一、前言课题背景：
在日常生活和工业控制中，经常会需要进行位置监控和距离测量，可用的方法很多，有激光测距、雷达测距、超声波测距。与微波雷达测距、激光测距相比，超声波具有方向指向性强、能量消耗比较缓慢、在介质中的传播距离比较远等优点。但是，由于声音的传播速度和温度有关，一般情况下，温度每变化1℃，声速会变化大约0． 61 m/s。因此，超声波测距的精度受温度影响比较大，要实现高精度的超声波测距，须考虑温度变化对声速的影响，从而进行必要的补偿。
国内外发展现状：
近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。目前国产低功率超声波探头，一般不能用于探测15m以外的物体，美国AIRMAR公司生产的Airducer AR30超声波传感器的作用距离可达30m,但价格较高。随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。
课题设计要求：
具体要求为：
1）利用超声波传感器实现非接触式测距，并用温度传感器进行超声波补偿。要求学生在查阅各传感器资料及其应用方法的基础上，设计出硬件结构图。
2）掌握根据硬件结构图设计并绘制硬件电路图，并搭建、安装和制作硬件。
3）掌握利用各种仪器设备，如万用表、示波器等，对硬件进行调试的基本方法
4）记录实验数据，采用数据处理方法和相关软件对实验数据进行处理并加以分析，与真实数据结果对比，得出有意义的结论。
二、整体方案设计系统方案结构框图：
方案一：
系统工作原理和功能：
本系统工作时，由单片机提供 40 k Hz 的脉冲信号，经放大后通过超声波发射器输出。超声波在空气中传播，在到达被测物体时被反射回来，由超声波接收器接收。当超声波接收器接收到反射波时，先经放大器放大，用锁相环电路检波处理后产生一个负跳变，在 INT0 产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务程序。单片机在启动发射电路时同时启动单片机内部的定时器 T0，利用定时器记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。在外部中断程序中读取时间差，计算距离。其中温度补偿环节为：温度补偿环节，设超声波速度为v，往返时间为 t，温度为 T，v = 331.5 + 0. 61T，距离为速度除以二可得。
方案二：
系统工作原理和功能：
接口向触发引脚发送≥10 μs 的脉冲触发信号，该模块内部将发出 8 个 40 kHz 周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，则 3 脚输出回响信号，所测的距离与回响信号的脉冲宽度成正比，由此可通过发射信号到收到回响信号的时间间隔计算得到距离。
超声波时序图如下：
硬件设计：
由于声音的速度在不同的温度下有所不同，因此为提高精度，应通过温度补偿对超声波的传播速度进行校正。系 统 采用 DS18B20传 感 器 测 量 温 度，DS18B20 温度传感器具有不受外界干扰、精度高、测温范围宽等优点。单片机口接 DS18B20 数据总线，控制 DS18B20 进行温度转换和传输数据，数据总线接 10 kΩ 的上拉电阻，作用是使总线控制器在温度转换期间无需一直保持高电平。
AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1kΩ时，输出电压OV随温度的变化为1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R2，使0V=273.2mV。或在室温下(25℃)条件下调整电位器,使0V=273.2+25=298.2（mV）。但这样调整只可保证在0℃或25℃附近有较高精度。
AD590把被测温度转换为电流再通过放大器和A/D转换器，输出数字量送给单片机进行温度控制。
通过查阅资料与比较分析可得： AD590需要和高精度ADC配合使用才能得到数据，优点是速度快，编程简单，缺点是是需要校准，电路复杂，成本高。DS18B20保证精度足够，电路简单成本低，但是编程复杂，转换速度慢，但关键的是DS18B20性价比高，如果广泛选用，所带来的社会效应比较好，有利于环保节能。
1）选择HC－SＲF04
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，其结构简单，使用单片机控制电路简单容易，而且价格便宜。该模块包括超声波发射、接收与控制电路。发射电路主要由Em78p153单片机、MAX232及超声波发射头T40组成，接受电路主要由TL074运算放大器及超声波接收探头R40组成。
超声波发射电路：
超声波接受电路：
2）可选用TCT40-16T和一支超声波接收传感器TCT40-16Ｒ。
TCT40-16T 可以发40 k Hz 左右的方波脉冲信号。信号由单片机 端口提供，由于单片机端口输出功率不够，40 k Hz 方波脉冲信号需经功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求。TCT40-16Ｒ作接 收 传 感 器，经LM358 放 大 后 进 入 LM567 进 行 锁 相 环 检 波。 当LM567 的引脚输入合适的信号时，其引脚产生一个负跳变，在编程时将外部中断 0 的中断触发方式设置为下降沿触发，就可以通过 INT0 产生一个外部中断申请，由 CPU 来检测并理。
超声波发射电路：
超声波接受电路：
3）选用MAX232芯片做发射电路，选用TL074芯片作为接受电路。
MAX232芯片是美信（MAXIM）公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，如图所示，使用+5v单电源供电。MAX220–MAX249系列线驱动器/接收器，专为EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口设计，尤其是无法提供±12V电源的应用。
TL074芯片是四运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源供电工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。他的适用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器。
MAX232引脚图 TL074引脚图
超声波发射电路：
超声波接受电路：
综上所述：选用TL074芯片作为接受电路，选用MAX232芯片做发射电路。
软件设计：
方案一：
方案二：
主程序流程图
HC-SR04程序流程图
加入温度传感后流程图
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