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
ctS? (1-1)
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(℃) 声速(m/s) －30 313 －20 319 －10 325 0 323 10 338 20 344 30 349 100 386 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
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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T0时刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产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。
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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。
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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。
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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)
图1-8 程序流程图
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