【正文】 00pf， R2= KΩ 。 為使發(fā)送器得到最大的能量， CD4069 采用了 12V 電壓驅(qū)動。 在此電路中，放大部分采用的是高速型運放 TL084。因為交流信號無法由單片機來處理，所以應將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號。為了判斷超聲回波信號前沿以進行渡越時間 t 的測定而設(shè)置一定的門限電壓， 但由于每次測距的回波信號的峰值不同，當選取一定的門限電壓時，如果門限值設(shè)置過高，會造成信號的漏觸發(fā)，但也不能設(shè)置過低，否則會造成噪聲信號的誤觸發(fā)。 12V的電壓信號轉(zhuǎn)化為單片機能夠處理的信號，其設(shè)計電路如圖 所示，在此電路中 Vcc 接 5V電源。本文采用 DS18B20檢測現(xiàn)場溫度 ， 用以實現(xiàn)實際波速的校準。 DS18B20抗干擾能力強 ,轉(zhuǎn)換精度高 ， 使用時無需標定或調(diào)試 ， 與微處理器的接口電路簡單 ， 可方便地實現(xiàn)多點 組網(wǎng)測溫 ， 給硬件設(shè)計工作帶來了極大的方便。當計數(shù)門打開時 ， DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù) ， 進而完成溫度測量。操作協(xié)議為 ： 初始化 DS18B20 (發(fā)復位脈沖 ) →發(fā) ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數(shù)據(jù)。此外， HD7279A 還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等，并且具有片選信號，可方便地實現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤接口， HD7279 的引腳說明如表 3 所示。 d1 d8 分別對應數(shù)碼竹 18， 0=閃爍， 1=不閃爍。 HD7279A 采用串行方式與微處理器通訊，串行數(shù)據(jù)從 DATA 引腳送入芯片，并由 CLK 端同步。 如果不用鍵盤，則典型電路圖中連接到鍵盤的 8 只 10K 電阻和 8 只 100K 下拉電阻均可以省去。 HD7279A 需要一外接的 RC 振蕩電路以供系統(tǒng)上作，其典型位分別為 R=，C=15pF。如果在沒有按鍵的情況下收到‘讀鍵盤’指令， HD7279A 將輸出 FFH(255)。在檢查了發(fā)射部分的電路后，在電源兩端加上一個 和一個 22uf 的電解電容。 在確定超聲波接收端的放大電路、峰值檢波電路、電壓比較電路和電平轉(zhuǎn)換電路都能正常工作之后，將超聲波發(fā)射端和超聲波接收端的電路通電工作。vision2 軟件編程環(huán)境下，根據(jù)超聲波測距的公式 采用匯編語言將其分為主程序、溫度測量及速度補償子程 序、濾波子程序、距離計算子程序和顯示子程序子個模塊，其中主程序完成超聲波發(fā)射控制和計數(shù)功能。在距離的計算過程中，當溫度每升高 1℃，其超聲波的傳播速度增加。在調(diào)試過程中，采用的是先給各子模塊賦初值后查看其結(jié)果的方式。在這里采用的是先將 口為低電平，然后延時 2s 后在將 口置 1，觀察發(fā)光二極管 的亮滅情況，發(fā)現(xiàn)其始終都亮著，并沒出現(xiàn)亮滅交替的情況。于是采用示波器觀察 T1 的波形，顯示的輸入波形為脈沖信號其脈寬為 4us。 圖 接收模 塊中的各點波形圖 表 7 在 29℃時的 測量結(jié)果 實測距離（ cm） 測量結(jié)果（ cm） 測量距離誤差（ cm） 測量誤差（ %） 5 30 10 14 20 9 30 3 10 40 0 0 50 60 3 100 135 2 180 南昌航空大學學士學位論文 32 第七章 總結(jié) 研究結(jié)論 本系統(tǒng)研制歷時近半年，通 過和老師、同學充分合作共同努力已完成并驗收，這是一個團隊的成果。 本系統(tǒng)的不足和需改進的地方 受時間和經(jīng)驗限制，本系統(tǒng)有不足和需改進的地方： 1．本系統(tǒng)的平面安裝大小為 140mm*120mm，為了進一步縮小整個系統(tǒng)的體積，便于應用推廣，可以用貼片電子元件替代直插元件和制作雙面板的方法。7279數(shù)據(jù)口 KEY_7279 BIT 。7279片選信號口 CLK_7279 BIT 。在硬件的制作過程中，應盡量減小電源的波動對系統(tǒng)的影響，以及在做 PCB 板時可通過網(wǎng)格線的方式增加 系統(tǒng)的抗干擾能力。當系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過采用卷尺對所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)進行比較，在其測量的距離值如表 7 所示。最后將 口的上拉電壓改為 +5V，發(fā)現(xiàn)電路工作正常。通過使用萬用表和示波器來檢查各個模塊的輸入輸出電壓及波形，發(fā)現(xiàn) 555多諧振蕩器的復位端 4腳始終為高電平，超聲波一直在發(fā)射，并沒有達到設(shè)計要求。首先根據(jù)流程圖編寫程序，然后對給定的 6 個二 字節(jié)數(shù)進行濾波處理，最終查看結(jié)果。 Y 開始 7279 初始化，存儲單元和定時器初始化 調(diào)顯示 HELLO 測溫度并顯示， 進行聲速補償 N 50H=0? 數(shù)據(jù)進行濾波及距離運算 N 關(guān)計數(shù)器和發(fā)射并存儲計數(shù)值 Y Y 有按鍵否？ 接收到回波 ? 發(fā)超聲波并開始計數(shù) 延 時 20us N 計數(shù)器清零， 50H=6 圖 主程序流程圖 南昌航空大學學士學位論文 29 2Lt V? () （其中 L 為測量的距離， V為超聲波的傳播速度， t 為所需要的時間）。 南昌航空大學學士學位論文 27 第五章 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試 超聲波測距系統(tǒng)程序設(shè)計流程 主程序設(shè)計流程 本系統(tǒng)以單片機 STC89C52 為核心（其晶振頻率為 6MHz），實現(xiàn)對各部分的控制和響應。其次觀察峰值檢波后的信號波形，發(fā)現(xiàn)將交流信號整為直流后，其直流電壓為12V左右波動。 超聲波測距系統(tǒng)硬件調(diào)試 通過對系統(tǒng)的各個模塊電路進行檢測，發(fā)現(xiàn)無誤后將其按硬件結(jié)構(gòu)框圖連接起南昌航空大學學士學位論文 26 來。當有鍵按下時， KEY 引腳輸出變?yōu)榈碗娖?，此時如果接收到‘讀鍵盤’指令， HD7279A 將輸出所按下鍵的代碼。 因為采用循環(huán)掃描的工作方式，如果 采用普通的數(shù)碼管，亮度有可能不夠，采用高亮或超高亮的型號，可以解決這個問題。 HD7279A 應連接共陰式數(shù)碼管。 當 HD7279A 檢測到有效的按鍵時， KEY 引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵結(jié)束。當相應的數(shù)據(jù)位為‘ 1’時，該段點亮，否則不亮。 圖 溫度測量電路 鍵盤 顯示電路 HD7279 是一片具有串行接口的，可同時驅(qū)動并連接 64 個矩陣按鍵的智能顯示驅(qū)動芯片。 另外 ， 由于 DS18B20單總線通信功能是分時完成的 ， 因此他有嚴格的時隙概念 ，因此讀寫時序很重要。每個 DS18B20有唯一的 64位序列號 ， 這使得可以有多個 DS18B20同時在一條單總線上工作。他將數(shù)據(jù)線、控制線、地址線合為 1根信號線。 表 2 波速與溫度關(guān)系表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 40 波速（ m/s） 313 319 325 332 338 344 350 388 由表 2可見溫度對于超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。因為單片機 STC89C52 的高低電平為 0～6V 左右，所以比較器輸出的電壓不能直接送給單片機去處理。 （其中 RD1,RD2分別為二極管的正向?qū)娮柚禐?120Ω） 電壓比較器模塊 超聲波傳感器所接收到的信號經(jīng)過放大和峰值檢波后變?yōu)橹绷餍盘?，為了判斷其是否接收到的回波信號。同相放大器平衡電阻公式為? （ ） 由公式 ，在圖 ,C5和電阻 R9構(gòu)成了一階濾波電路。上拉電流的大小為： 南昌航空大學學士學位論文 15 圖 超聲波驅(qū)動電路 接收放大電路模塊 超聲波接收傳感器通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號轉(zhuǎn)換成電信號，由于該信號幅度較小 (幾到幾十毫伏 )，因此須由低噪聲放大、 40kHz帶通濾波電路將回波信號放大到一定幅度，使得干擾成分較 少，其電路圖如圖 。輸出級實際上屬于全橋式接法， 使發(fā)射器有效電壓增倍，電路圖如圖 所示。 C2 放電終止、又重新開始充電，周而復始，形成振蕩。 測量距離為 4CM4M，測量誤差 ≤ 1CM。 方案三在超聲波發(fā)射電路中采用了和方案二相同的電路，只是在超聲波接收部分的電路上有很大的不同。最終達到對回波進行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。由于超聲波接收器接收的信號幅度為毫伏級 ，因此采用將接收到的信號先濾波后放大的處理方式。 在超聲波接收放大模塊中，采用的是專用集成芯片 CX20206A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。在接收電路中設(shè)計了前置放大、帶通濾波（中心頻率 f0=40KHz）、自動增益控制（ AGC）電路和整形電路。 南昌航空大學學士學位論文 8 盲區(qū)處理 盲區(qū)處理是超聲波測距的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，盲區(qū)范圍大小是衡量測距系統(tǒng)性能的重要指標。因此，實現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。因此，實現(xiàn)聲波測距須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。 （ 2）逆壓電效應： 在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應（超聲波發(fā)射器的工作原理）。發(fā)射器將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為超聲波向空間發(fā)射，接收器將接收的超聲波進行聲電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 2fa??? () 式中， a為介質(zhì)常數(shù)， f為振動頻率。 根據(jù)超聲波測距的原理，設(shè)計了以 51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)，考慮到單片機測量精度受到內(nèi)部主振頻率或參考頻率的限制，從硬件電路設(shè)計角度出發(fā)，采用了一種單片機外部硬件擴展計數(shù)電路，通過升高計數(shù)的參考頻率來提高了測距系統(tǒng)的計時精度，以最終提高了系統(tǒng)的計時精度。 (2)采用 74LS74A構(gòu)成雙 D觸發(fā)器，使比較后的信號僅在超聲波反射時間內(nèi)輸出為高電平，在從發(fā)射到接收到虛假反射波這段時間內(nèi) 置 0，從而在接收到串繞信號時也不會發(fā)出中斷請求。 《一種高精度超聲波測距處理方法》 [4]提出一種基于歸一化包絡曲線方程的抗起伏信號處理方法。提出減小盲區(qū)的改善措施可以減少發(fā)射波串的長度，發(fā)射波頻率增高，波長減小，可以減少繞射，還可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。 南昌航空大學學士學位論文 2 國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學者也作了相關(guān)的研究。 超聲波測距在某些場合有著顯著的優(yōu)點，因為這種方法是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，因此它是一種非接觸式的測量所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。 附錄 A 超聲波測距系統(tǒng)硬件電路圖 .................... 34 附錄 B 超聲波測距系統(tǒng)軟件程序 ...................... 35 南昌航空大學學士學位論文 1 第一章 緒論 課題背景及意義 利用超聲波測量己知基準位置和目標物體表面之間距離的方法，稱為超聲波測距法。本文結(jié)合超聲波精確測距的需要，分析了影響超聲波測距精確的多種因素，進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，來有效提高超聲波測距系統(tǒng)的精度。 《超聲波測距精度的探討》 [1]一文中提到測量回波用到門限值的方法來測量回波的真實時間。 《高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機器人導航方面的應用》 [3]提出一種比較有效的測量回波方法。不如南昌航空大學學士學位論文 3 《高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機器人導航方面的應用》的方法簡潔。 《自動增益電路在超聲波測距系統(tǒng)中的應用研究》 [6]提出自動增益補償電路使誤差控制在 0． 2mm至 0． 5mm之間，并減少測距盲區(qū)，盲區(qū)范喇為 67cm。 南昌航空大學學士學位論文 4 第二章 超聲波測距原理 超聲波簡介 超聲波 [7]簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍?？紤]實際工程測量要求，在設(shè)計超聲波測距儀時，選用頻率 f=40kHz的超聲波。T/R40的特征參數(shù)如表 1所示。 25% 允許輸入電壓 20V 南昌航空大學學士學位論文 6 工作原理 當 40KHZ的脈沖電信號加在超聲波發(fā)射器上，由壓電陶瓷激勵器和諧振片轉(zhuǎn)換成機械振動，經(jīng)錐形輻射器將超聲振動信號以疏密波的形式向外發(fā)射出去。根據(jù)選擇的超聲波傳感器的不同，其工作原理也相應有所不同。本文采用的是脈沖檢測計數(shù)法。雖然增大超聲波換能器之間的距離能減少盲區(qū)范圍，但是由于受整個系統(tǒng)體積所限，而且增大超聲波換能器之問的距離使回波容易發(fā)散，所以本系統(tǒng)超聲波換能器的之 間距離要盡量縮小，有部分波未經(jīng)反射物就直接進入到接收換能器，形成繞射現(xiàn)象。實現(xiàn)增益 隨時間呈指數(shù)變化的 AGC電路有多種