【正文】 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，以適應不同距離的測量需要。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。 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。 3. 提高計時精度，減少時間量化誤差。 由 LM92 溫度傳感器和單片機組成的高精度超聲波測距已應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)與應用前景廣闊 [12]。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設計測距電路。測距范圍從 20cm 到 200cm，測量精度在 177。 35 致 謝 首先，我要感謝我的導師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，同時也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設計期間所給予我得幫助。 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，在生活和學習上給予我無盡的愛、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，順利的完成大學學習。對一塊電路板的 設計、焊板、調試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。單片機內部采用 C 語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時間差的讀取、距 離的計算以及顯示輸出的譯碼都由單片機編程完成。給出了硬件和軟件的設計方案?！?，I2C 總線接口。 2. 在超聲波接收回路中串入增益調節(jié) (AGC)及自動增益負反饋控制環(huán)節(jié)。 相對而言，單片機的時間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時，時間分辨 32 率為 1181。如圖 48 所示： 圖 48 超聲波測距儀實物圖 系統(tǒng)的誤差分析 實際的檢測數(shù)據(jù)如下表格： 表 41 實際檢測數(shù)據(jù)表 測量次數(shù) 實際距離 X(cm) 測量距離 Y(cm) 誤差（ %） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 最遠測量距離： 220cm ， 對應實際最遠距離為： 221cm 。圖 46 為選擇 12MHz 的晶振，再從 output 選項中選擇生成 HEX 文件，如圖 47。系統(tǒng)調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。然后再開外部中斷。 圖 32 定時器 T0流程圖 定時器 T1 中斷服務程序流程圖 方式 2 有自動重新加載初值的功能，使定時器做更精確的計時。當系統(tǒng)復位時所有位均為 0。定時器啟動時該位應置 “1”。當 TC/ ＝ O 時設置為定時器方式；當 TC/ ＝ 1 時設置為計數(shù)器方式。這兩個定時 /計數(shù)器可用于定時、延時、對外部事件計數(shù)、分頻及事故記錄等。 IE=0x80。 測出距離后結果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。當系統(tǒng) 進入超聲波接收中斷程序后，該中斷后就立即關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。 16 超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分 、顯示電路 以及電源部分構成。而在共陽極接法中，剛好與共陰極接法向反。超聲波接收器包括超聲波接收探頭、 CX20206A 處理兩部分 ，如圖 29。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘栁⑷?，同時根據(jù)反射條件不同信號大小變化較大 ， 需要放大倍數(shù)大約為 100 到 5000 倍 ， 另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大 ， 這就需要高輸入阻抗的多級放大電路 ， 這就會引入兩個問題 ： 高輸入阻抗容易接收干擾信號 ， 同時多級放大電路容易自激振蕩。另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極?？梢哉f它是整個設計的核心所在，好比大腦之于人類的重要性。下面將分單 片 機 發(fā)射電路 接收電路 障 礙 物 發(fā)射頭 接收頭 圖 24 超聲波測距系統(tǒng) 原理圖 11 別介紹控制電路也即單片機最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、及顯示電路。 圖 23表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感 器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。 本項目所用的壓電式超聲波發(fā)生器。 （ 1） 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器 (或稱發(fā)射探頭 )和超聲波接收器 (或稱接收探頭 )兩部分組成 ， 它們都是利用壓電材料 (如石英 ， 壓電陶瓷等 )的壓電效應進行工作的。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它們在本質上是一種能量的傳播形式， 其不同點是超聲波頻率較可聞波頻率高， 波長也短，在一定范圍內可沿直線傳播，且具有良好的束射性和方向性。 兩種介質的聲阻抗特性差愈大 ， 則反射波的強度愈大 。 聲強是一個矢量 ， 它的方向就是能量傳播的方向 ,聲強的單位是2/mW 。先對硬件組裝及性能進行分析，再進行軟件部分的分析，最后是軟硬件結合后的調試結果。 第 2章為系統(tǒng)的硬件部分的整體設計。第三，更重要 是培養(yǎng)團隊合作意識，通過與搭檔的共同努力，基于對超聲波測距儀軟硬件的了解，設計出一個簡單，精度高，誤差小的測距裝置。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離 ,結果輸出給 LED 顯示。 (4).對設計的電路進行分析。軟件主要工作流程是：單片機編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負跳變在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然后將數(shù)據(jù)輸出 P0 口顯示。這 些獨特的優(yōu)點都使得超聲波測距越來越受到人們的重視，也從 70年代末期開始在生產(chǎn)領域廣泛應用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制 ,并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求 ,因此在移動機器人 ,汽車安全 ,海洋測量等上得到了廣泛的應用。 系統(tǒng)的軟件部分則包括主程序、定時子程序、顯示子程序和外部中斷服務子程序。 論文題目：超聲波測距儀 的設計 (軟件 ) 專 業(yè)：自動化 本 科 生： （簽名） ________ 指導教師： （簽名） ________ 摘 要 超聲波測距 作為一種非接觸性的光學測量方法，近年來得到了廣泛應用。裝置包括單片機系統(tǒng)、 顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路 四 部分。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播，它的應用就是按照這 兩個特點展開的。 它利用超聲波測距傳感器的發(fā)射探頭與接 收探頭工作時的時間差來計算出障礙物的距離，對被測目標無任何影響， 再者超聲波傳播速度也在一定范圍內與其頻率無關。 2 課題設計的任務和要求 課題設計的任務 此 次課題的研究方向是超聲波測距儀的軟件設計。 (3).以數(shù)字的形式顯示測量距離。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器，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。其次，有利于學生進一步理解所學的專業(yè)知識，將自身所學與實踐相結合，實現(xiàn)自身能力的鍛煉與提高。包括選題意義、選題任務、選題要求和選題的研究背景及其相關技術在國內外的研究現(xiàn)狀。 第 4章為系統(tǒng)整體調試及誤差分析。 (3)聲強：聲強又稱為聲波的能流密度 ， 即單位時間內通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量 。 表 21 聲速與溫度關系表 [5] 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 聲速（ m/s） 349 344 338 331 325 319 313 6 （ 2）聲阻抗特性 : 聲阻抗特性能直接表征介質的聲學性質 ， 其有效值等于傳聲介質的密度 ρ 與聲速 c 之積 ， 記作 cZ ?? 聲波在兩種介質的界面上反射能量與透射能量的變化 ,， 取決于這兩種介質的聲阻抗特性 。超聲波和可聞聲在本質上其實是一致的，它們的共同點都是 機械振 動波， 是一種縱波，在彈性介質內傳播。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭 )和磁致伸縮式超聲波傳感器。 其接收原理是 ： 當超聲波作用在磁致材料上時 ， 使磁滯材料振動 ,引起內部磁場變化 ， 根據(jù)電磁感應原理 ， 使線圈產(chǎn)生相應的感應電勢輸出。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波 的雙重作用，即為可逆元件。 MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標稱頻率。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓為 +5V 左右，再經(jīng)傳 感器內部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。 而且單片機最小系統(tǒng)也是本次課題設計 的控制中心，由它負責超聲波的發(fā)出與接收，計算并處理測量結果，最后將結果通LED顯示電路 電源電路 AT89C52 系統(tǒng)控制電路 超聲波 發(fā)射電路 超聲波接收電路 12 過 P0 口顯示出來。本設計中采用的是由單片機發(fā)出 40kHz 的方波，單片機 輸出的 40kHz 方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極。 圖 27 發(fā)射部分電路圖 超聲波接收電路 超聲波接收器接收反射的超聲波轉換為 40KHz 毫伏級的電壓信號 ,需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機中斷 INT0。 如圖 28所示： 圖 28 內部結構框圖 超聲波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設計和調試的一個難點。在共陰極接法中， LED 數(shù)碼管的 ga 七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。 圖 210 顯示電路圖 本章小結 本章我們詳細介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應的原理產(chǎn)生超聲波的。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個中斷請求信號 ，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù) （即超聲波來回所用的時間）按式 32 計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速為 340 m/s 則有： 2/0172/)( Ttcd ??? （ 32) 其中， 0T 為計數(shù)器 T0 的計算值。 /*延時 */。 …… 19 圖 31主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初 始化 T1自動重裝為 16 位定時器 設置超聲波個數(shù) 計算距離 調用顯示 標志位 CL flag是否 為 1？ 開 T0 口發(fā)送超聲波 Y N 返回 20 定時 /計數(shù)器 T0/T1 定時程序流程圖 AT89C52 單片機內 帶 有兩個 16 位定時 /計數(shù)器 T0 和 T1，它們均可作為定時器或計數(shù)器使用。 TC/ ： 定時或計數(shù) 功能選擇位。當由軟件使 TRi清 0 而停止定時器的工作。它是一個可 以進行位尋址的寄存器。關定時之后，給它賦初值 00. 22 這時在同時啟動 T0、 T1。程序設計的是給 串數(shù)（ cshu）自減，減到零時就發(fā)送完 .如果發(fā)送完就關 T1，如果沒有發(fā)送完，就繼續(xù)發(fā)送。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 20～ 200cm，測距儀最大誤差不超過 5cm。 由于本系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，因此文件格式尾注必須是 .C,然后點擊按鈕 Add，將編寫好的文檔添加入工程 ， 如圖 44，圖 45 為文檔添加后的工程樣式。本系統(tǒng)可實 30 現(xiàn)從 20cm到 200cm 的精確測量。 不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機中斷再通過軟件啟停定時器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。 據(jù)經(jīng)驗，超聲測距的工作頻率選擇 40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應大于填充波周期的 10 倍以上，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬 1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主