【正文】 、濾波、穩(wěn)壓后得到+5V支流電源，給單片機(jī)提供工作電源。 超 聲 波 發(fā) 生 電 路超聲波發(fā)送電路如圖35所示。該發(fā)射電路采用單片機(jī)的 口作為 IO 口，首先由單片機(jī)控制 555 定時(shí)器電路產(chǎn)生 40kHz 的脈沖振蕩信號(hào)，單片機(jī)和 555 產(chǎn)生 40kHz 超聲波，工作原理如下：NE555 的 4 端子接單片機(jī)控制其復(fù)位信號(hào)，復(fù)位信號(hào)低電平有效，NE555 工作時(shí)為高電平，該電路電源接通的瞬間，有一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過(guò)程，即電源通過(guò) R30 向 C17 充電當(dāng)電容上的電壓上升到 2/3V 時(shí)，觸發(fā)器復(fù)位，輸出 TX 為低電平，放電 BJT Tc導(dǎo)通，電容 C17 放電，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；若觸發(fā)輸入端 2 施加觸發(fā)信號(hào)（即該信號(hào)1/3 V ） ,觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，輸出 TX 為高電平，且 BJT 的 Tc截止，此后電容 C17 充電至 2/3 V 時(shí)，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，輸出 TX 為低電平，放電cBJT 的 T 導(dǎo)通，電容 C17 放電，電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。如果忽略 T 的飽和壓降，則電容電壓從零電平上升到 2/3 V 的時(shí)間即為輸出電壓 TX 的脈寬c[21]。??邏輯門(mén)電路產(chǎn)生低頻調(diào)制脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為160μs左右，脈沖時(shí)間間隔為3040ms(視需要可調(diào)整) 。此脈沖一路作為振蕩器的置位脈沖，另一路作為單片機(jī)計(jì)時(shí)器的起始脈沖。在置位期間，振蕩器輸出頻率為40kHz的脈沖信號(hào)(約8個(gè)脈沖)，加到壓電晶片上能使該晶片發(fā)出超聲波，由超聲波發(fā)射頭T4016發(fā)射出去。當(dāng)信號(hào)為高電平時(shí)，發(fā)射傳感器兩端就加上了高電壓，內(nèi)部的壓電晶片開(kāi)始震動(dòng)，此時(shí)接收傳感器的兩端可以檢測(cè)到有40kHz信號(hào)；當(dāng)信號(hào)為低電平時(shí)，發(fā)射傳感器通過(guò)回路放電，此時(shí)接收傳感器可以接收到回波信號(hào)。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文22圖35 超聲波發(fā)射電路由于傳感器的標(biāo)稱(chēng)頻率是 40177。1kHz，但由于實(shí)際加工或多或少有些偏差，而只有振蕩頻率與實(shí)際頻率一致，才能最大限度地提高傳感器的轉(zhuǎn)換頻率，所以為了更準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)發(fā)射電路，必須確定實(shí)際傳感器的工作頻率。 超 聲 波 回 波 接 收 檢 測(cè)超聲回波接收電路如圖36所示。圖36 超聲波回波檢測(cè)電路西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文23該電路設(shè)計(jì)采用LM358實(shí)現(xiàn)第一級(jí)放大，可用提供對(duì)信號(hào)100倍的放大，然后經(jīng)過(guò)低通濾波濾除接收信號(hào)中的干擾信號(hào)，經(jīng)第二級(jí)5V 供電的LM358運(yùn)放低速信號(hào)情況下的開(kāi)環(huán)應(yīng)用，即等效于一個(gè)比較器。第一級(jí)放大輸出的信號(hào)是交流信號(hào)，第二，即可在輸出端輸出 05V的數(shù)字信號(hào)。其電路中電阻R27 、 R28實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)分壓，電容C16用于基準(zhǔn)退耦。電阻R30信號(hào)阻攔，電容C13隔離直流。 溫 度 補(bǔ) 償 電 路溫度補(bǔ)償電路通過(guò)DS18B20溫度傳感器測(cè)量系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度，用來(lái)減少環(huán)境溫度變化度超聲波速度的影響，提高測(cè)量精度。其電路圖如圖37所示，單片機(jī)通過(guò)一個(gè)IO口，來(lái)控制DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。由于DS18B20 有兩種供電方式，即直接供電和寄生供電，本電路采用5V電源對(duì)DS18B20直接供電，另外DS18B20 時(shí)數(shù)字信號(hào)接口，所以不需要對(duì)單片機(jī)的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大。圖37 溫度補(bǔ)償電路 LED 動(dòng) 態(tài) 掃 描 顯 示 電 路經(jīng)過(guò)以上超聲波發(fā)射、接受、單片機(jī)數(shù)據(jù)處理后，要顯示測(cè)量結(jié)果，本設(shè)計(jì)采用LED顯示數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過(guò)相應(yīng)的IO口實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果的輸出顯示，這里采用4個(gè)LED來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路如圖 38所示，74HC244用來(lái)增強(qiáng)單片機(jī)口線的驅(qū)動(dòng)能力，驅(qū)動(dòng)LED的段顯示。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文24圖38 LED顯示電路 系統(tǒng)抗干擾措施由于本設(shè)計(jì)的高頻工作特性，而且需要將微弱的電壓信號(hào)放大100倍左右，并且要從許多干擾信號(hào)中采樣出來(lái)。其現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、野外操作的使用環(huán)境亦比較惡劣，故對(duì)各種干擾信號(hào)的處理和排除一些聲學(xué)噪聲和電路熱噪聲影響的要求也就相對(duì)比較高，對(duì)此，采取了以下的抗干擾措施，效果良好。盡量采用低噪聲，抗干擾能力強(qiáng)的芯片、器件。IC器件盡量直接焊在電路板上，盡量不使用IC插座。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文25集成數(shù)字電路使用的電源、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用了抗干擾元件(串聯(lián)磁珠) 去耦。優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，盡量減少信號(hào)線布線長(zhǎng)度、不用90度折線，減少高頻噪聲的發(fā)射，用地線隔離繼電器、變壓器等大功率器件，并將其盡量分布在線路板邊緣，減少電磁干擾。用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離，數(shù)字地與模擬地分離，最后在一點(diǎn)接于電源地。采用地平面技術(shù)，以使所有數(shù)字地、模擬地均直接連到完全包圍高速部件的地平面上。地平面應(yīng)盡可能覆蓋整個(gè)PCB,連到地平面的每條線盡可能短，以減少分布電感。注意了晶體振蕩器的電路布線，晶振與單片機(jī)引腳盡量靠近，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來(lái)。繼電器線圈增加續(xù)流二極管，消除斷開(kāi)線圈時(shí)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)干擾，在繼電器接點(diǎn)兩端并接火花抑制電路(RC串聯(lián)電路)，減小了電火花的影響。對(duì)單片機(jī)使用了電源監(jiān)控及看門(mén)狗電路，在速度能滿(mǎn)足要求的前提下，盡量降低單片機(jī)的晶振和選用低速數(shù)字電路。軟件設(shè)計(jì)上，盡量?jī)?yōu)化、簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)方案，減少了煩瑣的操作過(guò)程和復(fù)雜的邏輯處理。在采樣過(guò)程中，采用了多次采樣平均處理的方法。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文26第 4 章 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能:信號(hào)控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回波接收電路、溫度補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成門(mén)控信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、溫度測(cè)試、及輸出顯示。數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。信號(hào)處理RAM中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為: )(. NTVSr???其中，T為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間， 為方波信號(hào)作為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率，N為計(jì)數(shù)器的值。在這個(gè)部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送四位LED顯示。由于采用了單片機(jī)AT89C51并考慮整個(gè)系統(tǒng)的控制流程，整個(gè)系統(tǒng)軟件都有C51系列單片機(jī)C語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)數(shù)值與距離值換算子程序，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后輸出顯示。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、溫度測(cè)試子程序、測(cè)距中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等幾個(gè)主要部分。整體的軟件框架如下圖41所示： 主程序結(jié)構(gòu)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)都是在其中西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文27完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了各個(gè)子程序及中斷服務(wù)程序。如圖42所示為系統(tǒng)的主程序流程。 中斷程序中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40kHz脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中，要從把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并保存在RAM中，再對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，并轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，最后送到P0口顯示輸出。主程序測(cè)溫子程序鍵盤(pán)超聲波發(fā)生測(cè)距中斷函數(shù)顯示緩沖區(qū)接口 顯示模塊自由運(yùn)行圖41 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)框圖西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文28開(kāi)始DS18B20 溫度測(cè)試初始化定時(shí)器檢測(cè)到有鍵按下打開(kāi)超聲波發(fā)射開(kāi)中斷等待接收標(biāo)志以溫度和定時(shí)器值計(jì)算距離計(jì)算結(jié)果送緩沖NY接收標(biāo)志被設(shè)置圖42 系統(tǒng)主程序流程圖中斷程序流程圖如43所示，測(cè)距中斷函數(shù)使用高中斷優(yōu)先級(jí)的Timer1（16bit）,顯示函數(shù)使用低中斷優(yōu)先級(jí)的Timer2（16bit），Timer0用作波特率發(fā)生器。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文29外中斷讀定時(shí)器置接收標(biāo)志中斷返回圖43 中斷程序流程圖 回波接收程序回波接收程序流程圖如圖44所示。圖44 回波接收程序流程圖初始化超聲波發(fā)射有回波時(shí)間大于30ms顯示特殊字符軟件濾波是回波信號(hào)讀取時(shí)間顯示YNYNN西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文30第 5 章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析前而幾章介紹了超聲測(cè)距系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，本章將介紹利用該超聲測(cè)距系統(tǒng)所做的實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。實(shí)驗(yàn)中選用被測(cè)物體為硬厚紙板，不同時(shí)刻在同一點(diǎn)位置測(cè)3個(gè)值，加上誤差補(bǔ)償之后，得到如下結(jié)果（單位為cm）。表51 測(cè)距實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入 20 30 40 50 60 70 80 90 100 260第1次 25 29 38 48 58 70 78 88 98 212第2次 22 29 38 48 58 70 78 88 98 212輸出第3次 23 27 38 49 60 70 79 89 99 265從表51 的數(shù)據(jù)可以看出，所做的實(shí)驗(yàn)是成功的，數(shù)據(jù)比較穩(wěn)定，具有一定的可重復(fù)性。不可能完全吻合，主要有以下幾個(gè)原因：每次測(cè)量時(shí)，探頭的位置，方向有微小變動(dòng)。而且環(huán)境條件不同也會(huì)得到不同的結(jié)果。盲區(qū)的出現(xiàn)是因?yàn)榘l(fā)射信號(hào)必須有一個(gè)上升時(shí)間，當(dāng)距離太近時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)已不能處理迅速返回的反射波信號(hào)，所以距離小于 。遠(yuǎn)距離時(shí)，回波信號(hào)微弱，混有大量的噪聲，對(duì)門(mén)限判定造成很大干擾，易產(chǎn)生誤判。由于反射物而引起的偶然誤差，這可能是測(cè)量中最大的誤差源。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴(kuò)散傳播的。反射物表面不是很平整，而且也并不一定垂直于兩探頭的軸線，所以反射回來(lái)的波也許是從不同發(fā)射點(diǎn)獲得，測(cè)得的結(jié)果必然不相同。由于本系統(tǒng)采用了新型振動(dòng)模式超聲波探頭、抗干擾電路、單片機(jī)系統(tǒng)以及合理軟件算法，使得本設(shè)計(jì)與其他儀器比較，具有一系列突出優(yōu)點(diǎn)：采用了國(guó)產(chǎn)的超聲波空氣傳感器作探頭，體積小，靈敏度高，安裝簡(jiǎn)單，使用方便，轉(zhuǎn)換效率也比較高。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文31發(fā)射探頭的頻率信號(hào)來(lái)自單片機(jī)系統(tǒng)，準(zhǔn)確，穩(wěn)定，可靠，而且可以隨時(shí)通過(guò)軟件改變頻率，以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)發(fā)射探頭。接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過(guò)放大電路放大過(guò)程中，噪音干擾得到抑制，防止誤動(dòng)作，提高了可靠性。采用了單片機(jī)，使系統(tǒng)體積小，重量輕，加強(qiáng)了靈活性和可靠性，修改、調(diào)試、定標(biāo)都方便。系統(tǒng)軟件中采用合理算法，提高了精度。采用非接觸式測(cè)量方式，不影響被測(cè)表面，對(duì)液體，固體等比較光滑的表面均可測(cè)量，應(yīng)用范圍廣。另外，當(dāng)使用不同反射界面的測(cè)量結(jié)果及分析 ]24[光滑硬表面：實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)使用光滑硬表面的材料，比如玻璃、水泥石灰，木板或鐵板時(shí)，測(cè)試的結(jié)果完全一致。這說(shuō)明所測(cè)距離只與實(shí)際反射距離有關(guān)，而與反射面的材質(zhì)無(wú)關(guān)。泡沫塑料表面：使用同樣的傳感器反射面是泡沫塑料時(shí)，由于反射材料的吸聲特點(diǎn)，其測(cè)量距離大為減少。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文32結(jié)論與展望 本文通過(guò)對(duì)超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性和超聲傳感器的工作機(jī)理分析，設(shè)計(jì)了一種超聲波傳感器測(cè)距模塊，并且在此基礎(chǔ)上對(duì)超聲波傳播特性進(jìn)行了探討。 本文設(shè)計(jì)了一種小型的超聲波傳感器測(cè)距模塊。 分析了影響超聲波傳感器測(cè)距模塊精度的原因，其中主要是溫度對(duì)超聲波速度的影響，并且探討了解決方案。即采用了溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)減小環(huán)境溫度變化對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響。 本文完成了超聲波傳感器模塊測(cè)距的設(shè)計(jì)研究，在設(shè)計(jì)中采用了溫度補(bǔ)償校正的方法來(lái)減小系統(tǒng)的誤差，并提高其精度。由于時(shí)間的限制，系統(tǒng)的精度沒(méi)有做到很高，下一步可以進(jìn)一步提高超聲波傳感器模塊測(cè)距系統(tǒng)的精度。 超聲波測(cè)距技術(shù)是一門(mén)交叉科學(xué)，它設(shè)計(jì)到聲學(xué)、力學(xué)、材料科學(xué)等，每一門(mén)學(xué)科的新發(fā)現(xiàn)都會(huì)推動(dòng)超聲學(xué)的發(fā)展。新型傳感器以及大功率驅(qū)動(dòng)電源等技術(shù)的發(fā)展必將使超聲的測(cè)距范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，超聲測(cè)距技術(shù)將廣泛應(yīng)用于機(jī)器人或無(wú)人小車(chē)的定位系統(tǒng)、交通工具安全預(yù)警等方面。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文33致 謝感 謝 在 本 次 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 中 給 我 提 供 設(shè) 計(jì) 指 導(dǎo) 的 何 宏 森 老 師 和 胡 天 鏈 老 師 。 本 文 的 全部 研 究 和 論 文 的 撰 寫(xiě) 工 作 都 是 在 何 老 師 和 胡 老 師 的 悉 心 指 導(dǎo) 和 幫 助 下 完 成 的 ， 導(dǎo) 師 們知 識(shí) 淵 博 、 治 學(xué) 嚴(yán) 謹(jǐn) 和 其 在 機(jī) 器 人 大 賽 中 表 現(xiàn) 出 的 創(chuàng) 造 性 的 工 作 方 法 使 我 終 身 受 益 。在 完 成 論 文 期 間 ， 何 老 師 和 胡 老 師 無(wú) 論 在 學(xué) 業(yè) 上 和 生 活 上 ， 都 給 予 了 我 無(wú) 微 不 至 的 關(guān)懷 和 幫 助 ， 兩 位 老 師 誨 人 不 倦 的 師 德 及 以 身 作 則 的 作 風(fēng) 必 將 對(duì) 我 以 后 的 學(xué) 習(xí) 、 工 作和 生 活 都 產(chǎn) 生 深 刻 的 影 響 ， 在 此 表 示 崇 高 的 敬 意 和 衷 心 的 感 謝 ! 在 課 題 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 中 還得 到 了 機(jī) 器 人 小 組 其 他 老 師 和 吳 傳 璽 、 李 天 元 、 張 銳 等 同 學(xué) 的 幫 助 ， 正 是 在 各 位 老 師的 大 力 支 持 和 各 位 同 學(xué) 的 通 力 協(xié) 助 下 ，