【正文】 在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會(huì)引起密度變化，固體中彈性模量對(duì)聲速影響較密度影響更大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度的影響最大。聲速受溫度的影響為 (52)20223c???????????????圖 51 根據(jù)上式測(cè)量的溫度聲速圖。圖 51 空氣中溫度聲速圖由式(52)和圖 51 可見(jiàn)，當(dāng)溫度 θ 從 0～40℃變化時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度，計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正。工業(yè)測(cè)量中，一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度，即 (53)??? 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機(jī)中斷再通過(guò)軟件啟停定時(shí)器，都需要一定的時(shí)候，中斷的方式誤差相對(duì)要小一些。相對(duì)而言，單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時(shí)，時(shí)間分辨率為 1181。s。隨機(jī)誤差由于測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律變化的，為了減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測(cè)量 xi，然后取平均值 x 作為測(cè)量的真值 [10]。提高測(cè)距精度的方法上節(jié)分析了超聲波測(cè)距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測(cè)量精度是超聲測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測(cè)距精度的措施如下：281. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲測(cè)距的工作頻率選擇 40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的 10 倍以上，考慮換能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，速度快，脈沖發(fā)射周期可選短些。2. 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用 AGC 電路使放大倍數(shù)隨測(cè)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(cè)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(cè)距誤差就越小。例如：?jiǎn)纹瑱C(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 6MHz 時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 ，此時(shí)在空氣中的測(cè)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(cè)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 [11]。4. 補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器 LM92 的溫度測(cè)試分辨率為 ℃，－10℃至+85℃準(zhǔn)確度為177?！妫琁 2C 總線接口。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模擬 I2C 總線的讀寫(xiě)時(shí)序，LM92 高精度溫度測(cè)量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。由 LM92 溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測(cè)距已應(yīng)用在各種高精度測(cè)距的場(chǎng)合，如自動(dòng)氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測(cè)試、自動(dòng)任意形狀物體密度測(cè)試儀等，它具有測(cè)試速度快，能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)，在工程上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景廣闊 [12]。 本章小結(jié)在本章里，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了調(diào)試和分析。對(duì)于測(cè)距系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，誤差是不可避免的。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)必需要考慮的問(wèn)題。本章分析了各種產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因以及解決辦法，以更進(jìn)一步提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。29結(jié)論本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測(cè)方式以及它的一些特性。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路。單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分，采用 Atmel公司生產(chǎn)的 AT89C51 芯片。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 六反向器，通過(guò)它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào)進(jìn)行放大，以驅(qū)動(dòng)傳感器工作。接收電路采用的是 LM741，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。本系統(tǒng)的 LED 顯示部分采用的是靜態(tài)掃描方式，并用單片機(jī)軟件譯碼。單片機(jī)內(nèi)部采用 C 語(yǔ)言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高、速度快、控制簡(jiǎn)單方便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)距范圍從 20cm 到 200cm，測(cè)量精度在177。10cm 內(nèi)。測(cè)距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗(yàn)不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)?？傮w來(lái)說(shuō)，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析、設(shè)計(jì)，也掌握了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法。對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程，有了更深入的理解和掌握。這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的。30致謝首先感謝我的專(zhuān)業(yè)老師張永亮，在張老師的耐心指導(dǎo)、幫助下，我才能順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。從電路的設(shè)計(jì)到調(diào)試整個(gè)過(guò)程中，我都從張老師那里學(xué)會(huì)了很多專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí)。還要感謝老師和渣鴻山老師，在我的畢業(yè)設(shè)計(jì)中給單片機(jī)燒錄程序，兩位老師為我提供單片機(jī)編程器以及對(duì)我的細(xì)心指導(dǎo)，衷心感謝他們。感謝主樓六樓實(shí)驗(yàn)室的各位老師和領(lǐng)導(dǎo)為我提供單片機(jī)仿真器和示波器等實(shí)驗(yàn)儀器，沒(méi)有他們的支持和幫助，我的畢設(shè)也不能順利進(jìn)行。感謝在畢設(shè)中幫助過(guò)我的所有同學(xué)和師兄師姐們。最后感謝我的家人、朋友對(duì)我的支持。31參考文獻(xiàn)附錄 1采用雙超聲波傳感器和組合邏輯電路的種類(lèi)識(shí)別系統(tǒng)在這篇文章里，我們使用一種技術(shù)，它用來(lái)從被反射出的超聲波認(rèn)出一種32材料并且使用兩臺(tái)超音速飛機(jī)傳感器提議一個(gè)種類(lèi)識(shí)別系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)里，被反射出的波形被作為二維的圖像，并且屬于那個(gè)種類(lèi)的一個(gè)目標(biāo)是瞬間模式從參考數(shù)據(jù)到一條組合的邏輯電路中匹配認(rèn)出的。在這個(gè)系統(tǒng)里，信息的結(jié)合例如物體的材料，角度和距離被作為識(shí)別種類(lèi)確定。模式匹配被從參考數(shù)據(jù)直接創(chuàng)建的一條組合的邏輯電路所攜帶。根據(jù)提議的方法完成標(biāo)準(zhǔn)的波形數(shù)據(jù)的識(shí)別試驗(yàn)來(lái)證明提議系統(tǒng)和它的效力的特征，被適用于在具體的狀況下的識(shí)別。由于 5 種原料作為種類(lèi)下落，獲得的結(jié)果顯示了一個(gè)差不多 100%的識(shí)別率，并且當(dāng)種類(lèi)是傾向于材料，角度和距離的結(jié)合時(shí)，高的識(shí)別結(jié)果是為幾乎所有的材料獲得的。1．介紹傳統(tǒng)的圖樣識(shí)別是基于一種未知的模式和以知模式之間的一次距離計(jì)算。在兩種模式之間的距離被連續(xù)計(jì)算，并且這種未知的模式屬于的種類(lèi)是基于結(jié)果的估計(jì)之上[1,2]。因此，如果模式的數(shù)量或者種類(lèi)的數(shù)量增加，計(jì)算時(shí)間變長(zhǎng)并且執(zhí)行實(shí)時(shí)識(shí)別和高速處理時(shí)變得尤其復(fù)雜困難。為了達(dá)到實(shí)時(shí)處理，一種傳統(tǒng)方法和大規(guī)模的硬件供應(yīng)是必要的。為了解決問(wèn)題，使用基于 VLSI 的組合的邏輯電路的一種模式識(shí)別方法已經(jīng)被提出[3]。這種方法使用一種遺傳算法(GA)，由 GA 設(shè)計(jì)組合的邏輯電路和從模型數(shù)據(jù)中直接創(chuàng)建模式識(shí)別的一條集成電路。因?yàn)檫@種方法在原理平臺(tái)的最優(yōu)化里使用 GA，需要極其長(zhǎng)的時(shí)間設(shè)計(jì)電路。因此，我們?yōu)楦?jiǎn)單的模式比較這種組合的邏輯電路提出一種設(shè)計(jì)方案[4]。這被用于一個(gè)系統(tǒng)， 那就是從超聲波傳感器的波形數(shù)據(jù)材料識(shí)別，目標(biāo)材料作為識(shí)別種類(lèi)。自從用這種方法從模型數(shù)據(jù)中創(chuàng)造了一個(gè)直接電路，一個(gè)識(shí)別電路可能在比利用 CA 方法更短的制作時(shí)間內(nèi)被創(chuàng)造出來(lái)。超聲波傳感器經(jīng)常被作為機(jī)器人里的修正距離的傳感器使用，目的是為了在不能使用光學(xué)傳感器的水下或夜間環(huán)境下起度量作用，并且在形狀信息難像玻璃或者不銹鋼那樣用光學(xué)方法捕獲的對(duì)象的識(shí)別過(guò)程中[5,6]。通常，信息從用超聲波傳感器反射出的波以只存在或者不存在量程范圍內(nèi)的障礙或者遠(yuǎn)離目標(biāo)信息中獲得。不過(guò)，研究已經(jīng)通過(guò)使用來(lái)自從超聲波傳感器獲得的信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)識(shí)別目標(biāo)的形狀[79]。在裁判員 4 的系統(tǒng)里，快速傅里葉變換算法(FFT)反射波的波形被用作種類(lèi)識(shí)別的一個(gè)特征。首先，一臺(tái)單個(gè)的超聲波傳感器用來(lái)測(cè)量一個(gè)對(duì)象的被反射的波。屬于未知數(shù)據(jù)的種類(lèi)通過(guò)一種涉及到這個(gè)反射波的 FFT 波形的模式匹配來(lái)進(jìn)行推斷的。模式匹配被假設(shè)為使用一條組合的邏輯電路。我們使用這種方法識(shí)別未知物體的材料，它的效力已經(jīng)被檢驗(yàn)。因此，在識(shí)別材料中的高識(shí)別率是不用質(zhì)疑的。這種方法的前提是在硬件中實(shí)施，期望可以通過(guò)使用一條組合的邏輯電路實(shí)現(xiàn)快速識(shí)別，應(yīng)用于航空，例如33自動(dòng)化運(yùn)輸工具，將隨著這種系統(tǒng)的進(jìn)一步延伸而成為可能。在這篇文章里，我們提出一個(gè)種類(lèi)識(shí)別系統(tǒng)，這種識(shí)別方法來(lái)識(shí)別種類(lèi)被延伸至從物體原料到化合物體材料，角度和測(cè)量距離上的延伸，并且模型識(shí)別是基于得到的二臺(tái)超聲波傳感器的波形和組合的邏輯電路使用。那時(shí)，用測(cè)量的波形數(shù)據(jù)和其他種類(lèi)方法的對(duì)比的種類(lèi)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)證明被提議方法的特征來(lái)估計(jì)提議方法。2．提出的系統(tǒng) 識(shí)別算法在這個(gè)部分里解釋被提議的方法的種類(lèi)識(shí)別的算法。首先，超聲波放電來(lái)測(cè)量物體，并且超聲波傳感器收到被反射的波。FFT 被用于通過(guò)超聲波傳感器在頻率領(lǐng)域內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)而獲得反射波。傳輸數(shù)據(jù)的 35－kHz 到 45－kHz 區(qū)域被用于識(shí)別。原因是超聲波傳感器被用于中心是 40 kHz 的頻率。圖 1 顯示 5個(gè) FFT 波形樣品，(a)木頭,(b)鐵，(c)紙板，(d)海綿和(e)塑料。這些波形是從有著相同的尺寸的金屬板形狀的物體(30 厘米 x 30 厘米)中獲得的 FFT 波形。如圖 1，每種材料中的波形顯示了特征的不同。在這篇文章里，被反射的波形中存在差別的原因沒(méi)有被詳細(xì)地分析，但是被認(rèn)為是每種材料或者表面形狀的聲阻抗的差別[5, 6]。因此， 我們相信一物體材料可以圖樣識(shí)別與 FFT 反映出的波形來(lái)識(shí)別每種物體材料的特征。 下一步，我們創(chuàng)造有著極大值和級(jí)小值的圖表，因?yàn)閺慕邮諅鞲衅鳙@得的多測(cè)量數(shù)據(jù)有著自己的頻率組合。這張圖被叫為參考數(shù)據(jù)。圖 2 是一個(gè)參考數(shù)據(jù)的例子。 參考數(shù)據(jù)是每種類(lèi)識(shí)別的基礎(chǔ)。下列方程式用來(lái)確定最大和最少的參考數(shù)據(jù)：? 最大值= E(f) + 2 σ(f)? 最小值= E(f) – 2 σ(f)E(f)表示在決定于培訓(xùn)用數(shù)據(jù)的頻率 f 方面的指示能力，而 σ(f)表示頻率英尺指示能力的標(biāo)準(zhǔn)偏差。參考數(shù)據(jù)的最大值和最小值表明數(shù)據(jù)與描述被測(cè)量的對(duì)象的特征的波形不符合的范圍。如果我們假定這些參考數(shù)據(jù)遵循一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的分布，讓被測(cè)量的數(shù)據(jù) x 的平均值是 x’，標(biāo)準(zhǔn)偏差是 σ，然后我們得到大約測(cè)量的數(shù)據(jù) x 的 95%在 x’177。 2 σ 間隔范圍內(nèi)[10]。通過(guò)把極大值和極小值放置在參考數(shù)據(jù) E(f) 177。 2 σ(f)里，如果培訓(xùn)用數(shù)據(jù)的數(shù)量足夠大，幾乎所有數(shù)據(jù)根據(jù)反射出的相同對(duì)象的波決定的未知波形相信在極大和極小參考數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)被觀察到。下一步，被創(chuàng)建的參考數(shù)據(jù)用來(lái)對(duì)輸入數(shù)據(jù)匹配。在提議系統(tǒng)內(nèi)，從超聲波傳感器那里獲得的未知波形成數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)作為二維的數(shù)據(jù)處理。然后未知的數(shù)據(jù)屬于的種類(lèi)被對(duì)圖像數(shù)據(jù)的模式匹配識(shí)別。如果未知的波形數(shù)據(jù)和參34考數(shù)據(jù)被重疊，相配的過(guò)程阻塞，并且如果未知的波形數(shù)據(jù)在最大和最少的參考數(shù)據(jù)中，未知的波形數(shù)據(jù)被推斷屬于保存參考數(shù)據(jù)的種類(lèi)，并且這被作為識(shí)別結(jié)果確定。 系統(tǒng)配置圖 3 是一張?jiān)谶@項(xiàng)研究過(guò)程中使用的系統(tǒng)的方框圖。顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)被在測(cè)量環(huán)境過(guò)程中使用。測(cè)量的目標(biāo)位于原點(diǎn)并且在以 xy 平面中心為原點(diǎn)的平面中測(cè)量。在這些實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在數(shù)字里顯示的金屬形成的物體是測(cè)量目標(biāo)。測(cè)量設(shè)備被放在 y 軸的原點(diǎn)上，使用有獨(dú)立輸送和接收的 40 kHz 超聲波傳感器(日本陶器制法 T / 16 R40)來(lái)進(jìn)行測(cè)量。在 3 圖中，超聲波傳感器被安排有左右接受器和在中心內(nèi)的輸出器。那些目標(biāo)的反射波兩臺(tái)接收傳感器接收，并且是模擬對(duì)數(shù)字化的轉(zhuǎn)變(100 MHz 抽樣率，32 位) 。在 FFT 之后處理，數(shù)據(jù)是對(duì)識(shí)別電路的輸入。通過(guò)使用兩臺(tái)接收的傳感器，因?yàn)檩斎胄畔⒌脑黾?，下列效?yīng)可以被預(yù)測(cè)：改進(jìn)識(shí)別率；不僅是簡(jiǎn)單的物質(zhì)識(shí)別，而且種類(lèi)更復(fù)雜的結(jié)合體如角和測(cè)量距離的識(shí)別。 識(shí)別電路被提出的識(shí)別方法是一個(gè)運(yùn)算法則，在數(shù)據(jù)匹配過(guò)程中，這個(gè)法則可以被作為一條組合的邏輯電路的硬件來(lái)執(zhí)行。一個(gè)匹配電路決定著輸入數(shù)據(jù)是否在最大和最少的參考數(shù)據(jù)內(nèi)。 匹配電路當(dāng)決定來(lái)自于一條組合的邏輯電路時(shí)， 參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)被量化成PQ 二維的形式，每排進(jìn)行比較。組合的邏輯電路用來(lái)比較兩排。從而，P 組合的邏輯電路(有 Q 輸入)來(lái)比較一個(gè)波形數(shù)據(jù)。被提議的系統(tǒng)使用兩臺(tái)傳感器；2P 組合的邏輯電路進(jìn)行每種類(lèi)的識(shí)別。一條組合的邏輯電路把少量參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。如果比較的兩排匹配精確， “1”是輸出量；否則， “0”是輸出量。為了創(chuàng)建比較這對(duì)排的組合的邏輯電路，從參考數(shù)據(jù)中創(chuàng)建一份真實(shí)的表格。首先，每個(gè)種類(lèi)的參考數(shù)據(jù)如圖 4 中所示被量化成 PQ 二維的形式。等于或者超過(guò)參考數(shù)據(jù)的最大量的區(qū)域被調(diào)整到“0” ， 最小量被調(diào)整到“1” ，并且其他區(qū)域被調(diào)整到涉及不到的區(qū)域(“x”)。下一步，一排量化的參考數(shù)據(jù)被作為真實(shí)表格確定，并且建立了在每排和輸入數(shù)據(jù)相配的組合的邏輯電路。通過(guò)增加不被關(guān)注的真實(shí)表格，由于測(cè)量條件，識(shí)別電路吸收波形