【文章內(nèi)容簡介】 測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為： 數(shù)字顯示 復(fù)位鍵 單 片 機 發(fā)射驅(qū)動 接收處理 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 ?s RTC M? ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s??? （ 32） 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準(zhǔn)確的接受時間，必須對收到的信號進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。 當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時間的影響嚴(yán)重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： （ 33） 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? ? ? ?0C C 1 T 273 （ 34） 式中 C0=； T為絕對溫度，單位 為 k。 式 （ 34） 一般能為聲速的換算提供較 為準(zhǔn)確的結(jié)果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1 ℃ , 聲速將增加或者減少 ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng)嚴(yán)重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀?。 對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計時點選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對發(fā)射信號和 接 收信號通過校正的方式來實現(xiàn)準(zhǔn)確計時。此外，當(dāng)要求測距誤差小于1mm 時，假定超聲波速度 C=344m/s(20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差 ，則 測距誤差 S△ t 002 907s，即 。根據(jù)以上 計 算可知，在 超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要 再 達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm的誤差。使用的 12 MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的 STC89C52RC 單片機定時器能方便的計數(shù)到1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 STC89C52RC 的定時器能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進(jìn)入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞 區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 陷進(jìn)行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這時需要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離稱為盲區(qū)，具體分析如下： 當(dāng)發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定的幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平VM；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比 發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平，當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 VM，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。 在下一節(jié)里，我們將詳細(xì)介紹 汽車倒車?yán)走_(dá) 系統(tǒng) 的各部分電路的設(shè)計思路及方法。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 4 系統(tǒng) 硬件設(shè)計 系統(tǒng)設(shè)計 采用 STC89C52RC 單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定 時器和計數(shù)器來完成， 汽車倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng) 的系統(tǒng)框圖如圖 41 所示： 發(fā)射 障 礙 接收 物 圖 41 超聲波測距系統(tǒng)框圖 系統(tǒng) 框圖中的 STC89C52RC 單片機 用來協(xié)調(diào)各個單元， 超聲波接收電路用來收集接收的信號，超聲波發(fā)射電路用來發(fā)射 40khz 的信號，存儲器用來存儲接收的信號，用 LED數(shù)碼管顯示距離。 芯片 STC89C52RC 介紹 STC89C52RC 單片機是宏晶科技推出的新一代高速 /低功耗 /超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051單片機， 12 時鐘 /機器周期和 6時鐘 /機器周期可以任意選擇。 主要特性如下： 1） 增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051. 2） 工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V單片機） 3） 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作頻率可達(dá) 48MHz 4） 用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) 5） 片上集成 512字節(jié) RAM 6） 通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后為： P1/P2/P3/P4 是準(zhǔn)雙向口， 需加上拉電路，數(shù)字顯示 復(fù)位鍵 單 片 機 發(fā)射驅(qū)動 接收處理 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 P0口是漏極開路輸出 ，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 7） ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片 8） 具有 EEPROM 功能 9） 具有看門狗功能 10） 共 3個 16位定時器 /計數(shù)器。即定時器 T0、 T T2 11） 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 12） 通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART 13） 工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級） 14） PDIP 封裝 STC89C52RC 單片機的工作模式 ? 掉電模式：典型功耗 A,可由外部中斷喚醒，中斷返回后，繼續(xù)執(zhí)行原程序 ? 空閑模式：典型功耗 2mA ? 正常工作模式：典型功耗 4mA～ 7mA ? 掉電模式可由外部中斷喚醒，適用于水表、氣表等電池供電系統(tǒng)及便攜設(shè)備 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 42 STC89C52RC引腳圖 STC89C52RC 引腳功能說明 VCC（ 40 引腳）：電源電壓 VSS（ 20 引腳）：接地 P0端口（ ～ ， 39～ 32引腳）： P0 口是一個漏極開路的 8 位雙向 I/O 口。作為輸出端口，每個引腳能驅(qū)動 8 個 TTL 負(fù)載，對端口 P0 寫入“ 1”時，可以作為高阻抗輸入。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時， P0 口也可以提供低 8 位地址和 8位數(shù)據(jù)的復(fù)用總線。此時， P0 口內(nèi)部上拉電阻有效。在 Flash ROM 編程時， P0 端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。 P1端口（ ～ ， 1～ 8引腳）： P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或者輸出電流方式） 4個 TTL 輸入。對端口寫入 1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到 高電位，這是可用作輸入口。 P1 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部上拉電阻，那些被外部拉低的引腳會輸出一個電流（ ）。 此外， 和 還可以作為定時器 /計數(shù)器 2的外部技術(shù)輸入（ ）和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ） 。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 在對 Flash ROM 編程和程序校驗時， P1接收低 8位地址。 P2端口（ ～ ， 21～ 28引腳）： P2口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。P2的輸出緩沖器可以驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4個 TTL 輸入。對端口寫入 1時，通過 內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，這時可用作輸入口。 P2 作為輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（ ）。 在訪問外部程序存儲器和 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“ MOVX @DPTR”指令）時， P2送出高 8位地址。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行“ MOVX @R1”指令）時， P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（ SFR）區(qū)中的 P2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。 在對 Flash ROM 編程和程序校驗期間， P2 也接收高位地址和一些控制信 號。 P3端口（ ～ ， 10～ 17引腳）： P3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端口寫入 1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。 P3 做輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一個電流（ ）。 在對 Flash ROM 編程或程序校驗時， P3還接收一些控制信號。 P3口除作為一般 I/O口外，還有其他一些復(fù)用功能 。 RST（ 9引腳）：復(fù)位輸入 。當(dāng)輸入連續(xù)兩個機器周期 以上高電平時為有效，用來完成單片機 的復(fù)位初始化操作?？撮T狗計時完成后， RST 引腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR（地址 8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能無效。 DISRTO 默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。 ALE/ （ 30 引腳）：地址鎖存控制信號（ ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8位地址的輸出脈沖。在 Flash 編程時，此引腳（ ）也用作編程輸入脈沖。 在一般情況下， ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而， 特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， ALE脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位置“ 1”， ALE 操作將無效。這一位置“ 1”， ALE僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOV 指令時有效。這個 ALE 能 使 標(biāo)志位（地址位 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設(shè)置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。 （ 29引腳）：外部程序存儲器選通信號（ ）是外部程序存儲器選通信號。當(dāng)STC89C52RC從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， 在每個機器周期被激活兩次，而訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， 將不被激活。 河南理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 /VPP（ 31 引腳）：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存儲器讀取指令， 必須接 GND。注意方式 1 時， 將內(nèi)部鎖定位 RESET。為了執(zhí)行內(nèi)部程序指令， 應(yīng)該接 VCC。在 Flash 編程期間， 也接收 12 伏 VPP 電壓。 XTAL1（ 19引腳）：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘 發(fā)生電路的輸入端。 XTAL2（ 18引腳）：振蕩器反相放大器的輸入端。 超聲波傳感器是應(yīng)用傳感器頭部的壓振陶瓷的振動，產(chǎn)生高頻 (人耳聽不見 )聲波來進(jìn)行 感應(yīng)的，假如這聲波碰到了某個物體反射回來，傳感器就能接 收 到回波。傳感器依據(jù)聲波波長和發(fā)射及接 收 回波的時間差就能肯定傳感器探頭與物體之間的間隔。總體上講，超聲波發(fā)生器可分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。他們所產(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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆變效應(yīng)和順 變 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 變 效應(yīng)的原理。所謂壓電逆 變 效應(yīng)，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在已極化的壓電陶瓷上施加 正 極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥。由于相斥的作用 ，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性 相反，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反 極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。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