【正文】 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量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。在氣體中，壓強(qiáng)、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(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí) 間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。 3. 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差。 由 LM92 溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測距已應(yīng)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(dá)到毫米級的測量 精度等優(yōu)點(diǎn)，在工程上的開發(fā)與應(yīng)用前景廣闊 [12]。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(dǎo)師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對我給予的悉心指導(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。 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，克服成長路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。對一塊電路板的 設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個過程，有了更深入的理解和掌握。單片機(jī)內(nèi)部采用 C 語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距 離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案?！?，I2C 總線接口。 2. 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié) (AGC)及自動增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。 相對而言，單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時(shí)，時(shí)間分辨 32 率為 1181。如圖 48 所示： 圖 48 超聲波測距儀實(shí)物圖 系統(tǒng)的誤差分析 實(shí)際的檢測數(shù)據(jù)如下表格： 表 41 實(shí)際檢測數(shù)據(jù)表 測量次數(shù) 實(shí)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(yuǎn)測量距離： 220cm ， 對應(yīng)實(shí)際最遠(yuǎn)距離為： 221cm 。圖 46 為選擇 12MHz 的晶振，再從 output 選項(xiàng)中選擇生成 HEX 文件，如圖 47。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)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)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。然后再開外部中斷。 圖 32 定時(shí)器 T0流程圖 定時(shí)器 T1 中斷服務(wù)程序流程圖 方式 2 有自動重新加載初值的功能，使定時(shí)器做更精確的計(jì)時(shí)。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)所有位均為 0。定時(shí)器啟動時(shí)該位應(yīng)置 “1”。當(dāng) TC/ ＝ O 時(shí)設(shè)置為定時(shí)器方式；當(dāng) TC/ ＝ 1 時(shí)設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式。這兩個定時(shí) /計(jì)數(shù)器可用于定時(shí)、延時(shí)、對外部事件計(jì)數(shù)、分頻及事故記錄等。 IE=0x80。 測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。當(dāng)系統(tǒng) 進(jìn)入超聲波接收中斷程序后，該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)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(gòu)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(shí)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(shí)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(shè)計(jì)的核心所在，好比大腦之于人類的重要性。下面將分單 片 機(jī) 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(jī)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(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報(bào)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(xiàng)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(yīng)進(jìn)行工作的。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它們在本質(zhì)上是一種能量的傳播形式， 其不同點(diǎn)是超聲波頻率較可聞波頻率高， 波長也短，在一定范圍內(nèi)可沿直線傳播，且具有良好的束射性和方向性。 兩種介質(zhì)的聲阻抗特性差愈大 ， 則反射波的強(qiáng)度愈大 。 聲強(qiáng)是一個矢量 ， 它的方向就是能量傳播的方向 ,聲強(qiáng)的單位是2/mW 。先對硬件組裝及性能進(jìn)行分析，再進(jìn)行軟件部分的分析，最后是軟硬件結(jié)合后的調(diào)試結(jié)果。 第 2章為系統(tǒng)的硬件部分的整體設(shè)計(jì)。第三，更重要 是培養(yǎng)團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)出一個簡單，精度高，誤差小的測距裝置。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離 ,結(jié)果輸出給 LED 顯示。 (4).對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。軟件主要工作流程是：單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后將數(shù)據(jù)輸出 P0 口顯示。這 些獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)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(lǐng)域廣泛應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制 ,并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求 ,因此在移動機(jī)器人 ,汽車安全 ,海洋測量等上得到了廣泛的應(yīng)用。 系統(tǒng)的軟件部分則包括主程序、定時(shí)子程序、顯示子程序和外部中斷服務(wù)子程序。 論文題目：超聲波測距儀 的設(shè)計(jì) (軟件 ) 專 業(yè)：自動化 本 科 生： （簽名） ________ 指導(dǎo)教師： （簽名） ________ 摘 要 超聲波測距 作為一種非接觸性的光學(xué)測量方法，近年來得到了廣泛應(yīng)用。裝置包括單片機(jī)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(diǎn)，一個是能量大，一個是沿直線傳播，它的應(yīng)用就是按照這 兩個特點(diǎn)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(shí)的時(shí)間差來計(jì)算出障礙物的距離，對被測目標(biāo)無任何影響， 再者超聲波傳播速度也在一定范圍內(nèi)與其頻率無關(guān)。 2 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 課題設(shè)計(jì)的任務(wù) 此 次課題的研究方向是超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)。 (3).以數(shù)字的形式顯示測量距離。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時(shí)啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，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。其次，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解所學(xué)的專業(yè)知識，將自身所學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自身能力的鍛煉與提高。包括選題意義、選題任務(wù)、選題要求和選題的研究背景及其相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第 4章為系統(tǒng)整體調(diào)試及誤差分析。 (3)聲強(qiáng)：聲強(qiáng)又稱為聲波的能流密度 ， 即單位時(shí)間內(nèi)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(guān)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(zhì)的聲學(xué)性質(zhì) ， 其有效值等于傳聲介質(zhì)的密度 ρ 與聲速 c 之積 ， 記作 cZ ?? 聲波在兩種介質(zhì)的界面上反射能量與透射能量的變化 ,， 取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗特性 。超聲波和可聞聲在本質(zhì)上其實(shí)是一致的，它們的共同點(diǎn)都是 機(jī)械振 動波， 是一種縱波，在彈性介質(zhì)內(nèi)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(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí) ， 使磁滯材料振動 ,引起內(nèi)部磁場變化 ， 根據(jù)電磁感應(yīng)原理 ， 使線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)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(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)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(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。 而且單片機(jī)最小系統(tǒng)也是本次課題設(shè)計(jì) 的控制中心，由它負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)出與接收，計(jì)算并處理測量結(jié)果，最后將結(jié)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(shè)計(jì)中采用的是由單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波，單片機(jī) 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(zhuǎn)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(jī)中斷 INT0。 如圖 28所示： 圖 28 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 超聲波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的一個難點(diǎn)。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(jié) 本章我們詳細(xì)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(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 端產(chǎn)生一個中斷請求信號 ，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個數(shù)就是 1μs，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù) （即超聲波來回所用的時(shí)間）按式 32 計(jì)算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃ 時(shí)的聲速為 340 m/s 則有： 2/0172/)( Ttcd ??? （ 32) 其中， 0T 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)算值。 /*延時(shí) */。 …… 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(shí)器 設(shè)置超聲波個數(shù) 計(jì)算距離 調(diào)用顯示 標(biāo)志位 CL flag是否 為 1？ 開 T0 口發(fā)送超聲波 Y N 返回 20 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0/T1 定時(shí)程序流程圖 AT89C52 單片機(jī)內(nèi) 帶 有兩個 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1，它們均可作為定時(shí)器或計(jì)數(shù)器使用。 TC/ ： 定時(shí)或計(jì)數(shù) 功能選擇位。當(dāng)由軟件使 TRi清 0 而停止定時(shí)器的工作。它是一個可 以進(jìn)行位尋址的寄存器。關(guān)定時(shí)之后，給它賦初值 00. 22 這時(shí)在同時(shí)啟動 T0、 T1。程序設(shè)計(jì)的是給 串?dāng)?shù)（ cshu）自減，減到零時(shí)就發(fā)送完 .如果發(fā)送完就關(guān) T1，如果沒有發(fā)送完，就繼續(xù)發(fā)送。根據(jù)所設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shí) 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(jī)中斷再通過軟件啟停定時(shí)器，都需要一定的時(shí)候，中斷的方式誤差相對要小一些。 據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲測距的工作頻率選擇 40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應(yīng)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