【文章內容簡介】 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檢測電路產生的脈沖進行檢測的方法。這種方法實現起來較包絡檢測方便，電路實現簡單，精度也較高。實現的方法是當回波信號經放大處理后，進入比較器，調整好合適的閡值在比較器的輸出端就會產生 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。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聲速與溫度關系這是超聲波的溫度效應特性，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 2022 屆學士畢業(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，則應通過溫度補償的方法加以校正。 時間誤差 當要求測距誤差小于1mm時，假設已知超聲波速度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確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達到微秒級，就能保證測距誤差小于1mm的誤差。使用的12MHz晶體作時鐘基準的89C51單片機定時器能方便的計數到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。 對于超聲波測距精度要求達到1MM時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進去。例如當溫度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到5M，測量1M誤差將達到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 2022 屆學士畢業(yè)論文 論文正文124 硬件電路設計 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一一敘述如下： 單片機最小系統(tǒng)設計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 個數據指針，三個 16 位定時器/計數器，一個 6 向量 2 級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。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/ 計數器、串口、中斷繼續(xù)工作；掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止 [10]。其為 Atmel 公司的一款經典產品，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 接外部晶振和微調電容的一端,在片內它是振蕩器倒相放大器的輸入,XTAL2 接外部晶振和微調電容的另一端, 9 引腳為復位輸入端,接上電容,電阻及開關后夠上電復位電路,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 2022 屆學士畢業(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，應通過溫度補償對超聲波的傳播速度進行校正，以提高測量精度，減小誤差。目前，大多數溫度測控系統(tǒng)在檢測溫度時，都采用溫度傳感器將溫度轉化為電量，經信號放大電路放大到適當的范圍，再由 A/D 轉換器轉換成數字量來完成。這種電路結構復雜，調試繁雜，精度易受元器件參數的影響。為此，利用一線性數字溫度計即集成溫度傳感器 DS18B20 和單片機，構成一個高精度的數字溫度檢測系統(tǒng)。DS18B20 數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，并且可根據實際要求，通過簡單的編程，實現 9～12 位的A/D 轉換。因而，使用 DS18B20 可使系統(tǒng)結構更簡單，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具有177。2℃的測量精度。本設計溫度測量選用 DALLAS 公司的 DS18B20 數字式溫度傳感器，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用，無需外部元件，可用數據總線供電電源范圍為 至 無需備用電源。它通過輸出 9 位（二進制）數字來直接表示所測量的溫度值，溫度值是通過 DS18B20 的數據總線直接輸入 CPU,無需 A/D 轉換，而且讀寫指令，溫度轉換指令都是通過數據總線傳入 DS18B20。DS18B20 數字溫度傳感器除了具有相當的測量范圍和精度外，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 2022 屆學士畢業(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據線進行數據傳輸，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)送電路設計超聲波發(fā)射部分需要用單片機產生一個頻率為 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構如圖 7 為超聲波發(fā)射部分的電路：淮北師范大學 2022 屆學士畢業(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，所以經單片機產生的 40 kHz 方波脈沖信號 T分成兩路，一路經一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極；另一路經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 的帶負載能力。 超聲波接收電路設計超聲波接收部分的任務是接收到返回的超聲波信號并對其進行濾波、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不容易用常用元件達到，故超聲波接收電路采用了索尼公司生產的集成芯片CX20226，得到一個負脈沖送給單片機的 (INT0)引腳，以產生一個中斷。CX20226 的內部結構如圖 8 所示：圖 8 CX20226 內部結構淮北師范大學 2022 屆學士畢業(yè)論文 論文正文16CX20l06A 是日本索尼公司生產的紅外接收芯片，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過前置放大器和限幅放大器，將信號調整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進行頻率選擇，濾除干擾信號，再經整形，送給輸出端 7 腳。當接收到與 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，它具有既能顯示數字又有能顯示符的特點,而且顯示數據多，字跡清晰。液晶顯示原理圖如圖 10 所示：淮北師范大學 2022 屆學士畢業(yè)論文 論文正文17 告警提示電路倒車雷達采用 LED 和蜂鳴器組成告警提示電路。當偵測到的汽車距障礙物的距離在安全范圍內時綠色發(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 2022 屆學士畢業(yè)論文 論文正文185 系統(tǒng)軟件設計該超聲波倒車雷達采用 AT89C51 單片機作為主控芯片，該單片機和其開發(fā)應用系統(tǒng)具有語言簡潔、可移植性好、表達能力強、表達方式靈活、可進行結構化設計、可以直接控制計算機硬件、生成代碼質量高、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束淮北師范大學 2022 屆學士畢業(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，本設計運用數字數字溫度傳感器DS18B20進行溫度檢測。DS18B20對時序要求非常嚴格，寫該部分程序一定要注意這一點。測溫數據讀取:訪問DS1820必須遵循初始化、ROM命令、DS1820函數命令這一順序，缺少其中任何一步或打亂順序，DS1820都不會響應。所以與 DS1820的通信首先必須初始化:單片機發(fā)出復位脈沖，DS1820以存在脈沖響應，這表示DS1820已經在總線上并準備好操作。單片機在寫時序寫數據到DS1820，在讀時序從DS1820中讀數據，每一總線時序傳送一位數據。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時序寫邏輯“ 1”到DS1820 ，用寫0時序寫邏輯“0”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的恢復時間。DS1820在單片機發(fā)出寫時序后的1560181。s的時間窗口內采樣總線。如果在采樣窗口期間總線為高， “ 1”就被寫入；反之， “ 0”被寫入。當單片機發(fā)出讀時序時，DS1820可以發(fā)送數據到單片機。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。程序中調用read_temp函數從DS1820的寄存器中讀取溫度數值，調用write_DS18B20函數單片機向DS1820寫控制命令。 DS1820完成溫度轉換必須經過三個步驟:每一次讀寫之前都要對DS1820進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS1820進行預定的操作。復位要求主CPU將數據線下拉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收到此信號表示復位。通過對系統(tǒng)硬件電路和軟件的合理設計，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部的定時器T1，利定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間值，當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變。在INT0端產