【正文】 接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)。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(huì)進(jìn)一步改進(jìn)。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 反向器，通過(guò)它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)必需要考慮的問(wèn)題。 4. 補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響 。 提高測(cè)距精度的方法 上節(jié)分析了超聲波測(cè)距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測(cè)量精度是超聲測(cè)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(jiàn)，當(dāng)溫度 θ 從 0～ 40℃ 變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正。 29 系統(tǒng)調(diào)試完后可對(duì)測(cè)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(cè)距誤差， 使其滿足更高的測(cè)量要求。 新建工程之后就會(huì)，彈出如上圖所示的芯片選擇窗口。 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。 如圖 34 所示，剛開(kāi)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(huì)發(fā)生跳變，產(chǎn)生方波。 如圖 33 所示，剛開(kāi)始是定時(shí)器 T0 入口，然后在關(guān)定時(shí)。 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。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(lái)清 0。此時(shí) 如果 iTR位為 1，定時(shí)器啟動(dòng)開(kāi)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(dòng)要由外部中斷引腳和 iTR 位共同控制。 TL1=T12us。 /* 測(cè)量標(biāo)志 */ cshu=0。 主程序的流程圖如圖 31 所示： 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，T1 為定時(shí)器 T2 模式，開(kāi)中斷 IE， 再設(shè)置超聲波個(gè)數(shù)。距離的計(jì)算公式為： 2/)(2/ tcsd ??? （ 31） 其中， d 為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離， s 為聲波的來(lái)回的路程， c 為聲速， t 為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng) LED 的方法，從而簡(jiǎn)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(hào)時(shí) ， 其輸出腳 7腳輸出低電平。s，半周期為 。驅(qū)動(dòng)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(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(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開(kāi)關(guān) s 接電源。 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(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)， 用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)測(cè)距的LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，超聲波測(cè)距系統(tǒng)組成框圖見(jiàn) 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(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。 圖 21 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波測(cè)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(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 （ 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(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等 [8]。 超聲波的發(fā)生原理 通常正常人耳朵的聽(tīng)力的聲波范圍是 20Hz～ 20kHz，超聲波是指振動(dòng)頻率在 20kHz以上的聲波 [6]。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。 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(wú)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(wú)聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差稱為聲壓 。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。當(dāng)打開(kāi)通電開(kāi)關(guān)時(shí)，裝 置即開(kāi)始測(cè)距，從發(fā)射傳感器發(fā)射出的脈沖串會(huì)在 4 碰到障礙物后反射至接收傳感器，經(jīng)過(guò)一系列的處理或計(jì)算過(guò)程就會(huì)在顯示模塊顯示出來(lái)。 而本次研究的就是以 AT89C52單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)測(cè)距，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。 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(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 不論在國(guó)內(nèi)還是在國(guó)外，超聲波測(cè)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(lái)越廣泛，但在國(guó)內(nèi)，它的發(fā)展尚處于初期階段，利用超聲波測(cè)距技術(shù)還十分有限，在不久的未來(lái)，超聲波測(cè)距儀也必將作為重要的測(cè)距手段而被社會(huì)廣泛需要。為此我們需要一種可以精確測(cè)量的非接觸式的測(cè)距方式，于是超聲波測(cè)距儀應(yīng)用而生。 人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在 20Hz20kHz 范圍內(nèi)，超過(guò)20kHZ 稱為超聲波。距離是通過(guò)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(lái)確定的。超聲波明顯特征是方向性好 ，穿透性強(qiáng)。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(guò) 5cm。 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) 。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。 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(cè)距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。 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]。 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)。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 。 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。 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(duì) 聲阻抗特性值有顯著的影響 ， 實(shí)際中應(yīng)予以注意。 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。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。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。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。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，分解力也變高。其中，相位檢測(cè)法精度高，但檢測(cè)范圍有限 。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。 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(guò)外部引腳 輸出脈沖寬度為 25μs , 40kHz的 20個(gè)脈沖串通過(guò)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。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)， 用以提高驅(qū)動(dòng)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(hào)非常弱，經(jīng)過(guò) CX20206A 處理后產(chǎn)生負(fù)跳變，引起單片機(jī)的外部中斷。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。 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。 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(guò)程。 部分源程序如下： init_CTC( )。 ET0=1。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。 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。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”。 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。 本設(shè)計(jì)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(yǔ)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)。如下圖 41 所示，雙擊就可以打開(kāi)程序編輯環(huán)