【正文】 ................................ 21 定時(shí)器 T1 中斷服務(wù)程序流程圖 .............................................................................. 22 外部中斷服務(wù)程序流程圖 .............................................................................................. 23 顯示程序流程圖 .............................................................................................................. 23 計(jì)算程序流程圖 .............................................................................................................. 24 4 電路調(diào)試及誤差分析 .......................................................................................................... 26 系統(tǒng)軟件的調(diào)試 .............................................................................................................. 26 系統(tǒng)的軟硬件串聯(lián)調(diào)試 .................................................................................................. 28 系統(tǒng)的誤差分析 .............................................................................................................. 30 聲速引起的誤差 ........................................................................................................ 31 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 ........................................................................................ 31 隨機(jī)誤差 .................................................................................................................... 32 提高測(cè)距精度的方法 ...................................................................................................... 32 本章小結(jié) .......................................................................................................................... 33 結(jié) 論 ........................................................................................................................................ 34 致 謝 ........................................................................................................................................ 35 參考文獻(xiàn) :................................................................................................................................... 36 附錄： ........................................................................................................................................ 37 1 1 緒 論 課題設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀 當(dāng)我們的測(cè)距技術(shù)日漸趨于成熟，我們對(duì)測(cè)距的精度要求也日漸嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的測(cè)距技術(shù)在某些場(chǎng)合已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足人們的需要， 如在井道，水位，管道等的長(zhǎng)度 測(cè)量方面，傳統(tǒng)的測(cè)距方式已然不再適用。在現(xiàn)代社會(huì)中，我們既要要求測(cè)量的準(zhǔn)確性，又要避免人類(lèi)在危險(xiǎn)的環(huán)境下作業(yè)。為此我們需要一種可以精確測(cè)量的非接觸式的測(cè)距方式，于是超聲波測(cè)距儀應(yīng)用而生。由于超聲波是一種非接觸式的測(cè)量方式，它具有不被光、粉塵或電磁波等外界因素干擾的一系列優(yōu)點(diǎn)， 由于自身抗干擾性好、方向性強(qiáng)、反射性好等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越多地 被人們作為一種測(cè)距識(shí)別手段 [1]。 它利用超聲波測(cè)距傳感器的發(fā)射探頭與接 收探頭工作時(shí)的時(shí)間差來(lái)計(jì)算出障礙物的距離，對(duì)被測(cè)目標(biāo)無(wú)任何影響， 再者超聲波傳播速度也在一定范圍內(nèi)與其頻率無(wú)關(guān)。這 些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)都使得超聲波測(cè)距越來(lái)越受到人們的重視，也從 70年代末期開(kāi)始在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這也就是超聲波常被用于測(cè)距的原因，如測(cè)距儀或物們測(cè)量?jī)x等等都是通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。利用超聲波檢測(cè)距離比較迅速、方便，計(jì)算也較簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且在精度方面也能夠達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距傳感器按其可實(shí)現(xiàn)的檢測(cè)距離可以分為大、中、小三種量程，小量程探測(cè)距離小于 2m，工作頻率 60kHz～300kHz之間；中量程探測(cè)距離約為 2m～ l0m，工作頻率在 40kHz～ 60kHz之間； 大量程探測(cè)距離約為 20m～ 50m，工作頻率處在 16kHz～ 30kHz之間。 在我國(guó)的相關(guān)技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比也較落后，因此對(duì)這種能準(zhǔn)確、高效、實(shí)時(shí)測(cè)量距離的方式的研究在我國(guó)尤其重要。 不論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外，超聲波測(cè)距都占有著相當(dāng)重要的地位，而它的應(yīng)用也已經(jīng)越來(lái)越廣泛，但在國(guó)內(nèi)，它的發(fā)展尚處于初期階段，利用超聲波測(cè)距技術(shù)還十分有限，在不久的未來(lái)，超聲波測(cè)距儀也必將作為重要的測(cè)距手段而被社會(huì)廣泛需要。而隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，超聲波測(cè)距儀將更加智能化，精確化。 2 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 課題設(shè)計(jì)的任務(wù) 此 次課題的研究方向是超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)。軟件主要工作流程是：?jiǎn)纹瑱C(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開(kāi)始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變?cè)趩纹瑱C(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后將數(shù)據(jù)輸出 P0 口顯示。 軟件系統(tǒng)總體劃分為：主程序模塊，顯示子程序模塊，定時(shí)子程序模塊，外部中斷子程序模塊。 主程序完成數(shù)據(jù)初始化，參數(shù)設(shè)置，以及各功能模塊的調(diào)用。 顯示部分完成數(shù)據(jù)在 LED 數(shù)碼管的顯示。 中斷 服務(wù)程序中，提供了定時(shí)、計(jì)數(shù)功能，并且調(diào)用相關(guān)處理程序。 故總體而言，此次選題的要求可概括為以下幾點(diǎn)： (1).設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 (2).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而 實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。 (3).以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。 (4).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。 課題設(shè)計(jì)的要求 通過(guò)介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。 通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā) 射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 V，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。接 3 收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離 ,結(jié)果輸出給 LED 顯示。 利用本測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量，范圍應(yīng)在 20cm～ 200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在 5cm。 選題的意義 超聲波測(cè)距儀是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線(xiàn)、被測(cè)對(duì)象著色、大小等的影響，較其它測(cè)距儀，它更加而潮濕、高溫、粉塵、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，且易于維護(hù) [2]。 超聲波測(cè)距技術(shù)是一種原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的非接觸測(cè)量技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事及日常生 活等諸多領(lǐng)域 [4]。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必 須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）， 因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。 而本次研究的就是以 AT89C52單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)測(cè)距，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。首先，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立科研開(kāi)發(fā)能力。其次，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解所學(xué)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，將自身所學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自身能力的鍛煉與提高。第三，更重要 是培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，通過(guò)與搭檔的共同努力，基于對(duì)超聲波測(cè)距儀軟硬件的了解，設(shè)計(jì)出一個(gè)簡(jiǎn)單，精度高，誤差小的測(cè)距裝置。此題是分為兩人一起來(lái)做的，目的在于使學(xué)生學(xué)會(huì)在團(tuán)隊(duì)中擺正自己的位置，根據(jù)自己的能力分擔(dān)工作；培養(yǎng)同組內(nèi)的合作意識(shí)及學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處，既能當(dāng)好主角，也甘于當(dāng)好配角，能腳踏實(shí)地的做好本職工作。 研究?jī)?nèi)容及論文構(gòu)成 本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀是動(dòng)態(tài)測(cè)距，能夠連續(xù)地不間斷地對(duì)障礙物進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)。該裝置是由超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、及控制模塊組成。由單片機(jī)進(jìn)行整體控制。當(dāng)打開(kāi)通電開(kāi)關(guān)時(shí)，裝 置即開(kāi)始測(cè)距，從發(fā)射傳感器發(fā)射出的脈沖串會(huì)在 4 碰到障礙物后反射至接收傳感器，經(jīng)過(guò)一系列的處理或計(jì)算過(guò)程就會(huì)在顯示模塊顯示出來(lái)。 論文主要由以下四部分組成： 第 1章為論文的緒論部分。包括選題意義、選題任務(wù)、選題要求和選題的研究背景及其相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第 2章為系統(tǒng)的硬件部分的整體設(shè)計(jì)。主要是講超聲波的測(cè)距原理。包括對(duì)超聲波的簡(jiǎn)介、超聲波傳感器的原理及特性及 超聲波測(cè)距儀 的測(cè)距原理 。 第 3章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。首先是對(duì)系統(tǒng)軟件進(jìn)行整體的分析，闡述軟件設(shè)計(jì)的整體概念，然后再具體討論程序的各個(gè)模塊。包括 了主程序、顯示子程序、定時(shí)器子程序和外部中斷子程序。并畫(huà)出各模塊的程序流程圖。 第 4章為系統(tǒng)整體調(diào)試及誤差分析。先對(duì)硬件組裝及性能進(jìn)行分析，再進(jìn)行軟件部分的分析，最后是軟硬件結(jié)合后的調(diào)試結(jié)果。本章的最后是對(duì)可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析并提出改進(jìn)意見(jiàn)。 5 2 超聲波測(cè)距原理 超聲波簡(jiǎn)介 聲波是一種能在氣體、固體、及液體中傳播的機(jī)械波，由于振動(dòng)頻率的不同可分為： (1)次聲波：振動(dòng)頻率低于 16Hz 的機(jī)械波。 (2)可聞 波：振動(dòng)頻率在 16～ 20kHz 之間，這個(gè)頻率范圍內(nèi)的聲波可 以為人類(lèi)的耳朵所聽(tīng)到。 (3)超聲波：振動(dòng)頻率高于 20kHz 的機(jī)械波。 描述聲波的物理量有兩點(diǎn)：（ 1）聲壓：介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無(wú)聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差稱(chēng)為聲壓 。 隨著介質(zhì)中各點(diǎn)聲振動(dòng)的周期性變化 ， 聲壓也在作周期性變化 ， 聲壓的單位是 )/( 2mNPa 。 (3)聲強(qiáng)：聲強(qiáng)又稱(chēng)為聲波的能流密度 ， 即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量 。 聲強(qiáng)是一個(gè)矢量 ， 它的方向就是能量傳播的方向 ,聲強(qiáng)的單位是2/mW 。 超聲波的聲學(xué)特性 描述聲波的聲學(xué)特性的物理量有 三 點(diǎn)： （ 1）聲速 ： 聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì) 。 除水以外 ，大部分液體中的聲速隨溫度的升高而減小 ， 而水中的聲速則隨溫度的升高而增加 。 流體中的聲速隨壓力的增加而增加。 其聲速 C 也與溫度有關(guān)，表 21 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 21 聲速與溫度關(guān)系表 [5] 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 2