【導(dǎo)讀】隨著社會的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。在社會生活中應(yīng)用超。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲。波測距技術(shù)的研究和開發(fā)具有實(shí)際意義。聲波測距系統(tǒng)，它根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理，以超聲波傳感器為檢測部件，該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個模塊構(gòu)成。通過單片機(jī)的I/O口。各探頭的信號經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個功能模塊。有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路原理及程序設(shè)計?？刂?、工作可靠、測距準(zhǔn)確度高、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)后的作品可用于

　　

【正文】 函數(shù)的代碼量不能超過 2K，整個程序可以使用 64K 程序空間； Large 模式，可用全部 64K 空間。 Use onchip ROM 選擇項(xiàng)，確認(rèn)是否僅使用片內(nèi) ROM（注意：選中該項(xiàng)并不會影響最終生成的目標(biāo)代碼量）； Operating 項(xiàng)是操作系統(tǒng)選擇，Keil 提供了兩種操作系統(tǒng)： Rtx tiny 和 Rtx full，關(guān)于操作系統(tǒng)是另外一個很大的話題了，通常我們不使用任何操作系統(tǒng)，即使用該項(xiàng)的默認(rèn)值： None（不使 用任何操作系統(tǒng)）； Off Chip Code memory 用以確定系統(tǒng)擴(kuò)展 ROM 的地址范圍， Off Chip xDatamemory 組用于確定系統(tǒng)擴(kuò)展 RAM 的地址范圍，這些選擇項(xiàng)必須根據(jù)所用硬件來決定，由于該例是單片應(yīng)用，未進(jìn)行任何擴(kuò)展，所以均不重新選擇，按默認(rèn)值設(shè)置。 設(shè)置對話框中的 OutPut 頁面，如圖 所示， 對目標(biāo)進(jìn)行設(shè)置 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 章 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真 22 圖 對輸出進(jìn)行控制 這里面也有多個選擇項(xiàng)，其中 Creat Hex file 用于生成可執(zhí)行代碼文件（可以用編程器寫入單片機(jī)芯片的 HEX 格式文件，文件的擴(kuò)展名為 .HEX），默認(rèn)情況下 該項(xiàng)未被選中，如果要寫片做硬件實(shí)驗(yàn)，就必須選中該項(xiàng)，在此特別提醒注意。選中 Debug information 將會產(chǎn)生調(diào)試信息，這些信息用于調(diào)試，如果需要對程序進(jìn)行調(diào)試，應(yīng)當(dāng)選中該項(xiàng)。 Browse information 是產(chǎn)生瀏覽信息，該信息可以用菜單 viewBrowse 來查看，這里取默認(rèn)值。按鈕“ Select Folder for objects”是用來選擇最終的目標(biāo)文件所在的文件夾，默認(rèn)是與工程文件在同一個文件夾中。 Name of Executable 用于指定最終生成的目標(biāo)文件的名字，默認(rèn)與工程的名字 相同，這兩項(xiàng)一般不需要更改。 工程設(shè)置對話框中的其它各頁面與 C51 編譯選項(xiàng)、 A51 的匯編選項(xiàng)、 BL51 連接器的連接選項(xiàng)等用法有關(guān)，這里均取默認(rèn)值，不作任何修改。以下僅對一些有關(guān)頁面中常用的選項(xiàng)作一個簡單介紹。 Listing 標(biāo)簽頁用于調(diào)整生成的列表文件選項(xiàng)。在匯編或編譯完成后將產(chǎn)生（ *.lst）的列表文件，在連接完成后也將產(chǎn)生（ *.m51）的列表文件，該頁用于對列表文件的內(nèi)容和形式進(jìn)行細(xì)致的調(diào)節(jié)，其中比較常用的選項(xiàng)是“ C Compile Listing”下的“ Assamble Code”項(xiàng)，選中該項(xiàng)可以在列 表文件中生成 C 語言源程序所對應(yīng)的匯編代碼。 C51 標(biāo)簽頁用于對 Keil 的 C51 編譯器的編譯過程進(jìn)行控制，其中比較常用的是“ CodeOptimization”組，如圖 所示， 圖 代碼生成控制 該組中 Level 是優(yōu)化等級， C51 在對源程序進(jìn)行編譯時，可以對代碼多至 9 級優(yōu)化，默認(rèn)使用第 8 級，一般不必修改，如果在編譯中出現(xiàn)一些問題，可以降低優(yōu)化級別試一試。 Emphasis 是選擇編譯優(yōu)先方式，第一項(xiàng)是代碼量優(yōu)化（最終生成的代碼量?。坏诙?xiàng)是速度優(yōu)先（最終生成的代碼速度快）；第三項(xiàng)是缺省。默認(rèn)的是速度優(yōu)先，可根據(jù)需要更改。設(shè)置完成后按確認(rèn)返回主界面，工程文件建立、設(shè)置完畢。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 章 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真 23 編譯、連接 在設(shè)置好工程后，即可進(jìn)行編譯、連接。選擇菜單 ProjectBuild target，對當(dāng)前工程進(jìn)行連接，如果當(dāng)前文件已修改，軟件會先對該文件進(jìn)行編譯，然后再連接以產(chǎn)生目標(biāo)代碼；如果選擇 Rebuild All target files 將會對當(dāng)前工程中的所有文件重新進(jìn)行編譯然后再連接，確保最終生產(chǎn)的目標(biāo)代碼是最新的，而 Translate? .項(xiàng)則僅對該文件進(jìn)行編譯，不進(jìn)行連接。以上操作也可以通過工具欄按鈕直 接進(jìn)行。圖 是有關(guān)編譯、設(shè)置的工具欄按鈕： 圖 有關(guān)編譯 、 連接 、 項(xiàng)目設(shè)置的工具條 從左到右分別是：編譯、編譯連接、全部重建、停止編譯和對工程進(jìn)行設(shè)置。編譯過程中的信息將出現(xiàn)在輸出窗口中的 Build 頁中，如果源程序中有語法錯誤，會有錯誤報告出現(xiàn)，雙擊該行，可以定位到出錯的位置，對源程序反復(fù)修改之后，最終會得到如圖 所示的結(jié)果： 圖 正確編譯 、 連接之后的結(jié)果 提示獲得了名為 的文件，該文件即可被編程器讀入并寫到芯片中，同時還產(chǎn)生了一些其它相關(guān)的文件，可被用于 Keil 的 仿真與調(diào)試，這時可以進(jìn)入下一步調(diào)試的工作。 系統(tǒng)仿真環(huán)境 —— DXP2020 ProtelDXP2020 拓展了 Protel 軟件的原設(shè)計領(lǐng)域 ， Protel DXP 功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和 PLD 電路設(shè)計方面有了重大改進(jìn)，Protel 舊版具有的功能它都具有。 Protel 是目前國內(nèi)最流行的通用 EDA 軟件，它將電路原理圖設(shè)計、 PCB 板圖設(shè)計、電路仿真和 PLD 設(shè)計等多個實(shí)用工具組合起來構(gòu)成 EDA 工作平臺，是第 1 個將EDA 軟件設(shè)計成基于 Windows 的普及型產(chǎn)品。 與 Protel 99SE 軟件相比， Protel DXP河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 章 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真 24 功能更加完備、風(fēng)格更加成熟，并且界面更加靈活，尤其在仿真和 PLD 電路設(shè)計方面有了重大改進(jìn)。擺脫了 Protel 前期版本基于 PCB 設(shè)計的產(chǎn)品定位，顯露出一個普及型全線 EDA 產(chǎn)品嶄新的面貌。 系統(tǒng)仿真 DXP2020 工作界面 DXP2020 的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 界面，如圖 所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對象選擇按鈕、預(yù)覽對象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對象選擇器窗口、圖形編輯窗口。 DXP2020 原理圖的繪制 DXP2020 中原理圖繪制比較簡單，具體可參見其幫助，暫不贅述。 圖 DXP2020 的工作界面 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 章 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真 25 仿真 由于 DXP2020 里沒有超聲波傳感器，也沒有能夠完全代替它功能元件，所以本設(shè)計只敘述其能仿真出來一部分。 1) 仿真編譯的實(shí)現(xiàn) 一切準(zhǔn)備就緒后，點(diǎn)擊 pile document ，就開始仿真編譯了。 圖 為本設(shè)計的系統(tǒng)仿真原理圖。 圖 系統(tǒng)仿真原理圖 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 章 軟件調(diào)試及系統(tǒng)仿真 26 誤差及特性分析 根據(jù)超聲波的特性，距離測量時必須滿足條件： ①被測目標(biāo)必須垂直于超聲波測距儀。 ②被測目標(biāo)表面必須平坦。 ③測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。因此在測量過程中稍不小心就會接收不到超聲波，而導(dǎo)致沒有測量結(jié)果。 硬件電路制作應(yīng)避免出現(xiàn)虛焊或焊接短路的情況，完成并調(diào)試好后，便可將程序文件下載到單片機(jī)芯片試運(yùn)行。 根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖個數(shù)和兩次測量的間隔時間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。 根據(jù)文中電路參數(shù)和程序，測距器可測量的范圍為 ~，在 試驗(yàn)中對測量范圍 ~ 內(nèi)的物體做了多次測試，經(jīng)過多次測量發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下有如下規(guī)律 : (1)對于同一距離進(jìn)行多次測量取平均值的方法，所測數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好 范圍內(nèi)變化平均值誤差最大不超過 1cm。 (2)測量誤差隨著所測距離的增大而增大。 這里的誤差包含兩種 :一種是固定誤差 — 測量的起始位置與探頭的壓電晶片所在位置之間的距離，這種誤差不隨測量環(huán)境和距離的變化而變化 。另一種是可變誤差隨著距離的增大而增大，主要是由接收超聲波越過閥值的時間與超聲波實(shí)際到達(dá)探頭的時間不同引起的。 （ 3） 7cm 以內(nèi)是盲區(qū) 。 誤差分析： 聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測量距就要考慮這些因素對聲速影響。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會引密變化，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。氣體中聲速受溫度影響最大‘聲波擾動是機(jī)械的，聲波在傳播中帶有機(jī)械能量，聲能傳播的中逐漸轉(zhuǎn)變成熱，從而出現(xiàn)隨距離而逐漸衰減的現(xiàn)象，稱為聲吸收。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 結(jié)論 27 結(jié) 論 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；另一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀；此次設(shè)計采用反射波方式。 超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C52。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 口輸出超聲波換能器所需的40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實(shí)用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，位碼用 PNP 三極管 S8550 驅(qū)動。 超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運(yùn)行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時），又要求精細(xì)計算程序運(yùn)行時間（超聲波測距時），所以控制程序可采用 C 語言編程。 利用 51 系列單片機(jī)設(shè)計的測距 儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定 ,能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中可忽略不計；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，可以通過改變一些硬件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對超聲波的快速鎖定或根據(jù)自己的需要在程序中加入測距軟件補(bǔ)償?shù)拇a，使誤差進(jìn)一步減小，可以滿足更高要求。 本設(shè)計完整地做出之后可測量兩米以內(nèi)的距離。因?yàn)槌暡ǖ奶匦?，測距時保證傳感器與被測物間，以及測量軸線上沒有障礙物；且 要盡量保證傳感器軸線與被測物表面垂直；實(shí)際測距范圍與被測物表面材料等因素有關(guān)，一般不要測量表面為毛料的物體表面。 河南城建學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 參考文獻(xiàn) 28 參考文獻(xiàn) [1] 林偉 , 梁家寧 , 李才安 . 便攜式多功能超聲波測距儀的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) [J]. 電子測量技術(shù) ， 2020, (01): 2931. 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