【導讀】聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的。人類采用仿真技能利用超聲波測距。電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。用途，包括非損害測量、過程檢測、機器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。比如要測量有毒或有腐蝕性化。學物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離?？刂?，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷的檢測等。需要，分析了影響超聲波測距精確的多種因素，進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，來有效提高超聲波測距系統(tǒng)的精度。一般認為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年。目前已經(jīng)廣泛地應用在機械制造、電子冶金、航。海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學、醫(yī)學、生物科學等領(lǐng)域中。也占據(jù)重要地位。目前相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來的方法是主要。的降低探測傳輸不確定度的方法。

　　

【正文】 ，實現(xiàn)對各部分的控制和響應。本軟件程序在 keil 181。vision2 軟件編程環(huán)境下，根據(jù)超聲波測距的公式 采用匯編語言將其分為主程序、溫度測量及速度補償子程 序、濾波子程序、距離計算子程序和顯示子程序子個模塊，其中主程序完成超聲波發(fā)射控制和計數(shù)功能。在這些程序中，以溫度測量及速度補償子程序和距離計算子程序為核心。 測距軟件程序的基本流程： ① 開機運行后顯示友好畫面 HELLO； ② 溫度測量及速度補償子程序； ③ 判斷是否按下了超聲波發(fā)射按鈕，若沒有鍵按下則返回執(zhí)行第②步； 若按下， ④ 將 555 多諧振蕩器的復位端 4 腳置高電平發(fā)射超聲波，開啟計數(shù)器計時，待回波進入接收電路，經(jīng)放大、比較和電平轉(zhuǎn)換等硬件處理后輸出一列負脈沖，送給單片機處理，停止發(fā)射超聲波和 T1 計數(shù)并將計數(shù)值存 儲起來，然后返回從第 ④步開始執(zhí)行，重復以上流程直到滿足測量次數(shù)為止，并進行 濾波處理（在其中通過延時 20us 的方式，對超聲波測距進行盲區(qū)處理）；在計數(shù)值經(jīng)過濾波處理后，乘上計數(shù)脈沖的寬度及經(jīng)過溫度補償后的超聲波速度除以 2 來計算最后結(jié)果并將結(jié)果送顯示，其主流程圖如圖 所示。 南昌航空大學學士學位論文 28 距離計算流程 在硬件設(shè)計過程中，將計數(shù)脈沖寬度設(shè)計為 10us。按照設(shè)計要求其測量距離為4cm4m，當測量距離 為 4m時，根據(jù)公式 可知，從超聲波發(fā)射到接收所需時間 t≈ 23255us（當環(huán)境溫度 T=25℃時 ），其 T1 的計數(shù)值為 2325。因為一個字節(jié)所能存放的最大數(shù)為 255，而 T1 的計數(shù)值遠超過了一個字節(jié)所能存放的數(shù)值，所以需要用兩個字節(jié)來存放一次計數(shù)值。 Y 開始 7279 初始化，存儲單元和定時器初始化 調(diào)顯示 HELLO 測溫度并顯示， 進行聲速補償 N 50H=0? 數(shù)據(jù)進行濾波及距離運算 N 關(guān)計數(shù)器和發(fā)射并存儲計數(shù)值 Y Y 有按鍵否？ 接收到回波 ? 發(fā)超聲波并開始計數(shù) 延 時 20us N 計數(shù)器清零， 50H=6 圖 主程序流程圖 南昌航空大學學士學位論文 29 2Lt V? () （其中 L 為測量的距離， V為超聲波的傳播速度， t 為所需要的時間）。 由 于每次的計數(shù)值需要 2 個字節(jié)來存放，因此濾波子程序須設(shè)計為 6 個二字節(jié)數(shù)的處理程序。在距離的計算過程中，當溫度每升高 1℃，其超聲波的傳播速度增加。為了計算的方便，在軟件的編程過程中采用公式 的思路來編寫 (其中超聲波的速度 V的單位為 mm/us,計算結(jié)果的單位為毫米 )。其軟件設(shè)計流程如圖 所示。 2020tvL? （ ） 軟件調(diào)試 在軟件程序的設(shè)計過程中，采用分模塊設(shè)計及調(diào)試的方式。在濾波子程序的設(shè)計過程中，其濾波處理采用的中值平均濾波方法。中值平均濾波方法是：設(shè) N 次采樣值 X1， X2， X3，?， XN按大小順序排列為 X1≦ X2≦ X3， ?，≦ XN，把最小的 X1 和最大的 XN 去掉，剩下的取算術(shù)平均值即為濾波后的值 y，即： () 這種方法既能濾除脈沖干擾，又能平滑濾波，即對于快、慢干擾均有效果。首先根據(jù)流程圖編寫程序，然后對給定的 6 個二 字節(jié)數(shù)進行濾波處理，最終查看結(jié)果。 在二字節(jié)乘二字節(jié)、四字節(jié)除于二字節(jié)、測溫和聲速的溫度補償?shù)某绦蛟O(shè)計過程中，都采用先畫程序流程圖，然后編寫程序的模式。在調(diào)試過程中，采用的是先給各子模塊賦初值后查看其結(jié)果的方式。當各子程序的設(shè)計完成后，根據(jù)各個模塊的數(shù)據(jù)存儲空間來將各個模塊結(jié)合起來，最終形成具有測距功能的總程序。 結(jié)果存儲單元清零 調(diào)用 V*t 的程序 調(diào)用除法程序 V*t/2020 顯示處理程序 返回 圖 距離計算流程圖 ? ?? ?21 2Nxxy N???? ?南昌航空大學學士學位論文 30 第六章 超聲波測距系統(tǒng)最終調(diào)試 在本系統(tǒng)的設(shè)計過程中，分別對系統(tǒng)的軟件和硬件進行分別調(diào)試完畢后，再將系統(tǒng)的軟件和硬件相結(jié)合來進行調(diào)試。其中定時器 T1 設(shè)置為外部計數(shù)方式，外部計數(shù)脈沖為單片機的 ALE 信號。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，首先將軟件通過 MAX232 芯片將程序下載到單片機內(nèi)，觀察二極管的亮滅及數(shù)碼管的顯示內(nèi)容。在將程序下載進去后，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管始終亮著，而且數(shù)碼管顯示為 0000。通過使用萬用表和示波器來檢查各個模塊的輸入輸出電壓及波形，發(fā)現(xiàn) 555多諧振蕩器的復位端 4腳始終為高電平，超聲波一直在發(fā)射，并沒有達到設(shè)計要求。為了方便檢查故障的原因，又重新編寫了一個使用單片機的 口來控制 555 多諧振蕩器的工作情況的程序。在這里采用的是先將 口為低電平，然后延時 2s 后在將 口置 1，觀察發(fā)光二極管 的亮滅情況，發(fā)現(xiàn)其始終都亮著，并沒出現(xiàn)亮滅交替的情況。此時，將 口直接接電源的地線，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管熄滅；將 口接 +5V 電源，發(fā)光二極管點亮，工作正常。這時再次通過軟件的方式來控制 口電平的高低，用萬用表檢測 口的電平，發(fā)現(xiàn)能夠通過軟件來控制該口為高或為低電平。 在確定硬件的設(shè)計無誤后，再次將軟件和硬件結(jié)合起來，通電后發(fā)現(xiàn)電路仍然不能正常工作。這時檢測 口的電壓，發(fā)現(xiàn)該點始終為高電平。經(jīng)過再次查看STC89C52 的資料，發(fā)現(xiàn)單片機的工作電壓的范圍為 0～ 6V，不能直接采用 I/O 口的高低電平來控制 12V 上拉電壓的工作。最后將 口的上拉電壓改為 +5V，發(fā)現(xiàn)電路工作正常。 在調(diào)好發(fā)射接收模塊電路后，再次將總程序下載到單片機內(nèi)通電工作，發(fā)現(xiàn)發(fā)光二極管能夠亮滅亮滅的閃爍，但數(shù)碼管始終顯示為 0000。于是采用示波器觀察 T1 的波形，顯示的輸入波形為脈沖信號其脈寬為 4us。通過編寫一個單獨控制 T1 計數(shù)并將計數(shù)值送顯的程序來對系統(tǒng)進行調(diào)試，當計數(shù)脈沖為單片機的 ALE 信號時，其顯示的計數(shù)值始終 00000。在經(jīng)過多方面的考慮和分析后，最終嘗試采用 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生 100KHz 的脈沖信號 作為 T1 計數(shù)器的計數(shù)脈沖。然后再次通電運行，發(fā)現(xiàn) T1 計數(shù)器能夠計數(shù)并且其計數(shù)范圍為 0～ 65535 之內(nèi)。 在將控制超聲波發(fā)射和計數(shù)的程序調(diào)試完成之后，再將修改后的總程序下載到單片機中，通電后發(fā)現(xiàn)電路能夠工作正常。在電路工作正常后，用示波器觀察回波接收、峰值檢波和電平轉(zhuǎn)換的波形，其各點的波形如圖 所示。當系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過采用卷尺對所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)進行比較，在其測量的距離值如表 7 所示。從表南昌航空大學學士學位論文 31 7 可知其測量距離的最大誤差比設(shè)計要求要大，不過基本滿足了設(shè)計的要求。 圖 接收模 塊中的各點波形圖 表 7 在 29℃時的 測量結(jié)果 實測距離（ cm） 測量結(jié)果（ cm） 測量距離誤差（ cm） 測量誤差（ %） 5 30 10 14 20 9 30 3 10 40 0 0 50 60 3 100 135 2 180 南昌航空大學學士學位論文 32 第七章 總結(jié) 研究結(jié)論 本系統(tǒng)研制歷時近半年，通 過和老師、同學充分合作共同努力已完成并驗收，這是一個團隊的成果。在超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計中，完成的是硬件設(shè)計、制作及調(diào)試實驗，同時完成軟件設(shè)計方面的工作。在硬件設(shè)計中主要工作是：設(shè)計硬件的結(jié)構(gòu)框圖，完成硬件的設(shè)計。如超聲波的產(chǎn)生、驅(qū)動電路、接收放大電路、峰值檢波電路和電平轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計及制作。在硬件的設(shè)計過程中，最主要是要具有高速性和較強的抗干擾能力。在選擇構(gòu)成系統(tǒng)電路的元器件時，應著重考慮其是否會影響系統(tǒng)的高速性。在硬件的制作過程中，應盡量減小電源的波動對系統(tǒng)的影響，以及在做 PCB 板時可通過網(wǎng)格線的方式增加 系統(tǒng)的抗干擾能力。 本系統(tǒng)能不同溫度和氣體的環(huán)境對兩點的距離進行測量，同時也可以作于汽車的避障系統(tǒng)，具有的功能有： ① 測量范圍： 6cm～ 3m；② 測量誤差較??；③具有實時測溫和溫度補償功能；④ 能夠?qū)嚯x進行多次測量顯示。 本系統(tǒng)的不足和需改進的地方 受時間和經(jīng)驗限制，本系統(tǒng)有不足和需改進的地方： 1．本系統(tǒng)的平面安裝大小為 140mm*120mm，為了進一步縮小整個系統(tǒng)的體積，便于應用推廣，可以用貼片電子元件替代直插元件和制作雙面板的方法。 2．本軟件設(shè)計為了完成工程要求，沒有用到太復雜的算法。今后 工作可以嘗試更好的算法設(shè)計。但是，考慮超聲波測距系統(tǒng)的成本要求低 (成本過高很難有實際應用 )、體積要小，因此目前很難用上較昂貴的高級芯片，在成本較低的單片機上編程，除了完成眾多功能外，要使用數(shù)字濾波等復雜算法編程，還要考慮時間響應快的因素，將是一個挑戰(zhàn)。 3．更復雜的算法可以作研究嘗試，但從實際效果考慮上，更好的辦法可能是改進外圍電路設(shè)計，本系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計還有很大的改善空間。 南昌航空大學學士學位論文 33 參考文獻 [1] 潘宗預，潘登 .超聲波測距精度的探討 [J].湖南大學學報：自然科學版， 2020，（ 06） . 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