【文章內(nèi)容簡介】 量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。 對超聲波傳播時間的測量可以歸結(jié)到對超聲波回波前沿的檢測。目前使用的方法有信號過零檢測，包絡(luò)檢測和脈沖檢測等方法。本文主要用的是脈沖檢測法它是一種對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行檢測的方法。這種方法實現(xiàn)起來較包絡(luò)檢測方便，電路實現(xiàn)簡單，精度也較高。實現(xiàn)的方法是當(dāng)回波信號經(jīng)放大處理后，進(jìn)入比較器，調(diào)整好合適的閡值在比較器的輸出端就會產(chǎn)生 40kHz 的方波。利用中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時間。 超聲波測距誤差分析根據(jù)超聲波測距公式（31），可知測距的誤差是由超聲波的溫度誤差、傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。 溫度誤差由于超聲波也是一種聲波。其聲速C與溫度有關(guān)。表1列出了幾種不同溫度下的聲速溫度(℃) －30 －20 －10 0 10 20 30 100聲速（m/s） 313 319 325 323 338 344 349 386表1聲速與溫度關(guān)系這是超聲波的溫度效應(yīng)特性，超聲波的傳播速度“C”可以用如下公式表示：C＝＋（m/s） （3淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文113）式中：t溫度（℃）。因此為了使測得的距離相對精確，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?時間誤差 當(dāng)要求測距誤差小于1mm時，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20℃室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差s△t() ≈ 。 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在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準(zhǔn)的89C51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89C51定時器能保證時間誤差在1mm的測量范圍內(nèi)。 對于超聲波測距精度要求達(dá)到1MM時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0℃時超聲波速度是332m/s, 30℃時是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測量100M距離所引起的測量誤差將達(dá)到5M，測量1M誤差將達(dá)到5MM。超聲波遇到障礙物后，一部分會反來，那么，通過計算發(fā)射出超聲波到接收到回波之間的時差，還有音速，就能算出障礙物的距離?；幢睅煼洞髮W(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文124 硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)硬件電路主要包括：單片機最小系統(tǒng)，溫度檢測模塊，超聲波發(fā)送模塊，超聲波接收模塊，液晶距離顯示模塊，發(fā)光二極管蜂鳴器告警模塊?，F(xiàn)一一敘述如下： 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計AT89S52 是一種低功耗、高性能的 8 位微控制器，具有 8K 字節(jié) Flash E2PROM，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口，2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式：空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/ 計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護(hù)方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止 [10]。其為 Atmel 公司的一款經(jīng)典產(chǎn)品，目前仍然被廣泛使用。AT89S52 單片機為 40 引腳雙列直插芯片,有四個 I/O 口 P0,P1,P2,P3, MCS51 單片機共有 4 個 8 位的 I/O 口（P0、PPP3） ，每一條 I/O 線都能獨立地作輸出或輸入。單片機的最小系統(tǒng)如下圖所示,18 引腳和 19 引腳接時鐘電路,XTAL1 接外部晶振和微調(diào)電容的一端,在片內(nèi)它是振蕩器倒相放大器的輸入,XTAL2 接外部晶振和微調(diào)電容的另一端, 9 引腳為復(fù)位輸入端,接上電容,電阻及開關(guān)后夠上電復(fù)位電路,20 引腳為接地端,40 引腳為電源端. 如圖 3 所示淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文13 圖 3 最小系統(tǒng) 溫度模塊補償模塊設(shè)計由于超聲波的傳播速度 V 受到空氣中的溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最為突出，溫度每升高 1℃，速度增加約 。因此在測量精度要求很高的場合，應(yīng)通過溫度補償對超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，以提高測量精度，減小誤差。目前，大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時，都采用溫度傳感器將溫度轉(zhuǎn)化為電量，經(jīng)信號放大電路放大到適當(dāng)?shù)姆秶?，再?A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量來完成。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁雜，精度易受元器件參數(shù)的影響。為此，利用一線性數(shù)字溫度計即集成溫度傳感器 DS18B20 和單片機，構(gòu)成一個高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠直接讀出被測溫度值，并且可根據(jù)實際要求，通過簡單的編程，實現(xiàn) 9～12 位的A/D 轉(zhuǎn)換。因而，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡單，同時可靠性更高。溫度測量范圍從55～+125℃，在10～+85℃檢測誤差不超過 ℃，而在整個溫度測量范圍內(nèi)具有177。2℃的測量精度。本設(shè)計溫度測量選用 DALLAS 公司的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為 至 無需備用電源。它通過輸出 9 位（二進(jìn)制）數(shù)字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過 DS18B20 的數(shù)據(jù)總線直接輸入 CPU,無需 A/D 轉(zhuǎn)換，而且讀寫指令，溫度轉(zhuǎn)換指令都是通過數(shù)據(jù)總線傳入 DS18B20。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器除了具有相當(dāng)?shù)臏y量范圍和精度外，還具有溫度測量精度和不受外界干擾等的優(yōu)點。其電路連淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文14接如圖 4 溫度測量電路所示。它是數(shù)字式溫度傳感器，具有測量精度高，電路連接簡單特點，此類傳感器僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用 與 DS18B20的 I/O 口連接加一個上拉電阻,Vcc 接電源,Vss 接地。 圖 4 DS18B20 溫度采集 超聲波發(fā)送電路設(shè)計超聲波發(fā)射部分需要用單片機產(chǎn)生一個頻率為 40kHz 左右的方波來帶動發(fā)射頭的壓電晶片來起振，從而發(fā)射出超聲波。 圖 5 超聲波換能器 圖 6 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖 7 為超聲波發(fā)射部分的電路：淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文15圖 7 超聲波發(fā)射電路由于單片機端口輸出功率不夠，所以經(jīng)單片機產(chǎn)生的 40 kHz 方波脈沖信號 T分成兩路，一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能器的另一個電極。再加上兩個上拉電阻 TR1 和 TR2，可有效提高 74LS04 的帶負(fù)載能力。 超聲波接收電路設(shè)計超聲波接收部分的任務(wù)是接收到返回的超聲波信號并對其進(jìn)行濾波、放大、整形。由于用分立元件搭建超聲波接收電路的效果很差，而且電路元件的參數(shù)不容易用常用元件達(dá)到，故超聲波接收電路采用了索尼公司生產(chǎn)的集成芯片CX20226，得到一個負(fù)脈沖送給單片機的 (INT0)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。CX20226 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8 所示：圖 8 CX20226 內(nèi)部結(jié)構(gòu)淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文16CX20l06A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外接收芯片，也適用于超聲波接收。其采用單列 8 腳直插式，小型封裝，+5V 供電，使用方便，功能強大。超聲波接收電路如圖 9 所示。圖 9 超聲波接收電路超聲波接收電路工作過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端 7 腳。當(dāng)接收到與 CX20226 濾波器中心頻率 38kHz相符的回波信號時，其輸出端 7 腳就輸出低電平。將此低電平信號輸出給單片機的外部中斷 0，即可產(chǎn)生一個中斷信號。 距離顯示電路距離顯示電路采用 LCD1602 液晶顯示，它具有既能顯示數(shù)字又有能顯示符的特點,而且顯示數(shù)據(jù)多，字跡清晰。液晶顯示原理圖如圖 10 所示：淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文17 告警提示電路倒車?yán)走_(dá)采用 LED 和蜂鳴器組成告警提示電路。當(dāng)偵測到的汽車距障礙物的距離在安全范圍內(nèi)時綠色發(fā)光二級管點亮，蜂鳴器不發(fā)聲；偵測到汽車距障礙物的距離小于某一定值時，紅色發(fā)光二極管點亮，蜂鳴器發(fā)出提示音。告警提示電路圖如下圖所示。當(dāng)向 LED 和蜂鳴器連接的 I/O 口送一高電平 LED 即被點亮或蜂鳴器發(fā)聲。 圖 11 告警提示電路圖 10 超聲波接收電路圖淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文185 系統(tǒng)軟件設(shè)計該超聲波倒車?yán)走_(dá)采用 AT89C51 單片機作為主控芯片，該單片機和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達(dá)能力強、表達(dá)方式靈活、可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質(zhì)量高、使用方便等諸多優(yōu)點。系統(tǒng)軟件包括以下幾個部分：系統(tǒng)初始化部分、溫度檢測部分、距離顯示和告警提示部分等。軟件流程圖如圖 12： 否 是 否 是 圖 12 軟件流程圖開始單片機及各模塊初始化化溫度檢測發(fā)射脈沖計算距離接收脈沖判斷是否有回波是否處于安全距離紅燈亮，蜂鳴器發(fā)聲綠燈亮顯示距離結(jié)束淮北師范大學(xué) 2022 屆學(xué)士畢業(yè)論文 論文正文19（1）初始化部分初始化部分主要完成對顯示模塊，測距模塊，溫度測量模塊等所使用到I/O 口的定義，以及對軟件中涉及到的定時器 1，外部中斷 0 的初始化。（2）溫度檢測部分，本設(shè)計運用數(shù)字?jǐn)?shù)字溫度傳感器DS18B20進(jìn)行溫度檢測。DS18B20對時序要求非常嚴(yán)格，寫該部分程序一定要注意這一點。測溫數(shù)據(jù)讀取:訪問DS1820必須遵循初始化、ROM命令、DS1820函數(shù)命令這一順序，缺少其中任何一步或打亂順序，DS1820都不會響應(yīng)。所以與 DS1820的通信首先必須初始化:單片機發(fā)出復(fù)位脈沖，DS1820以存在脈沖響應(yīng)，這表示DS1820已經(jīng)在總線上并準(zhǔn)備好操作。單片機在寫時序?qū)憯?shù)據(jù)到DS1820，在讀時序從DS1820中讀數(shù)據(jù)，每一總線時序傳送一位數(shù)據(jù)。DS1820 有兩種類型的寫時序:寫1時序和寫0時序。單片機用寫1時序?qū)戇壿嫛?1”到DS1820 ，用寫0時序?qū)戇壿嫛?”到DS1820。所有寫時序必須持續(xù)最少60181。s，每個寫時序之間必須有至少11181。s的恢復(fù)時間。DS1820在單片機發(fā)出寫時序后的1560181。s的時間窗口內(nèi)采樣總線。如果在采樣窗口期間總線為高， “ 1”就被寫入；反之， “ 0”被寫入。當(dāng)單片機發(fā)出讀時序時，DS1820可以發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機。所有讀時序必須持續(xù)60181。s，每個讀時序之間必須至少有11181。s的恢復(fù)時間。單片機DS1820開始在總線上傳送“1” 或“0”。 DS1820通過保持總線為高發(fā)送“1”，將總線拉低發(fā)送0。程序中調(diào)用read_temp函數(shù)從DS1820的寄存器中讀取溫度數(shù)值，調(diào)用write_DS18B20函數(shù)單片機向DS1820寫控制命令。 DS1820完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟:每一次讀寫之前都要對DS1820進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS1820進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500181。 s，然后釋放，DS1820收到信號后等待1660181。s左右，后發(fā)出60240181。s的存在低脈沖，主CPU收到此信號表示復(fù)位。通過對系統(tǒng)硬件電路和軟件的合理設(shè)計，本系統(tǒng)能在20℃到50℃之間正常工作。（3）中斷測距部分在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T1，利定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間值，當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變。在INT0端產(chǎn)