【正文】 動產(chǎn)生的，它的頻率在 20Hz20kHz 范圍內(nèi)，超過20kHZ 稱為超聲波。本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器工作于發(fā)射和接收 ,利用聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物到超聲波測距器之間的距離 ， 并實(shí)時(shí)顯示出來。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(yīng)用而生。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(shí)現(xiàn)的。 不論在國內(nèi)還是在國外，超聲波測距都占有著相當(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(shù)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。 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。 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)出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 課題設(shè)計(jì)的要求 通過介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、方便，而且測精度能達(dá)到工業(yè)要求。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。 利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應(yīng)在 20cm～ 200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在 5cm。 而本次研究的就是以 AT89C52單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)測距，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。此題是分為兩人一起來做的，目的在于使學(xué)生學(xué)會在團(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)的合作意識及學(xué)習(xí)別人的長處，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。當(dāng)打開通電開關(guān)時(shí)，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(jì)算過程就會在顯示模塊顯示出來。主要是講超聲波的測距原理。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。本章的最后是對可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析并提出改進(jìn)意見。 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)與無聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差稱為聲壓 。 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) 。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。 例如 ， 氣體與金屬材料的聲阻抗特性之比 ， 接近于 1:80000， 所以當(dāng)聲波垂直入射在空氣與金屬的界面上時(shí) ， 幾乎是百分之百地被反射 。 超聲波的發(fā)生原理 通常正常人耳朵的聽力的聲波范圍是 20Hz～ 20kHz，超聲波是指振動頻率在 20kHz以上的聲波 [6]。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等 [8]。超聲波發(fā)生器它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板?？蓪⒊暡ㄅc電量做轉(zhuǎn)換的裝置稱為超聲波傳感器。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。 （ 2）磁滯式 超聲波傳感器 磁滯式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成 。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 。 圖 21 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波測距原理為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等 [10]。 表 22 超聲波傳感器 MA40S2R/S 的特性 種類特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 發(fā)送 標(biāo)稱頻率 40kHz 靈敏度 － 74dB 以上 100dB 以上 帶寬 6kHz 以上 (－ 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 電容 1600pF 1600pF 絕緣電阻 100MΩ 以上 溫度特性 － 20~+60℃ 范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi) 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。 超聲波測距儀的測距原理 超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間法三種。 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是 采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制器，控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)， 用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)測距的LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，超聲波測距系統(tǒng)組成框圖見 10 圖 24。 圖 25 超聲波 測距 系統(tǒng)的構(gòu)成 單片機(jī)最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。在復(fù)位電路中，單片機(jī) RST 管 腳一方面經(jīng) 10μF 的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān) s 接電源。如圖 26 即為單片 機(jī)最小系統(tǒng)。驅(qū)動超聲發(fā)射探 頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。用這種推 13 挽形式將方波信號加到超聲波 換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。s，半周期為 。參考各種資料最后選用了 SONY 公司的專用集成前置放大器 CX20206 達(dá)到了比較好的效果。功能可描述為 ： 在接收到與濾波器中 14 心頻率相符的信號時(shí) ， 其輸出腳 7腳輸出低電平。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即 LED。 LED 數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)直接驅(qū)動 LED 的方法，從而簡化了顯示電路。 超聲波的測距原理，它包括對單片機(jī)的最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路及顯示電路的介紹。距離的計(jì)算公式為： 2/)(2/ tcsd ??? （ 31） 其中， d 為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時(shí)間。如果當(dāng) 計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功 。 主程序的流程圖如圖 31 所示： 主程序首先是對系統(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，T1 為定時(shí)器 T2 模式，開中斷 IE， 再設(shè)置超聲波個(gè)數(shù)。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。 /* 測量標(biāo)志 */ cshu=0。 /* 開中斷 */ ET1=1。 TL1=T12us。 它由 6 個(gè)特殊功能寄存器組成。此時(shí) 如果 iTR位為 1，定時(shí)器啟動開始工作；為 0，定時(shí)器停止工作；當(dāng) GATE＝ 1 時(shí)，定時(shí)器的啟動要由外部中斷引腳和 iTR 位共同控制。 M M0： 定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作方式選擇 位。這兩位也可作為程序查詢的標(biāo)志位，在查詢方式下應(yīng)由軟件來清 0。 IE1 和 IE0：為外部中斷 INT1 和外部 INT0 的中斷請求標(biāo)志位。 iIT 設(shè)置為 “0”時(shí)為電平觸發(fā)方式；設(shè)置為 “1”時(shí)為邊沿觸發(fā)方式。若要啟動定時(shí)器可以使用位 操作指令 SETB iTR 來啟動 [13]。 如圖 33 所示，剛開始是定時(shí)器 T0 入口，然后在關(guān)定時(shí)。在方式 2 工作下，計(jì)數(shù)器最多可計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為 M＝ 2E8＝ 256。 如圖 34 所示，剛開始是定時(shí)器 T1 入口，然后 取反，從 口輸出的是高電平，取反后會發(fā)生跳變，產(chǎn)生方波。 計(jì)數(shù) 器 T0入口 關(guān)定時(shí) 啟動 T0， T1 賦初值 返回 23 圖 33 定時(shí)器 T1中斷服務(wù)流程圖 外部中斷服務(wù)程序流程圖 如圖 34 所示，進(jìn)入外部中斷入口，關(guān) T0T1 及外部中斷，再送計(jì) 數(shù)值，也就是超生 波發(fā)送到接收到的時(shí)間， 再置位標(biāo)志位。 系統(tǒng)計(jì)算流程圖 如圖 36 所示 ： 延時(shí) 將 第一位數(shù) 送入 P0口 將 第二位數(shù) 送入 P0口 將 第三 位 數(shù) 送入 P0口 延時(shí) 返回 將 第四 位 數(shù) 送入 P0口 延時(shí) 延時(shí) 關(guān)外部中斷 讀取時(shí)間值 計(jì)算距離 結(jié)果輸出 置位標(biāo)志位 返回 外部中斷入口 25 圖 36 計(jì)算程序流程圖 利用式子 10000000/0170 T? 求得第一位數(shù)字 讀取 T0值 利用式子 1000000/0170 T? 求得第二位數(shù)字 返回 利用式子 10000/0170 T? 求得第四位數(shù)字 利用式子 100000/0170 T? 求得第三位數(shù)字 顯示結(jié)果 26 4 電路調(diào)試及誤差分析 系統(tǒng)軟件的調(diào)試 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可使用合適的軟件編程將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。下面介紹本系統(tǒng)所采用的編程調(diào)試軟件的使用及程序下載。 新建工程之后就會，彈出如上圖所示的芯片選擇窗口。 28 圖 44 文件的添加窗口 圖 45 右側(cè)顯示就是文檔添加后的工程樣式 圖 46 晶振的頻率選擇窗口 圖 47 生成 HEX 文件的選項(xiàng)框 系統(tǒng)的 軟 硬件 串聯(lián) 調(diào)試 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn) 行。 29 系統(tǒng)調(diào)試完后可對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng) 減小測距誤差， 使其滿足更高的測量要求。 31 聲速引起的誤差 聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對聲速影響。 圖 48 空氣中溫度 聲速圖 由式 (41)和圖 48 可見，當(dāng)溫度 θ 從 0～ 40℃ 變化時(shí)，將會產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測量準(zhǔn)確度，計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正。s。 提高測距精度的方法 上節(jié)分析了超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。 因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用 AGC 電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅度的變化 ，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。 4. 補(bǔ)償溫度對傳播聲速的影響 。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模擬 I2C 總線的讀寫時(shí)序， LM92高精度溫度測量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計(jì)測距系統(tǒng)必需要考慮的問題。 超聲波傳感器 是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和超聲波測距儀的測距原 理 。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 反向器，通過它對單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號進(jìn)行放大，以驅(qū)動傳感器工作。 本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點(diǎn)。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會進(jìn)一步改進(jìn)。這些對我今后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大幫助的。 接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)。 還有許許多多給予我學(xué)業(yè)上鼓勵和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一并表示 衷 心地感謝！ 36 參考文獻(xiàn) : [1]胡盛斌 ,羅均 ,龔振邦 .用于移動機(jī)器人避障的超聲測距系統(tǒng) [J].機(jī)電一體化 ,2020，(1):37—40. 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