【正文】 現(xiàn)場和自動控制場合，都有很重要的作用。對一塊電路板的 設(shè)計、焊板、調(diào)試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。同時還要感謝系實驗室在畢業(yè)設(shè)計期間提供給我們優(yōu)越的實驗條件。 最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無盡的愛、理解和支持，才使我時刻充滿信心和勇氣，克服成長路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。 在畢業(yè)設(shè)計的短短 3 個月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠的謝謝你們。 35 致 謝 首先，我要感謝我的導(dǎo)師在畢業(yè)設(shè)計中對我給予的悉心指導(dǎo)和嚴格要求，同時也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計期間所給予我得幫助。 總體來說，最重要的是在本課題的設(shè)計過程中我學(xué)到了很多知識，從中受益匪淺。測距范圍從 20cm 到 200cm，測量精度在 177。接收電路采用的是 CX20206A，通過接收電路對接收到的信號進行放大和整形，最終再輸出負脈沖給單片機響應(yīng)中斷程序。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計測距電路。本章分析了各種產(chǎn)生測量誤差的原因以及解決辦法，以更進一步提高超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。 由 LM92 溫度傳感器和單片機組成的高精度超聲波測距已應(yīng)用在各種高精度測距的場合，如自動氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測試、自動任意形狀物體密度測試儀等，它具有測試速度快，能達到毫米級的測量 精度等優(yōu)點，在工程上的開發(fā)與應(yīng)用前景廣闊 [12]。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù) 33 有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。 3. 提高計時精度，減少時間量化誤差。其提高測距精度的措施如下： 1. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。 在超聲波的傳播速度是準確的前提下，測量距離的傳播時 間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。工業(yè)測量中，一般用公式計算超聲波在空氣中的傳播速度，即 ???c (43) 單片機時間分辨率的影響 根據(jù)超聲波測距公式 tcl ?? ，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。在氣體中，壓強、溫度、濕度等因素會引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會引起密度變化，固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更 大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。 下圖 47 為 仿真調(diào)試圖 圖 47 系統(tǒng)調(diào)試圖 把程序燒入已經(jīng)調(diào)試好的硬件電路中后，便可實現(xiàn)超聲波的測距功能。根據(jù)實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量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。在這里我們選擇 AT89C52 單片機， 圖 43 顯示的就是該 單片的相關(guān)信息。如下圖 41 所示，雙擊就可以打開程序編輯環(huán)境 。根據(jù)實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量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。 顯示程序流程圖 如圖 35 所示， 在 C 語言編程中，僅需把計算的四個十進制數(shù)字逐個送入 P0 口即可， 且每個數(shù)字顯示前有 的延時。這時在檢驗是否發(fā)送完。 本設(shè)計采用模式 2， 其具體程序如下： TMOD=0x21。這里之所以關(guān)定時是為了讓 T0T1 能夠同步，也就是發(fā)射 超生波的同時開始計時。 定時器 T0 流程圖 在本系統(tǒng)中設(shè)置 T0 工作在 模式 1 下，為 16 位計數(shù)器， 這 16 位是由 TH0(TH1)的高 8 位和 TL0(TL1)的低 8 位構(gòu)成。 TCON 中低 4 位是與外部中斷有關(guān)的位，高 4 位為定時器控制位。當外部中斷源有請求時其對應(yīng)的中斷標志位置 “1”。 TR1 和 TR0：為定時器 1 和定時器 0 的啟動 控制位。 定時 /計數(shù)器有四種工作方式，如表 42： 表 42 定時 /計數(shù)器工作方式的選擇 M1 MO 工作方式 功能 描述 0 0 方式 0 13 位 定時 /計數(shù)器 0 1 方式 1 16 位 定時 /計數(shù)器 1 0 方式 2 具有自動重裝初值的 8 位 定時 /計數(shù)器 1 1 方式 3 分為兩個獨立的 8 位計數(shù)器（僅適用于 T0） 21 控制寄存器 TCON TCON 是用于控制 定時 /器的啟、停溢出標志和外部中斷信號觸發(fā)方式，其各位定義如下： TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TF1 和 TF0；分別為定時器 1 和定時器 0 溢出標志。只有當外部中斷引腳 INT0 或 INT1 為高時， iTR 置1 才能啟動定時器工作。其中 TMOD 為定時 /計數(shù)器方式控 制寄存器； TCON為定時 /計數(shù)器控制寄存器。 TH1=T12us。 ET0=1。 /* 傳數(shù) */ delay(200)。 部分源程序如下： init_CTC( )。再 開 T0，調(diào)用顯示程序。 測出 的 結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式送 LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)前面的測量過程。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，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。 17 3 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計 超聲波設(shè)計概述 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，由主程序、 定時子程序、顯示子程序及外部中斷服務(wù)子程序 組成。但是，在制作超聲波測距系統(tǒng)的過程中，由單片機直接驅(qū)動 LED 顯示，電流較小， LED 雖然有顯示但是比較暗，因此 用了三極管來對電流進行放大 可解決 這個問題。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為 共陰極型和共陽極型。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號非常弱，經(jīng)過 CX20206A 處理后產(chǎn)生負跳變，引起單片機的外部中斷。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強。 CX20206由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)， 用以提高驅(qū)動能力。發(fā)射脈沖可以由單片機或振動器來實現(xiàn)。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2R11 0 kC11 0 u F+ 5 v+ 5 vC22 2 p FC32 2 p F 圖 26 單片機最小系統(tǒng) 超聲 波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路如圖 27所示， AT89C52通過外部引腳 輸出脈沖寬度為 25μs , 40kHz的 20個脈沖串通過超聲波驅(qū)動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波。其主要功能是把 PC 初始化為0000H，是單片機從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進入系統(tǒng)的初始化之外，當由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動，因此，復(fù)位電路是單片機系統(tǒng)中不可缺少的一部分。單片機最小系統(tǒng)主要由 AT89C52單片機、外部振蕩電路、復(fù)位電路和 +5V 電源組成。 圖 23 傳感器的方向性 如圖 25 所示，超聲波測距系統(tǒng)是由控制電路、超聲波接收電路、超聲波發(fā)射電路、顯示電路及電源電路幾部分組成的。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限 。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此 ，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進行頻率調(diào)整和阻抗匹配。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 sm/ ，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 (S )，即 ： 2/340tS? 這就是所謂的時間差測距法也有稱為渡越時間法 TOF（ time of flight），見圖 22。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，它有兩個壓電晶片和一個換能板。 超聲波的發(fā)射原理是 ： 把鐵磁材料置于交變磁場中 ， 產(chǎn)生機械振動 ,發(fā)射出超聲波 。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號時，以此作為超聲波的接收器。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 有多種方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。 因為它的振動次數(shù)甚高，超出了人類的聽覺上限，人們把這種聽不見的聲波叫 做超聲波。 溫度的變化對 聲阻抗特性值有顯著的影響 ， 實際中應(yīng)予以注意。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?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 。 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 。 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。并畫出各模塊的程序流程圖。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 。 論文主要由以下四部分組成： 第 1章為論文的緒論部分。 研究內(nèi)容及論文構(gòu)成 本文設(shè)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。首先，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨立科研開發(fā)能力。 選題的意義 超聲波測距儀是一種非接觸檢測技術(shù)，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]。接 3 收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。 (2).對設(shè)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。 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。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。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(yīng)用。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]。 論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，對于系統(tǒng)的程序設(shè)計進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了軟件系統(tǒng)的總體構(gòu)成及其子程序設(shè)計 。由 于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強，指向性強，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，遇到雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生反射波，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。完成了超聲波測距儀的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了測量結(jié)果的顯示 ， 經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試可看出， LED 數(shù)碼 管 顯示清晰穩(wěn)定，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測距儀最大誤差不超過 5cm。采用壓 電式超聲波換能器。超聲波明顯特征是方向性好 ，穿透性強。它具有測量方便 ,不對被測物體產(chǎn)生 損壞等優(yōu)點。距離是通過測量發(fā)射的超聲 波與接受 到被測物體反射的回波之間的時差來確定的。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離， 主程序采用 C 語言編寫。 人們能聽到聲音是由于物體振