【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)，利用外中斷 0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如圖 31所示 圖 31單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 32所示。發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 發(fā)射換能器 T組成，單片機(jī) 端口輸出的 40 KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)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華能器的另一個(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，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻人 R10,R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。 圖 32 超聲波發(fā)射電路原理圖 壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能： 利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器 ； 如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié) 構(gòu)稍有不同。 超聲波檢測(cè)接收電路 采用集成電路 CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHz 與測(cè)距超聲波頻率 40KHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變 C4 的大小，可改變接受電路的靈敏度和抗干擾能力。 檢測(cè)接收電路如圖 33所示 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 13 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 33 超聲波接收電路圖 超聲波測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成，由于 C語(yǔ) 言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序行動(dòng)的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。下面對(duì)主程序，超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序逐一介紹。 主程序 主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端 P0 和 P2 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收 器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 (這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因 )后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) 的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離 ,設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃ 時(shí)的聲速為 344 m/s 則有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中 T0為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值） 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。 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(yǔ)言編寫。 主程序框圖如 圖 34所示 ： 圖 34 主程序框圖 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 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)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷 0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（ INT0引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。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。 程序流程 圖 如 圖 38， (a)為 主程序流程 圖 ， (b)為 定 時(shí) 中斷子程序流程 圖 ， (c)為 外部中斷子程序流程 圖 。 開始 系統(tǒng)初始化 發(fā)送超聲波脈沖 等待發(fā)射超聲波 計(jì)算距離 顯示結(jié)果 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 15 頁(yè) 共 34 頁(yè) (a) (b) (c) 圖 38 程序流程 圖 用 單 片機(jī) 編 程 產(chǎn) 生 40kHz 方波，可用延 時(shí) 程序和循 環(huán)語(yǔ) 句 實(shí)現(xiàn) 。先定 義 一個(gè)延 時(shí)函數(shù) delays()，然后可用 for 語(yǔ) 句循 環(huán) ，并且循 環(huán) 一次同 時(shí) 改 變 方波 輸 出口的 電 平高低，從而 產(chǎn) 生方波。部分程序如下： void delays() {} //延 時(shí) 函數(shù) void main() { for(a=0； a200； a++) //產(chǎn) 生 100 個(gè) 40KHz 的方波 { P36=!P36； //每 循 環(huán) 一次， 輸 出引腳取反 delays() ； } } 單 片機(jī) 每 隔一段 時(shí)間產(chǎn) 生一串 40kHz 方波，同 時(shí) 定 時(shí) 器 開 始 計(jì)時(shí) ，當(dāng)收到回波，產(chǎn) 生中斷信號(hào)后， 單 片機(jī) 執(zhí) 行中斷程序。在中斷程序中，先 讓 定 時(shí) 器停止 計(jì) 數(shù)，然后讀 取 時(shí)間 ，通 過時(shí)間計(jì) 算出所 測(cè) 距離， 輸 出 結(jié) 果。 中斷程序如下： 外部中斷入口 讀取時(shí)間值 計(jì)算距離 保存結(jié)果 清 中斷 返回 定時(shí)中斷入口 定時(shí)器初始化 發(fā)射超超聲波 發(fā)射完否 停止發(fā)射 清中斷 返回 是 否 初始化 定時(shí)中斷子程序 有回波否 外部中斷子程序 等待 無(wú) 有 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 16 頁(yè) 共 34 頁(yè) void intersvro(void) interrupt 0 using 1 //INTO 中斷服 務(wù) 程序 { uint bwei,shwei,gwei； uchar DH,DL； ulong COUNT； ulong num； TR0=0 ； //停止 計(jì) 數(shù) DH=TH0； DL=TL0； COUNT=TH0*256+TL0； num= (344*COUNT)/20210； //計(jì) 算距離 bwei=num/100； //取百位 gwei=(numbwei*100)/10； //取十位 shwei=num%10； //取個(gè)位 P1=tab[bwei]； //輸 出百位 P0=tab[shwei]； //輸 出十位 P2=tab[gwei]； //輸 出個(gè)位 TH0=0； TL0=0； } 本系 統(tǒng) 的 LED 顯 示采用了靜 態(tài)顯 示方式，并用 單 片機(jī)內(nèi)部 軟 件 譯碼 。 這樣簡(jiǎn)單 方便，省去了 復(fù)雜 的外部 譯碼電 路。 軟 件 譯碼 只需要定 義 一個(gè)數(shù) 組 便可，程序 語(yǔ) 句如下 ： uchar data tab[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90}； 這 是共陽(yáng) LED顯 示從 0到 9的字形 碼 。 本章小結(jié) 本章是 該課題 的重點(diǎn)，全面介 紹 了超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 的原理和 設(shè)計(jì) 思路， 給 出了硬件 電 路和 軟 件的 設(shè)計(jì) 。在硬件 電 路的 設(shè)計(jì) 中，分 別詳細(xì) 介 紹 了 發(fā) 射 電 路，接收 電 路及顯 示模 塊 的 設(shè)計(jì) 方法。 軟 件 編 程部分， 給 出了整個(gè)程序的思路以及程序流程 圖 。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 17 頁(yè) 共 34 頁(yè) 4 系統(tǒng)調(diào)試 軟硬件的調(diào)試 超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)試，其中 超聲波發(fā)射 和接收采用 Φ15 的超聲波換能器TCT4010F1（ T發(fā)射）和 TCT4010S1（ R接收），中心頻率為 40kHz，安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。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。 硬件電路制作 完成并調(diào)整好以后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。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)量要求。 儀器精度分析及如何提高超聲測(cè)距精度 聲速引起的誤差 聲波是媒 質(zhì) 中 傳 播的 質(zhì) 點(diǎn)的位置、 壓強(qiáng) 和密度 對(duì) 相 應(yīng) 靜止 值 的 擾動(dòng) 。高于 20kHz 時(shí) 的機(jī)械波稱 為 超聲波，媒 質(zhì) 包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱 為壓縮 波或壓強(qiáng) 波， 對(duì) 一般流體媒 質(zhì) 而言，聲波是一 種縱 波， 傳 播速度 為 C = ( E /? )2 （式 41） 式 41中 ,E為 媒質(zhì)的 彈性模量， 單 位 kg/mm2； ρ 為 媒 質(zhì) 的密度， 單 位 kg/mm3； E為復(fù) 數(shù)，其虛數(shù)部分代表 損 耗 ； c 也是 復(fù) 數(shù)，其 實(shí) 數(shù)部分代表 傳 播速度，虛數(shù)部分 則與衰減常數(shù) (每單 位距離 強(qiáng) 度或幅度的衰減 )有 關(guān) ， 測(cè) 量后者可求得媒 質(zhì) 中的 損 耗。聲波的 傳 播與媒 質(zhì) 的 彈 性模量密度、內(nèi)耗以及形狀大小 (產(chǎn) 生折射、反射、衍射等 )有 關(guān) 。 從式 (41)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(cè) 量距離，就要考 慮這 些因素 對(duì) 聲速影響。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(duì) 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。氣體中聲速受溫度的影響最大。 聲速受溫度的影響 的公式為： Cθ = C0[1+（ θ / 273） ]2 (式 42) 圖 41 根據(jù)上式 測(cè) 量的溫度 聲速 圖 。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 18 頁(yè) 共 34 頁(yè) 圖 41 空氣中溫度 聲速 圖 由式 (42)和 圖 41可 見 ，當(dāng)溫度 θ 從 0～ 40℃ 變 化 時(shí) ，將會(huì) 產(chǎn) 生 7%的聲速 變 化，因此， 為 了提高 測(cè) 量準(zhǔn)確度， 計(jì) 算 時(shí) 必 須 根據(jù)溫度 進(jìn) 行聲速修 正。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 Cθ = 331 + (式 43) 分辨率的影響 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(duì) 要小一些。相 對(duì) 而言， 單 片機(jī)的 時(shí)間 分辨率 還是太高，如晶振 頻 率 為 12MHz 時(shí) ， 時(shí)間 分辨率 為 1μ s。 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 。提高 測(cè) 距精度的方法上 節(jié) 分析了超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng)誤 差 產(chǎn) 生的一些原因，如何提高 測(cè) 量精度是超聲 測(cè) 距的 關(guān)鍵 技 術(shù) 。其提高 測(cè) 距精度的措施如下： 選擇 超聲波工作 頻 率、脈 寬 及脈沖 發(fā) 射周期。 據(jù) 經(jīng)驗(yàn) ，超聲 測(cè) 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。 調(diào)節(jié) (AGC)及自 動(dòng) 增益 負(fù) 反 饋 控制 環(huán)節(jié) 。 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。 計(jì)時(shí) 精度，減少 時(shí)間 量化 誤 差。 如采用芯片 計(jì)時(shí) 器， 計(jì)時(shí) 器的 計(jì) 數(shù) 頻 率越高， 則時(shí)間 量化 誤 差造成的 測(cè) 距 誤 差就 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 （論文） 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) 越小。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)