【正文】 接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學(xué)。但由于經(jīng)驗不足，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)中會進一步改進。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 反向器，通過它對單片機產(chǎn)生的方波信號進行放大，以驅(qū)動傳感器工作。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計測距系統(tǒng)必需要考慮的問題。 4. 補償溫度對傳播聲速的影響 。 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)。 圖 48 空氣中溫度 聲速圖 由式 (41)和圖 48 可見，當溫度 θ 從 0～ 40℃ 變化時，將會產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測量準確度，計算時必須根據(jù)溫度進行聲速修正。 29 系統(tǒng)調(diào)試完后可對測量誤差和重復(fù)一致性進行多次實驗分析，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。 新建工程之后就會，彈出如上圖所示的芯片選擇窗口。 系統(tǒng)計算流程圖 如圖 36 所示 ： 延時 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 返回 將 第四 位 數(shù) 送入 P0口 延時 延時 關(guān)外部中斷 讀取時間值 計算距離 結(jié)果輸出 置位標志位 返回 外部中斷入口 25 圖 36 計算程序流程圖 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試運行。 如圖 34 所示，剛開始是定時器 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。 如圖 33 所示，剛開始是定時器 T0 入口，然后在關(guān)定時。 iIT 設(shè)置為 “0”時為電平觸發(fā)方式；設(shè)置為 “1”時為邊沿觸發(fā)方式。這兩位也可作為程序查詢的標志位，在查詢方式下應(yīng)由軟件來清 0。此時 如果 iTR位為 1，定時器啟動開始工作；為 0，定時器停止工作；當 GATE＝ 1 時，定時器的啟動要由外部中斷引腳和 iTR 位共同控制。 TL1=T12us。 /* 測量標志 */ cshu=0。 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)置定時器 T0工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式，T1 為定時器 T2 模式，開中斷 IE， 再設(shè)置超聲波個數(shù)。距離的計算公式為： 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間。本設(shè)計采用單片機直接驅(qū)動 LED 的方法，從而簡化了顯示電路。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即 LED。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 ， 其輸出腳 7腳輸出低電平。s，半周期為 。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。在復(fù)位電路中，單片機 RST 管 腳一方面經(jīng) 10μF 的電容接至電源正極，實現(xiàn)上電自動復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān) s 接電源。 本系統(tǒng)的特點是 采用 AT89C52 單片機作為控制器，控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時， 用動態(tài)掃描法實現(xiàn)測距的LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器產(chǎn)生，超聲波測距系統(tǒng)組成框圖見 10 圖 24。 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，大部分是在標稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴展頻帶，例如，接入電感等。 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)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 （ 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 ?？蓪⒊暡ㄅc電量做轉(zhuǎn)換的裝置稱為超聲波傳感器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等 [8]。 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]。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。 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 。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。當打開通電開關(guān)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。 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。 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。 故總體而言，此次選題的要求可概括為以下幾點： (1).設(shè)計出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 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(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。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。 人們能聽到聲音是由于物體振動產(chǎn)生的，它的頻率在 20Hz20kHz 范圍內(nèi)，超過20kHZ 稱為超聲波。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。超聲波明顯特征是方向性好 ，穿透性強。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。 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 。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。 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。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機控制的。 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]。 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。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 。 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。 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 。 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。 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。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。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。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。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限 。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。 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。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)， 用以提高驅(qū)動能力。 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。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。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 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。 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。 部分源程序如下： init_CTC( )。 ET0=1。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。 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。當外部中斷源有請求時其對應(yīng)的中斷標志位置 “1”。 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。 本設(shè)計采用模式 2， 其具體程序如下： TMOD=0x21。 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。如下圖 41 所示，雙擊就可以打開程序編輯環(huán)