1、摘 要随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深，液位，管道长度等场合，传统的测距方法根本无法完成测量的任务。还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也很难完成测量的任务。于是，一种新的测距方法诞生了 非接触测距。超声波可用于非接触测量，具有不受光、电磁波以及粉尘等外界因素的干扰的优点，是利用计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。目前对于超声波精确测距的需求也越来越大，如油库和水箱液面的精确测量和控制，物体内气孔大小的检测和机械内部损伤的
2、检测等。在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域也有广泛地应用。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。随着计算机技术、自动化技术和工业机器人的不断发展和广泛应用，测距问题显得越来越重要。目前常用的测距方式主要有雷达测距、红外测距、激光测距和超声测距 4 种。与其他测距方法相比较，超声测距具有下面的优点：（1）超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)。（2）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中。（3）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、技术难度小、信息处理简单可靠、易于小
3、型化和集成化。因此，超声波作为一种测距识别手段，已越来越引起人们的重视。关键词：超声波；测距；电子电路AbstractWith the development of society, the traditional ranging method on many occasions has failed to meet the demands of the people, for example in the well depth, liquid level, pipe length and so on, the traditional ranging method cant finish th
4、e task of measurement. And in many requirements under the condition of the real-time location, the traditional method is also difficult to perform a complete measurement range of tasks. These unique advantages of ultrasonic more and more attention by people. At present the demand for ultrasonic accu
5、rate location is more and more big, such as oil terminal and the liquid surface water tank precise measurement and control, the object of the stomata size in testing and mechanical internal damage detection, etc. transportation and other industrial areas also have widely application. In addition, in
6、 material science, medicine, biological sciences and also accounted for a important position in.Along with the computer technology, automation technology and the development of industrial robots and the widespread application, location problem is becoming more and more important Compared with other
7、ranging method, ultrasonic ranging has the following advantages: (1) to light and color ultrasonic not sensitive, can be used to identify transparent and diffuse sexual difference of objects (such as glass, polishing body). (2) ultrasonic outside light and the electromagnetic fields to not sensitive
8、, and can be used in the dark, dust or smoke, electromagnetic interference is strong, such as toxic bad environment. (3) ultrasonic sensor simple structure, small volume, low cost, technical difficulties small, information processing, simple and reliable easy to miniaturization and integration. Perf
9、ormance optimization; Performance simulation; Automatic exchange optical networkKey Words:Ultrasonic；ranging；electronic circuit 0目 录第 1 章 绪论 11.1 课题背景及设计意义 .11.2 本课题研究的主要内容 .2第 2 章 系统方案论证 .42.1 超声波测距仪的设计原理 .42.2 超声波测距技术选型 .42.3 控制器选型 .62.3.1 单片机选型 72.3.2 AT89S51 主要性能参数及功能 82.4 超声波发生器选型 .82.5 超声波接收传感
10、器选型 .92.6 显示单元选型 .92.7 语音播报电路选型 102.8 温度传感器的选型 10第 3 章 系统的硬件结构设计 .123.1 单片机最小系统 123.2 超声波发射电路 133.3 超声波检测接收电路 153.4 显示单元电路 163.5 语音播报电路 183.6 电源电路设计 20第 4 章 系统的软件设计 .224.1 超声波测距仪的算法分析 224.2 主程序流程图 224.3 超声波发生子程序和超声波接收程序 24第 5 章 系统调试仿真 .2615.1 PROTEUS 软件简介 .265.2 仿真调试结果 27第 6 章 总结与展望 29参考文献 30致 谢 31附
11、录 程序清单 320第 1 章 绪论利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz 以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。本文阐述的是利用超声波进行一些特殊场合距离测试。1.1 课题背景及设计意义随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前的急速水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的
12、工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，满足日益发展的社会需求。但是，由于历史原因合成时间的许多不可预见因素，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，箱涵的排污疏通对打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。控制系统核心部分就是超声波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计超声波测距仪的意义。超声的研究和
13、发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883 年Galton 首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。20 世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917 年，法国物理学家 Paul Langevin 用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超1声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种
14、不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器 1。材料科学的发展，使得应用广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜(PVDF) 2等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们 听到的超声波 (20kHz)以上的机械波)，借助空气媒质传播由被
15、待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。超声波方法在某些方面具有突出的优点：（1）超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体)；（2）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾
16、、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声检测法己越来越引起人们的重视，被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力。21.2 本课题研究的主要内容本次课题设计的目的为：具有超声波测距功能，测量距离 0.20m5.00m 测距精度1；具有测量距离数值无线传输功能；实时显示测量的距离，显示格式为：X.XXm。汉字提醒显示：距离在 0.40m1.00m，显示“危险距离”并用红色 LED 灯
17、指示；距离在 1.00m2.00m，显示“保持距离” ，并用黄书 LED 灯指示；距离在 2.00m 以上，显示“安全距离”并用绿色 LED 灯指示。具有实时语音播报功能，实时播报测量距离数值，格式：X.XXm,实时播报时间间隔10s，实时播报声音清晰明亮、无明显失真，在 1m 距离处人耳能准确分辨。语音播报要与显示同步。超声波是指频率高于 20KHz 的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。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具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应
18、的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（time of flight） 。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离 2。本设计主要是基于 AT89S51 芯片为核心的超声波测距仪，74LS04 组成的超声波发射电路、并有超声波处理模块 CX20106A、液晶显示等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、单片机复位电路、LCD 显示电路语音播报电路。主要实现超声波测距并指示功能。依据实际的测量
19、精度要求添加温度补偿电路。本系统成本低廉，功能实用。本设计框图如图 1.1 所示：超声波发射电路超声波接收电路控制电路计数显示电路3图 1.1 超声波测距系统框图0第 2 章 系统方案论证本章节阐述超声波测距仪的设计原理，测距技术选型。通过对比各类型控制器选择单片机为控制器并最终选择 AT89S51 单片机，并说明了选择原因以及功能、特性。在超声波发生器的选择上选用了适合近距离测量的电气方式超声波发生器并采用反射波方式进行测距。超声波接收传感器采用了性价比较高的压电晶片，其工作频率、灵敏度下文将会介绍。显示单元通过分析各类型显示屏采用了 12864 液晶显示屏。2.1 超声波测距仪的设计原理超
20、声波测距仪工作原理：单片机发出 40khz 的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接受器将接受到得超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行辨别、计算，得出距离数并显示和送语音播报模块播报。其计算公式为：S=340t/2 (2.1)2.2 超声波测距技术选型超声波测距的原理一般采用渡越时间法 TOF（time of flight）。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测
21、量。因为超声波在标准空气中的传播速度为 340米/秒，由控制器负责计时，控制单元使用 12.0MHZ 晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级 3。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。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要求。根据设计任务、控制对象和现有条件本系统硬件电路采用由单片机最小系统、1温度补偿电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路无线通信电路以及语音播报电路构成。本超声波测距仪的具体工作过程如下，单片机控制的振荡源产生40kHz的频率信号来驱动超声传感器。每次发射包含6个脉冲左右,
22、当第一个超声波脉冲发射后,计数器开始计数,在检测到第一个回波脉冲的瞬间,计数器停止计数，得到从发射到接收的时间 t 后,单片机读取温度值补偿声速,利用测距公式可计算出被测距离，同时由无线通信模块将测量数据传到下位机进行显示和语音播报。系统总体框图如图2.1；图2.2所示。超声波接收放大电路锁相环检波电路定时器 单片机控制 无线发射器超声波发射器 放大电路图 2.1 发射模块无线接收单片机控制液晶显示语音播报图 2.2 接收模块22.3 控制器选型 控制器可分为 DSP、FPGA、单片机等。本设计通过对比分析选择了单片机作为整个系统的控制器。下面分别对这三种控制器进行论述，并说明的选择单片机作为
23、控制器的理由。DSP 控制器：DSP（digital signal processor）是一种独特的微处理器。其工作原理是接收模拟信号，转换为 0 或 1 的数字信号。再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解译回模拟数据或实际环境格式。它不仅具有可编程性，而且其实时运行速度可达每秒数以千万条复杂指令程序，远远超过通用微处理器，是数字化电子世界中日益重要的电脑芯片。DSP 微处理器（芯片）一般具有如下主要特点： （1）在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； （2）程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； （3）片内具有快速 RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中
24、同时访问； （4）具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持； （5）快速的中断处理和硬件 I/O 支持；FPGA 控制器：FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（Configurable Logic Block） 、输出输入模块 IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL 及 CPLD 器件）相比，FPGA 具有不同的结构，FPGA 利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个 D 触发器的输入端，触发器再
25、来驱动其他逻辑电路或驱动 I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到 I/O 模块。FPGA 的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与 I/O 间的联接方式，并最终决定了 FPGA 所能实现的功能， FPGA 允许无限次的编程。单片机控制器：单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力3
26、强且可靠性高等特点，因此，适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。单片机的主要特点有：（1）具有优异的性能价格比。（2）集成度高、体积小、可靠性高。（3）控制功能强。（4）低电压，低功耗。通过以上的分析， DSP控制器功能很强大性能也很好，但是对于本设计来说，有些很好的功能可能用不上而且DSP 成本较高，而 FPGA的性能同样很好，但本设计有些功能FPGA不能很好的满足。因此控制器的选择为单片机。2.3.1 单片机选型单片机又分为很多种类，例如AVR、凌阳单片机和51单片机等等，下面对单片机进行进一步的分析论述。AVR单片机：ATMEL公司研制开发的一种新型单片机， PIC单
27、片机相比具有一系列的优点：运行速度较快；芯片内部的Flash、EEPROM、SRAM容量较大；所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写；多种频率的内部RC 振荡器、上电自动复位、看门狗、启动延时等功能，零外围电路也可以工作；IO口可以以推换驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；内部资源丰富，一般都集成AD、DA模数器；PWM；SPI 、USART、 TWI、I2C通信口；丰富的中断源等。凌阳单片机：整合了多个常用的功能模块，让我们在进行系统开发的时候不用外加过多的硬件就可方便的完成一个系统的设计，这就是人们常说的SoC（System on chip）技术；耗电少，
28、可以满足很多手提设备、掌上设备低能耗的需求；可方便的用来实现声音录制、播放，Midi音乐合成和语音识别；可方便的完成一系列乘加的运数，实现一些数据处理比较容易；芯片里具备在线仿真调试电路，使调试和程序下载更加方便，也把仿真器和烧录器的成本给节省下来了。51单片机：有优异的性价比；集成度高、体积小、有很高的可靠性；控制作用强；扩展性能好，非常容易构成各种应用系统。以上三种单片机的开发过程和编程思维都是相似的。AVR单片机功能强大，功4耗低，一般小型都可以满足。而凌阳单片机是一款功能强大的语音处理单片机。51单片机比较基础、成熟，一般教学都用这种单片机。因此，对于本系统的功能特点和要求，在此选用5
29、1单片机作为本系统的控制核心。51 单片机全称 AT89S51 单片机，是美国 ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS8 位单片机，片内含有 4K bytes 的课反复擦写的只读程序存储器（ PEROM）和128bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度。非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS51 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大 AT89S51 单片机可以为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。由于其集成度高，体积小且可靠性强，有很好的扩展性能易于构成多种应用系统，所以我们在本次设计
30、里采用 AT89S51 单片机。2.3.2 AT89S51 主要性能参数及功能AT89S51 单片机性能参数有：与 MCS51 产品指令系统完全兼容；4K 字节可以重复擦写 Flash 闪速存储器； 1000 吃擦写周期；全静态操作范围为 0Hz24Hz；三级加密程序存储器；1288 字节内部 RAM；32 个可编程 I/O 口线；6 个中断源；可编程串行 UART 通道；低功耗空闲和掉电模式。AT89S51 提供以下功能：k 字节 Flash 闪速存储器；128 字节内部 RAM；32 个I/O 口线；两个 16 位定时器 /计时器； 一个 5 向量两级中断结构；一个双工串行口通信；片内振荡
31、器及时钟电路。同时，AT89S51 可以降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。空闲方式停止 CPU 的工作，当允许 RAM，定时/计数器，串行口及中断系统继续工作。掉电式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一个硬件复位。2.4 超声波发生器选型超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波发生器来实现。5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
32、波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射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 4。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，常用材料是压电式陶瓷。由于超声波在空气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高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。2.5 超声波接收传感器选型超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性
33、能指标为。工作频率：工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。工作温度：由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。灵敏度：主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高。因此超声波接受传感器应该应用集成电路CX20106A，CX20106A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38kHz与测距的超声波频率40kHz 较为接近，可以利用它制作超声波检测接
34、收电路(如图 2-3)。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。适当更改电容CS的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。此部分电路在集成芯片上。2.6 显示单元选型显示单元是计算机系统开发时使用的主要设备之一，它可将计算机的运算结果、中间结果、存储器地址以及存储器、寄存器中的内容显示出来，从而实现人机对话。6可以做显示器的有：LED,LCD,CRT 等。CRT 就是常见的显像管式的显示器。优点是颜色视觉效果好，视角宽，可靠性高，便宜；缺点是体积大耗电多，有微量的 X射线辐射。LED 就是发光二极管。 LED 一般适合做大屏幕的显示
35、设备，最突出的有点那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如显色性、对比度等都不如 CRT 显示器。但是考虑到本设计需要显示测量距离，补偿温度以及危险，保持 ，安全等警告信号。所以选择采用 12864 液晶模块。2.7 语音播报电路选型语音播报语音芯片有很多种，例如WT1380、WT588D等。WT1380具有多种报警功能，定时器功能，时钟输出功能，中断输出功能以及语音播报功能。它的语音功能和万年历功能可以同时工作，主频采用RC振荡，副频采用32.768K 晶振精确分频。可以计算年、月、日、时、分、秒等信息，并可以将时间信息反馈给主控单片机。因而，WT1380是一款性价比极高的语音
36、时钟芯片。但是本设计不要求芯片有可以计算年、月、日、时、分、秒等信息的复杂功能。所以播报电路采用WT588D系列的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。WT588D系列语音单片机是广州唯创科技有限公司联合台湾华邦共同研发出来的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。功能多音质好应用范围广性能稳定是WT588D系列语音单片机的特长，弥补了以往各类语音芯片应用领域狭小的缺陷，MP3 控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制I/O口扩展输出模式，让应用人员能将产品投放在几乎可以想象得到的场所。WT588D是一款功能强大的可重复擦
37、除烧写的语音单片机芯片。WT588D让语音芯片不再为控制方式而寻找合适的外围单片机电路，高度集成的单片机技术足于取代复杂的外围控制电路。2.8 温度传感器的选型大家知道，声音在不同温度的空气中传播速度是不同的，所以这里要考虑到温度补偿的问题。7温度传感器有很多种，例如温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。AD590的测温范围为-55 +150。AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V
38、反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710WM 。它的精度高。AD590共有I、J、 K、L、M五档，其中M 档精度最高，在-55 +150范围内，非线性误差为0.3。但是考虑到成本问题我选用 TS-18B20 数字温度传感器。该产品采用美国DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为 3.0V 至 5.5V 无需备用电源测量。温度范围为-55 C 至+125
39、 。-10C 至+85 C 范围内精度为0.5C温度传感器可编程的分辨率为 912 位温度转换为 12 位数字格式最大值为 750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。8第 3 章 系统的硬件结构设计硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、语音播报电路、温度补偿电路、无线传输、超声波发射电路和超声波检测接受电路五部分。单片机采用AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测量误差。单片机用 P3.6 端口输出超声波换能器所需的 40KHz 的方波信号，利用外部中断 1 口检测超
40、声波接受电路输出的返回信号。显示单元部分采用 12864 液晶模块。3.1 单片机最小系统其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。如图 3.1 所示，单片机最小系统主要由 AT89S51 单片机、外部振荡电路、复位电路和 +5V 电源组成。在外部振荡电路中，单片机的 XTAL1 和 XTAL2 管脚分别接至由 12MHZ 晶振和两个 30PF 电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET 管脚一方面经 20 F 的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关 s 接电源。其主要功能是把 PC 初始化为 0000H，是单片机从 0000H 单元开始执行
41、程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。9图 3.1 单片机最小系统图 3.1 中晶振 Y1 串联 C10、C11，并在 C10 和 C11 之间接地，单片机通电之后即可运行。当按下 S5 按键时单片机复位。3.2 超声波发射电路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荡频率时，压电晶片会发生共振 5，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
42、极问未外加电压，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。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。表 3.1 反相器 74LS04 参数最大额定值电源电压 -0.5 to +7.0VDC 输入电压 -1.5 to Vcc+1.5V直流输出电压 -0.5 to Vcc+0.5V钳位二极管电流 20mA直流输出电流，每个引脚（输出） 25mA功耗 600mW发射电路主要由反相器 74LS04 和超声波发射换能器 T 构成，如图 3.2 所示，单片机 P2.7 端口输出的 40kHz 的方波信号一路经一级反向器后
43、送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器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。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻 R2、R3 一方面可以提高反向器 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，缩短其自由振荡时间。10图 3.2 超声波发射电路3.3 超声波检测接收电路超声波接收电路CX20106A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38kHz与测距的超声波频率40kHz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
44、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。适当更改电容C16 的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。其电路由图3.3所示。CX20106A的引脚注释：1脚IN ：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k 。2脚AGC ：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R=4.7，C=3.3F 7。3脚C0：该脚与GND 之间连接检波
45、电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。4脚GND：接地端。5脚RC0 ：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率 f0，11阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f0 38kHz。6脚C：该脚与 GND之间接入一个积分电容，标准值为 330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚OUT：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k ，没有接收信
46、号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。8脚RC1 ：电源正极，4.5V5V 。当 CX20106 接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入适当改变C1 的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C1 控制CX20106A内部的放大增益，R2 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 ，C1=1F。其余元件按图4 取值。US_R1 为超声波接收头，当收到超声波时产生一个下降沿，接到单片机的外部中断INT0上。当超声波接收头接收到40kHz 方波信号时，将会将此信号通过CX20106A 驱动放大送入单片机的外部
47、中断0口。单片机在得到外部中断0的中断请求后，会转入外部中断0的中断服务程序进行处理。图 3.3 超声波接收电路123.4 显示单元电路显示单元部分采用12864液晶模块。根据设计要求，用于显示测量距离，补偿温度以及危险，保持，安全等警告信号。带中文字库的12864液晶是一种具有4位/8位并行、 2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864。内置 8192个16 16点汉字，和128个16 8点ASCII 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8 4行16 16点阵的汉字
48、8。12864液晶模块可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。12864液晶基本特性如表3.2所示。表 3.2 12864 液晶基本特性低电源电压VDD：+3.0-+5.5V显示分辨率 12864 点内置汉字字库8192 个 1616 点阵汉字内置 128 个 168 点阵字符时钟频率 2MHz 显示方式 STN、半透、正显驱动方式 1/32DUTY；1/5BIAS 视角方向 6 点背光方式 侧部高亮白色 LED 通讯方式 串行、并口可选负压
49、 内置 DC-DC 转换电路 片选信号 无需片选信号工作温度 0 - +55 存储温度 -20 - +6012864 液晶基本特性如图 3.4 所示。其各引脚说明如下：（1）模块电源地；（2）模块电源正端；13（3）LCD 驱动电压输入端；（4）并行的指令/数据信号；串行 的片选信号；（5）并行的读写选择信号；串行数据口；（6）并行的使能信号；串行同步时钟；（7）-（14）数据；（15）并/ 串行接口选择；H- 并行，L-串行；（16）空脚；（17）复位；（18）空脚；（19）背光源正极；（20）背光源负极。图3.4中电阻R13、R14使电平至高。 R15调节显示亮度。其中并行模式下，管脚4为显示数据；管脚4为低电平时，管脚7-14显示指令；管脚5和E 都为高电平时数据被读取到管脚7-14；管脚5为低电平且E由高电平变为低电平时管脚7-14的数据写入IR或ER。图 3.4 显示单元电路143.5 语音播报电路语音播报电路采用WT588D 系列的集单片机和语音电路于一体的可编辑语音芯片。功能多音质好应用范围广性能稳定是WT588D 系列语音单片机的特长，同时具有 MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控
