【導(dǎo)讀】聲波的強(qiáng)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(duì)于光速要小的。人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。它在很多距離探測(cè)應(yīng)用中有很重要的。用途，包括非損害測(cè)量、過(guò)程檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位、以及流體液面高度測(cè)量等。就能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。比如要測(cè)量有毒或有腐蝕性化。學(xué)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。控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測(cè)和機(jī)械內(nèi)部損傷的檢測(cè)等。需要，分析了影響超聲波測(cè)距精確的多種因素，進(jìn)行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，來(lái)有效提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的精度。一般認(rèn)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(yīng)用在機(jī)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(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中。也占據(jù)重要地位。目前相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來(lái)的方法是主要。的降低探測(cè)傳輸不確定度的方法。

　　

【正文】 6MHz），實(shí)現(xiàn)對(duì)各部分的控制和響應(yīng)。本軟件程序在 keil 181。vision2 軟件編程環(huán)境下，根據(jù)超聲波測(cè)距的公式 采用匯編語(yǔ)言將其分為主程序、溫度測(cè)量及速度補(bǔ)償子程序、濾波子程序、距離計(jì)算子程序和顯示子程序子個(gè)模塊，其中主程序完成超聲波發(fā)射控制和計(jì)數(shù)功能。在這些程序中，以溫度測(cè)量及速度補(bǔ)償子程序和距離 計(jì)算子程序?yàn)楹诵摹? 測(cè)距軟件程序的基本流程： ① 開(kāi)機(jī)運(yùn)行后顯示友好畫(huà)面 HELLO； ② 溫度測(cè)量及速度補(bǔ)償子程序； ③ 判斷是否按下了超聲波發(fā)射按鈕，若沒(méi)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(fù)位端 4 腳置高電平發(fā)射超聲波，開(kāi)啟計(jì)數(shù)器計(jì)時(shí)，待回波進(jìn)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(fù)脈沖，送給單片機(jī)處理，停止發(fā)射超聲波和 T1 計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)起來(lái)，然后返回從第 ④步開(kāi)始執(zhí)行，重復(fù)以上流程直到滿足測(cè)量次數(shù)為止，并進(jìn)行 濾波處理（在其中通過(guò)延時(shí) 20us 的方式，對(duì)超聲波測(cè)距進(jìn)行盲區(qū)處理 ）；在計(jì)數(shù)值經(jīng)過(guò)濾波處理后，乘上計(jì)數(shù)脈沖的寬度及經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償后的超聲波速度除以 2 來(lái)計(jì)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 距離計(jì)算流程 在硬件設(shè)計(jì)過(guò)程中，將計(jì)數(shù)脈沖寬度設(shè)計(jì)為 10us。按照設(shè)計(jì)要求其測(cè)量距離為4cm4m，當(dāng)測(cè)量距離為 4m時(shí)，根據(jù)公式 可知，從超聲波發(fā)射到接收所需時(shí)間 t≈ 23255us（當(dāng)環(huán)境溫度 T=25℃時(shí) ），其 T1 的計(jì)數(shù)值為 2325。因?yàn)橐粋€(gè)字 節(jié)所能存放的最大數(shù)為 255，而 T1 的計(jì)數(shù)值遠(yuǎn)超過(guò)了一個(gè)字節(jié)所能存放的數(shù)值，所以需要用兩個(gè)字節(jié)來(lái)存放一次計(jì)數(shù)值。 Y 開(kāi)始 7279 初始化，存儲(chǔ)單元和定時(shí)器初始化 調(diào)顯示 HELLO 測(cè)溫度并顯示，進(jìn)行聲速補(bǔ)償 N 50H=0? 數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波及距離運(yùn)算 N 關(guān)計(jì)數(shù)器和 發(fā)射并存儲(chǔ)計(jì)數(shù)值 Y Y 有按鍵否？ 接收到回波 ? 發(fā)超聲波并開(kāi)始計(jì)數(shù) 延 時(shí) 20us N 計(jì)數(shù)器清零， 50H=6 圖 主程序流程圖 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 2Lt V? () （其中 L 為測(cè)量的距離， V為超聲波的傳播速度， t 為所需要的時(shí)間）。 由于每次的計(jì)數(shù)值需要 2 個(gè)字節(jié)來(lái)存放，因此濾波子程序須設(shè)計(jì)為 6 個(gè)二字節(jié)數(shù)的處理程序。在距離的計(jì)算過(guò)程中，當(dāng)溫度每升高 1℃，其超聲波的傳播速度增 加。為了計(jì)算的方便，在軟件的編程過(guò)程中采用公式 的思路來(lái)編寫(xiě) (其中超聲波的速度 V的單位為 mm/us,計(jì)算結(jié)果的單位為毫米 )。其軟件設(shè)計(jì)流程如圖 所示。 2021tvL? （ ） 軟件調(diào)試 在軟件程序的設(shè)計(jì)過(guò)程中，采用分模塊設(shè)計(jì)及調(diào)試的方式。在濾波子程序的設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)于快、慢干擾均有效果。首先根據(jù)流程圖編寫(xiě)程序，然后對(duì)給定的 6 個(gè)二字節(jié)數(shù)進(jìn)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(cè)溫和聲速的溫度補(bǔ)償?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)過(guò)程中，都采用先畫(huà)程序流程圖，然后編 寫(xiě)程序的模式。在調(diào)試過(guò)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(dāng)各子程序的設(shè)計(jì)完成后，根據(jù)各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間來(lái)將各個(gè)模塊結(jié)合起來(lái)，最終形成具有測(cè)距功能的總程序。 結(jié)果存儲(chǔ)單元清零 調(diào)用 V*t 的程序 調(diào)用除法程序 V*t/2021 顯示處理程序 返回 圖 距離計(jì)算流程圖 ? ?? ?21 2Nxxy N???? ?南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 30 第六章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)最終調(diào)試 在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，分別對(duì)系統(tǒng)的軟件和硬件進(jìn)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(lái)進(jìn)行調(diào)試。其中定時(shí)器 T1 設(shè)置為外部計(jì)數(shù)方式，外部計(jì)數(shù)脈沖為單片機(jī)的 ALE 信號(hào)。在系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中，首先將軟件通過(guò) MAX232 芯片將程序下載到單片機(jī)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(jìn)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(guò)使用萬(wàn)用表和示波器來(lái)檢查各個(gè)模塊的輸入輸出電壓及波形，發(fā)現(xiàn) 555多諧振蕩器的復(fù)位端 4腳始終為高電平，超聲波一直在發(fā)射，并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了方便檢查故障的原因，又重新編寫(xiě)了一個(gè)使用單片機(jī)的 口來(lái)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(shí) 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(méi)出現(xiàn)亮滅交替的情況。此時(shí)，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(diǎn)亮，工作正常。這時(shí)再次通過(guò)軟件的方式來(lái)控制 口電平的高低，用萬(wàn)用表檢測(cè) 口的電平，發(fā)現(xiàn)能夠通過(guò)軟件來(lái)控制該口為高或?yàn)榈碗娖健? 在確定硬件的設(shè)計(jì)無(wú)誤后，再次將軟件和硬件結(jié)合起來(lái)，通電后發(fā)現(xiàn)電路仍然不能正常工作。這時(shí)檢測(cè) 口的電壓，發(fā)現(xiàn)該點(diǎn)始終為高電平。經(jīng)過(guò)再次查看STC89C52 的資料，發(fā)現(xiàn)單片機(jī)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(lái)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(jī)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(hào)其脈寬為 4us。通過(guò)編寫(xiě)一個(gè)單獨(dú)控制 T1 計(jì)數(shù)并將計(jì)數(shù)值送顯的程序來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試，當(dāng)計(jì)數(shù)脈沖為單片機(jī)的 ALE 信號(hào)時(shí)，其顯示的計(jì)數(shù)值始終 00000。在經(jīng)過(guò)多方面的考慮和分析后，最終嘗試采用 555 定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生 100KHz 的脈沖信號(hào)作為 T1 計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖。然后再次通電運(yùn)行，發(fā)現(xiàn) T1 計(jì)數(shù)器能夠計(jì)數(shù)并且其計(jì)數(shù)范圍為 0～ 65535 之內(nèi)。 在將控制超聲波發(fā)射和計(jì)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(jī)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(diǎn)的波形如圖 所示。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過(guò)采用卷尺對(duì)所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行比較，在其測(cè)量的距離值如表 7 所示。從表南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 7 可知其測(cè)量距離的最大誤差比設(shè)計(jì)要求要大，不過(guò)基本滿足了設(shè)計(jì)的要求。 圖 接收模塊中的各點(diǎn)波形圖 表 7 在 29℃時(shí)的 測(cè)量結(jié)果 實(shí)測(cè)距離（ cm） 測(cè)量結(jié)果（ cm） 測(cè)量距離誤差（ cm） 測(cè)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(xué)學(xué)士學(xué)位論文 32 第七章 總結(jié) 研究結(jié)論 本系統(tǒng)研制歷時(shí)近半年，通過(guò)和老師、同學(xué)充分合作共同努力已完成并驗(yàn)收，這是一個(gè)團(tuán)隊(duì)的成果。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，完成的是硬件設(shè)計(jì)、制作及調(diào)試實(shí)驗(yàn)，同時(shí)完成軟件設(shè) 計(jì)方面的工作。在硬件設(shè)計(jì)中主要工作是：設(shè)計(jì)硬件的結(jié)構(gòu)框圖，完成硬件的設(shè)計(jì)。如超聲波的產(chǎn)生、驅(qū)動(dòng)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(jì)及制作。在硬件的設(shè)計(jì)過(guò)程中，最主要是要具有高速性和較強(qiáng)的抗干擾能力。在選擇構(gòu)成系統(tǒng)電路的元器件時(shí)，應(yīng)著重考慮其是否會(huì)影響系統(tǒng)的高速性。在硬件的制作過(guò)程中，應(yīng)盡量減小電源的波動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，以及在做 PCB 板時(shí)可通過(guò)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(duì)兩點(diǎn)的距離進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可以作于汽車的避障系統(tǒng)，具有的功能有： ① 測(cè)量范圍： 6cm～ 3m；② 測(cè)量誤差較?。虎劬哂袑?shí)時(shí)測(cè)溫和溫度補(bǔ)償功能；④ 能夠?qū)嚯x進(jìn)行多次測(cè)量顯示。 本系統(tǒng)的不足和需改進(jìn)的地方 受時(shí)間和經(jīng)驗(yàn)限制，本系統(tǒng)有不足和需改進(jìn)的地方： 1．本系統(tǒng)的平面安裝大小為 140mm*120mm，為了進(jìn)一步縮小整個(gè)系統(tǒng)的體積，便于應(yīng)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(jì)為了完成工程要求，沒(méi)有用到太復(fù)雜的算法。今后工作可以嘗試更好的算法設(shè)計(jì)。但是，考慮超聲波測(cè)距系統(tǒng)的成本要求低 (成本過(guò)高很難有實(shí)際應(yīng)用 )、體積要小，因此目前很難用上較昂貴的高級(jí)芯片，在 成本較低的單片機(jī)上編程，除了完成眾多功能外，要使用數(shù)字濾波等復(fù)雜算法編程，還要考慮時(shí)間響應(yīng)快的因素，將是一個(gè)挑戰(zhàn)。 3．更復(fù)雜的算法可以作研究嘗試，但從實(shí)際效果考慮上，更好的辦法可能是改進(jìn)外圍電路設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)的外圍電路設(shè)計(jì)還有很大的改善空間。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 參考文獻(xiàn) [1] 潘宗預(yù)，潘登 .超聲波測(cè)距精度的探討 [J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2021，（ 06） . 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