畢業(yè)設(shè)計(jì)--超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)采用以AT89S58單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接受子程序、顯示子程序、語音播報(bào)子程序等模塊組成。發(fā)射模塊發(fā)射超聲波，接受模塊接受回波，單片機(jī)計(jì)算距離，顯示測(cè)量結(jié)果。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)

2、距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。</p><p>　　超聲波測(cè)距今年來得到了廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于超聲波明顯特征是方向性好，穿透性強(qiáng)。尤其是在光不透明的固體中，它碰到雜質(zhì)或分界面就有顯著地反射。用超聲波測(cè)距離時(shí)通過測(cè)量發(fā)射的超聲波與接受到被測(cè)物體反射的回波之間的時(shí)間差來確定的。</p><p>

3、　　關(guān)鍵詞：AT89S51，超聲波，測(cè)距</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題設(shè)計(jì)目的及意義1</p><p>　　1.1.1設(shè)計(jì)的目的1</p><p>　　1.1.2設(shè)計(jì)的意義

4、1</p><p>　　1.2超聲波測(cè)距儀的現(xiàn)狀和發(fā)展1</p><p>　　1.2.1發(fā)展歷史1</p><p>　　1.2.2 研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.3本課題研究的主要內(nèi)容3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案論證4</p><p>　　2.1超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)思

5、路4</p><p>　　2.1.1超聲波測(cè)距原理4</p><p>　　2.1.2超聲波測(cè)距儀原理框圖4</p><p>　　2.1.3課題設(shè)計(jì)的要求4</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距方法的選擇5</p><p>　　2.3超聲波發(fā)生器選擇6</p><p>　　2.4超聲波

6、接受傳感器6</p><p>　　2.5顯示單元選擇7</p><p>　　2.6語音播報(bào)電路選擇7</p><p>　　2.7溫度傳感器的選擇7</p><p>　　第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 AT89S51單片機(jī)的功能及特點(diǎn)9</p><p>　　3

7、.1.1主要性能參數(shù)9</p><p>　　3.1.2功能特性概述9</p><p>　　3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)10</p><p>　　3.3單片機(jī)測(cè)距原理11</p><p>　　3.4超聲波發(fā)射電路12</p><p>　　3.5超聲波檢測(cè)接收電路13</p><p>　　3.6

8、溫度補(bǔ)償電路14</p><p>　　3.7顯示單元電路15</p><p>　　3.7.1 12864液晶資料16</p><p>　　3.7.2 12864液晶基本特性16</p><p>　　3.8語音播報(bào)電路17</p><p>　　3.9無線發(fā)射與接收電路18</p><p&g

9、t;　　3.9.1APC240無線通信模塊主要特點(diǎn)18</p><p>　　3.9.2APC240無線通信模塊主要技術(shù)指標(biāo)19</p><p>　　第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2主程序流程圖20</p><p>　　4.3超聲波發(fā)生子

10、程序和超聲波接收中斷程序22</p><p>　　4.4系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試24</p><p><b>　　總 結(jié)25</b></p><p><b>　　致 謝27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p>　

11、　附錄一 超聲波測(cè)距電路原理圖30</p><p>　　附錄二 程序清單31</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1課題設(shè)計(jì)目的及意義</p><p>　　1.1.1設(shè)計(jì)的目的</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。

12、但就目前的急速水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)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(cè)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，滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需求；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖拽線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適

13、合與前還工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問題；搭理降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。毋庸置疑，無線的超聲波測(cè)距儀將于自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。</p><p>　　1.1.2設(shè)計(jì)的意義</p><p>　　

14、隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時(shí)間的許多不可預(yù)見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此，箱涵的排污疏通對(duì)打城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計(jì)研制箱涵排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是

15、箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的意義。</p><p>　　1.2超聲波測(cè)距儀的現(xiàn)狀和發(fā)展</p><p><b>　　1.2.1發(fā)展歷史</b></p><p>　　我國，關(guān)于超聲的大規(guī)模研究始于1956年。迄今，在超聲的各個(gè)

16、領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項(xiàng)目已接近或達(dá)到了國際水平。</p><p>　　中國測(cè)試技術(shù)研究所李茂山在《超聲波測(cè)距原理及實(shí)踐技術(shù)》中詳細(xì)地闡述了超聲波的測(cè)距原理，并給出了實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距的具體框圖，并討論了影響超聲波測(cè)距精度的幾種原因。在本文中，他并未提及超聲波測(cè)距所需的一些具體電路，只是給出了測(cè)距一般所需的電路名稱，沒有提及各種電路間的匹配。</p><p>　　1998年，曼內(nèi)斯

17、德馬泰克(秦皇島)有限公司推出了一種數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x，李忠杰在《數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x的研究》一文中介紹了這種數(shù)字式超聲波位移測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)，工作原理和功能，其數(shù)據(jù)處理借助于單板機(jī)，給出了程序框圖，對(duì)儀表的各部分硬件電路做了較詳細(xì)的說明，并列出了部分儀表的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并分析了誤差產(chǎn)生的原因。在此文中，給出了超聲波測(cè)距儀在對(duì)液壓缸位移進(jìn)行測(cè)量時(shí)與其它位移傳感器的優(yōu)勢(shì)所在，并給出了單片機(jī)的程序框圖。中國科學(xué)院上海聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室的王潤田在《雙頻

18、超聲波測(cè)距》一文中提出了一種雙頻超聲波測(cè)距的原理和方法，由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波的平方成正比，因此，用來測(cè)距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)長(zhǎng)的絕對(duì)誤差就越大，測(cè)距的范圍加大與測(cè)量精度實(shí)際上是一對(duì)矛盾。王潤田提出，為了在一個(gè)較長(zhǎng)的范圍內(nèi)達(dá)到測(cè)距的精度，在測(cè)距時(shí)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻率的超聲波，頻率較大的測(cè)較近的距離，頻率較小的測(cè)較長(zhǎng)的距離，這樣在較大的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較高的測(cè)距精度。</p><p&g

19、t;　　而國外關(guān)于超聲波測(cè)距研究的主力是萊卡公司。</p><p>　　1996萊卡Power型迪士通在日光下也能進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)量。</p><p>　　1998萊卡迪士通推出basic型產(chǎn)品。作為第二代的迪士通，它不僅代表了新的技術(shù)飛躍，在設(shè)計(jì)上也躍上新的臺(tái)階：多功能底座、電池供電、快速測(cè)距等無不體現(xiàn)了萊卡對(duì)創(chuàng)新的執(zhí)著。 1998萊卡迪士通推出memo和pro型，增加了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能

20、和應(yīng)用程序。再次引發(fā)測(cè)量技術(shù)革命。迪士通memo型能存儲(chǔ)1000個(gè)測(cè)量值，實(shí)現(xiàn)智能化的測(cè)量，pro型則答應(yīng)應(yīng)用相關(guān)的程序進(jìn)行高精密測(cè)量，成為萊卡迪士通家族中頂級(jí)的手持激光產(chǎn)品。帶內(nèi)存的pro不光能直接用于測(cè)量，也能進(jìn)行聯(lián)機(jī)操作。 1999萊卡迪士通第三代classic產(chǎn)品誕生。萊卡測(cè)量系統(tǒng)的手持激光測(cè)距儀取得了新的技術(shù)突破。classic3取代basic，仍舊沿襲著手持測(cè)距技術(shù)世界領(lǐng)先的地位。它保留了basic型諸如可靠、易于

21、使用、精度高等使之成為行業(yè)首選產(chǎn)品的知名性能，又取得了要害性的進(jìn)步：體積更小、重量更輕、測(cè)距更快和價(jià)格更優(yōu)。耐用、防水的classic3堪稱30m到100m乃至更遠(yuǎn)距離測(cè)量應(yīng)用的理想工具。</p><p>　　2001創(chuàng)新不斷，萊卡測(cè)量系統(tǒng)又創(chuàng)立了新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，率先在手持激光測(cè)距儀上采用字母數(shù)字單片機(jī)畢業(yè)論文式混合鍵盤。新一代迪士通成為迪士通發(fā)展歷程上新的里程碑。它包括四類產(chǎn)品：萊卡迪士通lite、迪士通clas

22、sic4、迪士通pro4和迪士通pro4a。 2002測(cè)量從未如此簡(jiǎn)單！萊卡測(cè)量系統(tǒng)推向市場(chǎng)的第五代迪士通產(chǎn)品中，新增了兩款獨(dú)特的型號(hào)，萊卡迪士通lite5和classci5。一鍵按發(fā)使測(cè)量變得前所未及的簡(jiǎn)單便捷，在0.2m到200m之間，單次測(cè)量時(shí)間用不到1秒！用lite 5，每項(xiàng)工作如測(cè)距、計(jì)算面積或體積都能用已明確定義的按鍵容易實(shí)現(xiàn)。classic5則以輕觸式的鍵盤和為方便長(zhǎng)距離測(cè)量而內(nèi)置的望遠(yuǎn)鏡給人留下深刻印象。事實(shí)上

23、，作為多年的市場(chǎng)領(lǐng)先者，萊卡測(cè)量系統(tǒng)深得信賴。</p><p>　　1.2.2 研究現(xiàn)狀</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。前2種方法由于技術(shù)難度大成本高一般僅用于軍事工業(yè)而超聲波測(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低且成本低廉適于民用推廣。這項(xiàng)技術(shù)也可用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。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)，因而超聲波常常用于距離的測(cè)

24、量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測(cè)距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光芒、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的

25、環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)單片機(jī)畢業(yè)論文械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特殊是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很輕易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)</p><p>　　1.3本課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以

26、超聲波作為檢測(cè)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)送器和接收器，但一個(gè)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(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（t

27、ime of flight）。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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。</p><p>　　本設(shè)計(jì)主要是基于AT89S51芯片為核心的超聲波測(cè)距儀，74LS04組成的超聲波發(fā)射電路、并有超聲波處理模塊CX20106A、液晶顯示等器件組成，包括單片機(jī)系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機(jī)復(fù)位電路、LCD顯示電路語音播報(bào)電路。主要實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距并指

28、示功能。依據(jù)實(shí)際的測(cè)量精度要求添加溫度補(bǔ)償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實(shí)用。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案論證</p><p>　　2.1超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)思路</p><p>　　2.1.1超聲波測(cè)距原理</p><p>　　發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體是被反射返回，由接受器接受，其往返時(shí)間為t，有s=vt/

29、2即可算出被測(cè)物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速v與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)該通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?lt;/p><p>　　表2—1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表</p><p>　　2.1.2超聲波測(cè)距儀原理框圖</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出40khz的信

30、號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接受器將接受到得超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行辨別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LCD顯示并送語音播報(bào)模塊播報(bào)。</p><p>　　2.1.3課題設(shè)計(jì)的要求</p><p>　　設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距儀，要求：</p><p>　　具有超聲波測(cè)距功能，測(cè)量距離0.20m

31、~5.00m測(cè)距精度±1㎝。</p><p>　　具有測(cè)量距離數(shù)值無線傳輸功能。</p><p>　　實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的距離，顯示格式為：X.XXm。</p><p>　　漢字提醒顯示：距離在0.40m~1.00m，顯示“危險(xiǎn)距離”并用紅色LED燈指示；距離在1.00m~2.00m，顯示“保持距離”，并用黃書LED燈指示；距離在2.00m以上，顯示“安全距離”

32、并用綠色LED燈指示。</p><p>　　具有實(shí)時(shí)語音播報(bào)功能，實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)量距離數(shù)值，格式：X.XXm,實(shí)時(shí)播報(bào)時(shí)間間隔≤10s，實(shí)時(shí)播報(bào)聲音清晰明亮、無明顯失真，在1m距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報(bào)要與顯示同步。</p><p>　　2.2超聲波測(cè)距方法的選擇</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）。首先測(cè)出

33、超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)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。</p><p>　　測(cè)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(cè)距等，超聲波測(cè)距適用于高精度的中長(zhǎng)距離測(cè)量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?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(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0MHZ晶振，所以此系統(tǒng)的測(cè)量精度理論上可以達(dá)到毫米級(jí)。</p><p>　　由于超

34、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(cè)量。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到要求。</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)、控制對(duì)象和現(xiàn)有條件本系統(tǒng)硬件電路采用由單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度補(bǔ)償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路無線通信電路以及語音播報(bào)電路構(gòu)成。本超聲波測(cè)距儀的具體工作過程如下，單片機(jī)控制的振蕩源產(chǎn)生40kHz的頻率信號(hào)

35、來驅(qū)動(dòng)超聲傳感器。每次發(fā)射包含6個(gè)脈沖左右,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)超聲波脈沖發(fā)射后,計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),在檢測(cè)到第一個(gè)回波脈沖的瞬間,計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，得到從發(fā)射到接收的時(shí)間t 后,單片機(jī)讀取溫度值補(bǔ)償聲速,利用測(cè)距公式可計(jì)算出被測(cè)距離，同時(shí)由無線通信模塊將測(cè)量數(shù)據(jù)傳到下位機(jī)進(jìn)行顯示和語音播報(bào)。系統(tǒng)總體框圖如圖所示。</p><p><b>　　圖2-1 發(fā)射模塊</b></p><p>

36、;<b>　　圖2-2 接收模塊</b></p><p>　　2.3超聲波發(fā)生器選擇</p><p>　　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(cè)量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　超聲波測(cè)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(shí)間來計(jì)算出傳播

37、距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；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(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。</p><p>　　測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)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，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時(shí)會(huì)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(cè)量時(shí)應(yīng)選

38、擇高頻率的傳感器，而長(zhǎng)距離測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。</p><p>　　2.4超聲波接受傳感器</p><p>　　超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。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(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：</p><p>　　工作頻率。工作頻

39、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(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。</p><p>　　工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(dú)的制冷設(shè)備。</p><p>　　靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈

40、敏度低。</p><p>　　因此超聲波接受傳感器應(yīng)該應(yīng)用集成電路CX20106A，CX20106A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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(如圖2-3)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容CS的大小，可以改變接收

41、電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上</p><p><b>　　2.5顯示單元選擇</b></p><p>　　顯示單元是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)開發(fā)時(shí)使用的主要設(shè)備之一，它可將計(jì)算機(jī)的運(yùn)算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲(chǔ)器地址以及存儲(chǔ)器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話?？梢宰鲲@示器的有：LED,LCD,CRT等。CRT就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點(diǎn)是顏色視覺效果好，

42、視角寬，可靠性高，便宜；缺點(diǎn)是體積大耗電多，有微量的X射線輻射。LED就是發(fā)光二極管。LED一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點(diǎn)那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對(duì)比度等都不如CRT顯示器。</p><p>　　但是考慮到本設(shè)計(jì)需要顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持 ，安全等警告信號(hào)。所以選擇采用128*64液晶模塊。</p><p>　　2.6語音播報(bào)電

43、路選擇</p><p>　　語音播報(bào)語音芯片有很多種，例如WT1380、WT588D等。WT1380具有多種報(bào)警功能，定時(shí)器功能，時(shí)鐘輸出功能，中斷輸出功能以及語音播報(bào)功能。它的語音功能和萬年歷功能可以同時(shí)工作，主頻采用RC振蕩，副頻采用32.768K晶振精確分頻?？梢杂?jì)算年、月、日、時(shí)、分、秒等信息，并可以將時(shí)間信息反饋給主控單片機(jī)。因而，WT1380是一款性價(jià)比極高的語音時(shí)鐘芯片。但是本設(shè)計(jì)不要求芯片有可以計(jì)

44、算年、月、日、時(shí)、分、秒等信息的復(fù)雜功能。所以播報(bào)電路采用WT588D系列的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。</p><p>　　WT588D系列語音單片機(jī)是廣州唯創(chuàng)科技有限公司聯(lián)合臺(tái)灣華邦共同研發(fā)出來的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機(jī)的特長(zhǎng)，彌補(bǔ)了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷，MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口

45、控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式，讓應(yīng)用人員能將產(chǎn)品投放在幾乎可以想象得到的場(chǎng)所。WT588D是一款功能強(qiáng)大的可重復(fù)擦除燒寫的語音單片機(jī)芯片。WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機(jī)電路，高度集成的單片機(jī)技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。配套WT-APP上位機(jī)操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機(jī)芯片的任何一種控制模式，把信息下載到SPI-Flash上即可。軟件操作方式簡(jiǎn)

46、潔易懂，撮合了語音組合技術(shù)，大大減少了語音編輯的時(shí)間。</p><p>　　2.7溫度傳感器的選擇</p><p>　　大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}。</p><p>　　溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的

47、熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測(cè)溫范圍為-55℃～+150℃。AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。</p><

48、p>　　但是考慮到成本問題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。</p><p>　　獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測(cè)量。溫度范圍

49、為-55°C至+125℃ 。-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C 溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。</p><p>　　第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件電路

50、的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、語音播報(bào)電路、溫度補(bǔ)償電路、無線傳輸、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接受電路五部分。單片機(jī)采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P3.6端口輸出超聲波換能器所需的40KHz的方波信號(hào)，利用外部中斷1口檢測(cè)超聲波接受電路輸出的返回信號(hào)。顯示單元部分采用12864液晶模塊。</p><p>　　3.1 AT89S51單

51、片機(jī)的功能及特點(diǎn)</p><p>　　AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含有4K bytes的課反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度。非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS—51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89S51單片機(jī)可以為您提供許多高性

52、價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　3.1.1主要性能參數(shù)</p><p>　　與MCS—51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容。</p><p>　　4K字節(jié)可以重復(fù)擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器。</p><p>　　1000吃擦寫周期。</p><p>　　全靜態(tài)操作：0Hz—24Hz。</p>

53、;<p>　　三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器。</p><p>　　128*8字節(jié)內(nèi)部RAM。</p><p>　　32個(gè)可編程I/O口線。</p><p><b>　　6個(gè)中斷源。</b></p><p>　　可編程串行UART通道。</p><p>　　低功耗空閑和掉電模式。</p&g

54、t;<p>　　3.1.2功能特性概述</p><p>　　AT89S51提供以下功能：</p><p>　　4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器；</p><p>　　128字節(jié)內(nèi)部RAM；</p><p><b>　　32個(gè)I/O口線；</b></p><p>　　兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)

55、器；</p><p>　　一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)；</p><p>　　一個(gè)雙工串行口通信；</p><p>　　片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。</p><p>　　同時(shí)，AT89S51可以降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)點(diǎn)工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，當(dāng)允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電式保存RAM中的內(nèi)

56、容，但振蕩器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。</p><p>　　圖3-1，AT89S51單片機(jī)</p><p>　　3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。如圖3-2所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由AT89S51單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和+5V電源組成。在外部振蕩電路中，單片機(jī)的XTAL1和XTAL2管

57、腳分別接至由12MHZ晶振和兩個(gè)30PF電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復(fù)位電路中，單片機(jī)RESET管腳一方面經(jīng)20 F的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān)s接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。&l

58、t;/p><p>　　圖3-2，單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　3.3單片機(jī)測(cè)距原理</p><p>　　單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離</p><p>　　S＝Ct2 (2-1)</p

59、><p>　　式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)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(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法，限于實(shí)際需要，本電路只采用單路超聲波發(fā)射接收。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。</p>

60、<p>　　3.4超聲波發(fā)射電路</p><p>　　壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能

61、器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。</p><p>　　表3-1 反相器74LS04參數(shù)</p><p>　　發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，如圖3-3所示，單片機(jī)P2.7端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加

62、到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R2、R3一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。</p><p>　　圖3-3超聲波發(fā)射電路</p><p>　　3.5超聲波檢測(cè)接收電路</p><p>　　超聲波接收電路CX20106A是一

63、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(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C16的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖3-4所示。</p><p>　　CX20106A的引腳注釋：</p>

64、;<p>　　1腳IN：超聲波信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。</p><p>　　2腳AGC：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(gè)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(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R=4.7Ω，C=3.3μF。</

65、p><p>　　3腳C0：該腳與GND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(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為3.3μF。</p><p>　　4腳GND：接地端。</p><p>　　5腳RC0：該腳與電源端VCC接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，</p>&l

66、t;p>　　阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時(shí)，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。</p><p>　　6腳C：該腳與GND之間接入一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得</p><p>　　太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。</p><p>　　7腳OUT：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

67、接上</p><p>　　一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。</p><p>　　8腳RC1：電源正極，4.5V～5V。</p><p>　　圖3-4 超聲波檢測(cè)接收電路</p><p><b>　　3.6溫度補(bǔ)償電路</b></p><

68、p>　　DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-55～125℃，最大分辨率可達(dá)0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度值，而且采用了一線制與單片機(jī)相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。測(cè)溫電路圖3-5所示。</p><p>　　DS18B20溫度傳感器：</p><p>　　(1):技術(shù)性能描述<

69、/p><p>　　獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。</p><p>　　測(cè)溫范圍－55℃～＋125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃。</p><p>　　工作電源：3~5V/DC。</p><p>　　在使用中不需要任何外圍元件。</p><p>　　

70、測(cè)量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。</p><p>　　不銹鋼保護(hù)管直徑Φ6。</p><p>　　適用于DN15~25，DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫。</p><p>　　標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。</p><p>　　PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它電器設(shè)備連接

71、。</p><p>　　圖3-6 DS18B20溫度傳感器</p><p><b>　　(2)：應(yīng)用范圍</b></p><p>　　該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲(chǔ)罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測(cè)溫和控制領(lǐng)域。</p><p>　　軸瓦，缸體，紡機(jī)，空調(diào)，等狹小空間工業(yè)設(shè)備測(cè)溫和控制。</p><

72、p>　　汽車空調(diào)、冰箱、冷柜、以及中低溫干燥箱等。</p><p>　　供熱/制冷管道熱量計(jì)量，中央空調(diào)分戶熱能計(jì)量和工業(yè)領(lǐng)域測(cè)溫和控制。</p><p>　　圖3-5 DS18B20電路溫度補(bǔ)償電路</p><p><b>　　3.7顯示單元電路</b></p><p>　　顯示單元部分采用12864液晶模塊。

73、根據(jù)設(shè)計(jì)要求，用于顯示測(cè)量距離，補(bǔ)償溫度以及危險(xiǎn)，保持，安全等警告信號(hào)。其顯示單元電路如圖6-7所示。</p><p>　　3.7.1 12864液晶資料</p><p>　　帶中文字庫的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64。內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)

74、16*8點(diǎn)ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字。</p><p>　　12864液晶模塊可完成圖形顯示。低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔得多，且該模塊的價(jià)格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。</p>

75、;<p>　　3.7.2 12864液晶基本特性</p><p>　　12864液晶基本特性如表3-2所示。</p><p>　　表3-2 12864液晶基本特性</p><p>　　圖3-7顯示單元電路</p><p><b>　　3.8語音播報(bào)電路</b></p><p>　

76、　語音播報(bào)電路采用WT588D系列的集單片機(jī)和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機(jī)的特長(zhǎng)，同時(shí)具有MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制I/O口擴(kuò)展輸出模式。可控制的語音地址位能達(dá)到220個(gè)！每個(gè)地址位里能加載可組合語音為128段語音。只需通過適當(dāng)?shù)脑L問地址就可以實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)，使用方便，語音播報(bào)電路設(shè)計(jì)如圖3-

77、8所示。</p><p>　　圖3-8 WT588D語音播報(bào)電路</p><p>　　其中KIA1117芯片為WT588D VCC管腳（存儲(chǔ)器電源輸入腳）提供3.3V電壓。</p><p>　　3.9無線發(fā)射與接收電路</p><p>　　無線發(fā)射與接收電路采用APC240無線通信模塊。它是新一代的多通道嵌入式無線數(shù)傳模塊,其可設(shè)置眾多的頻道

78、，發(fā)射功率高，而仍然具有較低的功耗。它可以在工業(yè)等強(qiáng)干擾的惡劣環(huán)境中使用。在任何狀態(tài)下都可以1次傳輸256bytes的數(shù)據(jù)，當(dāng)設(shè)置空中波特率大于串口波特率時(shí)，可1次傳輸無限長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)。同時(shí)它還提供標(biāo)準(zhǔn)的UART/TTL，RS485和RS232三種接口1200/2400/4800/9600bps四速率，和三種接口校驗(yàn)方式.采用串口設(shè)置模塊參數(shù)。具有豐富便潔的軟件編程設(shè)置選項(xiàng)。無線發(fā)射與接收電路見圖3-9</p><p&

79、gt;　　3.9.1 APC240無線通信模塊主要特點(diǎn)</p><p>　　接口方式：232／485／TTL串口，格式有8N1／8E1／8O1可選；</p><p>　　接受靈敏度高，視距可靠傳輸距離可達(dá)1200m；</p><p>　　采用FSK的方式調(diào)制，支持OOK／ASK／MSK調(diào)制；</p><p>　　載頻433MHz，可定制315

80、M／868M／915M等其他ISM頻段；</p><p>　　提供PC機(jī)配置軟件，可以靈活設(shè)置模塊的各種參數(shù)；</p><p>　　串口速率：4800／9600／19200／38400／57600／115200bps；</p><p>　　空中速率：5K／10K／20K／30K／40K／50K／77K／100K／150K／200K／250Kbps；</p>

81、;<p>　　功耗和休眠省電模式：功率＜100　mw，接收電流＜35mA，發(fā)射電流＜100mA，休眠時(shí)電流＜12uA；</p><p>　　支持多個(gè)字網(wǎng)組群工作模式，網(wǎng)絡(luò)地址配置相同的模塊間才可以相互通訊；</p><p>　　具有中繼功能，可選擇中繼節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳輸，有效擴(kuò)大傳輸距離；</p><p>　　支持透明傳輸方式和地址傳輸方式，可以組成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、

82、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、對(duì)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等無線通信網(wǎng)絡(luò)；</p><p>　　5V直流供電（可以選擇3.3V）；</p><p>　　3.9.2APC240無線通信模塊主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　工作頻率：433M</p><p><b>　　調(diào)制方式：FSK</b></p><p>　　發(fā)射功率：＜20dB

83、m（100mW）</p><p>　　接收靈敏度：－119dB</p><p>　　發(fā)射電流：＜35mA</p><p>　　接收電流：＜100mA</p><p>　　休眠電流：＜12uA</p><p>　　工作信道：32個(gè)頻段選擇</p><p>　　數(shù)據(jù)接口：232／485／TTL串口&

84、lt;/p><p>　　數(shù)據(jù)格式：8N1／8E1／8O1</p><p>　　串口速率：4800／9600／19200／38400／57600／115200bps</p><p>　　空中速率：5K／10K／20K／30K／40K／50K／77K／100K／150K／200K／250Kbps硬件接口：2.0插針／插座</p><p>　　通訊距離

85、：0-700米（10dbm，10kbps，可視距離）</p><p><b>　　天線阻抗：50Ω</b></p><p>　　工作溫度：-40-85℃</p><p>　　供電方式：DC3.3V／5V</p><p>　　尺寸：32.3x54.0mm（不包括天線）</p><p>　　圖3-9無

86、線發(fā)射與接收電路</p><p>　　第四章系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序需要有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），所以控制程序可采用C語言編程。</p><p>

87、;　　4.1超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)</p><p>　　超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：</p><p>　　d=s/2=(ct)/2

88、 （4-1）</p><p>　　其中，d為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時(shí)間。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。</p&

89、gt;<p><b>　　4.2主程序流程圖</b></p><p>　　軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖4-1、圖4-2、圖4-3所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。</p><p>　　定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成單方向超聲波的發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。</p>

90、<p>　　主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0.1ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷1接收返回的超聲波信號(hào)。</p><p>　　圖4-1主程序流程圖</p&g

91、t;<p>　　由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（4-2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344m/s則有：</p><p>　　d=(ct)/2=172T0/10000cm （4-2）</p><p&

92、gt;　　其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。</p><p>　　測(cè)出距離后結(jié)果將傳給LCD數(shù)碼顯示約5s，同時(shí)測(cè)量距離送語音模塊播報(bào)。然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言編寫。</p><p>　　4.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序</p><p>　　超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P2.7端口發(fā)送2個(gè)左右超聲

93、波脈沖信號(hào)（頻率約40kHz的方波），脈沖寬度為12μs左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確。</p><p>　　圖4-2 定時(shí)中斷服務(wù)子程序</p><p>　　圖4-3 外部中斷服務(wù)子程序</p><p>　　超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷1檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT1引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)

94、入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。</p><p>　　4.4系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試</p><p>　　超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用15的超聲波換能器tct40-10f1(T發(fā)射)和CX201

95、06A（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時(shí)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。若能將超聲波接受電路用金屬殼屏蔽起來，則可能提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)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C16的大小，以獲得合適的接受靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　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(yùn)行。根據(jù)實(shí)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

96、度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.07～5.5m，測(cè)距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。</p><p>　　軟件的調(diào)試程序見附錄二</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　

97、　由于時(shí)間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計(jì)沒有成功做出實(shí)物。但是對(duì)設(shè)計(jì)有一個(gè)很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。</p><p>　　超聲波測(cè)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(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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

98、計(jì)；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(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。</p><p>　　超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用AT89S51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷1口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回

99、信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的128*64液晶模塊。</p><p>　　超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P2.7端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R2、R3一方面

100、可以提高反相器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體管的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)

101、它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。</p><p>　　超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它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?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106A接收超聲波(無信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好

102、的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C16的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。</p><p>　　超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)生程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道C語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），所以控制程序可采用C語言編程。超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷1檢測(cè)

103、返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT1引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷1關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。</p><p>　　超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲

104、波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。</p><p>　　在元件及調(diào)制方

105、面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試不會(huì)太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無特別要求。根據(jù)測(cè)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C16的大小，以獲得合適的接受靈敏度和抗干擾能力。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。</p><p><b>　　致 謝</b></p>

106、;<p>　　首先，我要感謝我的導(dǎo)師xx老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時(shí)也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)這期間所給予我的幫助。在畢業(yè)設(shè)計(jì)論文寫作期間，各位老師給我提供了種種專業(yè)知識(shí)上的指導(dǎo)和日常生活上的關(guān)懷，沒有您們這樣的幫助和關(guān)懷，我不會(huì)這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，借此機(jī)會(huì)，向您們表示由衷的感激。同時(shí)還要感謝系實(shí)驗(yàn)室在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供給我們優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。</p><p>　　接著，我

107、要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)們。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短3個(gè)月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給予了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠的謝謝你們。同時(shí)，我還要感謝我的寢室同學(xué)和身邊的朋友，真是在這樣一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛、相互促進(jìn)的環(huán)境中，在和他們的相處幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲。</p><p>　　最后我要深深地感謝我的家人，真是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無盡的關(guān)懷、理解和支持，才使我時(shí)刻充

108、滿信心和勇氣，克服成長(zhǎng)道路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。</p><p>　　還有許許多多給予我學(xué)業(yè)上鼓勵(lì)和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一并表示衷心地感謝！</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]胡平，超聲波測(cè)距儀的研制，計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化，2003.10</p><p>　　[

109、2]時(shí)德剛，劉嘩。超聲波測(cè)距的研制，計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002.10</p><p>　　[3]華兵。MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用，武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社，2002.5。125-144</p><p><b>　　頁。</b></p><p>　　[4]李華。MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)，北京：北京航天大學(xué)出版社，1993.6。<

110、;/p><p><b>　　376-380頁。</b></p><p>　　[5]郁有文。傳感器原理及工程應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2000。</p><p>　　[6]中國電子學(xué)會(huì)敏感技術(shù)分會(huì),北京電子學(xué)會(huì).2000/2001 傳感器與執(zhí)行器大全(年</p><p>　　卷) [M].北京:電子工業(yè)出版社,