【文章內(nèi)容簡介】 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。 主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。主程序首先要對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 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 并對顯示端口 P0 和 P2 清零；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)，需要延時(shí) （這也就是超聲波測距器會(huì)有一個(gè)最小可測距離的原因）后才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號，由于采用的是 12MHz 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1us，所以當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間 )按式(7)計(jì)算，即可得被測物體與障礙物之間距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃時(shí)的聲速為 344，則有 。其中： 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值。/(172)HvtTcm?0T測出距離后，結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往數(shù)碼管顯示。圖 421所示為主程序流程圖。 超聲波發(fā)生中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送八個(gè)個(gè)超聲波脈沖信號(頻率約 的方波)，脈沖寬度為 12us 左右，同時(shí)打開 T0 計(jì)數(shù)器進(jìn)行圖 421 主程序流程圖計(jì)時(shí)。其部分源程序如下所示：超聲波發(fā)射中斷程序(12M 晶振 )INTT1: CPL DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 。超聲波發(fā)送完畢，關(guān) T1 CLR ET1 MOV R4,04H SETB EX0 。開啟接收回波中斷RETIOUT: RETI 超聲波接收中斷程序超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號( 即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平) ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字賦值 器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。一次測量函數(shù)流程圖如圖 441.部分源程序如下：。*****************************************。* 中斷程序 *。*****************************************。T0 中斷，65ms 中斷一次INTT0: CLR EA CLR TR0 MOV TH0, 00H MOV TL0, 00H SETB ET1 SETB EA SETB TR0 。啟動(dòng)計(jì)時(shí)器 T0，用以計(jì)算超聲波來回時(shí)間 SETB TR1 。開啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1 OUT: RETI。T1 中斷，發(fā)超聲波用INTT1: CPL VOUT DJNZ R4,RETIOUT CLR TR1 。超聲波發(fā)送完畢，關(guān) T1 CLR ET1 MOV R4,04H SETB EX0 。開啟接收回波中斷RETIOUT: RETI。外中斷 0，收到回波時(shí)進(jìn)入PINT0: CLR TR0 。關(guān)計(jì)數(shù)器 CLR TR1 CLR ET1 CLR EA CLR EX0 MOV 44H, TL0 。將計(jì)數(shù)值移入處理單元 MOV 45H, TH0 SETB 00H 。接收成功標(biāo)志 RETI5 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析 系統(tǒng)的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都較為簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用的超聲波傳感器的中心頻率為 ，安裝時(shí)應(yīng)保持兩個(gè)傳感器中心軸平行并相距 4～8cm ,其余的元件沒有特殊的要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與接收器并接的濾波電容的大小，以活動(dòng)合適的接收靈敏度和抗干擾能力。進(jìn)入測量函數(shù)設(shè)置定時(shí)器溢出標(biāo)志位定時(shí)器中斷初始化開始發(fā)送延時(shí)T0 溢出標(biāo)志位清零接收到回波清零 T0 溢出標(biāo)志計(jì)算距離顯示測量值圖 441 一次測量函數(shù)流程圖在焊接完所有元件之后，先不上電，檢查電路電源和地是否因粗心而造成的短路現(xiàn)象。確定電路不短路之后，先不要把芯片插在已焊接好的 IC插座上，給電路上電，檢查電路中的元件是否存在虛焊。在確定各芯片供電和關(guān)鍵管腳處正常后，即可插上 IC 進(jìn)行測試。首先測試發(fā)射電路，用示波器觀察超聲波發(fā)送端，負(fù)端為10V 直流電壓，正端為方波信號，低電平電壓為10V ，高電平電壓為+10V ，則表明發(fā)送端正常。再測試接收端，更改程序讓單片機(jī)一直發(fā)射 的方波信號，接收器正極一直有微弱信號，表明接收探頭也工作正常。硬件電路制作完成并調(diào)試好后，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量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。 系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)及誤差分析 測量數(shù)據(jù)由于實(shí)驗(yàn)的要求是測量距離，所以在測試的時(shí)候，采用在室內(nèi)測量到墻壁的距離，其測量范圍為 4cm～250cm。在對測量值和真實(shí)值進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者總存在一定的偏差，測量值和真實(shí)值的偏差保持在 1cm 左右，并計(jì)算其相對誤差。如表 521 為一組測量數(shù)據(jù)。真實(shí)值(cm) 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90測量值(cm) 6 10 21 31 41 51 61 70 82 92相對誤差(%) 20 0 10 2 0 真實(shí)值(cm) 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190測量值(cm) 102 111 121 129 139 152 163 172 183 194相對誤差(%) 2 誤差分析超聲波測距由于其再使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在原理上，超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間 ，在已知超聲波聲速 的前提下，可計(jì)算被t v測物的距離 H，即： 。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；2v?超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確表 521 測量數(shù)據(jù)測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。1) 溫度對超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。2) 超聲波回波聲強(qiáng)影響超聲波回波聲強(qiáng)與被測物得距離有由直接的關(guān)系，實(shí)際測量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過根據(jù)測量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)以及動(dòng)態(tài)調(diào)整比較電壓來減小這種誤差。3) 電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會(huì)造成測量誤差，主要表現(xiàn)為：①啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)之間的偏差。這是源于單片機(jī)一次只能處理一件事，所以啟動(dòng)發(fā)射和啟動(dòng)計(jì)時(shí)實(shí)際上不能同時(shí)完成，是先后完成的，存在時(shí)差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。②收到回波到被檢測出的滯后。這是源于檢測電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號肯定存在滯后，這和回波信號強(qiáng)弱、檢測電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測距的核心。③收到中斷到中斷響應(yīng)停止計(jì)時(shí)之間的滯后。這是源于單片機(jī)的中斷機(jī)制。收到中斷信號后，單片機(jī)不可能立刻響應(yīng)，至少要完成當(dāng)前的指令，有時(shí)還要等待其它中斷服務(wù)結(jié)束，所以這個(gè)滯后時(shí)間也不確定，從而導(dǎo)致測量結(jié)果的變化。但這個(gè)因素可以通過提高單片機(jī)速度，使用高優(yōu)先級中斷。④計(jì)時(shí)器本身的誤差。這是源于計(jì)時(shí)器本身。由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度為 2050 PPM 級別，對于音速而言，其帶來的誤差在 mm 級。為減小此項(xiàng)誤差，應(yīng)該提高計(jì)時(shí)的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差。同時(shí)選用質(zhì)量好的晶振。4) 超聲波波速入射角影響超聲波波束入射角也會(huì)對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，由于系統(tǒng)是用來測量點(diǎn)和面的距離，則被測物表面，超聲波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個(gè)幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個(gè)角度不是 0 度，系統(tǒng)測量到的距離是被測物與接收探頭之間的距離而不是和測量參考面之間的距離，這就會(huì)造成測量誤差。5) 超聲波傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響制作超聲波傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測距常用壓電材料制作的傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變 S 與外加電場強(qiáng)度 E 的關(guān)系為： 。其中 為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓dES?影響壓電材料的電場強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為了提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。 針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。測距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、微機(jī)控制和溫度測量四個(gè)部分組成。如何提高測量精度是超聲波測距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測距精度的措施如下：1) 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。一般情況，超聲波測距的工作頻率選擇 40KHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于超聲波在空氣中傳播的周期的 10 倍以上，考慮傳感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。2) 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)，因超聲波接收到的信號的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用增益調(diào)節(jié)電路使放大倍數(shù)隨測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。3) 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差。如果采用芯片計(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距誤差就越小。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)晶振頻率為 6MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 此時(shí)在空氣中的測距時(shí)間量化誤差為 ；當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 1MHz，此時(shí)測距時(shí)間量化誤差為 。若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路，則計(jì)數(shù)頻率可直接引用單片機(jī)的晶振頻率，時(shí)間量化誤差更小。4)補(bǔ)償溫度、氣壓干濕度等因素對傳播聲速的影響。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因素有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。針對這種情況有的人在設(shè)計(jì)電路中加入溫度補(bǔ)償模塊，減少溫度對聲速的影響。然而影響聲音傳播速度的除了溫度外，壓強(qiáng)及濕度等都有一定的影響。因此如果使用硬