毕业设计任务及要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„设计任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„设计要求„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„系统总体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„方案论证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„系统结构框图设计及说明„„„„„„„„„„„„„„„„„„„软硬件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„系统硬件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„系统硬件原理图及工作原理说明„„„„„„„„„„„„„单元电路设计原理与元件参数选择„„„„„„„„„„„„系统软件设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„软件系统总流程图及设计思路说明„„„„„„„„„„„„软件各功能模块的流程图设计及思路说明„„„„„„„„„安装与调试„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„安装调试过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„故障分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„使用仪器设备清单„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„收获体会和建议„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„附录„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„引言日常的测距工具在些特殊场合是很不方便的，甚至无法进行距离的测量，比如液位，井的深度，管道的长度等等。近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，特别是工业机器人的自动测距的需要，出现了多种测距方法和原理。根据其信息载体不同可归纳为光学方法和超声波方法。光学方法在些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法在这些方面具有明显突出优点超声波的传播速度仅为光波的百万分之，因此可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高超声波对色彩光照度不敏感，可适用于识别透明半透明及漫反射性差的物体，如玻璃抛光体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，超声波法作为非接触检测手段，已越来越引起人们的重视，在原苏联日本美国等发达国家已有较深的研究。随着单片机技术的发展，其使用技术成熟，应用广泛，便于集成功能电路设计。基于如此，可以采用单片机技术，利用超声波的反射作用。超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。测量距离时，与被测量的物体无直接接触，便能稳定的显示测量结果。超声波测距系统及其扩展系统可以应用于倒车高速公路上的安全距离报警，建筑工地和些工业现场的位置监控。毕业设计任务及要求设计任务画出超声波测距仪的电路原理图画出语音芯片应用电路图编写显示语音等模块的单片机程序制作硬件电路板，并进行调试设计要求要完成设计任务，必需掌握以下各方面知识系列单片机的应用原理掌握超声波传感器的使用查语音芯片的资料及了解其的应用掌握诺基亚屏幕液晶的使用了解些芯片，如脉冲产生双比较器六相反相器等。完成超声波测距的电路和程序。完成测到的距离数据显示。完成距离数据可以用语音报出。系统总体设计方案论证主控制器方案论证确定方案采用控制外围元件及对超声波距离的计算，内部模块多，功能强大，易于外围设计，是般小中型控制芯片的理想选择。方案二采用的兄弟模块来进行控制，既然是兄弟模块，在功能上基本上相同，唯欠缺的是外围端口相对较少。方案三采用，其可在线编程微控制器，调试方便。它有的存储器和的地址。它与工业标准的指令和引脚兼容，因而是种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了个高度灵活有效的解决方案。适用于本方案。超声波发射电路方案论证确定方案如图，电路中晶体管组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器的共振频率。是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。是电源开关，按下，便能驱动发射出串超声波信号。电路工作电压，工作电流约。发射超声波信号大于。电路不需调试即可工作。不采用此方案。图超声波发动和电路方案超声波发射电路原理图如图所示。发射电路主要由反向器和超声波发射换能器构成，单片机端口输出的方波信号路经级反向器后送到超声波换能器的个电极，另路经两级反向器后送到超声波换能器的另个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻。方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力，另方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。这种方法的特点是分利用软件，声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻。方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力，另方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。这种方法的特点是分利用软件，声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻。方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力，另方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。这种方法的特点是分利用软件，灵活性好，但需要设计个驱动电流为以上的驱动电路。不采用此方案。图超声波发动和电路二方案如图，由时基电路及外围元件构成多谐振荡器电路，调节电阻器和阻值，可以改变振荡频率。由第脚输出端驱动超声波换能器的端并接非门的端，第端接超声波换能器的另端使之发射出超声波信号。由于工作时，使能端要接电压，而单片机输出，因而用比较器进行比较，使的工作由单片机控制。电路简单易制。电路工作电压，工作电流。发射超声波信号大于。图超声波发动和电路三超声波接收及信号处理电路方案论证确定方案超声波接收器包括超声波接收探头信号放大电路及波形变换电路三部分。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，主要是频率要致，这里采用，否则因无法产生共振而影响接收效果甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。正弦波信号不能直接被单片机接收，因此必须进行波形变换。按照前文所讨论的原理，单片机需要的只是第个回波的时刻，因此可采用比较电路将正弦波转换为脉冲方波，由软件查询得到第个回波前沿时刻。如图所示。超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，通常在之间。当然，不同的接收探头的输出信号强度存在差异。由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求放大增益要大，以适应小信号时的需要放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用了片通用运算放大器，前三级为放大器设计，后级为比较器设计。既可以双电源工作，也可以单电源工作，因此能满足使用要求。也可以选用其他运算放大器，但必须注意其能否单电源工作，因为不是所有运算放大器都能单电源使用的。也可以选用其他运算放大器，但必须注意其能否单电源工作，因为不是所有运算放大器都能单电源使用的。为满足交流信号的需要，每级放大器均采用阻容电路进行电平偏移，即图。中的和，容量均为，实现单电源条件下交流信号的放大。前两级放大电路的放大增益均为。距离较近时，两级放大时的增益已能输出足够强度的信号了，第三级看可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大。为提高适应能力，可在图的基础上，增设增益选择电路。由软件自动完成增益切换，切换的原理是先进行大增益搜索回波，旦发现回波而后续无回波的情况，说明增益过大，必须减少级增益。当然，软件设计的难度会大大增加，而且这种软件自适应增益法只能适用于静态测量，在动态条件下，会导致距离测量误差增大。其原因是第回波不可能作为距离计算依据，采用的可能是第或第回波的前沿信号，存在时差问题。合理调节电位器，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。实践证明，比较器参考电压的选取非常关键，它与测量灵敏度系统鲁棒性都有关联。选小可提高测量灵敏度，但鲁棒性下降，容易出现虚假回波被捕捉的情况，选大则情况相反。显然，按照图中的设计，当没有回波信号或回波信号很弱即超出测量范围时，比较器输出为高。此方案调试及控制较复杂，不予采用。我的毕业设计原理图及备选方案图超声波接收及信号处理电路方案采用集成电路构成超声波接收电路，如图。集成电路是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。内部电路由前置放大器自动偏置电平控制电路限幅放大器带通滤波器峰值检波器及波形整形电路组成。考虑到红外遥控常用的载波频率与测距的超声波频率较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。此电路外围元件较少，灵敏度可靠性较高，故选择此方案。我的毕业设计原理图及超声波定位图显示电路方案论证确定方案使用四连数码管动态刷新现实。如图。此方案电路简单，但显示不直观，显示花样少。故不使用此方案。我的毕业设计原理图及备选方案图四连数码管动态刷新电路方案使用液晶，该液晶使用较简单。不过用户自定义字符量少，大部分字符本身已定义好，自定义的字符宽度只有，复杂文字显示困难，因此灵活性小。而且引线条，占线较多，占资源。故不使用此方案。方案使用液晶，该液晶位，串口通信，字符由用户自定义，能显示复杂文字图像等。引线条，占端口资源少，同画面能显示多个文字，文字宽度由用户定义。但使用时程序较