【正文】 kHz 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)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度快，脈沖發(fā)射周期可選短些。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。本章分析了各種產(chǎn)生測量誤差的原因以及解決辦法，以更進(jìn)一步提高超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。接收電路采用的是 LM741，通過接收電路對接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序?？傮w來說，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。其嚴(yán)以律己、寬以待人的崇高風(fēng)范，樸實(shí)無華、平易近人的人格魅力，與無微不至、感。測距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場和自動(dòng)控制場合，都有很重要的作用。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。對于測距系統(tǒng)來說，誤差是不可避免的。若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路，則計(jì)數(shù)頻率可直接引用單片機(jī)的晶振頻率，時(shí)間量化誤差更小。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)。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)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(huì)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。s 的方波信號(hào)，頻率分別為 和 。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號(hào)峰峰值放大到10V 左右。(2)模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過 IO 輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間．測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。在平時(shí)，ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。P3 口：P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè)TTL 門電流。P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。低功耗的閑置和掉電模式4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：100 寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10 年圖 17 AT89C 單片機(jī)管腳圖AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。這類單片機(jī)的特點(diǎn)是：CPU 是 16 位的，運(yùn)算速度普遍高于 8 位機(jī)，有的單片機(jī)尋址能力高達(dá)1MB，片內(nèi)含有 A/D 和 D/A 轉(zhuǎn)換電路，支持高級語言。(1)4 位單片機(jī) 4 位單片機(jī)的控制功能較弱，CPU 一次只能處理 4 位二進(jìn)制數(shù)。為了弄清單片機(jī)的工作原理，現(xiàn)以如下的 Y=5+10 求和程序來說明單片機(jī)的工作過程。A←data100100100 data2 24 data2 ADD A,data2。并行 I/O 口電路可以使單片機(jī)和存儲(chǔ)器或外設(shè)之間并行地傳送 8 位數(shù)據(jù)(8 位機(jī))。單片機(jī)內(nèi)部總線是 CPU 連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類信息傳送的公共通道。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算術(shù)邏輯單元)主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對累加器 A 和暫存器 TMP 中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。 (2)RAM通常，單片機(jī)片內(nèi) RAM(Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)容量為64～256 字節(jié)，最多可達(dá) 48K 字節(jié)。(1)ROM ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)一般為 1~32K 字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲(chǔ)器。圖 16 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。超聲波傳感器有四種檢測方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。傳感器的標(biāo)稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。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。 //取十位 shwei=num%10。 ulong num。 if(b!=a) CONT_1++。 //沒有回波則清零 test = !test。//等待測量的結(jié)果，周期 毫秒（可用中斷實(shí)現(xiàn)） TR1=0。 //等待 Echo 回波引腳變高電平 succeed_flag=0。 //打開定時(shí)器 0 中斷 //ET1=1。 i=0。 uchar CONT_1。七段 LED 顯示管比八段 LED 少一只發(fā)光二極管 SP，其他與八段相同。圖 7 接收電路超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號(hào)，其頻率為傳感器的中心頻率，即 40kHz。圖 4 時(shí)序圖單片機(jī)在 T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。圖 3 超聲波測距系統(tǒng)框圖單片機(jī) AT89C51 發(fā)出短暫的 40kHz 信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED 數(shù)碼管進(jìn)行顯示。利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應(yīng)在 30cm～200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在10mm。 課題主要內(nèi)容通過上節(jié)介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、方便，而且測精度能達(dá)到工業(yè)要求。其系統(tǒng)框圖如圖 2 所示。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(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，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。制作基于單片機(jī)的超聲波測距儀，需要以超聲波技術(shù)為基礎(chǔ)的外圍超聲波收發(fā)電路，以及以單片機(jī)技術(shù)為核心的主控制器。Key words: Ultrasonic wave。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步，測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。無庸置疑，未來的超聲波測距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。s practical demand in measuring the precision 。通過本課題可以幫助學(xué)習(xí)理解單片機(jī)和超聲波這兩種時(shí)下發(fā)展最快的技術(shù)。圖 1 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)框圖這種以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)通過單片機(jī)記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。配合使用 MAX+plusII 開發(fā)軟件，可集設(shè)計(jì)輸入、設(shè)計(jì)處理、設(shè)計(jì)校驗(yàn)和器件編程于一體，集成度高，開發(fā)周期短。本系統(tǒng)采用先進(jìn)的 CPLD 器件，高性能、低成本地實(shí)現(xiàn)了距離的測定。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(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號(hào)，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。其系統(tǒng)原理框圖如圖 3 所示。其時(shí)序圖如圖 2 所示。本系統(tǒng)采用了 LM741 對接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，接收電路如圖 7 所示。八段 LED 顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號(hào)是 a、b、c、d、e、f、g 和 SP，分別與同名管腳相連。 主程序說明圖 11 為主程序流程圖主程序清單如下:main(void) // 主程序{ uint distance_data,a,b。 P2M0 = 0XFF。 //由高電平變低電平，觸發(fā)外部中斷ET0=1。 //產(chǎn)生一個(gè) 20us 的脈沖，在 Trig 引腳 while(Echo==0)。 while(TH1 30)。 //微秒的單位除以 58 等于厘米 } //為什么除以 58 等于厘 if(succeed_flag==0) { distance_data=0。 if(b==a) CONT_1=0。 ulong COUNT。 //取百位 gwei=(numbwei*100)/10?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。在設(shè)計(jì)超聲波測距系統(tǒng)之前，我們首先來了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識(shí)。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。 特性現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表 31 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。這種方式的檢測距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測物體使用100mm100mm 的方形板。 回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。圖 15 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成控制部分判斷接收器的接收信號(hào)的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。 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。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 16 所示。通常，ROM 存儲(chǔ)器容量較大，RAM 存儲(chǔ)器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。因此，EPROM 型單片機(jī)是深受研制人員歡迎的。TR(Temporary Register,暫存器)也是一個(gè) 8 位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。微操作控制部件可以為 ID(Instruction Decoder，指令譯碼器)輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。串行 I/O 用于串行通信，它可以把單片機(jī)內(nèi)部的并行 8 位數(shù)據(jù)(8 位機(jī))變成串行數(shù)據(jù)向外傳送，也可以串行接收外部送來的數(shù)據(jù)并把它們變成并行數(shù)據(jù)送給 CPU 處理。表 4 指令的三種形式指令的二進(jìn)制形式 指令的十六進(jìn)制形式 指令的匯編形式01110100 data1 74 data1 MOV A,data1。顯然，設(shè)計(jì)人員如果不熟悉機(jī)器的指令系統(tǒng)是無法編出優(yōu)質(zhì)高效的程序的。按照 CPU 對數(shù)據(jù)處理位數(shù)來分，單片機(jī)通常可以分為以下四類。(3)16 位單片機(jī) 16 位單片機(jī)是在 1983 年以后發(fā)展起來的。其管腳圖如圖 17 所示。與 MCS51 兼容 可編程串行通道P1 口：P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。3．振蕩器特性：XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。在閑置模式下，CPU 停止工作。 5 模塊 HCSR04 簡介 主要技術(shù)參數(shù)： 1：使用電壓：DC5V 2：靜態(tài)電流：小于 2mA 3：電平輸出：高 5V 4：電平輸出：底 0V 5：感應(yīng)角度：不大于 15 度 6：探測距離：2cm450cm 7:高精度 可達(dá) : 8：接線方式，VCC、trig（控制端） 、 echo（接收端） 、GND圖 17 實(shí)物圖 模塊工作原理：(1)采用 IO 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號(hào)。首先測試發(fā)射電路對信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz 的方波信號(hào)，峰峰值為 。s 或 13181。由公式（2）可知，聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對聲速影響。隨機(jī)誤差由于測量過程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律變化的，為了減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測量 xi，然后取平均值 x 作為測量的真值 [10]。例如：單片機(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率 6MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 ，此時(shí)在空氣中的測距時(shí)間量化誤差為 ；當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 1MHz，此時(shí)測距時(shí)