【正文】 體電路設計如下： 畢業(yè)設計（論文）報告紙 26 圖 TC35i 模塊實物圖 圖 無線傳輸模塊電路圖 畢業(yè)設計（論文）報告紙 27 第四章 超聲波測距系統(tǒng)軟件部分設計 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、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。我們知道 C 語言 程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算（計算距離時），又要求精細計算程序運行時間（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。 超聲波測距儀的算法設計 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： 2)*(2d tcs ?? 其中， d為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c 為聲速， t 為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。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 （單片機 12 號管腳，見圖 ） 產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間 差，計算距離。 部分 源 程序如下： { ulong s。 uchar flag1。 TMOD=0x11。//定時 0 方式 1 TH0=0。 TL0=0。//清定時值 。//EX0=1。//開外部中斷 0 IT0=1。//外部中斷 0 下降沿觸發(fā) EA=1。 //開總中斷 lcd_init()。 flag=0。 while(1) 畢業(yè)設計（論文）報告紙 28 { flag1=1。 if(flag1==1) { tvalue=get_temp()。 display2(tvalue)。 print(1,1,溫度 :)。 printstr(4,1,disbuft,7)。 c=puterv()。 send()。 while(Tout==0) {if(flag==1) {s=puters(c)。 if(s1462) {print(3,2,盲區(qū) )。 sound_play3()。} else {display(s)。 print(1,2,前方距離 :)。 printstr(3,3,distance,7)。 sound_play1()。 sound_play2()。} flag=0。 while(1)。}} if(Tout==1) {Tout=0。ErrorDisplay()。 } } } 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖 所示。主程序完成初始化工作、各 畢業(yè)設計（論文）報告紙 29 路超聲波發(fā)射和接收順序的控 制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 圖 主程序流程圖 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口清 0。然后調用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，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)，需要延時約 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個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 12 MHz 的晶 振， 計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式（ ） 計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速為 344 m/s 則有： 1 0 0 0 0 01 7 22)*( 0Ttcd ?? 其中， 0T 為計數(shù)器 0T 的計算值。 測出距離后結果將送往 LCD 顯示 ，按系統(tǒng)復位鍵后 再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。主程序采用 C 語言編寫。 主程序內容詳見附錄。 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 （詳見圖 ） 發(fā)送 2個左右超聲波脈沖信號（頻率約 40kHz 的方波），脈沖寬度為 12μs左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。超聲波測 畢業(yè)設計（論文）報告紙 30 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），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即 關閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0溢出中斷將外中斷 0 關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示此次測距不成功。 部分源程序如下： void send()//脈沖波發(fā)送 { uchar i。 TH0=0。 TL0=0。//清定時 0 TR0=1。//開定時 0 ET0=1。 for(i=0。i10。i++) { sg=~sg。//超聲波發(fā)送引腳 _nop_()。_nop_()。_nop_()。 _nop_()。_nop_()。_nop_()。 _nop_()。_nop_()。_nop_()。 _nop_()。_nop_()。_nop_()。 } sg=1。 delay(36)。 EX0=1。 //開外部中斷 } void rec() interrupt 0 using 2 { Tout=0。 //超時標志 flag=1。 //外部中斷標志位 TR0=0。 //關定時器 0 ET0=0。 EX0=0。 time=256*TH0+TL0。 } 畢業(yè)設計（論文）報告紙 31 第五章 系統(tǒng)實現(xiàn)與檢驗 硬件組實物圖 本次系統(tǒng)功能實測是在面包板上調試和進行的，實物圖如下： 圖 語音播報電路實物圖 畢業(yè)設計（論文）報告紙 32 圖 主電路實物圖 畢業(yè)設計（論文）報告紙 33 圖 主電路實物細節(jié)圖 功能測試 測試環(huán)境 本次測試平臺為面包板，地點為物理實驗室，測試障礙物為書本，通過標尺來檢測測得障礙物距離與實際距離的誤差。并記錄數(shù)據(jù)，分析誤差。 圖 測試平臺圖，通過標尺來檢測測得障礙物距離與實際距離的誤差 畢業(yè)設計（論文）報告紙 34 圖 障礙物太近或太遠則顯示盲區(qū) 圖 顯示結果 畢業(yè)設計（論文）報告紙 35 圖 實測示意圖 測試結果 表格 測試結果表（單位：米） 障礙距離 顯示數(shù)據(jù) 盲區(qū) 誤差值 * 顯示數(shù)據(jù) 顯示距離 誤差值 障礙距離 顯示數(shù)據(jù) 盲區(qū) 盲區(qū) 誤差值 * * 注：誤差值為顯示數(shù)據(jù)與障礙距離之差值 超聲波測距誤差分析 發(fā)射接收時間以及當?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 發(fā)射接收時間 對測量精度的影響分析 畢業(yè)設計（論文）報告紙 36 采用 TCT40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設測量設備基準面距被測物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動方程 為： )c o s ()c o s ()( 20 ktteAktthAA k ???? ? ?? ? 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間，必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產生影響。 當?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠遠要比收發(fā)時間的影響嚴重。超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： MRTCs ?? 由上式知，在空氣中，當?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準確的當?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當?shù)芈曀俚墓饺缦拢? 273/10 TCC ?? 式中 C0=； T 為絕對溫度，單位 K 。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1 C? , 聲速將增加或者減少 ，這個影響對于較高精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準確的當?shù)芈曀佟? 提高精度的方案及系統(tǒng)設計 （ 1） 溫度校正的方法提高測距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當?shù)販囟?，則可根據(jù)公式 求 出當?shù)芈曀伲瑥亩軌颢@得較高的測量精度。而問題的關鍵在于獲得溫度數(shù)據(jù)的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的溫度值。 為了便于對溫度信號的數(shù)據(jù)采集及處理，我們采用 DALASS 公司生產的 DS18B20 集成 畢業(yè)設計（論文）報告紙 37 溫度傳感器。 DS18B20 能夠僅在占用控制器一個 I/O 口的情況下工作，極大的方便了使用者的調試使用，而且其在 10 C? ～ +85 C? 的工作環(huán)境下可以保持 177。% 的使用精度，在這個空間內足以保證為超聲波測距設備提供足夠的精度范圍。 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號傳至 單片機 ，由軟件進行聲速換算。為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 AT89S52 單片機實現(xiàn)超聲波測距的各項功能。 AT89S52 采用了低成本、低功耗、強抗干擾設計，并且在最高支持 48MHz 的前提下能夠實現(xiàn) 1 個時鐘 / 機械周期的運行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對于普通單片機來說可以有效的減少由計 時問題帶來的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測距儀的設計要求。 （ 2） 標桿校正的方法提高測距精度 在復雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如果仍舊要求較高的測量精度， 可以 采用所謂標桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。 如下圖所示： 圖 標桿校正示意圖 超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 求出當?shù)芈曀?。通過這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設備設定 “ 標定 ” 和 “ 測 量 ” 兩種狀態(tài)，即能夠實現(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。 畢業(yè)設計（論文）報告紙 38 第六章 結束語 超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀 70 年代已經實用化，從 70 年代末期開始廣泛應用于生產領域。于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達