【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 路程， v是超聲波在當(dāng)前溫度下的速度， t是發(fā)送和接收超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間。聲波在其傳播介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱(chēng)為回聲。假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來(lái)。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。 TR障礙物T=0 176。C，超聲波在空氣中的傳播速度 C1=, C=+ (m/s) 式中 T:176。C 主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器工作模式為 16位定時(shí)、計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA并對(duì)顯示端口 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。為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延遲 0，接收返回的超聲波信號(hào)。 由于采用 12MHZ晶振，計(jì)數(shù)器每記一個(gè)數(shù)就是 1us，計(jì)算當(dāng) 20℃時(shí)的超聲波傳輸速度 v=344m/s,則d=(vt)/2=344t/2=(172T0/106)m=(172T0 /10000)cm 其中 T0為中斷 T0的計(jì)數(shù)值。 測(cè)出距離后，結(jié)果以十進(jìn)制 BCD碼方式送往 LED顯示約 ，然后再發(fā)出超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量。系統(tǒng)初始化發(fā)送超聲波脈沖等待反射超聲波計(jì)算距離顯示結(jié)果開(kāi)始 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò) （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(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語(yǔ)言程序編程。 超聲波測(cè)距主程序利用外中斷 0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回的超聲波信號(hào)（即 INT0引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序。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 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，表示本次測(cè)距不成功。第四章 電路與程序的調(diào)試通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，對(duì)電路各部分進(jìn)行了測(cè)量、調(diào)試和分析。首先測(cè)試發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù)，先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40kHz的方波信號(hào)，峰峰值為 。經(jīng)過(guò)發(fā)射電路后，其信號(hào)峰峰值放大到10V左右。40kHz的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到 40kHz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。該測(cè)距電路的 40kHz方波由單片機(jī)編程產(chǎn)生，方波的周期為 1/40ms，即25181。s，半周期為 。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。由于 12M晶振的單片機(jī)的時(shí)間分辨率是 1181。s，所以只能產(chǎn)生半周期為 12181。s或 13181。s的方波信號(hào)，頻率分別為 。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約 。按照設(shè)計(jì)的原理，我們選用了 LM324比較器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大，但是無(wú)論如何調(diào)整電路，都無(wú)法將信號(hào)放大。然后我們查看了 LM324的芯片手冊(cè)，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)信號(hào)達(dá)到 40KHz左右的時(shí)候，LM324 基本放大不了信號(hào)，這是因?yàn)?LM324的帶寬不夠大。我們?cè)诰W(wǎng)上搜索資料，找到一款管腳、功能都與LM324相同的芯片——LM347。此款芯片為寬帶比較器，可以放大 40KHz的信號(hào)。使輸出信號(hào)達(dá)到 ，使單片機(jī)工作。當(dāng)我們將電路完全調(diào)試成功之后，我們對(duì)超聲波測(cè)距儀的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，我們發(fā)現(xiàn)顯示電路顯示的數(shù)值與實(shí)際測(cè)出的數(shù)值有偏差，經(jīng)過(guò)對(duì)電路的分析，我們?cè)\斷出超聲波接收電路上存在著干擾，我們對(duì)電路加入 103瓷片電容，進(jìn)行對(duì)電路干擾的消除。第五章 系統(tǒng)的誤差分析 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(chēng)為超聲波，媒質(zhì)包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱(chēng)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 (51)2Ec????????式(51)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?yè)p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(51)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。聲速受溫度的影響為 (52)20223c???????????????圖 51根據(jù)上式測(cè)量的溫度聲速圖。圖 51 空氣中溫度聲速圖由式(52)和圖 51可見(jiàn)，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 (53)??? 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響不管是查詢(xún)發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機(jī)中斷再通過(guò)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)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz時(shí)，時(shí)間分辨率為 1181。s。隨機(jī)誤差由于測(cè)量過(guò)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 [10]。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：1. 合理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。2. 在超聲波接收回路中串入增益調(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