【正文】 輸入信號為零時(shí)，兩個(gè)輸入端靜態(tài)電流的平均值，即IIB=（IB1+IB2）/2 （51）IIB的大小反映了放大器的輸入電阻和輸入失調(diào)電流的大小，IIB越小，運(yùn)算放大器的輸入電阻越高，輸入失調(diào)電流越小。差模輸入電阻Rid：Rid是指運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端之間的動態(tài)電阻，一般為幾兆。輸出電阻R0：運(yùn)算放大器在開環(huán)工作時(shí)，在輸出端對地之間看進(jìn)去的等效電阻即為輸出電阻。R0大小放映了運(yùn)算放大器的負(fù)載能力。共模抑制比KcmRKcmR=Aud/Auc （52）用dB表示，即為20lg(Aud/Auc).最大差模輸入電壓UidM：UIdM是指運(yùn)算放大器同相端和反相端之間所能加的最大電壓。最大共模輸入電壓UicM：UIcM是指運(yùn)算放大器在線性工作范圍內(nèi)能承受的最大共模輸入電壓。 LM567芯片介紹。 LM567芯片邏輯圖LM567的主要參數(shù)如下： 電源電壓～9V； 靜態(tài)工作電流8mA； 最高工作頻率500KHz； 8腳最大吸收電流l00mA。LM567的工作原理6腳外接定時(shí)電阻及電容決定鎖相環(huán)內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率(fo=1/)。第2腳對地接電容C2為相位比較器輸出的低通濾波器。第2腳所接電容C2對鎖相環(huán)的捕捉帶寬Bw有影響。第1腳對地接一電容C1為正交相位檢波器的輸出濾波，其電容值應(yīng)不小于2腳所接電容約兩倍，即Cl大于、等于2C2。第3腳為信號輸入端，要求輸入信號的幅度大于25mV，最佳值為200mV左右。當(dāng)LM567的輸入信號的頻率落在其內(nèi)部壓控振蕩器中心頻率fo附近時(shí)，邏輯輸出端（8腳）將由原高電平變?yōu)榈碗娖?，輸出一個(gè)負(fù)脈沖。8腳不僅可以實(shí)現(xiàn)選頻，而且還有負(fù)脈沖形成功能。改變Rp可改變選頻頻率。由于8腳為集電極開路輸出，故實(shí)際應(yīng)用時(shí)，其8腳應(yīng)接一上拉電阻至電源正極Vdd。 探頭UCM介紹壓電陶瓷超聲波換能器（超聲波傳感器）體積小，靈敏度高、性能可靠、價(jià)格低廉，是遙控、遙測、報(bào)警等電子裝置最理想的電子器件、用此換能器構(gòu)成的超聲波遙控開關(guān)，可使家電產(chǎn)品、電子玩具加速更新?lián)Q代，提高市場競爭能力。 傳感器特性參數(shù)型號UCM—T40K1UCM—R40K1結(jié)構(gòu)開放式開放式發(fā)射距離8—10米8—10米使用方式發(fā)射接收諧振頻率40KHZ177。1KHZ40KHZ177。1KHZ頻帶寬2KHZ177。2KHZ177。靈敏度≥—70dB / V / ubar≥—70dB / V / ubar外形尺寸∮16mm∮16mm溫度范圍—20℃~ + 60 ℃—20℃~ + 60 ℃相對濕度20 177。 5℃時(shí)達(dá)98%20 177。 5℃時(shí)達(dá)98% 使用注意事項(xiàng)：兩接線腳焊接時(shí)間不宜過長，以免器件內(nèi)之焊點(diǎn)溶化脫焊及造成底座與接線腳之間松動。不宜與腐蝕性物質(zhì)接觸。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，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)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：一、信號控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路、門限檢測的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、峰值采集信號、遠(yuǎn)近控制信號的時(shí)序及輸出。二、數(shù)據(jù)存儲為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。三、 信號處理RAM 中存儲的計(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：S=*V*T＝*V*(Tr*N)其中，T 為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，Tr 為方波信號作為計(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。四、 數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用三位 LED 表示。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 AT89C51系列單片機(jī)匯編語言實(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)換子程序后顯示輸出。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。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)都是在其中完成的，在此過程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。程序首先完成初始化過程，然后是一個(gè)重復(fù)的控制發(fā)射信號的過程，即調(diào)用發(fā)射子程序幾遍，而且每次發(fā)射周期結(jié)束都會判斷在發(fā)射信號后延時(shí)等待的過程中是否發(fā)生了中斷，即是否有回波產(chǎn)生來判斷程序得流程。 主程序流程圖一、 40kHz 脈沖的產(chǎn)生與超聲波發(fā)射 在脈沖產(chǎn)生前先對定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0進(jìn)行初始化，在這里選擇的是工作方式1定時(shí)器模式，所以TMOD應(yīng)該設(shè)定為01H。接著用STEB TR0指令開啟T0，在開啟T0的同時(shí)開發(fā)發(fā)射超聲波脈沖。測距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用UCM40的壓電陶瓷傳感器，它的工作電壓是40kHz的脈沖信號，這由單片機(jī)執(zhí)行下面程序來產(chǎn)生。 PUZEL： MOV 14H, 12H ；超聲波發(fā)射持續(xù)200ms HERE： CPL ；輸出40kHz方波 NOPNOPNOPDJZN 14H，HERERET ，單片機(jī)執(zhí)行上面的程序后， 端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波，且持續(xù)發(fā)射200ms。，工作原理與前方測距電路相同。這里省略，只研究正對方向的障礙物。二、 超聲波的接收與處理 超聲波的接受是由外部中斷口INT0是否有中斷脈沖產(chǎn)生來判斷的。定時(shí)子程序轉(zhuǎn)回來的時(shí)候，要對中斷進(jìn)行初始化。選定的是INT0口，工作方式為脈沖方式。STEB EA ； 中斷總允許STEB EX0 ； INT0中斷允許STEB PX0 ； 設(shè)置INT0為高優(yōu)先級中斷STEB IT0 ； 設(shè)置INT0為脈沖方式HERE：JMP $ ；等待中斷接收頭采用與發(fā)射頭配對的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?，?jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567，內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率f0=1/，電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)節(jié)R8在發(fā)射的載頻上，則LM567輸入信號大于25mV，輸出端8腳由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾埱笮盘?，送至單片機(jī)處理。 前方測距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。部分源程序如下RECEIVE:PUSH PSW PUST ACC CLR ACC JNB ,RIGHT。，轉(zhuǎn)至右測距電路中斷服務(wù)程序 JNB ，LEFT。，轉(zhuǎn)至左測距電路中斷服務(wù)程序 RETURN: SETB EX1。開外部中斷INT1 POP ACC POP PSW RET1三、 數(shù)據(jù)讀取和儲存為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時(shí)間差，要讀出T0計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲在 RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；關(guān)外部中斷0 MOV R7, TH0 ；讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0? CLR C MOV A, R6 SUBB A, 0BBH ；計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A ；存儲結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；開外部中斷0 POP ACC POP PSW RETI四、 計(jì)算超聲波傳播時(shí)間 T0中讀取出來的時(shí)間差數(shù)據(jù)并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)闀r(shí)間差值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=*V*T 。其中，V為聲音在常溫下的傳播速度，T為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間，在這個(gè)部分中，信號處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。 顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序考慮到提高系統(tǒng)資源的利用率，顯示采用動態(tài)顯示法實(shí)現(xiàn)。采用8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O口。8155的PA口做為LED的字形輸出口，PC口做為LED的位選控制口，采用共陰顯示接法。將計(jì)算好的距離數(shù)據(jù)設(shè)置顯示緩沖區(qū)起始地址，顯示緩沖區(qū)中被顯示的字符的字形碼的地址偏移量預(yù)先制表放入。流程圖及部分源程序如下： 子程序流程圖DISP：MOV DPTR，7F00H ；指向8155控制口 MOV A，0DH ；8155初始化 MOVX @DPTR，A MOV R7，01H ；從右邊第1位顯示器開始 MOV R1，30H ；顯示緩沖區(qū)首地址送R1LOOP：MOV DPTR，7F03H ；指向8155控制口地址 MOV A，R7 ；位控碼初值 MOVX @DPTR，A MOV DPTR，7F01H ；指向8155段控制口地址 MOV A，@R1 ；取待顯示數(shù)據(jù) MOV DPTR， TAB ；取字形段碼表首地址 MOVX A，@A+DPTR ；查表獲取字形段碼 INC R1 ；指針指向下一緩沖單元 MOV A，R7 JB A ,RETURN ；判斷是否到最高位？返回 RL A ；不到，左移一位 MOV R7，A AJMP LOOP ；繼續(xù)掃描RETURN：RETTAB： DB 0C0H，OF9H，0A4H，0B0H，99H DB 92H，82H，0F8H，80H，90H DB 88H，83H，0C6H，0A1H，86H DB 8EH，0BFH，8CH，0FFH第6章 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn)前面幾章介紹了超聲測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，本章將介紹利用超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因及系統(tǒng)的改進(jìn)。超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間ts，在已知超聲波聲速Cs 的前提下，可計(jì)算被測物的距離D，即：D=CT/2。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。本文從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響，回波檢測對時(shí)間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以AT89C51單片機(jī)為核心，采用40KHz 壓電超聲波傳感器，應(yīng)用于長大汽車和貨車等車輛倒車檢測的車載超聲測距儀。 溫度對超聲波聲速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響即： （61）其中B為氣體的彈性模量，r為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得：B=gr ，其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，P為氣體的壓強(qiáng)。氣體的壓強(qiáng)為： （62）其中，R為普適常量 ，T為氣體溫度K(絕對溫度)，M為氣體分子量，103 kg/mol。所以 （63）由公式63可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。例如：20 ℃時(shí)，T=， CS= m/s；40℃時(shí)，T=，CS= m/s；20℃時(shí),T＝，CS= m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。 回波檢測對時(shí)間測量的影響超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過程，超聲波會有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x 處有被測物，則空氣中傳播的超聲波波動方程描述為：A=A(x)cos(ax+kt) （64）其中A為超聲傳感器接收的振幅；A0 為超聲傳感器初始振幅；α為衰減系數(shù)；x 為超聲波傳播距離；w角頻率；k