超声波水位传感器设计论文

1、本科毕业设计(论文)题目：超声波水位传感器硬件电路设计系 别： 光电工程学院 专 业： 光电信息工程 班 级： 080110 学 生： 梁茂超 学 号： 080110110 指导教师： 胡小英 V超声波水位传感器硬件电路设计摘要由于历史原因和许多不可预见因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要. 而设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统

2、核心部分就是超声波测水位传感器的研制.超声波技术比较成熟，已广泛应用与众多领域，超声波液位传感器为非接触式测量仪器，用于化工原料液位测量。由于超声波的优点，人们对超声波的利用率越来也高。从大到工业体系的探伤，小到测距和金属表面清尘，超声波几乎无处不在的伴随我们的生活。 本设计是以AT89S52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。整个电路采用模块化设计，由单片机控制模块，超声波发射模块，超声波接收模块和数据显示模块组成。通过AT89S52，在接通电源的情况下控制发射部分的电路，经超声波发生器发出超声波，超声波传播到水表面发生反射，回波有超声波接收器接收，经过AT89S52处

3、理后，得出距离，在经过下、显示部分电路由数字显示的方式直观的显示出来。软件部分由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。关键词：AT89S52；超声波；测距Ultrasonic level sensor hardware circuit designAbstractDue to historical reasons and many unforeseen factors, urban water supply

4、 and drainage system, especially the drainage system often lagged behind the urban construction. Therefore, often the excavation has been the construction of good buildings and facilities to transform the drainage system. Urban sewage to bring the troubled， culvert sewage sewage treatment to clear t

5、he water supply and drainage systems in big cities, people's living comfort is very important. Design and development of the culvert drainage to clear the automatic control system of the mobile robot to ensure the robot in box culvert in the freedom of sewage to clear ，the culvert of sewage to c

6、lear the robot's design and development of core part. The core portion of the control system is the development of the ultrasonic measuring water level sensor.ultrasonic technology is relatively mature, has been widely applied in many fields, ultrasonic level sensor for non-contact measuring ins

7、truments for level measurement of chemical raw materials. the using of Ultrasonic wave is more and more frequent. From the large scale flaw detection of the industrial system to the measuring distance and clearing of the metal surface , the ultrasonic wave is useful in our every daily life . The ult

8、rasonic distance measurer design with digital display functional module used AT89C52 MCU as the core component, of which carries the characteristics with low-cost, high-precision and microminiaturization. The whole circuit used modular design, it includes the MCU control module, ultrasonic transmit

9、module, ultrasonic receive module and the Data display module.AT89S52, emission parts of the circuit in case of power control, issued by the ultrasonic generator, ultrasonic, ultrasonic propagation to the water surface reflection, echo ultrasonic receiver, after the the AT89S52 treatment obtained th

10、e water level in thepart of the circuit from the digital display after the next is the visual display. In the software design part, it contains the main program, the presets subroutine, the launch subroutine, the receiving subroutine and the display subroutine. Through the comprehensive analysis pro

11、cessing of the AT89C51 MCU, The signal of each detector can realizing the functions of ultrasonic measure. Based on these, designed the overall scheme of the system. On the finally, through the hardware and software realize the whole modules. And the relevant parts have the hardware circuit diagrams

12、 and program flow charts on the appendix.Key words:AT89S52；Silent Wave；Measure Distance 目录摘要- 1 -Abstract- 2 -1 绪论- 1 -1.1课题背景及研究内容- 1 -1.1.1 课题背景的研究背景与现状- 1 -1.1.2 研究内容- 3 -1.2 课题设计的任务和要求- 4 -2 超声波传感器- 5 -2.1超声波和超声波传感器的简介- 5 -2.1.1 超声波介绍- 5 -2.1.2超声波传感器- 6 -2.2超声波传感器探头介绍- 6 -2.2.1 T/R40-16 超声波探头- 7

13、 -2.2.2 传感器的指向角- 8 -2.3 超声波液位仪工作原理和盲区- 8 -2.3.1 超声波液位仪工作原理- 8 -2.3.2 测量盲区- 9 -3 系统整体方案设计与论证- 10 -3.1 系统整体方案的设计- 10 -3.1.1 设计方案一- 10 -3.1.2 设计方案二- 11 -3.1.3 设计方案三- 12 -3.2 系统整体方案的论证- 13 -4系统的硬件电路结构设计- 15 -4.1 各芯片功能特点简介- 15 -4.1.1 52系列单片机的功能特点- 15 -4.1.2 CX20106简介及其调试- 18 -4.1.3 74ls245管脚及功能特点- 20 -4.

14、2 测距原理及框图- 20 -4.2.1 超声波测距的原理- 20 -4.2.2超声波测距仪原理框图- 21 -4.3 超声波发射电路- 21 -4.4 超声波检测接收电路- 22 -4.5 数据显示部分电路- 23 -4.6复位电路- 24 -4.7时钟振荡器- 24 -4.8 超声波测距系统的硬件电路设计- 25 -5 系统的软件编程设计- 26 -5.1 超声波测距仪的算法设计- 26 -5.2主程序流程图- 26 -5.3 超声波发生子程序和超声波接收中断程序- 27 -5.4 系统的软硬件调试- 28 -6 结论- 30 -参考文献- 31 -致 谢- 33 -毕业设计(论文)知识产

15、权声明- 34 -毕业设计(论文)独创性声明- 35 -附录一：超声波测距电路原理图- 36 -附录二：程序清单- 37 -1 绪论1 绪论1.1课题背景及研究内容1.1.1 课题背景的研究背景与现状 水情水位测量一直是水文、水利部门的重要课题。为及时发现事故苗头，防患于未来，经济实用、可靠的水位无线监测系统将会发挥巨大的作用水位是水库大坝安全、水利排灌调度、蓄水、泄洪的重要参数之一。水位的自动化监测、传输和处理为水库现代化建设提供了良好的基础资料。在工农业生产的许多领域都需要对水位进行监控，可能现场无法靠近或现场无需人力来监控。我们就可以通过远程监控，坐在仪器前就能对现场进行监控，既方便又节

16、省人力。为了保证水利发电站的安全生产,提高发电效率,水电站生产过程需要对水库水位、拦污栅压差和尾水位进行监测。超声波液位仪作为一种典型的非接触测量仪器，在很多场合有广泛的应用，诸如工业自动控制，建筑工程测量和水面高度测量等方面。与激光测距、微波测距等测量方法相比，由于超声波在空气中传播速度远远小于光线和无线电波，时间测量精度的要求也远小于激光测距、微波测距等，因而超声波液位仪电路结构简单，造价低廉，容易设计，且超声波在传播过程中不易受烟雾、空气能见度等因素的影响，在各个场合均得到广泛应用。然而超声波液位仪在实际应用中也有很多局限性会对测量数据的精确度造成一定的影响。诸如，环境温度、风速等，使其

17、无法达到要求。如何解决这些问题，提高超声波液位仪的精度，具有较大的现实意义。 目前，市场上的超声波液位仪多数采用单片机作为对液位仪控制和运算的核心，系统的硬件设计决定着测量结果的精度。本文在对超声波传播特性研究的基础上，设计了基于单片机的超声波液位仪的硬件系统和软件系统，并对硬件和部分软件分别进行了相关的调试。硬件设计的总体目标是力求在结构简单、成本合理的前提下，尽量完善其功能。由于超声波液位仪需要测量十几米距离，因此，针对超声波在传播时呈指数衰减的特性，我们采用了最大限度提高驱动能力、对回波进行多级放大等措施，扩大了测量范围。本设计运用单片机系统控制超声波的发射、接收功能。 在软件设计中，我

18、们采用模块化程序设计思想，将软件主要分为超声波驱动与数据处理模块。这有利于软件的调试和修改。因为对计算的精度要求较高，所以本设计采用温度补偿和数字平均滤波的方法提高计算精度。另外，对设计过程中发现和存在的一些问题从软、硬件两方面,但主要是硬件方面，分析了原因并提出了一些解决的措施和改进的办法，为研制更加完善的超声波液位仪打下了基础。 在液位测量传感器方面，国外的液位测量技术起步较早，且投入资金雄厚，- 1 -西安工业大学毕业设计（论文）发展非常迅速，超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有较大的适应性。新型气密结构、耐腐蚀的超声波探头可测量十几米的液位1。到目前为止国外许多

19、公司都研制出许多功能齐全、自动化智能程度高的测量体系与产品系列。比如说WL700超声波自计水位计是由美国Global Water公司生产非接触式水位计，它通过声波反射的原理来测量水位的变化。有多种量程的水位计供用户选择：0.3米、1米、1.8米、10米。0.3米量程的适用于小水槽和堰的水位测量；1米、1.8或10米量程的适用于江、河、湖及较大的水槽的水位测量。尤其适用于废水水位的测量。该传感器是免校准和免维护的2。再如德国产FMU系列超声波液位计,液位计探头(传感器)分为FDU80、FDU81、FDU82、FDU83、FDU84和FDU85五种型号，可用于测量液体的深度，也可以用于测量固体的高

20、度，其量程分别为5、9、20和25(对液体)几种。为了保证测量准确，探头带有自动清除其表面覆盖的霜和冰的功能。在安装时，探头应加保护罩，以避免日光的直射和雨淋，并垂直安装在支架上。探头离液面距离要根据液体涨落的最大深度和探头的量程来决定3。美国的DREXELBROOK公司与德国的E+H公司（FMU系列）以及日本、加拿大等国公司研制开发的产品在国际市场上占有很大的比重。据统计DREXELBROOK公司至今在全世界已经有3万多例成功的现场应用，还有其它国家和公司研制的液位传感器等产品广泛应用于工业、食品等行业，并大量地进入我国液位测量领域。目前国内高精度超声液位测量仪表的发展主要采用引进加仿制等手

21、段，还有许多合资企业代理国外相应产品。我国在该领域的发展相对国外还有较大差距，在产品性能指标、仪表可靠性、企业技术力量等方面都落后于西方发达国家4。近年来国内相关单位也加大了对这一领域的研究力度。中科院声学所、武汉大学都研制了光纤液位测量系统，北京航天智控工程公司研制的UGB光导电子液位计精度可达士2。超声波技术应用于液位测量在国际上己有较长时间，我国从20世纪90年代开始发展，将超声测距技术应用到河流、湖泊、水、渠等水体的水位测量中，以及油、浆等液体的液位测量中s，。国内与国外相比，在测量精度上还有一些差距。目前国外超声波测量液位的精度可以达到l或1%，最小盲区可达510;而国内超声波液位测

22、量精度目前只能达到2或1.5%，盲区最小为305。影响精度的因素除了超声波传感器本身的制作工艺外，还与发射和接收电路的性能以及误差的修正方法有关。随着人们对引起测量误差因素的认识以及解决方法的提出，测量精度在逐步提高。进口的智能化超声波液位仪能够对接收信号做精确的处理和分析。可以将各种干扰信号过滤出来，识别多重回波;分析信号强度和环境温度等有关信息。这样即便在有外界干扰的情况下，也能够进行精确的测量。超声波液位仪不仅能定点和连续测量液位，而且能方便地提供遥测所需的信号。同时，超声波液位仪不存在可动部件，所以在安装和维护上相应比较方便。超声测位技术可适用于气体、液体或固体等多种测量介质，因而具有

23、较大的适应性。新型气密结- 9 -西安工业大学毕业设计（论文）构、耐腐蚀的超声波探头可测量十几米的液位6。1.1.2 研究内容 进口的液位仪功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内自行研制生产的液位仪价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。为了设计出价格便宜，精度较高的超声波液位仪，本设计采用 AT89S52 为核心的单片机电路，同时使用双探头的方式发射和接收超声波，基于超声波测距的原理，算出液位的高度。超声波在空气中的传播速度大约为 334，在同一介质中其传播速度相对恒定，与激光的速度(3×108)相比，它的传播速度要慢得多，所以

24、对超声波信号的处理较为容易。因此，这也体现了超声波测距的独到之处，加之其成本较低，所以超声波是比较理想的信号源7。超声波液位测量方法与其它的液位测量方法相比，不易受光线、被测对象颜色等因素影响，利用这样的特性，一般将仪器放置于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境之中。同时超声波探头具有结构简单、价格便宜、体积小、信号处理可靠等特点。综合而言，超声波液位仪具有非接触、精度较高、实时测量、可靠性强等优点，较为适合国内市场。本篇论文研究的主要内容是基于超声波液位仪的设计和提高精度方面的研究。为了提高数据的精确度，重点探讨超声波在测量水平面高度时所受到诸如温度8，气候以及超声波强度衰减等因素

25、的影响，以及采取相应的措施来减少误差。 速度的影响： 超声波在工业应用中的频率为 5-5，超声波探头到介质表面距离的计算公式如下： ：探头到介质表面的距离；：声波的传播时间；：声波的传播速率 。通过上面的介绍我们知道，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，根据计时器记录的时间，就可以计算出发射点距障碍物的距离9。利用单片机控制超声波的发射和

26、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10。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。1.2 课题设计的任务和要求a.设计一个超声波测距仪，任务：(1).了解超声波测距原理。(2).根据超声波测距原理，设计超声波测距器的硬件结构电路。b.设计一个超声波测距仪，要求：(1).设计出超声波

27、测距仪的硬件结构电路,并用Protel画出电路图。(2).对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离，并且，测距范围在3-15之间，测量精度控制在5cm以内。 (3).对设计的电路进行分析。 (4).以数字的形式显示测量距离。2 超声波传感器2 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，

28、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11。压电型超声波探头的工作原理：它是借助于压电晶体的谐振来工作的，即陶瓷的压电效应。超声波探头有两块压电晶片和一块共振板，给它的两级加上脉冲信号，当其频率等于晶片固有频率的时候，压电晶片就会产生共振，并带动共振板一起振动，从而产生超声波。反之，如果电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时。将压迫两片电晶片振动，从而将机械能转换为电能，此时的探头就成了超声波接收器。若在图a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

29、度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c所示那样，压电陶瓷在厚度方西安工业大学毕业设计（论文）向上伸长，在长度方向上缩短。图1.1 压电逆效应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。2.1超声波和超声波传感器的简介2.1.1 超声波介绍超声波是一种人耳无法听到的、频率一般超过 20 的声音12,它具有以下特性： （1） 波长与辐射: 传播速度是用频率乘以波长来表示。电磁波的传播速度是 3×108,而声波在空气中的传播速度很慢，约为 344。在这种比较低的传播速度下，波长很短，这就意味着可以获得较高的距离和方向分辨率。正是由于这种较高的分辨率特性，才使

30、我们有可能在进行测量时获得很高的精确度。 （2） 反射： 要探测某个物体是否存在，超声波应能够在该物体上得到反射，由于金属、木材、混凝土、橡胶和纸等可以反射近乎 100的超声波，因此我们可以很容易地探测到这些物体。由于布、棉花等可以吸收超声波，探测到他们将十分困难。另外，由于不规则反射，通常可能很难探测到表面震动幅度很大的物体13。 （3）衰减：传播到空气中的超声波强度随距离的变化成比例地减弱，这是由于衍射现象上的扩散损失，和介质吸收能量产生的吸收损失14。 2.1.2超声波传感器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

31、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23、40、75、200、400等。谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高15。2.2超声波传感器探头介绍超声波探头是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能芯片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透能力很大，尤其是在不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产

32、生显著反射，从而形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此这项技术广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以这种检测手段，必须发射超声波和接收超声波。能同时完成这种功能的装置就是超声波探头，也称为超声换能器。对应用于工业的超声波探头而言，要求其精确度要达到 1，并且具有较强的超声波辐射。利用常规双压电芯片组件振动器的弯曲振动，在频率高于 70的情况下，是不可能达到此目的。所以，在高频率探测中，必须使用垂直振动模式的压电陶瓷。压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就显得十分重要，它的声阻抗为2.6×107 ,而空气的声阻抗为4.3×102 。5 个幂的差异会导致在压电陶瓷震动辐射表面

33、上的大量损失。负载压电陶瓷，它可以使超声波探头在高达数百千赫兹频率的情况下，仍能够正常工作。 如图 2.1 所示，一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。该复合式振动器是由谐振器以及由一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电芯片构成。谐振器呈喇叭形，目的是能有效地辐射，并且可以使超声波聚集在振动器的中央部位16。图2.1 超声波探头结构2.2.1 T/R40-16 超声波探头超声波探头选用 40 的 T/R40-16 型压电陶瓷传感器，如图 2.2 所示。当T/R40-16 超声波探头在输入频率为 40 时，各种特性呈现最佳状态。因此为了得到最佳效果必须使单片机输出方波的频率为 40。超声波探头的

34、性能指标：中心频率 40，发射声压大于 115，电容 2400，允许输入电压 12。其发射探头频率特性曲线图在中心频率 40 处，超声发射器所产生的超声机械波最强，即在=40处所产生的超声声压能级最高。而在两侧，声压能级迅速衰减，因此，超声波发射时要用非常接近中心频率的交流电压来驱动。同样，接收探头器在中心频率处输出电信号的幅度最大，即在处探头的灵敏度最高。 2.2超声波探头标示 2.3 超声波灵敏度2.2.2 传感器的指向角 超声波探头的指向角是声束半功率点的夹角，是影响液位仪的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长，圆形传感器半径有关。指向角越小，空

35、间分辨越高，则要求传感器半径越大。由公式（2.1），可知 (2.1）选=40kHz 时，=8.5mm。当选定后，指向角近似与传感器半径成反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径 6.3mm，其物理意义是 0°时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为 40° 80°，如图 2.4 所示。 2.4超声波指向角 2.3 超声波液位仪工作原理和盲区2.3.1 超声波液位仪工作原理 超声波水位传感器的基本工作原理是利用超声波传播

36、时间和传播速度来确定液面距离。即所谓的脉冲回波方式17。可以计算出探头距液面垂直高度, S为超声波到液面的垂直距离，液位高度计算公式为（2.2）： （2.2）计算出距离h，式中参数 C 是超声波在空气中传播速度。而我们所要得到的距离（2.3）：图2.3.1所示 (2.3)由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。 图2.5 超声波水位传感器计算原理图2.3.2 测量盲区 由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区 。用脉冲回波测量距离时

37、，液面与超声波探头间的距离既不能太远也不能太近，存在着近限和远限。距离过远时，接收到的信号太弱，以致无法从噪声信号中分辨出来，这是远限所以存在的原因。在距离过近时，接收信号将落进盲区中而无法分辨，这是近限所以存在的原因。 超声波液位仪在使用一个探头情况下，同时发射和接收超声波，由于在探头上施加的发射电压强达几十伏甚至上百伏以上，虽然发射信号只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定的余振，因此在一段较长时间内，加载接收放大器输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到限幅电路，引起探头振动，不能进行正确的测量，在这种情况下，选用两个探头分别用于发送和接收。双探头方式，不仅可以增

38、加探测距离，还可以减小盲区。由于发射探头上并不直接施加发射电压，所以，从理论上说，可以没有盲区。但是，由于接收电路多少会受到发射电路的感应，并且发射探头所发出的超声波可能有部分直接绕道接收探头，因此实际上仍存在一定的盲区，不过他要比单探头方式的盲区小很多。所以，在本设计中，选取了双探头的工作方式，减小盲区，同时提高检测的距离。3 系统整体方案设计与论证3 系统整体方案设计与论证3.1 系统整体方案的设计 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求

39、。 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、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。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。根据设计要求并综合各方面因素，本文采用AT89S52单片机作为控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器。3.1.1 设计方案一（发射部分）通过NE555振荡器设计出振荡电路，产生40KH的脉冲在通过CD4069的驱动作用于超声波发射探头上（如图3.1）。- 10 -西安工业大学毕业设计（论文）

40、（接收部分）将超声波探头接收到的正弦40KH超声波信号（其VPP为50mV）通过LM324运放三级放大以及整形以后产生VPP为3.5V的梯形波信号，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序（如图3.2）18。 图3.1 555超声波发射电路原理图 图3.2 324超声波接收电路原理图3.1.2 设计方案二 （发射部分）如图 3.3 所示，单片机的 P1.0 输出 lus 的单脉冲信号，该信号用于控制双向可控硅 2N6349A 的导通/关闭。可控硅通常处于关闭状态，在单片机未发射触发脉冲之前，电容 C7 的两端充有 600V 的高压直流电。当触发脉冲到来的瞬间，SCR1 首先导通，脉冲信号

41、经过 C4 触发 SCR2，使得 SCR2 导通。导通的一瞬间使得电容 C7 的一端被拉为低电平，由于电容两端的电压不能突变，所以电容 C7 两端有了 600V 的电压差，电容 C7通过二极管 Dl、D2，R13、R12 和超声波探头开始放电，由于超声波探头的阻抗远远大于电阻 R12、R13，所以电阻 R12、R13 两端的电压就加到超声波探头的两端，加到超声波探头两端的电压波形是电压为 600V 的一个负脉冲，从而激励压电晶片振动，使之发射超声波。发射触发脉冲结束后，SCR1 的 G、K 接地，不满足导通条件，最先关闭。SCR2的电路中，C6 通过 R10、R11 放电，由于 C6 是耐高压

42、低电容，所以在瞬间放电完成后 SCR2关闭。可控硅又处于关闭状态，等待下一次的触发脉冲到来。 （接收部分）如图 3.4，电路是采用 NJM4580 运算放大器对信号进行放大。超声波接收探头将超声波转换为电信号，由运算放大器 A1 进行放大。A1 输出信号经 VD1 和 VD2、C7和检波与平滑，再通过 VT1 放大到 TTL 电平作为输出信号 Uo。若检测到超声波信号，则输出 Uo 为低电平。A1 电压增益最大约为 91 倍，若增益不够时可再增加一级放大电路。 图 3.3 由双向可控硅组成的超声波发射电路 图 3.4 采用 NJM4580 的超声波接收电路3.1.3 设计方案三 （发射部分）超

43、声波电路主要是由反相器74LS04和超声波发射换能器T1构成的，使用CPU内部的PWM定时计数器输出的40KHZ方波信号。一路经一级反相器（U4A与U5A并联组成一级）后送到超声波换能器的一个电极；另一路经两级反相器（U1A为第一级，U2A和U3A组成第二级）后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反相器并联，以提高驱动能力。上位电阻R16,R18一方面可以提高反相器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果。如图3.5所示。 （接收部分）将超声波接受探头接收到的信号通过CX20106整

44、形和滤波以后在CX20106的7脚输出一个40KH的脉冲，在单片机的P3.2处产生一个下降沿,这个信号可以接收到ARM的外部中断引脚作为中断信号输出。（如图3.6）。 图3.5 74LS04超声波发射电路 图3.6 CX20106超声波接收电路原理图3.2 系统整体方案的论证 通过方案一，方案二和方案三的比较我们可以发现，在方案一中的发射电路中，我们可以用NE555振荡产生40KH的方波信号，它是基于硬件的基础上，便于我们可以通过示波器观察到40KH的方波，具有直观且易于观察的特点，有利于电路的检测。在方案二中，由于方案二中电路需要+600V 的直流电给电容充电，所以需要单独设计一个+600V

45、的直流稳压电源，而且电路中所用电容都必须为高压电容，使得系统成本增加，所以未采用方案二。方案三中，通过单片机产生40KH的脉冲信号，再通过74LS04驱动，将40KH的脉冲信号发射出去，由于是软件控制，准确度比较高。经过比较我们发现，在发射电路中方案一的设计是比较经济实惠而且比较方便，但方案三中的软件程序使发射超声波时间比较容易控制，而且超声波的频率准确度比较高，本设计要求测量精度在5cm以内，所以我们选择方案三来产生超声波。在接收电路中我们发现，在方案一中我们通过LM324三级放大，再通过LM567检波电路，此电路调试比较复杂，在做三级放大时，放大倍数不容易控制，在输出波形上会发生小幅度的偏

46、移。方案二中，由于此电路中用到的元器件较多，而且需要反复调试放大器的增益倍数以达到最佳放大效果，电路调试工作比较复杂且工作量比较大，所以未采用此电路。在方案三中我们通过采用CX20106可以将信号进行放大和整形处理，在CX20106的5脚和7脚串联一个200K的电阻可以将频率稳定在40KH。因此在本次设计中，我们选用的是方案三，以提高测量结果的准确度，并且在整个系统中我们都会采用单片机做计算和显示。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射

47、回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式19。测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器，在本设计中我们采用40KHZ的传感器。- 41 -4 系统的硬件电路结构设计4系统的硬件电路结构设计 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用AT89S52，采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时

48、钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声波发射器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的四位共阴LED动态扫描显示。超声波发射电路主要由74LS00和超声波发射器T-40构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级与非门后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级与非门后送到超声波发射器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振

49、荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；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换能器。西安工业大学毕业设计（论文）超声波检测接收电路主要是由集成电路CX20106A组成，它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38 kHz与测距的超声波频率40 kHz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)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。4.1 各芯片功能特点简介4.

50、1.1 52系列单片机的功能特点At89s52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。该系列单片机引脚与封装如图4.1所示。图4.1 AT89S52单片机系列封装图AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口

51、线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52引脚P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入20。AT89S52

52、 管脚说明VCC:电源GND:地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（

53、IIL）。此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。引脚号第二功能P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触犯信号和方向控制）P1.5MOSI（在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P.1.7SCK （在系统编程用）P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输

54、入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原

55、因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。RST：复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。否则，ALE将被微弱拉高。这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP：访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000