一、前言課題背景：
在日常生活和工業(yè)控制中，經常會需要進行位置監(jiān)控和距離測量，可用的方法很多，有激光測距、雷達測距、超聲波測距。與微波雷達測距、激光測距相比，超聲波具有方向指向性強、能量消耗比較緩慢、在介質中的傳播距離比較遠等優(yōu)點。但是，由于聲音的傳播速度和溫度有關，一般情況下，溫度每變化1℃，聲速會變化大約0． 61 m/s。因此，超聲波測距的精度受溫度影響比較大，要實現(xiàn)高精度的超聲波測距，須考慮溫度變化對聲速的影響，從而進行必要的補償。
國內外發(fā)展現(xiàn)狀：
近十年來，國內科研人員在超聲波回波信號處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進行了大量理論分析與研究，并針對超聲測距的常見影響因素提出溫度補償、接收回路串入自動增益調節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施。目前國產低功率超聲波探頭，一般不能用于探測15m以外的物體，美國AIRMAR公司生產的Airducer AR30超聲波傳感器的作用距離可達30m,但價格較高。隨著傳感器和單片機控制技術的不斷發(fā)展，非接觸式檢測技術已被廣泛應用于多個領域。
課題設計要求：
具體要求為：
1）利用超聲波傳感器實現(xiàn)非接觸式測距，并用溫度傳感器進行超聲波補償。要求學生在查閱各傳感器資料及其應用方法的基礎上，設計出硬件結構圖。
2）掌握根據(jù)硬件結構圖設計并繪制硬件電路圖，并搭建、安裝和制作硬件。
3）掌握利用各種儀器設備，如萬用表、示波器等，對硬件進行調試的基本方法
4）記錄實驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)處理方法和相關軟件對實驗數(shù)據(jù)進行處理并加以分析，與真實數(shù)據(jù)結果對比，得出有意義的結論。
二、整體方案設計系統(tǒng)方案結構框圖：
方案一：
系統(tǒng)工作原理和功能：
本系統(tǒng)工作時，由單片機提供 40 k Hz 的脈沖信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出。超聲波在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射回來，由超聲波接收器接收。當超聲波接收器接收到反射波時，先經放大器放大，用鎖相環(huán)電路檢波處理后產生一個負跳變，在 INT0 產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務程序。單片機在啟動發(fā)射電路時同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。在外部中斷程序中讀取時間差，計算距離。其中溫度補償環(huán)節(jié)為：溫度補償環(huán)節(jié)，設超聲波速度為v，往返時間為 t，溫度為 T，v = 331.5 + 0. 61T，距離為速度除以二可得。
方案二：
系統(tǒng)工作原理和功能：
接口向觸發(fā)引腳發(fā)送≥10 μs 的脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出 8 個 40 kHz 周期電平并檢測回波，一旦檢測到有回波信號，則 3 腳輸出回響信號，所測的距離與回響信號的脈沖寬度成正比，由此可通過發(fā)射信號到收到回響信號的時間間隔計算得到距離。
超聲波時序圖如下：
硬件設計：
由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，因此為提高精度，應通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正。系 統(tǒng) 采用 DS18B20傳 感 器 測 量 溫 度，DS18B20 溫度傳感器具有不受外界干擾、精度高、測溫范圍寬等優(yōu)點。單片機口接 DS18B20 數(shù)據(jù)總線，控制 DS18B20 進行溫度轉換和傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)總線接 10 kΩ 的上拉電阻，作用是使總線控制器在溫度轉換期間無需一直保持高電平。
AD590測量熱力學溫度、攝氏溫度、兩點溫度差、多點最低溫度、多點平均溫度的具體電路，廣泛應用于不同的溫度控制場合。由于AD590精度高、價格低、不需輔助電源、線性好，常用于測溫和熱電偶的冷端補償。AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時，輸出電壓OV隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調整。調整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調整電位器R2，使0V=273.2mV�；蛟谑覝叵�(25℃)條件下調整電位器,使0V=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調整只可保證在0℃或25℃附近有較高精度。
AD590把被測溫度轉換為電流再通過放大器和A/D轉換器，輸出數(shù)字量送給單片機進行溫度控制。
通過查閱資料與比較分析可得： AD590需要和高精度ADC配合使用才能得到數(shù)據(jù)，優(yōu)點是速度快，編程簡單，缺點是是需要校準，電路復雜，成本高。DS18B20保證精度足夠，電路簡單成本低，但是編程復雜，轉換速度慢，但關鍵的是DS18B20性價比高，如果廣泛選用，所帶來的社會效應比較好，有利于環(huán)保節(jié)能。
1）選擇HC－SＲF04
HC-SR04超聲波測距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，其結構簡單，使用單片機控制電路簡單容易，而且價格便宜。該模塊包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。發(fā)射電路主要由Em78p153單片機、MAX232及超聲波發(fā)射頭T40組成，接受電路主要由TL074運算放大器及超聲波接收探頭R40組成。
超聲波發(fā)射電路：
超聲波接受電路：
2）可選用TCT40-16T和一支超聲波接收傳感器TCT40-16Ｒ。
TCT40-16T 可以發(fā)40 k Hz 左右的方波脈沖信號。信號由單片機 端口提供，由于單片機端口輸出功率不夠，40 k Hz 方波脈沖信號需經功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求。TCT40-16Ｒ作接 收 傳 感 器，經LM358 放 大 后 進 入 LM567 進 行 鎖 相 環(huán) 檢 波。 當LM567 的引腳輸入合適的信號時，其引腳產生一個負跳變，在編程時將外部中斷 0 的中斷觸發(fā)方式設置為下降沿觸發(fā)，就可以通過 INT0 產生一個外部中斷申請，由 CPU 來檢測并理。
超聲波發(fā)射電路：
超聲波接受電路：
3）選用MAX232芯片做發(fā)射電路，選用TL074芯片作為接受電路。
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為RS-232標準串口設計的單電源電平轉換芯片，如圖所示，使用+5v單電源供電。MAX220–MAX249系列線驅動器/接收器，專為EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口設計，尤其是無法提供±12V電源的應用。
TL074芯片是四運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源供電工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。他的適用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器。
MAX232引腳圖 TL074引腳圖
超聲波發(fā)射電路：
超聲波接受電路：
綜上所述：選用TL074芯片作為接受電路，選用MAX232芯片做發(fā)射電路。
軟件設計：
方案一：
方案二：
主程序流程圖
HC-SR04程序流程圖
加入溫度傳感后流程圖
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