【文章內容簡介】 發(fā)出的超聲波 (假設傳播介質為氣體 )，經氣體介 質的傳播到接收器的時間即往返時間。往返時間與氣體介質中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即公式 （ 11） ， L= vt/2 (11) 在上式中， L 為待測距離， v 為超聲波的聲速， t 為往返時間。若要求測距誤差小于 ，已知聲速 v=344m/s(20℃ 時 )。顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。因此，實現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時間的方法，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南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 7 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(xiàn)起來較包絡檢測方便，電路實現(xiàn)簡單，精度也較高。實現(xiàn)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。利用查詢或者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。 超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠限 用往返時間檢測法測量距離時，障礙物與超聲波傳感器間的距離既 不能太遠也不能太近，存在著距離測量的近限和遠限。距離過遠時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限存在的原因 。在距離過近時，接收信號將落進盲區(qū)中而無法分辨出來，這是近限 存在的原因。 使用 單 個探頭同時充當發(fā)射 器 和接收 器的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達幾十伏，雖然發(fā)射信號只維持一個很短的時間，但 施加發(fā)射信號 停止后，探頭上還有 一定的余 振，因此在一段較長的時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值還是很 強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動， 導致不能進行正確的測量。同時，探頭 上接收到的各種反 射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的 反射信號也達不到限幅電路的限幅電平。當液面離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號 相隔時間越來越長，其幅值相應的越來越小。同時，接收信號的衰減 總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，才能有輸出信號。這就構成了遠限的問題。 在使用單 個探頭的情況下，發(fā)射信號的幅值要維持到低于引起探頭振動時，接收信號才基本上擺脫了發(fā)射信號的影響而能夠明顯地分辨出來。所以把這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。當開始計時，測量超聲波在空氣中的 傳播時間才有效。 但是，當探測距離很遠時，為了增大發(fā)射功率，需要采用特殊形式的大功率超聲發(fā)射傳感器，但這些傳感器的接收靈敏度 很低，甚至無法用于接收，在這種情況下，選用兩個換能器分別用于發(fā)送和接收。而使用雙探頭方式，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。 所以，在本實驗中，我們選取了雙 探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。 [6] 提高測距儀性能的若干措施 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 8 聲速校正 要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速 c 必須恒定，實際上聲速隨 溫度 、介質、壓力的 變化而變化。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。對一定介質，通常采用對溫度進行修正的方法，可以測得比較準確的距離。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環(huán)境。 減小盲區(qū)措施 (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震 減少，此法常用于短距離測量 。 (2)采用自動距離增益控制 采用具有自動增益控制功能的 放大器，使近距離的增益很小，遠距離時的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小， 同時 相應的延續(xù)時間 縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可以 使遠處的回波信號的幅度增大，以提高測量的精度。 (3)信噪比問題 超聲波測距儀都有一定的量程。量程主要決定于接收信號的幅值應大于規(guī)定的閾值。這個閾值 決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類為機械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作頻率較高，可以避開 工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時要求對環(huán)境噪聲進行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 [6] 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 第二章 總體方案 方案選擇 采用單片機來控制超聲波測距，信號線發(fā)射到與超聲波發(fā)射器相連的信號端，超聲波發(fā)射器向既定方向發(fā)射，在發(fā)射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物將產生回波。 超聲波測距原理 超聲波測距的方法有多種 ,如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有 限，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。 本測距系統(tǒng)采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經氣體介質傳播到接收傳感器的時間 t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離 l。設 l 為測量距離， t 為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。再由單機計算出距離，送數(shù)碼管顯示測量結果。 超聲波測距的算法設計 : 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘 340 米（ 15℃ 時）。t2 是 接收超聲波 時刻 ， t1 是 超聲波 聲波 發(fā)射 時刻， t2t1 得出的是一個時間差的絕對值，假定 t2t1=，則有 340m=。由于在這 ，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離 如下： 如圖 21 為測距原理 [4] 圖 測距原理 因為θ /2 角度較小 ,可以忽略不計，所以 L≈ S。 超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如公式（ 21）： 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 10 L=C x ( t2 t1 )/ 2 (21) 超聲波測距原理框圖 超聲波測距模塊用 HCSR04，溫度傳感器使用 DS18B20，微處理器使用STC89C52 單片機，顯示部分采用 LCD1602 液晶顯示屏顯示 。 HCSR04 集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波，遇到障礙物產生回波，被接收電路模塊接收， STC89C52 單片機 計算 出聲波傳輸所用時間，經過溫度補償溫，計算出正確的待測距離， DS18B20測出的溫度通過 1602 顯示。 S T C 8 9 C5 2 單 片 機溫 度 檢 測 模 塊測 距 顯 示 模 塊信 號 放 大 ， 脈 沖整 形 ， 帶 通 濾 波驅 動 模 塊測 距 數(shù) 據(jù)發(fā) 射接 收超 聲 波 換 能 器溫 度補 償 圖 超聲波測距系統(tǒng)結構圖 由于測量距離的精度和長度要求不是很高，精度達到 2cm，測量距離達到 4m即可，因此超聲波模塊選用價格低廉且實用的 HCSR04 即可。 控制核心部分選擇實用的 STC89C52 單片機即可滿足計算和控制要求。 溫度補償?shù)臏囟葌鞲衅鬟x擇普遍且實用的 DS18B20。 顯示部分選擇了 1602 顯示屏。 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 第三章 系統(tǒng)硬件 設計 STC89C52 單片機的功能及特點 STC89C52 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： 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； 工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） ； 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工 作頻率可達 48MHz； 用戶應用程序空間為 8K 字節(jié) ； 片上集成 512 字節(jié) RAM； 通用 I/O 口 (32 個 )復位后為 :P1/P2/P3/P4 是準雙向口 /弱上拉 ,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 ； ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在 應用可編程） ，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 ； 具有 EEPROM 功能 ； 具有看門狗功能 ； 共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。即定時器 T0、 T T2； 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 ； 通用異步串行口（ UART） ,還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART； 工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級） 。 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 典型功耗 ； 南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 12 正常工作模式：典型功耗 4Ma～ 7mA 典型功耗。 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)及便攜設備。 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，每個引腳能驅動 8 個 TTL 負載，對端口 P0 寫入 每個引腳能驅動 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 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)的復用總線 位數(shù)據(jù)的復用總線。此時， P0 口內部上拉電阻有效。在 Flash ROM 編在程時， P0 端口接收指令字節(jié) 端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié) 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 口是一個帶內部 上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P1 的輸出緩沖器可驅動（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 的外部技術輸入（ ） 和定時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ）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 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P2 的輸出緩沖器可以驅動（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（ I） 。 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 的內容（就是專用寄存器（ SFR）區(qū) 中的 P2 寄存器的內容），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 是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口。 P3 的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端 口寫入 1 時，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。 P3 做南京工程學院自動化學院本科畢業(yè)設計（論文） 13 輸入口使用時，因為有內部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸入一 個電流（ I）。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，還有其他一些復用功能 ； RST（ 9 引腳）：復位輸入。當輸入連續(xù)兩個機器周期以上高電平時為有效，用來完成單片機單片機的復位初始化操作?？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 默認狀態(tài)下，復位高電平有效 ； ALE/ RO