【導(dǎo)讀】傳感器等等，其中超聲波傳感器在測(cè)量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。式距離測(cè)量的方法。超聲波由于指向性強(qiáng)﹑能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離。較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于測(cè)量物體的距離、厚度、液位等領(lǐng)域。STC12C5A60S2單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距的原理的基礎(chǔ)上，本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。

　　

【正文】 以滿足器件的電源電壓要求，單片機(jī)的端口在未接負(fù)載時(shí)端口電壓為 。 顯示模塊與報(bào)警模塊 測(cè)試 通過(guò)軟件編寫(xiě) 1602 液晶顯示程序與聲音模塊程序，結(jié)合硬件電路運(yùn)行，檢測(cè)顯示模塊是否正常運(yùn)行， 1602 液晶顯示是否損壞，蜂鳴器是否可以正常發(fā)出警報(bào)。 溫度傳感器測(cè)試 通過(guò)軟件編寫(xiě)溫度顯示程序，結(jié)合硬件電路運(yùn)行。檢測(cè)溫度傳感器是否能正常運(yùn)行。 系統(tǒng)軟件調(diào)試方法及過(guò)程 軟件的調(diào)試是運(yùn)用模塊化調(diào)試，通過(guò)觀察存儲(chǔ)單元數(shù)據(jù)的變化，查找并解決程序的語(yǔ)法和邏輯錯(cuò)誤，具體的調(diào)試步驟如下： （ 1）把系統(tǒng)的各個(gè)模塊在仿真軟件中逐個(gè)調(diào)試，如中斷模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射和接收模塊等。 （ 2）對(duì)各個(gè)需要賦值模塊調(diào)試時(shí)，賦入初值，單步調(diào)試，觀察仿真器窗口，看輸出結(jié)果是否為設(shè)計(jì)時(shí)想要的結(jié)果。 （ 3）把各個(gè)模塊組合起來(lái)，全速運(yùn)行，看程序是否能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的所有功能。 調(diào)試現(xiàn)象 誤差分析 本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)的計(jì)算過(guò)程中無(wú)可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，以下對(duì)可能產(chǎn)生誤差的原因進(jìn)行分析： 環(huán)境對(duì)超聲波速度的影響 空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量和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 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 的傳播速度受氣體的密度、溫 度及氣體分子成份的影響。 量化誤差 即參考頻率計(jì)數(shù)結(jié)果的誤差，由于選擇的單片機(jī)計(jì)時(shí)時(shí)鐘頻率為 12MHz，有量化誤差為 ，符合測(cè)距要求范圍。 所以超聲波發(fā)送應(yīng)考慮因素有： （ 1）量程范圍 ，量程范圍越大，誤差越大 ； （ 2）目標(biāo)距離和目標(biāo)反射情況。超聲波頻率高 對(duì)探測(cè)較小目標(biāo)有利，有效反射目標(biāo)應(yīng)大于至少 10 個(gè)波長(zhǎng)以上，對(duì)于非垂直于發(fā)射波束的目標(biāo) ，大波束角的傳感器通?？梢垣@得更強(qiáng)的回波信號(hào)，而波束角越窄對(duì)減小散射波的干擾越有利。 觸發(fā)誤差 由于被測(cè)信號(hào)經(jīng)放大、整形，門(mén)控在產(chǎn)生“開(kāi)門(mén)脈沖”和“ 關(guān)門(mén)脈沖”中，噪聲信號(hào)、干擾信號(hào)的摻入，使觸發(fā)的時(shí)間可能提前或滯后，給測(cè)量結(jié)構(gòu)帶來(lái)了隨機(jī)誤差，該誤差與信號(hào)的觸發(fā)波形有很大關(guān)系。 超聲波回波聲強(qiáng)影響 超聲波回波聲強(qiáng)與被測(cè)物的距離有直接的關(guān)系。實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過(guò)根據(jù)測(cè)量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個(gè)數(shù)和動(dòng)態(tài)調(diào)整比較電壓來(lái)減小這種誤差。 電路本身影響 電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會(huì)造成測(cè)量誤差，主要表現(xiàn)為： （ 1）收到回波到被檢測(cè)出的滯后。 這是由于檢測(cè)電路的靈敏度和判斷偏差。從收 到實(shí)際回波到電路確認(rèn)并輸出相應(yīng)信號(hào)肯定存在滯后，這和回波信號(hào)強(qiáng)弱、檢測(cè)電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測(cè)距的核心。 （ 2）計(jì)時(shí)器本身的誤差。 這是由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器。晶體振蕩器的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度為百萬(wàn)分之 20 到百萬(wàn)分之 50級(jí)別，對(duì)于音速而言，其帶來(lái)的誤差在 mm級(jí)。為減小此項(xiàng)誤差，應(yīng)該提高計(jì)時(shí)的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差，同時(shí)選用質(zhì)量好的晶振。 超聲波入射角影響 超聲波入射角也會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。這是由于系統(tǒng)是用來(lái)測(cè)量點(diǎn)和面的 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 距離，而被測(cè)物表面、超聲波發(fā)射探 頭和接收探頭三者之間存在一個(gè)幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度。如果這個(gè)角度不是 0 度，系統(tǒng)測(cè)量到的距離是被測(cè)物與接收探頭之間的距離而不是和測(cè)量參考面之間的距離，這就會(huì)造成測(cè)量誤差。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 第 6 章 總結(jié) 與展望 本課題設(shè)計(jì)的是超聲波測(cè)距系統(tǒng)，即運(yùn)用超聲波測(cè)距的原理和方法，設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是利用超聲波實(shí)現(xiàn)測(cè)量物體間的距離，并以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離在液晶屏上，在距離小于 米時(shí)發(fā)出報(bào)警。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波往返的時(shí)間來(lái)計(jì)算出距離。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的核心單片機(jī)采用 STC12C5A60S2，晶振為 12MHz。外圍電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、報(bào)警電路、顯示電路、電源電路和測(cè)溫電路六部分組成的系統(tǒng)。單片機(jī)控制超聲波發(fā)射與接收模塊進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收，顯示電路采用 TC1602 液晶顯示，測(cè)溫電路采用 DS18B20 芯片進(jìn)行溫度采集。 本設(shè)計(jì)主要完成了以下幾方面的任務(wù)： 了解了超聲波測(cè)距原理和超聲波傳感器工作原理后完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的性能和誤差進(jìn)行了分析； 完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)； 完成了系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試； 實(shí)際測(cè)試證明，通過(guò)對(duì)超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá) 系統(tǒng)的整體的設(shè)計(jì)研究，證明了超聲波測(cè)距系統(tǒng)對(duì)一般近距離的測(cè)距具有較高的精度，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的，且成本低，有良好的性?xún)r(jià)比。 本設(shè)計(jì)還可以做如下改進(jìn)： 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不高，被測(cè)物體表面移動(dòng)速度小的時(shí)候，可以實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量；移動(dòng)速度過(guò)大，波動(dòng)較大時(shí)，誤差變大，可以研究更為合理的波導(dǎo)管和輔助測(cè)量手段； 提高超聲波發(fā)射探頭的固有頻率。如果超聲波的固有頻率為 40KHz， 并假設(shè)接收信號(hào)觸發(fā)閥值建立時(shí)間滯后兩個(gè)周期，如果將超聲波的固有頻率提高至200KHz，則測(cè)試誤差將縮小 5倍。 增加抗干擾措施。由于超聲波測(cè) 距儀測(cè)量的距離比較小，故采用 HCSR04超聲波傳感器作為發(fā)射和接收裝置，雖然也存在一定的自身干擾，但是比發(fā)射與 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 接收采用一只壓電陶瓷超聲波傳感器自身干擾要小些。另外加上環(huán)境溫度、氣流等的影響，使超聲波測(cè)距系統(tǒng)受到干擾尤為嚴(yán)重。系統(tǒng)抗干擾措施必須從硬件和軟件兩個(gè)方面著手。 （ 1）硬件方面 為了抑制外部干擾，接收裝置可以采用過(guò)零檢測(cè)裝置，保證接收到的超聲波為物體反射回來(lái)的超聲波，從而有效地抑制超聲波發(fā)射電路的輻射干擾。但要注意接收電路中的諧振回路帶寬不能太窄，以免降低了電路的穩(wěn)定性。電路元件要選用低噪聲器件，采 取合理的電路布局，良好的印刷板走線，并注意進(jìn)行屏蔽。（ 2）軟件方面 軟件方面采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，利用算法平均值濾波和相關(guān)濾波以抑制帶寬的隨機(jī)噪聲，以及在測(cè)量時(shí)間內(nèi)近似呈現(xiàn)周期性的干擾并進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)這些處理，可以有效的減少干擾。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 致 謝 首先，我要感謝我的指導(dǎo)老師武衛(wèi)強(qiáng)老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)和撰寫(xiě)論文的過(guò)程中對(duì)我給予的指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，從選題到查閱資料，開(kāi)題報(bào)告的書(shū)寫(xiě)，中期論文的書(shū)寫(xiě)以及格式調(diào)整，后期畢業(yè)答辯等各個(gè)環(huán)節(jié)都給予了我悉心的指導(dǎo)和幫助，在此謹(jǐn)向武老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。 同時(shí)我還要感謝和我 一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)，在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短幾個(gè)月里，給了我不少的幫助和支持，提出了許多寶貴的意見(jiàn)，正因?yàn)槿绱?，我才能成功地完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 還有我的舍友和身邊的朋友，正是在這樣一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛(ài)、相互促進(jìn)的環(huán)境中，在和你們的相互幫助中，我才能夠順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)和學(xué)業(yè)。 在四年的大學(xué)學(xué)習(xí)期間，每位老師對(duì)我的學(xué)習(xí)、生活和工作都給予了熱情的關(guān)心和幫助，使我的水平得到了很大的提高，取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。 在此，向所有關(guān)心和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意！ 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 參考文獻(xiàn) [1] 趙小川 . 機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)意設(shè)計(jì) [M].北 京：北京航天航空大學(xué)出版社， 2021 [2] 譚浩強(qiáng) . 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