、0;40:電源+5V[4]</p><p>　　(2)其主要特性有：</p><p>　　工作電壓5.5V-3.3V</p><p>　　用戶程序應(yīng)用空間：8K</p><p>　　壽命：1000寫／擦循環(huán)</p><p>　　數(shù)據(jù)保留時間：10年</p><p>　　工作頻率：0Hz一40MH

39、z，外部晶振20MHz以下可省復(fù)位電路</p><p><b>　　三級程序存儲器鎖定</b></p><p>　　片上集成1280字節(jié)或512字節(jié)RAM</p><p><b>　　32可編程I／O線</b></p><p>　　兩個16位定時器／計數(shù)器</p><p>&

40、lt;b>　　5個中斷源</b></p><p><b>　　可編程串行通道</b></p><p>　　低功耗的閑置和掉電模式</p><p>　　片內(nèi)振蕩器和時鐘電路</p><p><b>　　有EEPROM功能</b></p><p><b&g

41、t;　　看門狗</b></p><p>　　在空閑模式下，CPU保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式又軟件產(chǎn)生。此時，片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可由任何允許的中斷請求或復(fù)位終止。</p><p>　　應(yīng)注意的是：在用硬件復(fù)位終止空閑模式時，AT89C2051通常從程序停止一直到內(nèi)部復(fù)位獲得控制之前的兩個機(jī)器周期恢復(fù)程序執(zhí)行。在這種情況

42、下片內(nèi)硬件禁止對內(nèi)部RAM的讀寫，但允許對端口的訪問，要消除硬件復(fù)位終止空閑模式對端口意外寫入的可能，原則上進(jìn)入空閑模式指令的下一條指令不應(yīng)對端口引腳或外部存儲器進(jìn)行訪問。</p><p>　　在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容終止掉電模式前被凍結(jié)。退出模式的唯一方法是硬件復(fù)位，復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容，在VCC

43、恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時間以使振蕩器重新啟動并穩(wěn)定工作[5]。</p><p>　　3.2.2 單片機(jī)的基本連接電路</p><p>　　單片機(jī)正常工作時，都需要一個時鐘電路和一個復(fù)位電路來構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時所需的時鐘信號，其有兩種時鐘方式：外部時鐘和內(nèi)部時鐘。外部始終是使用外部振蕩脈沖信號，常用于多片單片機(jī)同時工作，以便于同步。本

44、設(shè)計只有一片單片機(jī)，采用內(nèi)部時鐘方式。STC89C52內(nèi)部有一個可控制的負(fù)反饋反向大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、蕩器的穩(wěn)定性、震的快速性和溫度穩(wěn)定性。外接晶體時，兩個電容通常選擇30PF左右，外接陶

45、瓷諧振器時，典型值約為47PF.出于對測距精度的考慮，本設(shè)計采用12MHZ的晶體振蕩器，c1和c2的電容值約為30PF[3]。</p><p>　　復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要RST引腳出至少保持兩個機(jī)器周期的高電平就可以實現(xiàn)復(fù)位。在RST端出現(xiàn)高電平后的第二個周期，執(zhí)行內(nèi)部復(fù)位，以后每個周期重復(fù)一次，直至RST端變低。單片機(jī)的復(fù)位電路有兩種：上電復(fù)位和手動復(fù)位[3]。本設(shè)計采用手動復(fù)位方式。當(dāng)按下復(fù)位按鈕時，

46、電容迅速放電，使RST端迅速變?yōu)楦唠娖?，?fù)位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使RST端恢復(fù)低電平。單片機(jī)的基本的連接電路如圖4所示：</p><p>　　圖4 單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p><b>　　超聲波發(fā)射部分電路</b></p><p>　　超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T能向外界發(fā)出40 kHz左右的方波脈

47、沖信號。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，為了節(jié)省成本，本次設(shè)計采用了后者。編程由單片機(jī)P3.3端口輸出40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠，40 kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT40－16T以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路

48、，如下圖所示。圖中輸出端上拉電阻R3，R4，一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。超聲波發(fā)射電路如圖5所示： </p><p>　　圖5 超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.4 超聲波接收部分電路</p><p>　　TCT40－16T發(fā)射的超聲波在空氣中傳播，遇到障礙物就會返回，返回

49、的部分有超聲波接收器接收。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器TCT40－16R將接收到的反射波轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后得到一個負(fù)脈沖送給單片機(jī)的3.2(INT0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。 在這里我采用的是集成電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率40KHz較為接近，可以

50、利用它作為超聲波檢測電路。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變C4的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。CX20106A 各引腳作用如圖6所示：     </p><p>　　圖6 CX20106A管腳示意圖</p><p>　　CX20106A的引腳注釋：</p><p>　　l腳：超聲波

51、信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。</p><p>　　2腳：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.7Ω，C=3.3μF。</p><p>　　3腳：該腳與G

52、ND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μF。</p><p><b>　　4腳：接地端。</b></p><p>　　5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，fn≈

53、42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。</p><p>　　6腳： 該腳與GND之間接入一個積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。</p><p>　　7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。</p>

54、<p>　　8腳： 電源正極，4.5V～5V。</p><p>　　超聲波接收電路圖如圖7所示：</p><p>　　圖7 超聲波接收電路</p><p><b>　　溫度補(bǔ)償電路</b></p><p>　　3.5.1 溫度傳感器工作原理</p><p>　　DS18B20的測溫原

55、理如下圖所示，圖中低溫系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1，高溫系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當(dāng)計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，進(jìn)而完成溫度測量?；鶖?shù)門的開啟時間由高溫系數(shù)振蕩器來決定，每次測溫前，首先將-55℃所對應(yīng)的基數(shù)分別置在-55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。</p><p>

56、;　　計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值降到0時溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，重新開始對低溫晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)。如此循環(huán)直到計數(shù)器2到0時，停止溫度寄存器值得累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中振蕩溫度特性的非線性，以產(chǎn)生高分辨率的溫度測量。其輸出用于修正計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測

57、溫度值，這就是DS18B20的測溫原理。測溫原理圖如圖8所示：</p><p>　　圖8 DS18B20測溫原理圖</p><p>　　3.5.2 溫度補(bǔ)償電路</p><p>　　為提高測距精度，采用溫度檢測電路。溫度測量電路是基于DS18B20單線式數(shù)字溫度傳感器，電路非常簡單，可直接將其DQ端與單片機(jī)P3.7口相連。DS18B20是美國DALLS公司推出

58、的溫度傳感器芯片，具有9~12位的轉(zhuǎn)換精度，默認(rèn)值是12位辨率，本系統(tǒng)將它設(shè)置為9為分辨率，對應(yīng)的溫度值是0.5，滿足本系統(tǒng)的要求。利用溫度檢測電路實時的測量環(huán)境溫度T，再根據(jù)式子C=331．4+0．607T計算超聲波的速度C。</p><p>　　DS18B20引腳排列如圖9所示：</p><p><b>　　圖9 引腳排列圖</b></p><

59、;p>　　DS18B20的引腳說明表如下表所示：</p><p>　　表1 DS18B20引腳說明表</p><p>　　DS18B20溫度補(bǔ)償電路圖如圖10所示：</p><p>　　圖10 溫度補(bǔ)償電路</p><p>　　3.6 數(shù)碼顯示電路</p><p>　　3.6.1 數(shù)碼管基本知識</p

60、><p>　　顯示的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器等，都可以與微機(jī)連接。其中單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)最常用的顯示是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器（簡稱LED顯示器）。液晶顯示器簡LCD。LED顯示器價廉，配置靈活，與單片接口方便，LCD可顯示圖形，但接口較復(fù)雜成本也較高[6]。</p><p>　　LED數(shù)碼根據(jù)LED的接法的不同分為共陰極和共陽極兩類，了解LED的這些特性，對編程很是重要，因

61、為不同類型的數(shù)碼管，除了他們的硬件電路有差異以外，編程的方法也是不同的。在本設(shè)計中我們采用的是共陰極數(shù)碼管其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及管教配置如圖11所示：</p><p>　　圖11 共陰極數(shù)碼管及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　使用LED顯示器時，要注意區(qū)分兩種不同的接法，為了顯示數(shù)字或字符，必須對數(shù)字或字符進(jìn)行編碼。七段數(shù)碼管加上小數(shù)點共計八段。因此為LED提供編碼正好是一個字節(jié)。實際上要顯示各種數(shù)

62、字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平，就可以得到不同的代碼。這些用來控制LED顯示的不同電平代碼稱為字段碼（也稱段選碼）。 根據(jù)電路連接圖顯示16進(jìn)制數(shù)的編碼列表如下圖所示：</p><p>　　表2 共陰極數(shù)碼管表</p><p>　　本系統(tǒng)顯示電路采用簡單實用的4位共陰LED數(shù)碼管，其中p0口接數(shù)碼管的段選部分，因為選用的是共陰極數(shù)碼管，因此只要是p0口輸出低電平即可驅(qū)動位選

63、，又因為p0口內(nèi)部無上拉電阻故如果電路中不接上拉電阻那么p0口只可能輸出低電平，這正好適合我們這部分電路的需要。p2口接上拉電阻起到一個驅(qū)動段選的作用然后再接到接數(shù)碼管。因此單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路如圖12所示：</p><p>　　圖12 數(shù)碼顯示電路</p><p><b>　　鍵盤電路</b></p><p><b>　　圖13

64、鍵盤電路</b></p><p>　　在不同的系統(tǒng)中，鍵盤的數(shù)量有很大的差別。但是根據(jù)本設(shè)計的需要，采用獨立式鍵盤既能滿足系統(tǒng)需要，又節(jié)省I/O和鍵盤的數(shù)量。</p><p>　　獨立式鍵盤的各個按鍵之間彼此是獨立的，每一個按鍵均連接單片機(jī)的一根I/O口。獨立式鍵盤的硬件接口電路簡單，軟件設(shè)計也比較方便，但由于每個按鍵均需要單片機(jī)的一根I/O口，因此，獨立式鍵盤值適合于按鍵較少

65、的場合。獨立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。</p><p>　　獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。 </p><p><b>　　報警電路</b></p><p&g

66、t;　　在本次設(shè)計中采用了光報警和聲報警。光報警采用的是不同顏色的發(fā)光二極管，聲報警采用的是一個蜂鳴器。在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個三極管9 012的放大。報警部分的連線，如圖14所示。</p><p><b>　　圖14 報警電路</b></p><p>　　以上即為超聲波測距的硬件電路部分。另外在制作硬件的過程中要注意以下幾點：</p><p

67、>　　1、焊接電路板時，要注意電源線和地線，兩者不能弄混，不可有短接的地方。倘若有短接的地方時，下載模塊上的紅燈、綠燈均熄滅。</p><p>　　2、接晶振時，要使晶振與單片機(jī)的18、19管腳連接好，否則單片機(jī)無法下載程序，即使有程序也無法正常工作。</p><p>　　3、接報警燈、蜂鳴器時要用到1K的限流電阻。</p><p>　　4、接DS18B20時

68、，要注意管腳的接法，DQ要接4.7K的上拉電阻。</p><p>　　5、接數(shù)碼管時，要注意數(shù)碼管是共陰極型還是共陽極型，要弄清各個管腳的作用，可以用萬用表側(cè)量。數(shù)碼管顯示要用驅(qū)動芯片或上拉電阻驅(qū)動，驅(qū)動時要驅(qū)動段選。</p><p><b>　　軟硬件調(diào)試</b></p><p>　　超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的

69、超聲波換能器TCT40-10F1（T發(fā)射）和TCT40-10S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。  </p><p>　　在程序與硬件連調(diào)時：</p>&l

70、t;p>　　1、下載模塊紅燈亮，綠燈不亮，說明沒有裝好下載模塊所配套的驅(qū)動程序。</p><p>　　解決辦法：找到下載模塊配套的驅(qū)動程序并安裝。</p><p>　　2、下載時提示端口不存在，說明下載端口沒有設(shè)置好。</p><p>　　解決辦法：右擊“我的電腦”-“屬性”-“硬件”-“設(shè)備管理器”-“端口”，查看usbisp的端口號并在下載軟件中做相應(yīng)設(shè)置

71、。</p><p>　　3、下載時一直提示上電，可能電源線、地線沒有連接好，晶振沒有連接好，下載口沒有連接好（下載模塊上的TXD接單片機(jī)上的RXD即第10管腳，下載模塊上的RXD接單片機(jī)上的TXD即第11管腳）。</p><p>　　解決辦法：用萬用表檢查電源線、地線的連接，檢查晶振是否接好，檢查下載口連接是否正確。</p><p>　　4、下載時提示下載失敗，可能

72、是晶振頻率不對或單片機(jī)沒有響應(yīng)。</p><p>　　解決辦法：檢查晶振頻率（一般使用11.0592MHz），多試幾次。</p><p>　　5、顯示亂碼，可能是使用的數(shù)碼管類型與程序中的數(shù)碼管類型不符，比如，硬件上使用是是共陰極數(shù)碼管，但程序卻是按共陽極數(shù)碼管編寫的。</p><p>　　解決辦法：更改程序，使兩者配套。</p><p>　

73、　硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運行。根據(jù)實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.07～1m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b&g

74、t;</p><p>　　[1]袁易全. 近代超聲原理及應(yīng)用[M]. 南京：南京大學(xué)出版社，1996. </p><p>　　[2]劉升平,王劍,葛紅等.超聲波測距系統(tǒng)的開發(fā)與研究[J].計算機(jī)工程與應(yīng)</p><p>　　2009，45(25)：78-81. </p><p>　　[3]張健,李鋼等.超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].合肥工

75、業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004</p><p>　　27(6)：640-643. </p><p>　　[4]胡漢才. 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，1996. [5]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用.高等教育出版社[M]，2003.12(1). </p><p>　　[6]王福瑞. 單片機(jī)測控系統(tǒng)設(shè)計大全[M]. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2

76、001.</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　?。?）原理圖</b></p><p><b>　　圖15 原理圖</b></p><p><b>　　（2）pcb圖</b></p><p><

77、b>　　圖16 pcb圖</b></p><p>　?。?）protues仿真圖</p><p>　　圖16 proteus仿真圖</p><p><b>　　（4）元器件列表</b></p><p><b>　　表4 元器件列表</b></p><p>&

78、lt;b>　　結(jié)束語</b></p><p>　　俗話說“好的開始是成功的一半”。通過這次實習(xí)，我們學(xué)到了很多東西。在進(jìn)行課程設(shè)計時，我們應(yīng)該做到以下三點：首先，我認(rèn)為最重要的就是認(rèn)真的研究老師給的題目。其次，在老師講解的基礎(chǔ)上認(rèn)真研究硬件電路的設(shè)計，和軟件流程的設(shè)計。最后，重點實現(xiàn)軟硬結(jié)合的綜合調(diào)試。 這次的設(shè)計算起來一共進(jìn)行了三個月，在這幾個月的時間里我們進(jìn)行了硬件電路圖設(shè)計，以及

79、軟件的編程實現(xiàn)，軟硬件的綜合調(diào)試。最終一個完整的課程設(shè)計成果出來了，很高興它能按著設(shè)計的思想與要求運作起來。 當(dāng)然，這其中也有很多問題。但就實現(xiàn)功能來說，設(shè)計結(jié)果能夠符合題意，成功完成了此次實習(xí)要求，我們不只在乎這一結(jié)果，更加在乎的，是這個過程。這個過程中，我們花費了大量的時間和精力，更重要的是，我們在學(xué)會創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，同時還懂得合作精神的重要性，學(xué)會了與他人合作。在已度過的大學(xué)時間里，我們大多數(shù)接觸的是理論課。我們在課堂上掌握的僅僅是

80、專業(yè)課的理論知識，如何去鍛煉我們的實踐能力？如何把我們所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課理論知識運用到實踐中去呢？我想做類似實習(xí)就為我們提供了良好的實踐平臺。</p><p>　　同時這次實習(xí)給我們帶來前所未有的的啟發(fā)： 首先，查閱資料的必要性。在做本次實習(xí)的過程中，我感觸最深的當(dāng)屬查閱大量的設(shè)計資料了。為了讓自己的設(shè)計更加完善，查閱這方面的設(shè)計資料是十分必要的，同時也是必不可少的。 其次，在這次課程設(shè)計中，我們運

81、用到了以前所學(xué)的專業(yè)課知識，如：模擬和數(shù)字電路知識等。雖然過去從未獨立應(yīng)用過它們，但在學(xué)習(xí)的過程中帶著問題去學(xué)我發(fā)現(xiàn)效率很高，這是我做這次課程設(shè)計的又一收獲。 再次，在設(shè)計之前，我們要對所用單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機(jī)內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進(jìn)是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習(xí)慣，一個程序的完美與否不僅僅是

82、實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在實習(xí)過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。但是從中學(xué)到的知識會讓我受益終身。發(fā)現(xiàn)、提出、分析、解決問題和實踐能力提高都會受益于我在以后的學(xué)習(xí)、工作和生活中</p><p>　　最后，我們在這次設(shè)計中我們使用了分模塊焊接，分模塊測試的方法進(jìn)行硬件電路的焊接和測試，這是我們最寶

83、貴的收獲，這樣做可以避免走很多彎路。使得調(diào)試也條理分明。</p><p>　　總體上說，這次實習(xí)中收獲很多，感觸也很多。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　本設(shè)計的完成是在指導(dǎo)老師***的細(xì)心指導(dǎo)下進(jìn)行的。在每次設(shè)計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設(shè)計順利的進(jìn)行。從設(shè)計的選題到資料的搜集直至最后設(shè)計的修改的整個

84、過程中，花費了老師很多的寶貴時間和精力，在此向?qū)煴硎局孕牡馗兄x！導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，開拓進(jìn)取的精神和高度的責(zé)任心都將使學(xué)生受益終生！尤其是在此次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中一直為我們答疑解惑的，在設(shè)計過程當(dāng)中每當(dāng)遇到困難的時候班長**都會在百忙之中抽出時間專程為我悉心講解不懂的地方，在此也表示最衷心的感謝！同時也非常感謝學(xué)校為我們提供這次鍛煉的機(jī)會。</p><p>　　最后還要感謝和我同一設(shè)計小組的幾位同學(xué)以及次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中