【正文】 13 號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。 直接探測(cè)方式的接收 /發(fā)射器要相互配置。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成 時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)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)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。本章 從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響；回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律 。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變 S 與外加電場(chǎng)強(qiáng)度 E 的關(guān)系為： S=d脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生 40KHz脈沖電壓。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)?？梢钥闯?，本電路的測(cè)量距離明顯提高，而且管子基本沒有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定。 軟件設(shè)計(jì) ： 超聲測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù) (萬(wàn)倍級(jí) )和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè) 。例如： 20℃ 時(shí)， T=， CS= m/s； 40℃ 時(shí)， T=， CS= m/s； 20℃ 時(shí) , T＝ ， CS= m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣 中的傳播速度有明顯的影響。 超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波 電容 C4 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 T R T R T/R 15 圖 313 主程序框圖 超聲波發(fā)生子程序 的 作用是通過(guò) 端口發(fā)送 2 個(gè)左右 的 超聲波信號(hào)頻率約 40KHz的 方波，脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。發(fā)射探測(cè)方式的接收 /發(fā)射器有單獨(dú)使用與共用兩種方式，共用方式就是一個(gè)超聲波傳感即用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。但光電傳感器不能探測(cè)透明的物體。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示中，每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的 I/O 接口，該接口用于筆劃段字型代碼。限制的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素 :超聲波的幅度，反射面的質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。 本設(shè)計(jì)采用 AT89S51 單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲 11 波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成，超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)原理如圖 38 所示，部分硬件電路圖見附錄一。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。 傳感器的定義及作用 一、 廣義地來(lái)說(shuō)，傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件。欲使 CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表 所示 表 P3口的功能 8端口引腳 第二功能 PXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外中斷 0） INT1（外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） ：復(fù)位輸入。 口： P1 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路，對(duì)端口寫 “ 1” ，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。 AT89S51 介紹 單片機(jī)的概述 由于此單片機(jī)應(yīng)用在測(cè)距儀上，所以本設(shè)計(jì)選用 了 低功耗、低價(jià)格、小管腳 (40 腳 )的 AT89S51 單片機(jī) 。為解決這一問題，系統(tǒng)對(duì)不同的車輛 進(jìn)行不同的編碼調(diào)制，使每輛車只能接收到其本身發(fā)射的信號(hào)。本課題屬于近距離測(cè)量，可以采用常用 的 壓電式超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米／秒。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人視覺系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確與否。 超聲波在液體介質(zhì)中傳播時(shí)，可在界面上產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊和空化現(xiàn)象。 超聲波是指頻率高于 20KHz 的 機(jī)械波。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。 ultrasonic 。本系統(tǒng)具有易檢測(cè)、 軟件功能完善， 工作可靠、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)。 本文論述了單片機(jī)技術(shù)研制成功的超聲波測(cè)距儀 的基本原理，測(cè)量計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)方案。sensor。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用 AT89S51 單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。 超聲波 具有 的特點(diǎn) ： 超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。下表列出了幾種溫度下的聲速： 表 聲速與 溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 C 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 C 為 340m/s。 利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量低速行 駛車輛與飛機(jī)的距離，當(dāng)車輛與飛機(jī)的距離小于安全距離時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示車輛與飛機(jī)之間的距離，提醒駕駛員及時(shí)采取減速、制動(dòng)等措施，從而達(dá)到避免車輛與飛機(jī)碰撞、拖掛等事故。 為有效消除干擾，編碼解調(diào)采用積累檢測(cè)解調(diào)。如圖 32所示 ： 圖 32 AT89S51芯片引腳圖 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80S51 引腳結(jié)構(gòu)， AT89S51具有 40 個(gè)引腳， 4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 128 Bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5 個(gè)中斷優(yōu)先級(jí) 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器 計(jì)時(shí)器 調(diào)制器 接收檢測(cè) 聲電換能 振蕩器 電聲換能 障 礙 物 控制 顯示器 7 定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行 通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ IIL）。當(dāng)振蕩 器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。國(guó)際電工委員會(huì) (IEC:International Electrotechnical Committee)的定義為： “傳感器是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，它將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào) ”。超聲波傳感器的符號(hào)及等效電路如圖 33 圖 33 傳感器符號(hào)及等效電路圖 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采用措施擴(kuò)展頻帶，比如，接入電感等。 AT89S51 通過(guò)外部引腳輸出一個(gè)脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級(jí)，經(jīng)升壓變換推動(dòng)超聲波換能器發(fā)射出去。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè) 距離。這樣單片機(jī)只要把顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。 靜態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的 CPU 時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較少；動(dòng)態(tài)顯示需要 CPU 時(shí)刻對(duì) 顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)