【導(dǎo)讀】超聲波脈沖并計時，計算超聲波自發(fā)射至接收的往返時間，從而得到測量距離。此超聲波測距系統(tǒng)是基于51單片機(jī)，由HC-SR04超聲波測距模塊，數(shù)碼管，阻。超聲波測距模塊可提供2cm—400cm的非接觸式感測功。能，測距精度可達(dá)到3mm，模塊包括超聲波發(fā)射器，接收器以及控制電路。

　　

【正文】 山西大學(xué)工程學(xué)院 20 由上述程序可知，本設(shè)計用 T0、 T1來實現(xiàn)中斷，在 T0中斷中，當(dāng) flag=1 時，表示中斷溢出。在 T1中斷中， TH1 與 TL1 的作用是定時 4ms,用 if 的循環(huán)語句來實現(xiàn)每隔 400ms會啟動一次超聲波測距模塊來測量距離，同時會不斷掃描數(shù)碼管 來顯示出所測量的距離。_nop_()語句是為了延時，以實現(xiàn)大于 10us 的高電平以保證超聲波模塊正常工作。 計算子程序 程序設(shè)計思路 用定時器來測出超聲波從發(fā)出到收到反射波所需要的時間，再利用公式 ctD 21? 計算出距離值。 流程圖 及程序說明 計算程序流程圖如圖 53 所示 ： 顯示距離值顯示“”計算時間讀取時間準(zhǔn)備就緒NY 圖 53 計算子程序流程圖 從計算子 程序中可知，待硬件準(zhǔn)備就緒后計算出時間從而計算出距離值，算出來的是cm*10,擴(kuò)大 10 倍方便顯示。如果超出測量范圍或者時間溢出，則測量失敗， LED 顯示 “ 山西大學(xué)工程學(xué)院 21 ”，若沒有超過測量范圍并且時間沒有溢出，則正常顯示出所測出的距離值。 上下限調(diào)整子程序 程序設(shè)計思路 在本設(shè)計中加入了超過上下限時的聲光報警電路，當(dāng)所測的距離超過自己所設(shè)置的上下限并且在超聲波的測距范圍內(nèi)時則啟動聲光報警系統(tǒng)，此時蜂鳴器會發(fā)出報警的聲音并且發(fā)光二極管會閃爍，相反則正常測距或測距失敗顯示 “ ”，聲光 報警系統(tǒng)則不會啟動。用 、 、 分別對應(yīng)按鍵 S S S4，用 S S S4 實現(xiàn)加、減和確定的功能， S1代表進(jìn)行設(shè)置的含義。 流程圖 及程序說明 （ 1） 轉(zhuǎn)換子程序流程圖為圖 54 所示： 轉(zhuǎn) 換 千 位轉(zhuǎn) 換 百 位百 位 有 顯 示千 位 有 顯示顯 示 “ ”顯 示 各 位顯 示 十 位顯 示 “ ” 圖 54轉(zhuǎn)換子程序流程圖 山西大學(xué)工程學(xué)院 22 （ 2） 上下限調(diào)整程序流程圖為圖 55 所示： 初 始 化轉(zhuǎn) 換 顯 示按 下 S 4設(shè) 置 完 成待 按 鍵 穩(wěn) 定 后設(shè) 置 加掃 描 按 鍵按 下 是 S 2 按 下 是 S 3待 按 鍵 穩(wěn) 定 后設(shè) 置 減蜂 鳴 器 響 一 聲進(jìn) 入 設(shè) 置 圖 55上下限調(diào)整子程序流程圖 山西大學(xué)工程學(xué)院 23 在上述程序中，以設(shè)置上限值為例，首先對關(guān)閉技術(shù)器以及聲光報警系統(tǒng)， 在轉(zhuǎn)換函數(shù)中顯示設(shè)定值并掃描按鍵的情況，當(dāng)按下 S2 時，待按鍵穩(wěn)定后，通過反復(fù)按壓 S2 鍵實現(xiàn)上限值的增加，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)的作用顯示出來這種變化。同理當(dāng)按下 S3時，待按鍵穩(wěn)定后，通過反復(fù)按壓 S3鍵實現(xiàn)上限值的減少，并通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)的作用顯示出來這種變化。注意 :當(dāng)上限值超過 200cm時或者上限值小于下限值時，則上限值恢復(fù)到初始值。 山西大學(xué)工程學(xué)院 24 第六章 調(diào)試與分析 第 5 章介紹了本程序的硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，本章主要講述成品的檢測與調(diào)試，包括軟硬件設(shè)計、誤差分析及解決方法等。 調(diào) 試時使用到的儀器設(shè)備和軟件如表 61 名稱 數(shù)量 備注 計算機(jī) 一個 做畢業(yè)設(shè)計的平臺 keil uVision4 1 編寫程序 STC_ISP_V480 下載器 1 下載程序到單片機(jī)中 表 61 硬件調(diào)試參數(shù) 硬件測試主要包括超聲波的發(fā)射與接收，數(shù)碼管顯示以及蜂鳴器、 LED 發(fā)光等模塊的測試，硬件測試的結(jié)果如表 62 所示。 測試單元 測試結(jié)果 超聲波的發(fā)射接收電路 能發(fā)射接收電路 數(shù)碼顯示管 4 位數(shù)碼管能夠正常顯示 蜂鳴器 功能正常 發(fā)光 LED 能正常亮滅 表 62 硬件測試元件及結(jié)果表 軟件測試主要是檢測程序是否正確以能觸發(fā) HCSR04 發(fā)出脈沖、數(shù)據(jù)能否正常發(fā)送給P0口顯示等。 （ 1）數(shù)碼管能正常顯示距離值，說明 HCSR04 能夠發(fā)射也能接受到超聲波，觸發(fā)程序正確，數(shù)碼管顯示程序正確； （ 2）當(dāng)按下按鍵值時，可以正確設(shè)置上下限值，說明上下限設(shè)置程序正確。 山西大學(xué)工程學(xué)院 25 通過對系統(tǒng)硬件和軟件的測試，系統(tǒng)可以實時顯示測試距離，當(dāng)測量的距離小于設(shè)定的下限值和大于設(shè)定的上限值時，聲光報警系統(tǒng)啟動。本系統(tǒng)功能雖然不是非常完善，部分問題尚未 解決，但是基本達(dá)到選題的要求。產(chǎn)品可以方便使用，而且成本低廉，在礦井探測和倒車測距等方面具有很高的應(yīng)用價值。 根據(jù)測距公式： 可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時間誤差引起的。 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 ,則測距誤差 s/t() ≈ 即 。 也就是說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(jī)定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C51 能保證誤差在 1mm內(nèi)。 超聲波傳播速度誤差 超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。超聲波在空氣中傳播的速度公式可以表示為 : 由公式可知 ， c 與 T 有著直接的關(guān)系。一般來說，溫度每升高一攝氏度，聲速就增加 米 /秒。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。由于本設(shè)計 的精度是 3mm,并且環(huán)境溫度并不會發(fā)生很大的變化，所以本設(shè)計沒有考慮溫度補(bǔ)償。 KTcMRTc 2731 ??? ?ctD 21?山西大學(xué)工程學(xué)院 26 總結(jié) 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；另一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀；此次設(shè)計采用反射波方式。 超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用 STC89C51。采用 12MHz 高精度的 晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4位共陽 LED 數(shù)碼管。超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細(xì)計算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用C 語言和匯編語言混 合編程。 利用 51 系列單片機(jī)設(shè)計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定 ,能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。 本設(shè)計完整地做出之后可測量四米以內(nèi)的距離。 雖然系統(tǒng)最終得以完成，但任存在部分缺陷，仍有一些功能需要提高 。 （ 1）此系統(tǒng)測試距離比較近，如果能設(shè)計一個具有較強(qiáng)驅(qū)動能力的超聲波發(fā)射電路 與接收電路，系統(tǒng)測得距離會更遠(yuǎn)； （ 2） 本系統(tǒng)未設(shè)計溫度補(bǔ)償?shù)墓δ堋? 山西大學(xué)工程學(xué)院 27 參考文獻(xiàn) [1] 胡萍 .超聲波測距儀的研制 .計算機(jī)與現(xiàn)代化， [2] 時德 剛，劉嘩 .超聲波測距的研究 .計算機(jī)測量與控制， [3] 華兵 .MCS51 單片機(jī)原理應(yīng)用 .武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社， 2020 .5 [4] 李華 .MCU51 系列單片機(jī)實用接口技術(shù) .北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1993. 6 [5] 陳光東 .單片機(jī)微型計算機(jī)原理與接口技術(shù) (第二版 ).武漢：華中理工大學(xué)出版社， [6] 徐淑華，程退安，姚萬生 .單片機(jī)微型機(jī)原理及應(yīng)用 .哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999. 6. 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