【正文】 nit_CTC( ) 。 //設(shè)置 初值 TL1= T12us。以下程序 流程 可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算功 能。 27 使用 Keil Software 工具時(shí)你的項(xiàng)目開發(fā)流程和其它軟件開發(fā)項(xiàng)目的流程極其相似 ： 1 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目從器件庫(kù)中選擇目標(biāo)器件配置工具設(shè)置 2 用 C 語言或匯編語言創(chuàng)建源程序 3 用項(xiàng)目管理器生成你的應(yīng)用 4 修改源程序中的錯(cuò)誤 5 測(cè)試連接應(yīng)用 6 下載程序到單片機(jī) 下面通過截圖進(jìn)行說明 ： 圖 42 keil的操作環(huán)境 圖 43 芯片的選擇 圖 42 為 keil 的操作環(huán)境。 根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為 20～ 200cm，測(cè)距儀最大誤差不超過 5cm。 受 聲速受溫度的影響為 20 1 273cc? ??????????????? (41) 圖 48 為 根據(jù)上式測(cè)量的溫度 聲速圖。 隨機(jī)誤差 由于測(cè)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(cè)量 xi，然后取平均值 x 作為測(cè)量的真值 [14]。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 [15]。對(duì)于測(cè)距系統(tǒng)來說，誤差是不可避免的。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。測(cè)距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。同時(shí)還要感謝系實(shí)驗(yàn)室在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供給我們優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短 3 個(gè)月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠(chéng)的謝謝你們。 總體來說，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。接收電路采用的是 CX20206A，通過接收電路對(duì)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。本章分析了各種產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因以及解決辦法，以更進(jìn)一步提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù) 33 有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。其提高測(cè)距精度的措施如下： 1. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。工業(yè)測(cè)量中，一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度，即 ???c (43) 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 tcl ?? ，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 下圖 47 為 仿真調(diào)試圖 圖 47 系統(tǒng)調(diào)試圖 把程序燒入已經(jīng)調(diào)試好的硬件電路中后，便可實(shí)現(xiàn)超聲波的測(cè)距功能。在這里我們選擇 AT89C52 單片機(jī)， 圖 43 顯示的就是該 單片的相關(guān)信息。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(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。這時(shí)在檢驗(yàn)是否發(fā)送完。這里之所以關(guān)定時(shí)是為了讓 T0T1 能夠同步，也就是發(fā)射 超生波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)。 TCON 中低 4 位是與外部中斷有關(guān)的位，高 4 位為定時(shí)器控制位。 TR1 和 TR0：為定時(shí)器 1 和定時(shí)器 0 的啟動(dòng) 控制位。只有當(dāng)外部中斷引腳 INT0 或 INT1 為高時(shí)， iTR 置1 才能啟動(dòng)定時(shí)器工作。 TH1=T12us。 /* 傳數(shù) */ delay(200)。再 開 T0，調(diào)用顯示程序。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，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。但是，在制作超聲波測(cè)距系統(tǒng)的過程中，由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示，電流較小， LED 雖然有顯示但是比較暗，因此 用了三極管來對(duì)電流進(jìn)行放大 可解決 這個(gè)問題。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為 共陰極型和共陽極型。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強(qiáng)。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。發(fā)射脈沖可以由單片機(jī)或振動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。其主要功能是把 PC 初始化為0000H，是單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)，因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 圖 23 傳感器的方向性 如圖 25 所示，超聲波測(cè)距系統(tǒng)是由控制電路、超聲波接收電路、超聲波發(fā)射電路、顯示電路及電源電路幾部分組成的。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此 ，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 sm/ ，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (S )，即 ： 2/340tS? 這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法也有稱為渡越時(shí)間法 TOF（ time of flight），見圖 22。 超聲波的發(fā)射原理是 ： 把鐵磁材料置于交變磁場(chǎng)中 ， 產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng) ,發(fā)射出超聲波 。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。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。 因?yàn)樗恼駝?dòng)次數(shù)甚高，超出了人類的聽覺上限，人們把這種聽不見的聲波叫 做超聲波。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?隨著介質(zhì)中各點(diǎn)聲振動(dòng)的周期性變化 ， 聲壓也在作周期性變化 ， 聲壓的單位是 )/( 2mNPa 。并畫出各模塊的程序流程圖。 論文主要由以下四部分組成： 第 1章為論文的緒論部分。首先，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立科研開發(fā)能力。接 3 收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。 (2).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而 實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。而隨著計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展，超聲波測(cè)距儀將更加智能化，精確化。由于超聲波是一種非接觸式的測(cè)量方式，它具有不被光、粉塵或電磁波等外界因素干擾的一系列優(yōu)點(diǎn)， 由于自身抗干擾性好、方向性強(qiáng)、反射性好等優(yōu)點(diǎn)越來越多地 被人們作為一種測(cè)距識(shí)別手段 [1]。由 于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。采用壓 電式超聲波換能器。它具有測(cè)量方便 ,不對(duì)被測(cè)物體產(chǎn)生 損壞等優(yōu)點(diǎn)。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離， 主程序采用 C 語言編寫。本設(shè)計(jì)采用超聲波傳感器工作于發(fā)射和接收 ,利用聲波在空氣中的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物到超聲波測(cè)距器之間的距離 ， 并實(shí)時(shí)顯示出來。這也就是超聲波常被用于測(cè)距的原因，如測(cè)距儀或物們測(cè)量?jī)x等等都是通過超聲波來實(shí)現(xiàn)的。 軟件系統(tǒng)總體劃分為：主程序模塊，顯示子程序模塊，定時(shí)子程序模塊，外部中斷子程序模塊。 課題設(shè)計(jì)的要求 通過介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到工業(yè)要求。 利用本測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量，范圍應(yīng)在 20cm～ 200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在 5cm。此題是分為兩人一起來做的，目的在于使學(xué)生學(xué)會(huì)在團(tuán)隊(duì)中擺正自己的位置，根據(jù)自己的能力分擔(dān)工作；培養(yǎng)同組內(nèi)的合作意識(shí)及學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處，既能當(dāng)好主角，也甘于當(dāng)好配角，能腳踏實(shí)地的做好本職工作。主要是講超聲波的測(cè)距原理。本章的最后是對(duì)可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析并提出改進(jìn)意見。 超聲波的聲學(xué)特性 描述聲波的聲學(xué)特性的物理量有 三 點(diǎn)： （ 1）聲速 ： 聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì) 。 例如 ， 氣體與金屬材料的聲阻抗特性之比 ， 接近于 1:80000， 所以當(dāng)聲波垂直入射在空氣與金屬的界面上時(shí) ， 幾乎是百分之百地被反射 。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。超聲波發(fā)生器它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。 壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的 。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等 [10]。 超聲波測(cè)距儀的測(cè)距原理 超聲波測(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法三種。 圖 25 超聲波 測(cè)距 系統(tǒng)的構(gòu)成 單片機(jī)最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。如圖 26 即為單片 機(jī)最小系統(tǒng)。用這種推 13 挽形式將方波信號(hào)加到超聲波 換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。參考各種資料最后選用了 SONY 公司的專用集成前置放大器 CX20206 達(dá)到了比較好的效果。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對(duì)應(yīng)的型號(hào)，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。 LED 數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。 超聲波的測(cè)距原理，它包括對(duì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路及顯示電路的介紹。如果當(dāng) 計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距不成功 。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 /* 開中斷 */ ET1=1。 它由 6 個(gè)特殊功能寄存器組成。 M M0： 定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作方式選擇 位。 IE1 和 IE0：為外部中斷 INT1 和外部 INT0 的中斷請(qǐng)求標(biāo)志位。若要啟動(dòng)定時(shí)器可以使用位 操作指令 SETB iTR 來啟動(dòng) [13]。在方式 2 工作下，計(jì)數(shù)器最多可計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)為 M＝ 2E8＝ 256。 計(jì)數(shù) 器 T0入口 關(guān)定時(shí) 啟動(dòng) T0， T1 賦初值 返回 23 圖 33 定時(shí)器 T1中斷服務(wù)流程圖 外部中斷服務(wù)程序流程圖 如圖 34 所示，進(jìn)入外部中斷入口，關(guān) T0T1 及外部中斷，再送計(jì) 數(shù)值，也就是超生 波發(fā)送到接收到的時(shí)間， 再置位標(biāo)志位。下面介紹本系統(tǒng)所采用的編程調(diào)試軟件的使用及程序下載。 28 圖 44 文件的添加窗口 圖 45 右側(cè)顯示就是文檔添加后的工程樣式 圖 46 晶振的頻率選擇窗口 圖 47 生成 HEX 文件的選項(xiàng)框 系統(tǒng)的 軟 硬件 串聯(lián) 調(diào)試 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn) 行。 31 聲速引起的誤差 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(cè)量距離，就要考慮這些因素對(duì)聲速影響。s。 因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用 AGC 電路使放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測(cè)量距離的變化而大幅度的變化 ，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模擬 I2C 總線的讀寫時(shí)序， LM92高精度溫度測(cè)量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。 超聲波傳感器 是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和超聲波測(cè)距儀的測(cè)距原 理 。 本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。 還有許許多多給予我學(xué)業(yè)上鼓勵(lì)和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一并表示 衷 心地感謝！ 36 參考文獻(xiàn) : [1]胡盛斌 ,羅均 ,龔振邦 .用于移動(dòng)機(jī)器人避障的超聲測(cè)距系統(tǒng) [J].機(jī)電一體化 ,2020，(1):37—40. 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