【正文】 ................................ 21 定時器 T1 中斷服務程序流程圖 .............................................................................. 22 外部中斷服務程序流程圖 .............................................................................................. 23 顯示程序流程圖 .............................................................................................................. 23 計算程序流程圖 .............................................................................................................. 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 單片機時間分辨率的影響 ........................................................................................ 31 隨機誤差 .................................................................................................................... 32 提高測距精度的方法 ...................................................................................................... 32 本章小結(jié) .......................................................................................................................... 33 結(jié) 論 ........................................................................................................................................ 34 致 謝 ........................................................................................................................................ 35 參考文獻 :................................................................................................................................... 36 附錄： ........................................................................................................................................ 37 1 1 緒 論 課題設計的研究現(xiàn)狀 當我們的測距技術日漸趨于成熟，我們對測距的精度要求也日漸嚴苛，傳統(tǒng)的測距技術在某些場合已經(jīng)不能夠滿足人們的需要， 如在井道，水位，管道等的長度 測量方面，傳統(tǒng)的測距方式已然不再適用。在現(xiàn)代社會中，我們既要要求測量的準確性，又要避免人類在危險的環(huán)境下作業(yè)。為此我們需要一種可以精確測量的非接觸式的測距方式，于是超聲波測距儀應用而生。由于超聲波是一種非接觸式的測量方式，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， 由于自身抗干擾性好、方向性強、反射性好等優(yōu)點越來越多地 被人們作為一種測距識別手段 [1]。 它利用超聲波測距傳感器的發(fā)射探頭與接 收探頭工作時的時間差來計算出障礙物的距離，對被測目標無任何影響， 再者超聲波傳播速度也在一定范圍內(nèi)與其頻率無關。這 些獨特的優(yōu)點都使得超聲波測距越來越受到人們的重視，也從 70年代末期開始在生產(chǎn)領域廣泛應用。這也就是超聲波常被用于測距的原因，如測距儀或物們測量儀等等都是通過超聲波來實現(xiàn)的。利用超聲波檢測距離比較迅速、方便，計算也較簡單，易于做到實時檢測，并且在精度方面也能夠達到工業(yè)實用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也得到了廣泛的應用。超聲波測距傳感器按其可實現(xiàn)的檢測距離可以分為大、中、小三種量程，小量程探測距離小于 2m，工作頻率 60kHz～300kHz之間；中量程探測距離約為 2m～ l0m，工作頻率在 40kHz～ 60kHz之間； 大量程探測距離約為 20m～ 50m，工作頻率處在 16kHz～ 30kHz之間。 在我國的相關技術與發(fā)達國家相比也較落后，因此對這種能準確、高效、實時測量距離的方式的研究在我國尤其重要。 不論在國內(nèi)還是在國外，超聲波測距都占有著相當重要的地位，而它的應用也已經(jīng)越來越廣泛，但在國內(nèi)，它的發(fā)展尚處于初期階段，利用超聲波測距技術還十分有限，在不久的未來，超聲波測距儀也必將作為重要的測距手段而被社會廣泛需要。而隨著計算機的迅速發(fā)展，超聲波測距儀將更加智能化，精確化。 2 課題設計的任務和要求 課題設計的任務 此 次課題的研究方向是超聲波測距儀的軟件設計。軟件主要工作流程是：單片機編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，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 服務程序中，提供了定時、計數(shù)功能，并且調(diào)用相關處理程序。 故總體而言，此次選題的要求可概括為以下幾點： (1).設計出超聲波測距儀的硬件結(jié)構電路。 (2).對設計的電路進行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而 實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 (3).以數(shù)字的形式顯示測量距離。 (4).對設計的電路進行分析。 課題設計的要求 通過介紹我們知道，以單片機為核心的超聲波測距系統(tǒng)設計簡單、方便，而且測精度能達到工業(yè)要求。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā) 射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 V，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。 本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。接 3 收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離 ,結(jié)果輸出給 LED 顯示。 利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應在 20cm～ 200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在 5cm。 選題的意義 超聲波測距儀是一種非接觸檢測技術，不受光線、被測對象著色、大小等的影響，較其它測距儀，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、長壽命等優(yōu)點，且易于維護 [2]。 超聲波測距技術是一種原理簡單、易于實現(xiàn)的非接觸測量技術，被廣泛地應用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事及日常生 活等諸多領域 [4]。 利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必 須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）， 因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應用。 而本次研究的就是以 AT89C52單片機為核心實現(xiàn)測距，有著非常重要的現(xiàn)實意義。首先，有利于培養(yǎng)學生的獨立科研開發(fā)能力。其次，有利于學生進一步理解所學的專業(yè)知識，將自身所學與實踐相結(jié)合，實現(xiàn)自身能力的鍛煉與提高。第三，更重要 是培養(yǎng)團隊合作意識，通過與搭檔的共同努力，基于對超聲波測距儀軟硬件的了解，設計出一個簡單，精度高，誤差小的測距裝置。此題是分為兩人一起來做的，目的在于使學生學會在團隊中擺正自己的位置，根據(jù)自己的能力分擔工作；培養(yǎng)同組內(nèi)的合作意識及學習別人的長處，既能當好主角，也甘于當好配角，能腳踏實地的做好本職工作。 研究內(nèi)容及論文構成 本文設計的超聲波測距儀是動態(tài)測距，能夠連續(xù)地不間斷地對障礙物進行實時的檢測。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。由單片機進行整體控制。當打開通電開關時，裝 置即開始測距，從發(fā)射傳感器發(fā)射出的脈沖串會在 4 碰到障礙物后反射至接收傳感器，經(jīng)過一系列的處理或計算過程就會在顯示模塊顯示出來。 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、選題要求和選題的研究背景及其相關技術在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第 2章為系統(tǒng)的硬件部分的整體設計。主要是講超聲波的測距原理。包括對超聲波的簡介、超聲波傳感器的原理及特性及 超聲波測距儀 的測距原理 。 第 3章為系統(tǒng)軟件設計。首先是對系統(tǒng)軟件進行整體的分析，闡述軟件設計的整體概念，然后再具體討論程序的各個模塊。包括 了主程序、顯示子程序、定時器子程序和外部中斷子程序。并畫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。先對硬件組裝及性能進行分析，再進行軟件部分的分析，最后是軟硬件結(jié)合后的調(diào)試結(jié)果。本章的最后是對可能出現(xiàn)的誤差進行分析并提出改進意見。 5 2 超聲波測距原理 超聲波簡介 聲波是一種能在氣體、固體、及液體中傳播的機械波，由于振動頻率的不同可分為： (1)次聲波：振動頻率低于 16Hz 的機械波。 (2)可聞 波：振動頻率在 16～ 20kHz 之間，這個頻率范圍內(nèi)的聲波可 以為人類的耳朵所聽到。 (3)超聲波：振動頻率高于 20kHz 的機械波。 描述聲波的物理量有兩點：（ 1）聲壓：介質(zhì)中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強介質(zhì)中有聲波傳播時的壓強與無聲波傳播時的靜壓強之差稱為聲壓 。 隨著介質(zhì)中各點聲振動的周期性變化 ， 聲壓也在作周期性變化 ， 聲壓的單位是 )/( 2mNPa 。 (3)聲強：聲強又稱為聲波的能流密度 ， 即單位時間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量 。 聲強是一個矢量 ， 它的方向就是能量傳播的方向 ,聲強的單位是2/mW 。 超聲波的聲學特性 描述聲波的聲學特性的物理量有 三 點： （ 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，表 21 列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 21 聲速與溫度關系表 [5] 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 2