超声波测距仪

超声波测距仪 : : : 04413 : 23 : 万继余 : 罗垂敏 成都电子机械高等专科学校 二〇〇七年六月 成都电子机械高等专科学校毕业设计（） 摘 要 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用 传感器技术和自动控制技术相结合的测距中，超声波测距是目前应用最普遍 的一种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业 现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel公司的AT89C51 单片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距 系统的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计 合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、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。 ：超声波 单片机 测距 AT89C51 1 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） Abstract Ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring , building construction site and some industrial scenes extensively。 This subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer AT89C51 of Atmel Company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking AT89C51 as the core ,this circuit of system is reasonable in design, working stability, performance good measuring speeding soon , calculating simple , apt to accomplish real-time control ,and can reach industry's practical demand in measuring the precision 。 Key s: Ultrasonic wave; One-chip computer; Range finding; AT89C51 2 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 目 录 ............................................................................................................................................1 ......................................................................................................................................2 ......................................................................................................................................3 1 ....................................................................................................5 1.1 超声波测距的原理 ........................................................................................................ 5 1.2超声波测距系统电路的设计 ........................................................................................... 5 1.2.1 总体设计方案 ........................................................................................................ 5 1.2.2发射电路的设计 ....................................................................................................... 6 1.2.3接收电路的设计 ....................................................................................................... 7 1.2.4显示模块的设计 ....................................................................................................... 8 1.3超声波测距系统的软件设计 ........................................................................................... 9 1.4本章小结 ........................................................................................................................ 11 2 .............................................................................................................................. 12 2.1 课题背景，目的和意义 ................................................................................................ 12 2.2两种常用的超声波测距方案 ......................................................................................... 12 2.2.1基于单片机的超声波测距系统 ............................................................................... 12 2.2.2基于CPLD的超声波测距系统 .............................................................................. 13 2.3课题主要内容 ................................................................................................................ 14 3 ............................................................................................................... 15 3.1超声波传感器的原理与特性 ......................................................................................... 15 3.1.1原理 ........................................................................................................................ 15 3.1.2特性 ........................................................................................................................ 16 3.2超声波传感器的检测方式 ............................................................................................. 17 3.3超声波传感器系统的构成 ............................................................................................. 18 3.4本章小结 ........................................................................................................................ 19 4 AT89C51 ................................................................................................... 20 4.1单片机基础知识 ............................................................................................................ 20 4.1.1单片机的内部结构 .................................................................................................. 20 4.1.2单片机的基本工作原理 .......................................................................................... 22 4.2单片机的分类及发展 ..................................................................................................... 23 4.3单片机AT89C51的特性 ............................................................................................... 24 4.4本章小结 ........................................................................................................................ 27 5 .................................................................................................... 28 5.1电路的调试 .................................................................................................................... 28 5.2系统的误差分析 ............................................................................................................ 28 5.2.1声速引起的误差 ..................................................................................................... 28 5.2.2单片机时间分辨率的影响 ...................................................................................... 29 5.4本章小结 ........................................................................................................................ 30 3 ............................................................................................................................................ 31 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） ............................................................................................................................................ 32 .................................................................................................................................... 33 1 ......................................................................................................................................... 34 2 ......................................................................................................................................... 39 3 ......................................................................................................................................... 40 4 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 第1章 超声波测距系统设计 1.1 超声波测距的原理 单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的 回波, 从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离 ct (1-1) S,2 式(1-1)中的c为超声波在空气中传播的速度。 限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射物的质地、 反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的 直接接收能力将决定最小可测距离。为了增加所测量的覆盖范围，减少测量误差， 可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。由于超声波发球声波范围，其波速c与温度有关，表1-1列出了几种不同温度下的波速。 表1-1 声速与温度的关系 温度(?) －30 －20 －10 0 10 20 30 100 声速(m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。其系统原理框图如图1-1所示。 图1-1 超声波测距系统框图 单片机AT89C51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出； 反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁 定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后， 相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。 在下一节里，我们将详细介绍超声波测距仪的各部分电路的设计思路及方 法。 1.2超声波测距系统电路的设计 1.2.1 总体设计方案 由单片机AT89C51编程产生40kHz的方波，由P3.6口输出，再经过放大电5 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后， 由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的检波放大、积分整形及一系列处理,送至单片机。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔 计算出障碍物的距离,并由单片机控制显示出来。 该测距装置是由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。传感器输入端与发射接收电路相连,接收电路输出端与单片机相连接,单片机的输出端与显示电路输入端相连接。其时序图如图1-2所示。 图1-2 时序图 单片机在T时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产0 生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间 差，即可得到超声波在媒介中传播的时间t，由此便可计算出距离。 1.2.2发射电路的设计 由单片机产生的40kHz的方波需要进行放大，才能驱动超声波传感器发射超 声波，发射驱动电路其实就是一个信号放大电路，本课题所选用的是74HC04集成芯片，图1-3为发射电路图。 6 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图1-3 发射电路 74HC04内部集成了六个反向器，同时具有放大的功能。74HC04的管脚如图1-4所示。 图1-4 74HC04管脚图 1.2.3接收电路的设计 超声波接收头接收到超声波后，转换为电信号，此时的信号比较弱，必需经 过放大。本系统采用了LM741对接收到的信号进行放大，接收电路如图1-5所示。 7 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图1-5 接收电路 超声波探头接收到超声波后，通过声电转换，产生一正弦信号，其频率为传 感器的中心频率，即40kHz。该信号通过C1高通滤波后经LM741放大，最后经二极管整形后输出到单片机中断口。LM741是一单运放集成芯片，图1-6为LM741管脚图。 图1-6 LM741管脚图 1.2.4显示模块的设计 LED(Light-Emitting Diode，发光二极管)有七段和八段之分，也有共阴和 共阳两种。 LED数码管结构简单，价格便宜。图1-7示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。图1-7(a)为八段共阴数码显示管结构图，图1-7(b)是它的原理图，图1-7(c)为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。 8 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图1-7 八段LED数码显示管原理和结构 单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字 符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。 为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用 动态扫描显示。但是由于本系统所用的单片机引脚少，剩余引脚很多，而且也只 需显示三位字符，所以，采用了静态的显示方式，且采用了软件译码，这样单片 机引脚输出可直接接到LED显示管上。这样省去了外部复杂的译码电路。 1.3超声波测距系统的软件设计 单片机编程产生超声波，在系统发射超声波的同时利用定时器的计数功能开 始计时，接收到回波后，接收电路输出端产生的负跳变在单片机的外部中断源输 入口产生一个中断请求信号，响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，停 止计时，读取时间差，计算距离，然后通过软件译码，将数据输出P0、P1和P2口显示。 程序流程图如图1-8，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图， (c)为外部中断子程序流程图。 (a) (b) (c) 9 图1-8 程序流程图 用单片机编程产生40kHz方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 延时函数delays()，然后可用for语句循环，并且循环一次同时改变方波输出 口的电平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() {} //延时函数 void main() { for(a=0;a<200;a++) //产生100个40KHz的方波 { P36=!P36; //每循环一次，输出引脚取反 delays() ; } } 单片机每隔一段时间产生一串40kHz方波，同时定时器开始计时，当收到回 波，产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让定时器停止计 数，然后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。 中断程序如下： void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO中断服务程序 { uint bwei,shwei,gwei; uchar DH,DL; ulong COUNT; ulong num; TR0=0 ; //停止计数 DH=TH0; DL=TL0; COUNT=TH0*256+TL0; num= (344*COUNT)/20000; //计算距离 bwei=num/100; //取百位 gwei=(num-bwei*100)/10; //取十位 shwei=num%10; //取个位 P1=tab[bwei]; //输出百位 P0=tab[shwei]; //输出十位 P2=tab[gwei]; //输出个位 TH0=0; 10 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） TL0=0; } 本系统的LED显示采用了静态显示方式，并用单片机内部软件译码。这样简 单方便，省去了复杂的外部译码电路。 软件译码只需要定义一个数组便可，程序语句如下： uchar data tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; 这是共阳LED显示从0到9的字形码。 1.4本章小结 本章是该课题的重点，全面介绍了超声波测距系统的原理和设计思路，给出 了硬件电路和软件的设计。在硬件电路的设计中，分别详细介绍了发射电路，接 收电路及显示模块的设计方法。软件编程部分，给出了整个程序的思路以及程序 流程图。 11 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 第2章 绪论 2.1 课题背景，目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通 信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传 感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传 感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、 普遍的应用。利用单片机控制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，并且测量精度较高。 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施 工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波 测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高 自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 2.2两种常用的超声波测距方案 2.2.1基于单片机的超声波测距系统 基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方 波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波 波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制 单片机中断口。其系统框图如图2-1所示。 图2-1 基于单片机的超声波测距系统框图 这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机超声波发射的时间 和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳 变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断 请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示 [1]。 利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多 超声波测距系统都采用这种设计方法。 12 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 2.2.2基于CPLD的超声波测距系统 这种测距系统采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) 编写程序，使用MAX+plusII软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现测距 功能。 CPLD器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D触发器、T触发器、RS触发器或JK触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非 常适用于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显 示全部由MAX来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路， 即可组成一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距 仪。 本系统利用CPLD器件控制超声波的发射，并对超声波发射至接收的往返时 间进行计数，将计算结果在LED上显示出来。配合使用MAX+plusII开发软件，可集设计输入、设计处理、设计校验和器件编程于一体，集成度高，开发周期短。 其系统框图如图2-2所示。 图2-2 基于CPLD的超声波测距系统框图 超声波发射器向某一方向发射40kHz的超声波，在发射超声波的同时， MAX7128S内的计数器开始计数。超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就会立 即返回来。超声波接收器收到反射波后就将回波信号送到CPLD，CPLD立即停止计数。CPLD所计的时间就是超声波从传感器到被测物的往返时间。超声波在空 气中的传播速度如设定为332m/s，根据计数器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=332t/2。CPLD开始计数后，只要传感器收到回波， CPLD就立即停止计数，即只有最先返回的超声波才起作用，也就是说超声波测 [2]距仪总是测得离传感器最近的物体的距离。 本系统采用先进的CPLD器件，高性能、低成本地实现了距离的测定。 13 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 2.3课题主要内容 通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便， 而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。 通过超声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计 时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，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V，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。 本系统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。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波， 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超 声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出 端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片 机响应外部中断请求执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给LED显示。 利用本测距系统测量，范围应在30cm～200cm内，其最大误差控制在10cm。 14 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 第3章 超声波传感器 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。 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。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因有振荡 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。 在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的 知识。在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感 系统的构成。 3.1超声波传感器的原理与特性 3.1.1原理 人们可以听到的声音频率为20Hz～20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声音，即20Hz以下的声音称为低频声波，20kHz以上的声音称为超声波，一般说话的频率范围为100Hz～8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此 利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的 速度较慢，约为330m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接 收声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和 兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就 是发送器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传 感器的谐振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz等。谐振 频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。 超声波传感器是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波 传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应 如图3-1所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a15 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷 的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压 电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c 所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。 图3-1 压电逆效应 超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起， 在长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面涂敷薄膜电极，其 上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电 极端。双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处 的支点就成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆 锥形振子有较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波 的振动集中于振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。 采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短， 于是就能发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接 收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压 力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送 器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波 频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。 3.1.2特性 现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例说明超声波传感器的各种特性， 表3-1示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率， 而接收时各自使用并联谐振频率。 16 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 表3-1 超声波传感器MA40S2R/S的特性 种类特性 MA40S2R接收 MA40S2S发送 标称频率 40kHz 灵敏度 －74dB以上 100dB以上 带宽 6kHz以上(－80dB) 7kHz以上(90dB) 电容 1600pF 1600pF 绝缘电阻 100MΩ以上 超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措温度特性 －20~+60?范围内灵敏度变化在10dB以内 施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化 使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频 率调整和阻抗匹配。 MA40S2R/S传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低， 为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。 图3-2表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测 灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。 另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范 围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补 偿。 图3-2 传感器的方向性 3.2超声波传感器的检测方式 1.穿透式超声波传感器的检测方式 当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而 17 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 判断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为被检测物体使用100mm ×100mm的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。 2.限定距离式超声波传感器的检测方式 当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的 方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时， 则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测 到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认 是否能检测到被测物体。 3.限定范围式超声波传感器的检测方式 在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡 反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无 物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。 4.回归反射式超声波传感器的检测方式 回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于 发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射 式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种 超声波传感器。 这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检 测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测 物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感 器。 3.3超声波传感器系统的构成 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图 3-3所示。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能 量转换为超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶 瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能 量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。 18 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图3-3 超声波传感器系统的构成 控制部分判断接收器的接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输 出。对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收 到任意距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测 物体的范围。 超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为12~24V ?10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。 超声波传感器系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多 种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法 需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方 [3]法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路。 3.4本章小结 本章我们详细介绍了超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用 压电逆效应的原理产生超声波的。 超声波传感器有四种检测方式，分别为穿透式超声波传感器的检测方式、限 定距离式超声波传感器的检测方式、限定范围式超声波传感器的检测方式和回归 反射式超声波传感器的检测方式。 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。 19 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 第4章 AT89C51单片机简介 本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的，在介绍电路设计之 前，我们先来简单了解一下单片机的工作原理，由于本课题所设计的超声波测距 系统是以Atmel公司的8位单片机AT89C51为核心的，所以，在本章先简单的介 绍一下AT89C51的一些特性。 4.1单片机基础知识 单片微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器 (Microcontroller)。单片微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是一种 非常活跃且颇具生命力的机种。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能部件： CPU(Central Processing Unit，中央处理器)、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 4.1.1单片机的内部结构 单片机内部结构如图4-1所示。 图4-1 单片机内部结构 与单片机相比，微型计算机是一种多片机系统。它是由中央处理器(CPU)芯片、ROM芯片、RAM芯片和I/O接口芯片等通过印刷电路板上总线(地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB)连成一体的完整计算机系统。其中，中央处理器(CPU)的字长长，功能强大；ROM和RAM的容量很大；I/O接口的功能也大，这是单片 机无法比拟的。因此，单片机在结构上与微型计算机十分相似，是一种集微型计 算机主要功能部件于同一块芯片上的微型计算机，并由此而得名。 由图4-1可见，中央处理器(CPU)是通过内部总线与ROM、RAM、I/O接口以 20 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 及定时器/计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析单 片机工作原理前，先对图4-1中各部件作一基本介绍是十分必要的。 1.存储器 在单片机内部，ROM和RAM存储器是分开制造的。通常，ROM存储器容量较大，RAM存储器的容量较小，这是单片机用于控制的一大特点。 (1)ROM ROM(Read Only Memory，只读存储器)一般为1~32K字节，用于存放应用程序，故又称为程序存储器。由于单片机主要在控制系统中使用，因此一旦该系统 研制成功，其硬件和应用程序均已定型。为了提高系统的可靠性，应用程序通常 固化在片内ROM中，根据片内ROM的结构，单片机又可分为无ROM型、ROM型和EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可编程只读存储器)型三类。近年来，又出现了EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,电擦除可编程只读存储器)和Flash型ROM存储器。 无ROM型单片机特点是片内不集成ROM存储器，故应用程序必须固化到外接 的ROM存储器芯片中，才能构成有完整功能的单片机应用系统。ROM型单片机内部，其程序存储器是采用掩膜工艺制成的，程序一旦固化进去便永远不能修改。 EPROM型单片机内部的程序存储器是采用特殊FAMOS管构成的，程序一旦写入， 也可以通过特殊手段加以修改。因此，EPROM型单片机是深受研制人员欢迎的。 (2)RAM 通常，单片机片内RAM(Random Access Memory，随机存取存储器)容量为 64～256字节，最多可达48K字节。RAM主要用来存放实时数据或作为通用寄存 器、数据堆栈和数据缓冲器之用。 2.中央处理器(CPU) 中央处理器的内部结构极其复杂，要像电子线路那样画出它的全部电路原理 图来加以分析介绍是根本不可能的。下面简单概述一下几个主要部分的工作原 理。 (1)运算器 运算器用于对二进制数进行算术运算和逻辑操作；其操作顺序在控制器控制 下进行。运算器由算术逻辑单元ALU、累加器A、通用寄存器R0、暂存器TMP和状态寄存器PSW等五部分组成。 累加器A(Accumulator)是一个具有输入/输出能力的移位寄存器，由8个触发器组成。TR(Temporary Register,暂存器)也是一个8位寄存器，用于暂存另一操作数。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算术逻辑单元)主要由加法器、移位电路和判断电路等组成，用于对累加器A和暂存器TMP中两个操作数进行四21 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 则运算和逻辑操作。PSW(Program Status Word，程序状态字)也由8位触发器组成，用于存放ALU操作过程中形成的状态。 (2)控制器 控制器是发布操作命令的机构，是计算机的指挥中心，相当于人脑的神经中 枢。控制器由指令部件、时序部件和微操作控制部件等三部分组成。 指令部件是一种能对指令进行分析、处理和产生控制信号的逻辑部件，也是 控制器的核心。指令是一种能供机器执行的控制代码，有操作码和地址码两部分。 时序部件由时钟系统和脉冲分配器组成，用于产生微操作控制部件所需的定时脉 冲信号。微操作控制部件可以为ID(Instruction Decoder，指令译码器)输出信号配上节拍电位和节拍脉冲，也可与外部进来的控制信号组合，共同形成相应的 微操作控制序列，以完成规定的操作。 3.内部总线 单片机内部总线是CPU连接片内各主要部件的纽带，是各类信息传送的公共 通道。内部总线主要由三种不同性质的连线组成，它们是地址线、数据线和控制 线/状态线。 地址线主要用来传送存储器所需要的地址码或外部设备的设备号，通常由 CPU发出并被存储器或I/O接口电路所接收。数据线用来传送CPU写入存储器或经I/O接口送到输出设备的数据，也可以传送从存储器或输入设备经I/O接口读入的数据。因此，数据线通常是双向信号线。控制/状态线有两类：一类是CPU发出的控制命令，如读命令、写命令、中断响应等；另一类是存储器或外设的状 态信息，如外设的中断请求、存储器忙和系统复位信号等。 4.I/O接口和特殊功能部件 I/O接口电路有串行和并行两种。串行I/O用于串行通信，它可以把单片机 内部的并行8位数据(8位机)变成串行数据向外传送，也可以串行接收外部送来 的数据并把它们变成并行数据送给CPU处理。并行I/O口电路可以使单片机和存储器或外设之间并行地传送8位数据(8位机)。 4.1.2单片机的基本工作原理 单片机是通过执行程序来工作的，机器执行不同程序就能完成不同的运算任 务。因此，单片机执行程序的过程实际上也体现了单片机的基本工作原理。为此， 先从指令程序谈起。 1.单片机的指令系统和程序编制 前面已经介绍，指令是一种可以供机器执行的控制代码，故它又称为指令码 (Instruction Code)。指令码由操作码(Operation Code)和地址码(Address Code) 22 构成：操作码用于指示机器执行何种操作；地址码用于指示参加操作的数在哪里。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 其格式为： 操地 作码 址码 指令码的二进制形式既不便于记忆，又不便于书写，故人们通常采用助记符 形式来表示，表4-1所列。 表4-1 指令的三种形式 指令的二进制形式 指令的十六进制形式 指令的汇编形式 01110100 data1 74 data1 MOV A,#data1;A?data1 00100100 data2 24 data2 ADD A,#data2; A?data1+data2 10000000 1111110 80 FE SJMP $;停机 指令的集合或指令的全体称为“指令系统”(Instruction System)。微处理器类型不同，它的指令系统也不一样。所谓程序就是采用指令系统中的指令根据 题目要求排列起来的有序指令的集合。 程序的编制称为“程序设计”。通常，设计人员采用指令的汇编符(即助记符)形式编程，这种程序设计称为“汇编语言程序设计”。显然，设计人员如果不熟 悉机器的指令系统是无法编出优质高效的程序的。 2.单片机执行程序的过程 为了弄清单片机的工作原理，现以如下的Y=5+10求和程序来说明单片机的工作过程。 7405H MOV A，#05H ；A?05H 240AH ADD A，#0AH ；A?5+10 80FEH SJMP $ ；停机 该程序由三条指令组成，每条指令均为双字节指令(即第一字节为操作码，第二字节为地址码)。第一条指令的含义是把05H传送到累加器A中；第二条指令是加法指令，它把累加器A中的5和立即数10相加，结果保留到累加器A中；第三条是停机指令，机器执行后处于动态停机状态。 4.2单片机的分类及发展 1974年,美国仙童(Fairchild)公司研制出世界上第一台单片微型计算机F8,该机由两块集成电路芯片组成,结构奇特,具有与众不同的指令系统,深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎和重视。从此，单片机开始迅速发展，应用范围也在不 断扩大，现已成为微型计算机的重要分支。 1．单片机的分类 20世纪80年代以来，单片机有了新的发展，各半导体器件厂商也纷纷推出 23 自己的产品系列。迄今为止，市售单片机产品已达60多个系列，600多个品种。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 按照CPU对数据处理位数来分，单片机通常可以分为以下四类。 (1)4位单片机 4位单片机的控制功能较弱，CPU一次只能处理4位二进制数。这类单片机常用于计算器、各种形态的智能单元以及作为家用电器中的控制 器。 (2)8位单片机 8位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。和4位机相比，它不仅具有较大的存储容量和寻址范围，而且中断源、并行I/O接口和定时器/计数器个数都有不同程度的增加，并集成有全双工串行通信接口。在指令系统方 面，普遍增设了乘除指令和比较指令。特别是8位机中的高性能增强型单片机， 除片内增加了A/D和D/A转换器以外，还集成有定时器捕捉/比较寄存器、监视定时器(Watchdog)、总线控制部件和晶体振荡电路等。这类单片机由于其片内资 源丰富且功能强大，主要在工业控制、智能仪表、家用电器和办公自动化系统中 应用。 (3)16位单片机 16位单片机是在1983年以后发展起来的。这类单片机的 特点是：CPU是16位的，运算速度普遍高于8位机，有的单片机寻址能力高达 1MB，片内含有A/D和D/A转换电路，支持高级语言。这类单片机主要用于过程 控制、智能仪表、家用电器以及作为计算机外部设备的控制器。 (4)32位单片机 32位单片机的字长为32位，是单片机的顶级产品，具有 极高的运算速度。近年来，随着家用电子系统的新发展，32位单片机的市场前景看好。 2．8位单片机的新发展 目前，单片机正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是8位单片机已成为当前单片机的主流。8位单片机的新发展具体体现在如下四个方面： (1)CPU功能增强 (2)内部资源增多 (3)引脚的多功能化 [4](4)低电压和低功耗 4.3单片机AT89C51的特性 AT89C系列单片机是Atmel公司生产的一款标准型单片机。其中数字9表示内含Flash存储器，C表示CMOS工艺。其管脚图如图4-2所示。 24 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图4-2 AT89C单片机管脚图 AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储 器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 1．主要特性： ?与MCS-51 兼容 ?4K字节可编程闪烁存储器 寿命：100写/擦循环 数据保留时间：10年 ?全静态工作：0Hz-24Hz ?三级程序存储器锁定 ?128×8位内部RAM ?32可编程I/O线 ?两个16位定时器/计数器 ?5个中断源 ?可编程串行通道 ?低功耗的闲置和掉电模式 ?片内振荡器和时钟电路 2．管脚说明： 25 VCC：供电电压。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储 器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作 为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于 内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行 存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势， 当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。 P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输 入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流，这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 /INT0(外部中断0) P3.3 /INT1(外部中断1) P3.4 T0(记时器0外部输入) P3.5 T1(记时器1外部输入) P3.6 /WR(外部数据存储器写选通) P3.7 /RD(外部数据存储器读选通) P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外26 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时， 将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果 微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个 机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于 施加12V编程电源(VPP)。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3．振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信 号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4．芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持 ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持 两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4.4本章小结 本章重点介绍了单片机的一些基本知识，如单片机的内部结构，单片机的工 作原理等，只有详细了解单片机的工作原理，才能更好的使用单片机，用单片机 来设计电路。 本系统所用的单片机是Atmel公司生产的AT89C51，DIP封装，40引脚。它的特点是内含Flash存储器，采用CMOS工艺，这种型号的芯片是目前应用得最 普遍的一种。AT89系列的单片机可分为标准型、低档型和高档型三类，均属于827 位机。我们所使用的AT89C51是标准型的，本章详细介绍了它的特性和参数。 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 第5章 电路调试及误差分析 5.1电路的调试 通过多次实验，对电路各部分进行了测量、调试和分析。 首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个 40kHz的方波信号，峰-峰值为3.8V。经过发射电路后，其信号峰-峰值放大到10V左右。 40kHz的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收 到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形幅值较低， 经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生 一个中断请求信号。 该测距电路的40kHz方波由单片机编程产生，方波的周期为1/40ms，即25µs，半周期为12.5µs。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1µs，所以只能产生半周期为12µs 或13µs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。 5.2系统的误差分析 5.2.1声速引起的误差 声波是媒质中传播的质点的位置、压强和密度对相应静止值的扰动。高于 20kHz 时的机械波称为超声波，媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常称 为压缩波或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为 2,,Ec, (5-1) ,,,,, 23式(5-1)中E为媒质的弹性模量，单位kg/mm；ρ为媒质的密度，单位kg/mm；E 为复数，其虚数部分代表损耗; c也是复数，其实数部分代表传播速度，虚数 部分则与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量后者可求得媒质中 的损耗。声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。 从式(5-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用 声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等 因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会28 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体 中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影 响最大。 声速受温度的影响为 2，，,,, (5-2) cc,，1,,,0,,273,,，， 图5-1根据上式测量的温度-声速图。 图5-1 空气中温度-声速图 由式(5-2)和图5-1可见，当温度θ从0～40?变化时，将会产生7%的声速 变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工业测 量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即 c,，3310.6, (5-3) , 5.2.2单片机时间分辨率的影响 不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时 器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。 相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为12MHz时，时间 分辨率为1µs。 随机误差 由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可 [10]在同一位置处多次重复测量x，然后取平均值x作为测量的真值。 i 提高测距精度的方法 上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是超声 测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下： 1. 合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。 据经验，超声测距的工作频率选择40kHz较为合适；发射脉宽一般应大于填29 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 充波周期的10 倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽 1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发射周 期可选短些。 2. 在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节。 因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用AGC电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随 测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。 3. 提高计时精度，减少时间量化误差。 如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误 差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当 晶振频率6MHz时，计数频率为0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为 0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为 0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率， [11]。 时间量化误差更小 4. 补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力 等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。 温度传感器LM92的温度测试分辨率为0.0625?，－10?至+85?准确度为 22?1.0?，IC总线接口。用AT89C51的通用I/O端口能很容易的模拟IC总线的读写时序，LM92高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。 由LM92温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度 测距的场合，如自动气象站中水气日蒸发量的测试、自动任意形状物体密度测试 仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，在工程上的开发与 [12]应用前景广阔。 5.4本章小结 在本章里，对设计的电路进行了调试和分析。对于测距系统来说，误差是不 可避免的。如何减小系统的误差，是设计测距系统必需要考虑的问题。本章分析 了各种产生测量误差的原因以及解决办法，以更进一步提高超声波测距系统的测 量精度。 30 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 结论 本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬件 和软件的设计方案。 超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原 理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原 理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司生 产的AT89C51芯片。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC04六反向器，通过它对单片机产生的方波 信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系 统的LED显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。单片机内部采 用C语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译 码都由单片机编程完成。 本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便 等优点。测距范围从20cm到200cm，测量精度在?10cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、软件 部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。 总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益 匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握 了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、 调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作 都会有很大帮助的。 31 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 致谢 首先感谢我的导师罗垂敏老师，在罗老师的耐心指导、帮助下，我才能顺利 完成毕业设计。从电路的设计到调试整个过程中，我都从罗老师那里学会了很多 专业方面的知识。 还要感谢老师和关宇东老师，在我的毕业设计中给单片机烧录程序，两位老 师为我提供单片机编程器以及对我的细心指导，衷心感谢他们。 感谢主楼六楼实验室的各位老师和师兄们为我提供单片机仿真器和示波器 等实验仪器，没有他们的支持和帮助，我的毕设也不能顺利进行。 感谢在毕设中帮助过我的所有同学和师兄师姐们。 最后感谢我的家人、朋友对我的支持。 32 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 参考文献 1.刘凤然.基于单片机的超声波测距系统.传感器世界.2001,5:29-32 2.葛健强.基于CPLD的超声波测距仪研制. 无锡商业职业技术学院学报.2004,4(3):8-10 3.何希才,薛永毅.传感器及其应用实例.机械工业出版社,2004:138-152 4.胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社,2004:27-46 5.吴斌方,刘民,熊海斌.超声波测距传感器的研制.湖北工学院学报.2004,19(6):26-28 6.谭洪涛,张学平.单片机设计测距仪原理及其简单应用.现代电子技术.2004,18:94-96 7.Peter Hauptmann, Ralf Lucklum, Bernd Henning. Ultrasonic Sensors for Process Control. Sensors Update.1998,3: 163-207 8.赵占林,刘洪梅.超声波测距系统误差分析及修正.科技情报开发与经济.2002,12(6):144-145 9.J. Otto. Sensors for Distance Measurement and Their Applications in Automobiles. Sensors Update.2002,10:231-255 10.苏炜,龚壁建,潘笑.超声波测距误差分析.传感器技术.2004,23(6):8-11 11.罗忠辉,黄世庆.提高超声测距精度的方法. 机械设计与制造.2005,1:109 12.秦旭.用LM92温度传感器补偿的高精度超声波测距仪.电子产品世界.2003,6:58-59 13.Yusuke Moritake, Hiroomi Hikawa.Category Recognition System Using Two Ultrasonic Sensors and Combinational Logic Circuit. Electronics and Communications in Japan.2005,88(7):33-42 33 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 附录1 采用双超声波传感器和组合逻辑电路的种类识别系统 在这篇文章里，我们使用一种技术，它用来从被反射出的超声波认出一种材 料并且使用两台超音速飞机传感器提议一个种类识别系统。在这个系统里，被反 射出的波形被作为二维的图像，并且属于那个种类的一个目标是瞬间模式从参考 数据到一条组合的逻辑电路中匹配认出的。在这个系统里，信息的结合例如物体 的材料，角度和距离被作为识别种类确定。模式匹配被从参考数据直接创建的一 条组合的逻辑电路所携带。根据提议的方法完成标准的波形数据的识别试验来证 明提议系统和它的效力的特征，被适用于在具体的状况下的识别。由于5种原料作为种类下落，获得的结果显示了一个差不多100%的识别率，并且当种类是倾 向于材料，角度和距离的结合时，高的识别结果是为几乎所有的材料获得的。 1．介绍 传统的图样识别是基于一种未知的模式和以知模式之间的一次距离计算。在 两种模式之间的距离被连续计算，并且这种未知的模式属于的种类是基于结果的 估计之上[1,2]。因此，如果模式的数量或者种类的数量增加，计算时间变长并 且执行实时识别和高速处理时变得尤其复杂困难。为了达到实时处理，一种传统 方法和大规模的硬件供应是必要的。为了解决问题，使用基于VLSI的组合的逻辑电路的一种模式识别方法已经被提出[3]。这种方法使用一种遗传算法(GA)，由GA设计组合的逻辑电路和从模型数据中直接创建模式识别的一条集成电路。 因为这种方法在原理平台的最优化里使用GA，需要极其长的时间设计电路。因 此，我们为更简单的模式比较这种组合的逻辑电路提出一种设计方案[4]。这被用于一个系统， 那就是从超声波传感器的波形数据材料识别，目标材料作为识 别种类。自从用这种方法从模型数据中创造了一个直接电路，一个识别电路可能 在比利用CA方法更短的制作时间内被创造出来。 超声波传感器经常被作为机器人里的修正距离的传感器使用，目的是为了在 不能使用光学传感器的水下或夜间环境下起度量作用，并且在形状信息难像玻璃 或者不锈钢那样用光学方法捕获的对象的识别过程中[5,6]。通常，信息从用超声波传感器反射出的波以只存在或者不存在量程范围内的障碍或者远离目标信 息中获得。不过，研究已经通过使用来自从超声波传感器获得的信息的神经网络 来识别目标的形状[7-9]。在裁判员4的系统里，快速傅里叶变换算法(FFT)反射波的波形被用作种类识别的一个特征。首先，一台单个的超声波传感器用来测量 一个对象的被反射的波。属于未知数据的种类通过一种涉及到这个反射波的FFT 34 波形的模式匹配来进行推断的。模式匹配被假设为使用一条组合的逻辑电路。我 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 们使用这种方法识别未知物体的材料，它的效力已经被检验。因此，在识别材料 中的高识别率是不用质疑的。这种方法的前提是在硬件中实施，期望可以通过使 用一条组合的逻辑电路实现快速识别，应用于航空，例如自动化运输工具，将随 着这种系统的进一步延伸而成为可能。在这篇文章里，我们提出一个种类识别系 统，这种识别方法来识别种类被延伸至从物体原料到化合物体材料，角度和测量 距离上的延伸，并且模型识别是基于得到的二台超声波传感器的波形和组合的逻 辑电路使用。那时，用测量的波形数据和其他种类方法的对比的种类实验，通过 证明被提议方法的特征来估计提议方法。 2．提出的系统 2.1识别算法 在这个部分里解释被提议的方法的种类识别的算法。首先，超声波放电来测 量物体，并且超声波传感器收到被反射的波。FFT被用于通过超声波传感器在频率领域内产生的数据而获得反射波。传输数据的35－kHz到45－kHz区域被用于识别。原因是超声波传感器被用于中心是40 kHz的频率。图1显示5个FFT波 形样品，(a)木头,(b)铁，(c)纸板，(d)海绵和(e)塑料。这些波形是从有着相同的尺寸的金属板形状的物体(30厘米x 30厘米)中获得的FFT波形。如图1，每 种材料中的波形显示了特征的不同。在这篇文章里，被反射的波形中存在差别的 原因没有被详细地分析，但是被认为是每种材料或者表面形状的声阻抗的差别[5, 6]。因此， 我们相信一物体材料可以图样识别与FFT反映出的波形来识别每种物体材料的特征。 下一步，我们创造有着极大值和级小值的图表，因为从接收传感器获得的多 测量数据有着自己的频率组合。这张图被叫为参考数据。图2是一个参考数据的例子。 参考数据是每种类识别的基础。下列方程式用来确定最大和最少的参考 数据： • 最大值= E(f) + 2 × σ(f) • 最小值= E(f) – 2 × σ(f) E(f)表示在决定于培训用数据的频率f方面的指示能力，而σ(f)表示频率英尺指示能力的标准偏差。参考数据的最大值和最小值表明数据与描述被测量的 对象的特征的波形不符合的范围。如果我们假定这些参考数据遵循一个标准的分 布，让被测量的数据x的平均值是x’，标准偏差是σ，然后我们得到大约测量的数据x的95%在x’? 2 × σ间隔范围内[10]。通过把极大值和极小值放置在参考数据E(f) ? 2 × σ(f)里，如果培训用数据的数量足够大，几乎所有 数据根据反射出的相同对象的波决定的未知波形相信在极大和极小参考数据的 范围内被观察到。 35 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 下一步，被创建的参考数据用来对输入数据匹配。在提议系统内，从超声波 传感器那里获得的未知波形成数据和参考数据作为二维的数据处理。然后未知的 数据属于的种类被对图像数据的模式匹配识别。如果未知的波形数据和参考数据 被重叠，相配的过程阻塞，并且如果未知的波形数据在最大和最少的参考数据中， 未知的波形数据被推断属于保存参考数据的种类，并且这被作为识别结果确定。 2.2 系统配置 图3是一张在这项研究过程中使用的系统的方框图。显示的坐标系统被在测 量环境过程中使用。测量的目标位于原点并且在以x-y平面中心为原点的平面中 测量。在这些实验过程中，在数字里显示的金属形成的物体是测量目标。测量设 备被放在y轴的原点上，使用有独立输送和接收的40 kHz超声波传感器(日本陶器制法T / 16 R40)来进行测量。在3图中，超声波传感器被安排有左右接受器 和在中心内的输出器。那些目标的反射波两台接收传感器接收，并且是模拟对数 字化的转变(100 MHz 抽样率，32位)。在FFT之后处理，数据是对识别电路的 输入。通过使用两台接收的传感器，因为输入信息的增加，下列效应可以被预测： 改进识别率； 不仅是简单的物质识别，而且种类更复杂的结合体如角和测量距离的识别。 2.3识别电路 被提出的识别方法是一个运算法则，在数据匹配过程中，这个法则可以被作 为一条组合的逻辑电路的硬件来执行。一个匹配电路决定着输入数据是否在最大 和最少的参考数据内。 2.3.1匹配电路 当决定来自于一条组合的逻辑电路时， 参考数据和输入数据被量化成P×Q二维的形式，每排进行比较。组合的逻辑电路用来比较两排。从而，P组合的逻辑电路(有Q输入)来比较一个波形数据。被提议的系统使用两台传感器；2×P组合的逻辑电路进行每种类的识别。一条组合的逻辑电路把少量参考数据和输入 数据进行比较。如果比较的两排匹配精确，“1”是输出量；否则，“0”是输出量。为了创建比较这对排的组合的逻辑电路，从参考数据中创建一份真实的表格。首 先，每个种类的参考数据如图4中所示被量化成P×Q二维的形式。等于或者超 过参考数据的最大量的区域被调整到“0”， 最小量被调整到“1”，并且其他区域被调整到涉及不到的区域(“x”)。下一步，一排量化的参考数据被作为真实 表格确定，并且建立了在每排和输入数据相配的组合的逻辑电路。通过增加不被 关注的真实表格，由于测量条件，识别电路吸收波形内的变化，例如随着温度的 变化。电路可以在尺寸方面简化，因为并非所有数据值都要在识别过程中引用。 输入数据被类似量化。相同或是比数据值大的地区的数据值调整到“0”和小于36 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 这个区域的数据值对应“1”。然后每排输入数据被选出，对相应排的组合的逻辑 电路的输入，与参考数据相比。图5显示在真实表格和在图4的第4排的组合逻辑电路之间的输入/产量关系。在图5，R(x，y)描述被量化的参考数据的象素价 值，x是排号码和y是栏数。U(x，y)描述被量化的输入数据的象素价值并且成 为对组合的逻辑电路的输入。F(X)代表4排的组合的逻辑电路的输出量。当所4 有R(4，0)到R(4，Q－1)和U(4，0)到U(4，Q－1)匹配时，生产F(X)成为“1”。4如果输入数据是在最大和最小的参考数据内， 所有排的组合的逻辑电路的输出 量成为“1”。 下一步，因为在输入数据和种类之间的类似处被确定，“1”来自所有组合的逻辑电路的s产量的总数是种类的相象E，并且有最高类似处的种类被作为最种类 终的结果。 2.3.2 电路的简化 当组合逻辑电路被创建时，当真实表格被制作成一条没有被修正的电路时， 所有数据值都成一排被引用， 组合逻辑电路的输入的数量随决定增加而增加， 并且电路规模变得更大。为了降低电路规模，识别电路被简化。如图4，“0”、“1” 和“x”(不要关心)三个区域存在于被量化的参考数据， 以及“0”和“1”的两个区域存在于输入数据。当在参考数据的区域之间的边界被检验时，全部的价值 大，基于参考数据的特性，所有数值大于或等于最大值“0”并且全部数值少于最小值“1”的。当这种特征用于匹配过程，通过利用临近的不相关的两个输入 值来实现。图6呈现出一个m排的简单组合逻辑电路的实例。可以看到如果在量 化参考数据的m排里 从R(m, Q–3) 到 R(m, 2)不被关注，在m的被量化的参考数据排不关心，匹配整个排只由从所有输入数据U(m，Q-1)到U(m，0)的U(m，Q-2)?U(m，1) 的计算变得可能。通过做这次简化， 在忽视决议时，每排的组合的逻辑电路的输入的数量是2，将导致在电路规模方面的大幅度削减。 2.3.3. 识别电路的构造 图7显示提议识别电路的整个结构。 比较每种种类的输入数据和参考数据 (E，计数器的总数)，比较每种种类类似处的一个最大数值探测电路，探测最种类 大值，从而识别电路从一个匹配电路中而被构造出来。为在早先阶段比较记述的 参考数据和从每个逻辑电路计算“1”输出量的数值的一个计数器，而从一个组 合逻辑电路中构建一个电路。在图7的 U (x，y)和U (x，y)是输入数据从左LR和右超声波传感器那里，分别地，被FFT 改变并且被量化。 自从匹配电路分别从左和右超声波传感器与输入数据相配， 每个种类有两个匹配电路和两个匹配 程序可以并联进行。两个匹配电路的输出量的总数成为这个种类的类似处E。种类类似处被每个种类确定并且在最大的探测电路里进行比较。有最大的类似处(有37 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 最高的模式匹配的数量的一个输入数据)的种类被看作识别结果。在被提议的系 统里，当被识别的种类增加时，匹配电路随之增加，系统被重新配置。这样的话， 电路规模增加， 但是处理时间不改变，因为输入数据的比较是通过每个种类的 组合逻辑电路来并联执行的。 38 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 附录2 超声波测距系统电路图 39 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 附录3 C语言源程序 #include #define uchar unsigned char #define ulong unsigned long #define uint unsigned int sbit P36=P3^6; sbit P32=P3^2; uchar data tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}; bit again; void delays () { } // 延时程序 void main() { uchar a; //一次发射方波数 ulong k; TMOD=0x01; //T0计数，方式1 TH0=0; //计数初值 TL0=0; IT0=1; //INT0负脉冲触发 EA=1; //开总中断 EX0=1; //开外部INT0中断 again=1; while(1) { while (again==1) { P36=0; TR0=1; //T0开始计数 for(a=0;a<200;a++) //产生100个40KHz的方波 { P36=!P36; 40 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） delays() ; } again=0; } } } void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO中断服务程序 { uint bwei,shwei,gwei; uchar DH,DL; ulong COUNT; ulong num; TR0=0 ;//停止计数 DH=TH0; DL=TL0; COUNT=TH0*256+TL0; num= (344*COUNT)/20000; bwei=num/100; //取百位 gwei=(num-bwei*100)/10; //取十位 shwei=num%10; //取个位 P1=tab[bwei]; //输出百位 P0=tab[shwei]; //输出十位 P2=tab[gwei]; //输出个位 TH0=0; TL0=0; } 41 超声波测距系统的电路设计 成都电子机械高等专科学校毕业设计（论文） 图2 超声波测距电路原理图 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，单片机选用8751，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图2所示。其中只画出前方测距电路的接线图，左侧和右侧测距电 路与前方测距电路相同，故省略之。 1、40kHz 脉冲的产生与超声波发射 测距系统中的超声波传感器采用UCM40的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz的脉冲信号，这由单片机执行下面程序来产生。 puzel： mov 14h, #12h；超声波发射持续200ms here： cpl p1.0 ；输出40kHz方波 nop ； nop ； nop ； djnz 14h，here； ret 前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行上面的程序后，在P1.0 端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHz的脉冲超声波，且持续发射200ms。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，工作原理与前方测距电路相同。 42