【正文】 現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。對(duì)一塊電路板的 設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過程，有了更深入的理解和掌握。同時(shí)還要感謝系實(shí)驗(yàn)室在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供給我們優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)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(shí)刻充滿信心和勇氣，克服成長(zhǎng)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(jì)的短短 3 個(gè)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(chéng)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(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時(shí)也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)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(jì)過程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。測(cè)距范圍從 20cm 到 200cm，測(cè)量精度在 177。接收電路采用的是 CX20206A，通過接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)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(jì)測(cè)距電路。本章分析了各種產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因以及解決辦法，以更進(jìn)一步提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。 由 LM92 溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測(cè)距已應(yīng)用在各種高精度測(cè)距的場(chǎng)合，如自動(dòng)氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測(cè)試、自動(dòng)任意形狀物體密度測(cè)試儀等，它具有測(cè)試速度快，能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量 精度等優(yōu)點(diǎn)，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(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。 3. 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差。其提高測(cè)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(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí) 間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于 1mm 的誤差。工業(yè)測(cè)量中，一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度，即 ???c (43) 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 tcl ?? ，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)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(huì)引起密度變化，固體中彈性模量對(duì)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(shí)現(xiàn)超聲波的測(cè)距功能。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。在這里我們選擇 AT89C52 單片機(jī)， 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(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。 顯示程序流程圖 如圖 35 所示， 在 C 語言編程中，僅需把計(jì)算的四個(gè)十進(jìn)制數(shù)字逐個(gè)送入 P0 口即可， 且每個(gè)數(shù)字顯示前有 的延時(shí)。這時(shí)在檢驗(yàn)是否發(fā)送完。 本設(shè)計(jì)采用模式 2， 其具體程序如下： TMOD=0x21。這里之所以關(guān)定時(shí)是為了讓 T0T1 能夠同步，也就是發(fā)射 超生波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。 定時(shí)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(jì)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(shí)器控制位。當(dāng)外部中斷源有請(qǐng)求時(shí)其對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位置 “1”。 TR1 和 TR0：為定時(shí)器 1 和定時(shí)器 0 的啟動(dòng) 控制位。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器有四種工作方式，如表 42： 表 42 定時(shí) /計(jì)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(shí) /計(jì)數(shù)器 0 1 方式 1 16 位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 0 方式 2 具有自動(dòng)重裝初值的 8 位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 1 方式 3 分為兩個(gè)獨(dú)立的 8 位計(jì)數(shù)器（僅適用于 T0） 21 控制寄存器 TCON TCON 是用于控制 定時(shí) /器的啟、停溢出標(biāo)志和外部中斷信號(hào)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(shí)器 1 和定時(shí)器 0 溢出標(biāo)志。只有當(dāng)外部中斷引腳 INT0 或 INT1 為高時(shí)， iTR 置1 才能啟動(dòng)定時(shí)器工作。其中 TMOD 為定時(shí) /計(jì)數(shù)器方式控 制寄存器； TCON為定時(shí) /計(jì)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(cè)出 的 結(jié)果將以十進(jìn)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(cè)量過程。 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。 17 3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、 定時(shí)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(cè)距系統(tǒng)的過程中，由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng) 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(duì)電流進(jìn)行放大 可解決 這個(gè)問題。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)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(hào)非常弱，經(jīng)過 CX20206A 處理后產(chǎn)生負(fù)跳變，引起單片機(jī)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(qiáng)。 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(shí)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(gè)反向器并聯(lián)， 用以提高驅(qū)動(dòng)能力。發(fā)射脈沖可以由單片機(jī)或振動(dòng)器來實(shí)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(jī)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(gè)脈沖串通過超聲波驅(qū)動(dòng)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(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)，因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由 AT89C52單片機(jī)、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(cè)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(cè)法精度高，但檢測(cè)范圍有限 。另外，發(fā)送超聲波時(shí)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(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。諧振頻率變高，則檢測(cè)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(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 (S )，即 ： 2/340tS? 這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法也有稱為渡越時(shí)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(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。 超聲波的發(fā)射原理是 ： 把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中 ， 產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) ,發(fā)射出超聲波 。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)時(shí)，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(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，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(jiǎn)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?yàn)樗恼駝?dòng)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(duì) 聲阻抗特性值有顯著的影響 ， 實(shí)際中應(yīng)予以注意。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)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(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 。 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。并畫出各模塊的程序流程圖。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 。 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?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)。首先，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立科研開發(fā)能力。 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、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]。接 3 收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。本課題研究的測(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。 (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。 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(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。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。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)越來越多地 被人們作為一種測(cè)距識(shí)別手段 [1]。 論文概述了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，對(duì)于系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測(cè)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(jì) 。由 于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，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(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。完成了超聲波測(cè)距儀的軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)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(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測(cè)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(qiáng)。它具有測(cè)量方便 ,不對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生 損壞等優(yōu)點(diǎn)。距離是通過測(cè)量發(fā)射的超聲 波與接受 到被測(cè)物體反射的回波之間的時(shí)差來確定的。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)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