【正文】 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 參考文獻(xiàn) [1]胡萍 .超聲波測(cè)距儀的研制 .計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代化， [2]時(shí)德剛，劉嘩 .超聲波測(cè)距的研究 .計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制， [3]華兵 .MCS51 單片機(jī)原理應(yīng)用 .武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社， 2022 .5 [4]李華 .MCU51 系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù) .北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1993. 6 [5]陳光東 .單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù) (第二版 ).武漢：華中理工大學(xué)出版社， [6]徐淑華，程退安，姚萬(wàn)生 .單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用 .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社， 1999. 6. [7]蘇長(zhǎng)贊 .紅外線與超聲波遙控 .北京：人民郵電出版社， [8]張謙琳 .超聲波檢測(cè)原理和方法 .北京：中國(guó) 科技大學(xué)出版社， [9]九州 .放大電路實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè) .沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， [10]樊昌元，丁義元 . 高精度測(cè)距雷達(dá)研究 .電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)， [11]蘇偉，鞏壁建 .超聲波測(cè)距誤差分析 .傳感器技術(shù)， 2022. 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Instrumentationamp。一般只要電路焊接無(wú)誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會(huì)正常工作。 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 T0，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。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距不成功。 超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。 超聲波檢測(cè)接收電路主要是由 集成電路 CX20226A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。 超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分。若想得到更高的精度，可要選用處理速度高的 DSP 芯片或高頻率的 MCU 運(yùn)算芯片、靈敏度比較高的鎖定信號(hào)芯片、響應(yīng)速度快的超聲波收發(fā)傳感器，而這些芯片一般應(yīng)用在機(jī)器人設(shè)計(jì)的場(chǎng)合比較多。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。 部分源程序如下： receive1： push psw push acc clr ex1 ；關(guān)外部中斷 1 jnb , right ； 引腳為 0,轉(zhuǎn)至右測(cè)距電路中斷服務(wù)程序 jnb , left ； 引腳為 0,轉(zhuǎn)至左測(cè)距電路中斷服務(wù)程序 return： SETB EX1；開外部中斷 1 pop. acc pop. psw reti right： ...；右測(cè)距電路中斷服務(wù)程序入口 ajmp. return left： ... ；左測(cè)距電路中 斷服務(wù)程序入口 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試都比較簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 Φ15 的超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無(wú)特殊要求。 超聲 波測(cè)距儀主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。其部分源程序如下： RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷 0 ? MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH；計(jì)算時(shí)間差 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 MOV 31H, A ；存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A? SETB EX0 ；開外部中斷 0 POP ACC? POP PSW RETI 主程序流程圖 數(shù)碼管顯示 ******************************************** * 中斷入口程序 * ******************************************** ORG 0000H LJMP START ORG 0003H LJMP PINT0 ORG 000BH reti ORG 0013H RETI ORG 001BH LJMP INTT1 ORG 0023H RETI ORG 002BH RETI 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 圖 主程序流程圖 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 (6)存儲(chǔ)了兩個(gè)時(shí)間值 t1 與 t2。 但這里要注意，因?yàn)闀?huì)遇到如下兩種情況。 (4)當(dāng)發(fā)送完 1O 個(gè)方波脈沖串后，就馬上啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T1 進(jìn)行計(jì)數(shù)，而計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)最長(zhǎng)時(shí)間為 65． 536 ms，這種超聲波收發(fā)傳感器范圍控制在 8 m 范圍內(nèi)，從而計(jì)數(shù)器設(shè)定的溢出時(shí)間為 47 ms(因?yàn)槁暡ㄊ瞻l(fā)是來(lái)回時(shí)間的，所以設(shè)定為 (8／ 340)21 000 ms： 47 ms)，當(dāng)溢出的話就重發(fā)方波脈沖串，直到接收器受到信號(hào)為止。 (2)讀取溫度溫度值，將 P2． 4 置 “0”，選通 AD 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0804 使其進(jìn)人工作，同時(shí) 與 ADC0804 的 INTR 端連接，當(dāng) INTR 端輸出高電平則可以讀取此時(shí)溫度值。并且盡自己的能力設(shè)計(jì)了硬件系統(tǒng)的防干擾的方法 。其中只畫出前方測(cè)距電路的接線圖，左側(cè)和右側(cè)測(cè)距電路與前方測(cè)距電路相同，黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 故省略之。單片機(jī)通過 引腳經(jīng)反相器來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后利用單片機(jī)的 INT0，當(dāng) INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回 。適當(dāng)更改電容 C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。上位電阻 R1O、 R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮 短其自由振蕩時(shí)間。由于超聲波屬于聲波范圍，其 波速 C 與溫度有關(guān)。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C 為超聲波波速。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 空閑方式： CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 52 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理 52 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 52 系列單片機(jī)中典型芯片 (AT89C52)采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由 CPU， 4kB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 TO 和 T1， 4 個(gè) 8 b的工／ O 端 I： IP0， P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。單片機(jī)采用 AT89C52 或其兼容系列。通過這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測(cè)量溫度所帶來(lái)的麻煩。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對(duì)于普通單片機(jī)來(lái)說可以有 效的減少由計(jì)時(shí)問題帶來(lái)的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測(cè)距儀 設(shè)計(jì)要求。 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 % 的使用精度，在這個(gè)空間內(nèi)足以保證為超聲波測(cè)距設(shè)備提供足夠的精度范圍。而問題的關(guān)鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。使用的 12 MHz 晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的 89C51 單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89S51 的定一時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1 mm 的測(cè)量范圍內(nèi)。 對(duì)于時(shí)間誤差主要由發(fā)送計(jì)時(shí)點(diǎn)和接收計(jì)時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計(jì)時(shí)點(diǎn)選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對(duì)發(fā)射信號(hào)和加收信號(hào)通過校正的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? ? ? ?0C C 1 T 27 3 （ 27） 式中 C0=； T 為絕對(duì)溫度，單位 K 。 設(shè)測(cè)量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測(cè)物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程為： ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s??? （ 25） 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。選小可提高測(cè)量靈敏度，但魯棒性下降，容易出現(xiàn)虛假回波被捕捉的情況，選大則情況相反 圖 超聲波接收電路圖 2. 8 理論計(jì)算 圖 測(cè)距的原理 T 2 T 1 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 如圖 所示為反射時(shí)間 ，是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的 時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過測(cè)量回波時(shí)間 T 利用公式 2TCS ?? （ 21） 其中， S 為被 測(cè)距離、 V 為空氣中聲速、 T 為回波時(shí)間， 21 TTT ?? （ 22） 可以計(jì)算出路程，這種 方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過設(shè)置 “時(shí)間門 ”來(lái)加以 克服。為滿足交流信號(hào)的需要，每一級(jí)放大器均采用電容電路進(jìn)行電平偏移，對(duì)交流信號(hào)而言，電容為短路，前三級(jí)放大電路的放大增益均為 10。按照超聲波原理，微處理器需要的只是第一個(gè)回波的時(shí)刻。 圖 超聲波汽車防撞控制系統(tǒng)方框圖 黑龍江工程學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 超聲波發(fā)射部分的設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)送器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個(gè)部分，超聲波探頭的型號(hào)選用 CSB40T，采用軟件發(fā)生法產(chǎn)生 40Kz的超聲波信號(hào)，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波，這種方法充分利用軟件，靈活性好。這就是本系