【正文】 在氣體中，壓強、溫度、濕度等因素會引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會引起密度變化，固體中彈性模量對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，當(dāng)溫度 θ 從 0～40℃變化時，將會產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測量準(zhǔn)確度，計算時必須根據(jù)溫度進行聲速修正。工業(yè)測量中，一般用公式計算超聲波在空氣中的傳播速度，即 (53)??? 單片機時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)單片機中斷再通過軟件啟停定時器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。相對而言，單片機的時間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時，時間分辨率為 1181。s。隨機誤差由于測量過程中的隨機誤差是按統(tǒng)計規(guī)律變化的，為了減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測量 xi，然后取平均值 x 作為測量的真值 [10]。提高測距精度的方法上節(jié)分析了超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測距精度的措施如下：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，超聲測距的工作頻率選擇 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)及自動增益負反饋控制環(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量距離的變化而大幅度的變化，采用電流負反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。3. 提高計時精度，減少時間量化誤差。如采用芯片計時器，計時器的計數(shù)頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機內(nèi)置計時器的計數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率 6MHz 時，計數(shù)頻率為 ，此時在空氣中的測距時間量化誤差為 ；當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時，計數(shù)頻率為 1MHz，此時測距時間量化誤差為 。若采用外部硬件計時電路，則計數(shù)頻率可直接引用單片機的晶振頻率，時間量化誤差更小 [11]。4. 補償溫度對傳播聲速的影響。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，因此需要對其進行補償。溫度傳感器 LM92 的溫度測試分辨率為 ℃，－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 總線的讀寫時序，LM92 高精度溫度測量能很好的補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組成的高精度超聲波測距已應(yīng)用在各種高精度測距的場合，如自動氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測試、自動任意形狀物體密度測試儀等，它具有測試速度快，能達到毫米級的測量精度等優(yōu)點，在工程上的開發(fā)與應(yīng)用前景廣闊 [12]。 本章小結(jié)在本章里，對設(shè)計的電路進行了調(diào)試和分析。對于測距系統(tǒng)來說，誤差是不可避免的。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計測距系統(tǒng)必需要考慮的問題。本章分析了各種產(chǎn)生測量誤差的原因以及解決辦法，以更進一步提高超聲波測距系統(tǒng)的測量精度。29結(jié)論本課題介紹了一種基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的原理和設(shè)計。給出了硬件和軟件的設(shè)計方案。超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、檢測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)計測距電路。單片機是本系統(tǒng)的控制部分，采用 Atmel公司生產(chǎn)的 AT89C51 芯片。驅(qū)動超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號，就是由單片機編程產(chǎn)生的。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 六反向器，通過它對單片機產(chǎn)生的方波信號進行放大，以驅(qū)動傳感器工作。接收電路采用的是 LM741，通過接收電路對接收到的信號進行放大和整形，最終再輸出負脈沖給單片機響應(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，并用單片機軟件譯碼。單片機內(nèi)部采用 C 語言編程，方波信號的產(chǎn)生、時間差的讀取、距離的計算以及顯示輸出的譯碼都由單片機編程完成。本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點。測距范圍從 20cm 到 200cm，測量精度在177。10cm 內(nèi)。測距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場和自動控制場合，都有很重要的作用。但由于經(jīng)驗不足，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)中會進一步改進?？傮w來說，最重要的是在本課題的設(shè)計過程中我學(xué)到了很多知識，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，學(xué)會了各種放大電路的分析、設(shè)計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設(shè)計電路的方法。對一塊電路板的設(shè)計、焊板、調(diào)試、改進等整個過程，有了更深入的理解和掌握。這些對我今后的學(xué)習(xí)和工作都會有很大幫助的。30致謝首先感謝我的專業(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。從電路的設(shè)計到調(diào)試整個過程中，我都從張老師那里學(xué)會了很多專業(yè)方面的知識。還要感謝老師和渣鴻山老師，在我的畢業(yè)設(shè)計中給單片機燒錄程序，兩位老師為我提供單片機編程器以及對我的細心指導(dǎo)，衷心感謝他們。感謝主樓六樓實驗室的各位老師和領(lǐng)導(dǎo)為我提供單片機仿真器和示波器等實驗儀器，沒有他們的支持和幫助，我的畢設(shè)也不能順利進行。感謝在畢設(shè)中幫助過我的所有同學(xué)和師兄師姐們。最后感謝我的家人、朋友對我的支持。31參考文獻附錄 1采用雙超聲波傳感器和組合邏輯電路的種類識別系統(tǒng)在這篇文章里，我們使用一種技術(shù)，它用來從被反射出的超聲波認出一種32材料并且使用兩臺超音速飛機傳感器提議一個種類識別系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)里，被反射出的波形被作為二維的圖像，并且屬于那個種類的一個目標(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出的。在這個系統(tǒng)里，信息的結(jié)合例如物體的材料，角度和距離被作為識別種類確定。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)的識別試驗來證明提議系統(tǒng)和它的效力的特征，被適用于在具體的狀況下的識別。由于 5 種原料作為種類下落，獲得的結(jié)果顯示了一個差不多 100%的識別率，并且當(dāng)種類是傾向于材料，角度和距離的結(jié)合時，高的識別結(jié)果是為幾乎所有的材料獲得的。1．介紹傳統(tǒng)的圖樣識別是基于一種未知的模式和以知模式之間的一次距離計算。在兩種模式之間的距離被連續(xù)計算，并且這種未知的模式屬于的種類是基于結(jié)果的估計之上[1,2]。因此，如果模式的數(shù)量或者種類的數(shù)量增加，計算時間變長并且執(zhí)行實時識別和高速處理時變得尤其復(fù)雜困難。為了達到實時處理，一種傳統(tǒng)方法和大規(guī)模的硬件供應(yīng)是必要的。為了解決問題，使用基于 VLSI 的組合的邏輯電路的一種模式識別方法已經(jīng)被提出[3]。這種方法使用一種遺傳算法(GA)，由 GA 設(shè)計組合的邏輯電路和從模型數(shù)據(jù)中直接創(chuàng)建模式識別的一條集成電路。因為這種方法在原理平臺的最優(yōu)化里使用 GA，需要極其長的時間設(shè)計電路。因此，我們?yōu)楦唵蔚哪Ｊ奖容^這種組合的邏輯電路提出一種設(shè)計方案[4]。這被用于一個系統(tǒng)， 那就是從超聲波傳感器的波形數(shù)據(jù)材料識別，目標(biāo)材料作為識別種類。自從用這種方法從模型數(shù)據(jù)中創(chuàng)造了一個直接電路，一個識別電路可能在比利用 CA 方法更短的制作時間內(nèi)被創(chuàng)造出來。超聲波傳感器經(jīng)常被作為機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)方法捕獲的對象的識別過程中[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)的障礙或者遠離目標(biāo)信息中獲得。不過，研究已經(jīng)通過使用來自從超聲波傳感器獲得的信息的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來識別目標(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識別的一個特征。首先，一臺單個的超聲波傳感器用來測量一個對象的被反射的波。屬于未知數(shù)據(jù)的種類通過一種涉及到這個反射波的 FFT 波形的模式匹配來進行推斷的。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別未知物體的材料，它的效力已經(jīng)被檢驗。因此，在識別材料中的高識別率是不用質(zhì)疑的。這種方法的前提是在硬件中實施，期望可以通過使用一條組合的邏輯電路實現(xiàn)快速識別，應(yīng)用于航空，例如33自動化運輸工具，將隨著這種系統(tǒng)的進一步延伸而成為可能。在這篇文章里，我們提出一個種類識別系統(tǒng)，這種識別方法來識別種類被延伸至從物體原料到化合物體材料，角度和測量距離上的延伸，并且模型識別是基于得到的二臺超聲波傳感器的波形和組合的邏輯電路使用。那時，用測量的波形數(shù)據(jù)和其他種類方法的對比的種類實驗，通過證明被提議方法的特征來估計提議方法。2．提出的系統(tǒng) 識別算法在這個部分里解釋被提議的方法的種類識別的算法。首先，超聲波放電來測量物體，并且超聲波傳感器收到被反射的波。FFT 被用于通過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 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有被詳細地分析，但是被認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別與 FFT 反映出的波形來識別每種物體材料的特征。 下一步，我們創(chuàng)造有著極大值和級小值的圖表，因為從接收傳感器獲得的多測量數(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 是一個參考數(shù)據(jù)的例子。 參考數(shù)據(jù)是每種類識別的基礎(chǔ)。下列方程式用來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)與描述被測量的對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)遵循一個標(biāo)準(zhǔn)的分布，讓被測量的數(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量的數(shù)據(jù) x 的 95%在 x’177。 2 σ 間隔范圍內(nèi)[10]。通過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)用來對輸入數(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)屬于的種類被對圖像數(shù)據(jù)的模式匹配識別。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，并且這被作為識別結(jié)果確定。 系統(tǒng)配置圖 3 是一張在這項研究過程中使用的系統(tǒng)的方框圖。顯示的坐標(biāo)系統(tǒng)被在測量環(huán)境過程中使用。測量的目標(biāo)位于原點并且在以 xy 平面中心為原點的平面中測量。在這些實驗過程中，在數(shù)字里顯示的金屬形成的物體是測量目標(biāo)。測量設(shè)備被放在 y 軸的原點上，使用有獨立輸送和接收的 40 kHz 超聲波傳感器(日本陶器制法 T / 16 R40)來進行測量。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)的反射波兩臺接收傳感器接收，并且是模擬對數(shù)字化的轉(zhuǎn)變(100 MHz 抽樣率，32 位) 。在 FFT 之后處理，數(shù)據(jù)是對識別電路的輸入。通過使用兩臺接收的傳感器，因為輸入信息的增加，下列效應(yīng)可以被預(yù)測：改進識別率；不僅是簡單的物質(zhì)識別，而且種類更復(fù)雜的結(jié)合體如角和測量距離的識別。 識別電路被提出的識別方法是一個運算法則，在數(shù)據(jù)匹配過程中，這個法則可以被作為一條組合的邏輯電路的硬件來執(zhí)行。一個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)決定來自于一條組合的邏輯電路時， 參考數(shù)據(jù)和輸入數(shù)據(jù)被量化成PQ 二維的形式，每排進行比較。組合的邏輯電路用來比較兩排。從而，P 組合的邏輯電路(有 Q 輸入)來比較一個波形數(shù)據(jù)。被提議的系統(tǒng)使用兩臺傳感器；2P 組合的邏輯電路進行每種類的識別。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)建比較這對排的組合的邏輯電路，從參考數(shù)據(jù)中創(chuàng)建一份真實的表格。首先，每個種類的參考數(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。通過增加不被關(guān)注的真實表格，由于測量條件，識別電路吸收波形