【正文】 同時，我還要感謝我的寢室同學和身邊的朋友，正是在這樣一個團結友愛，相互促進的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲。在我畢業(yè)論文寫作期間，各位老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導和日常生活上的關懷，沒有您們這樣的幫助和關懷，我不會這么順利的完成畢業(yè)設計，借此機會，向您們表示由衷的感激。了解了超聲波傳感器的原理，學會了各種放大電路的分析、設計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設計電路的方法。5cm 內。本系統的 LED 顯示部分采用的是 動 態(tài) 顯示 方式。單片機是本系統的控制部分，采用 Atmel 公司生產的 AT89C52 芯片。 34 結 論 本課題介紹了一種基于單片機的超聲波測距系統的原理和設計。 本章小結 在本章里，對設計的電路進行了調試和分析。 溫度傳感器 LM92 的溫度測試分辨率為 ℃ ，－ 10℃ 至 +85℃ 準確度為 177。 如采用芯片計 時器，計時器的計數頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小， 例如：單片機內置計時器的計數頻率只有晶振頻率的十二分之一，當晶振頻率 6MHz時，計數頻率為 ，此時在空氣中的測距時間量化誤差為 ；當晶振頻率為12MHz 時，計數頻率為 1MHz，此時測距時間量化誤差為 。 據經驗，超聲測距的工作頻率選擇 40kHz 較為合適；發(fā)射脈寬一般應大于填充波周期的 10 倍以上，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬 1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機處理數據的速度，速度快，脈沖發(fā)射周期可選短些。使用的 12MHz 晶體作時鐘基準的 89C52單片機定時器能方便的計數到 1μs 的精度，因此系統采用 AT89C52 定時器既能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內。 不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機中斷再通過軟件啟停定時器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。氣體中聲速受溫度的影響最大。本系統可實 30 現從 20cm到 200cm 的精確測量。 在用超聲波傳感器測距離時 ， 接收端會直接接收發(fā)射端的信號 ，影響測量 ,在程序設計中應該考慮如何避免。 由于本系統軟件采用 C 語言編寫，因此文件格式尾注必須是 .C,然后點擊按鈕 Add，將編寫好的文檔添加入工程 ， 如圖 44，圖 45 為文檔添加后的工程樣式。 圖 41 keil軟件啟動圖標 Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51 系列單片機的軟件， Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起，掌握這一軟件的使用對于使用 51系列單片機來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調試工具也會令你事半功倍。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為 20～ 200cm，測距儀最大誤差不超過 5cm。 定時器 T1入口 關 T1 開外部中斷 中斷 返回 是否 發(fā)送完 ？ N Y 24 圖 34 外部中斷子程序流程圖 圖 35 顯示程序流程圖 計算程序流程圖 利 用超聲波測距儀測距的核心是測得計數器 T0 的數，將測量的時間轉換為距離。程序設計的是給 串數（ cshu）自減，減到零時就發(fā)送完 .如果發(fā)送完就關 T1，如果沒有發(fā)送完，就繼續(xù)發(fā)送。 //工作于模式 2 TH1=T12us。關定時之后，給它賦初值 00. 22 這時在同時啟動 T0、 T1。在方式 1 工作下，計數器計數 范圍 為 1 至 65536。它是一個可 以進行位尋址的寄存器。其復位由觸發(fā)方式來設置。當由軟件使 TRi清 0 而停止定時器的工作。當定時器計滿產生溢出時，由硬件自動置 “1”，并可申請中斷。 TC/ ： 定時或計數 功能選擇位。 方式控制寄存器 TMOD 定時 /計數器 T0、 T1 都有四種工作方式，可通過程序對 TMOD 進行設置來選擇，其各位定義如下： TMOD.6 TMO GATE TC/ M1 M0 GATE TC/ M1 M0 GATE：門控位。 …… 19 圖 31主程序流程圖 開始 系統初 始化 T1自動重裝為 16 位定時器 設置超聲波個數 計算距離 調用顯示 標志位 CL flag是否 為 1？ 開 T0 口發(fā)送超聲波 Y N 返回 20 定時 /計數器 T0/T1 定時程序流程圖 AT89C52 單片機內 帶 有兩個 16 位定時 /計數器 T0 和 T1，它們均可作為定時器或計數器使用。 TR1=0。 /*延時 */。 /* 初始化定時器 */ init_INT( )。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數器每計一個數就是 1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器 T0 中的數 （即超聲波來回所用的時間）按式 32 計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取 20℃ 時的聲速為 340 m/s 則有： 2/0172/)( Ttcd ??? （ 32) 其中， 0T 為計數器 T0 的計算值。 系統資源分配表見表 31。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在 INT0 端產生一個中斷請求信號 ，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生 器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。 圖 210 顯示電路圖 本章小結 本章我們詳細介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應的原理產生超聲波的。本設計中采用動態(tài)顯示方式，以實時顯示 距離 變化。在共陰極接法中， LED 數碼管的 ga 七個發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。 圖 29 接收部分電路圖 15 超聲波測距儀顯示電路 超聲波測距系統的顯示要求比較簡單，測量結果采用十進制數字顯示。 如圖 28所示： 圖 28 內部結構框圖 超聲波接收及信號處理電路是此系統設計和調試的一個難點。其中的前置放大器具有自動增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時放大器有較高的增益 ， 在近距離輸入信號強時放大器不會過載。 圖 27 發(fā)射部分電路圖 超聲波接收電路 超聲波接收器接收反射的超聲波轉換為 40KHz 毫伏級的電壓信號 ,需要經過放大、處理、用于觸發(fā)單片機中斷 INT0。 加 上拉電阻一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅動能力， 另一方面可以增加超聲波換能器 的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時間。本設計中采用的是由單片機發(fā)出 40kHz 的方波，單片機 輸出的 40kHz 方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比 ， 為了使測距范圍足夠遠 ， 可對振蕩信號進行功率放大后再加在超聲波傳感器上。 而且單片機最小系統也是本次課題設計 的控制中心，由它負責超聲波的發(fā)出與接收，計算并處理測量結果，最后將結果通LED顯示電路 電源電路 AT89C52 系統控制電路 超聲波 發(fā)射電路 超聲波接收電路 12 過 P0 口顯示出來。在外部振蕩電路中，單片機的 XTAL1和 XTAL2 管腳分別接至由 12MH。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓為 +5V 左右，再經傳 感器內部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。 聲波幅值檢測法易受反射介質的影響 [11]。 MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標稱頻率。 圖 22 超聲波測距示意圖 9 特性 現以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表22 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波 的雙重作用，即為可逆元件。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲 波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號， 8 這時它就成為超聲波接收換能器了 [9]。 其接收原理是 ： 當超聲波作用在磁致材料上時 ， 使磁滯材料振動 ,引起內部磁場變化 ， 根據電磁感應原理 ， 使線圈產生相應的感應電勢輸出。 在實際應用中 ， 壓電式超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器也可合成為一體 ， 由一個壓電元件作為 發(fā)射 和 接收 兼用，其工作原理為：將脈沖交流電壓加在壓電元件上 ， 使其向被測介質發(fā)射超聲波，同時又利用它接收從該介質中反射回來的超聲波，并將反射波轉換為電信號輸出。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭 )和磁致伸縮式超聲波傳感器。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超 聲波時，將壓迫壓電晶片 7 作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了 。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。為此，在實際中采用電路的方法產生超聲波，根據使用目的的不同來選用其振蕩電路 [7]。超聲波和可聞聲在本質上其實是一致的，它們的共同點都是 機械振 動波， 是一種縱波，在彈性介質內傳播。 （ 3）聲的吸收 ： 傳聲介質對聲波的吸收是聲衰減的主要原因之一，固體介質的結構情況對聲波在其中的吸收有很大的影響。 表 21 聲速與溫度關系表 [5] 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 聲速（ m/s） 349 344 338 331 325 319 313 6 （ 2）聲阻抗特性 : 聲阻抗特性能直接表征介質的聲學性質 ， 其有效值等于傳聲介質的密度 ρ 與聲速 c 之積 ， 記作 cZ ?? 聲波在兩種介質的界面上反射能量與透射能量的變化 ,， 取決于這兩種介質的聲阻抗特性 。 流體中的聲速隨壓力的增加而增加。 (3)聲強：聲強又稱為聲波的能流密度 ， 即單位時間內通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量 。 (2)可聞 波：振動頻率在 16～ 20kHz 之間，這個頻率范圍內的聲波可 以為人類的耳朵所聽到。 第 4章為系統整體調試及誤差分析。 第 3章為系統軟件設計。包括選題意義、選題任務、選題要求和選題的研究背景及其相關技術在國內外的研究現狀。該裝置是由超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、及控制模塊組成。其次，有利于學生進一步理解所學的專業(yè)知識，將自身所學與實踐相結合，實現自身能力的鍛煉與提高。 超聲波測距技術是一種原理簡單、易于實現的非接觸測量技術，被廣泛地應用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事及日常生 活等諸多領域 [4]。系統定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內部的定時器，利用定時器的計數功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā) 射超聲波，單片機在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。 (3).以數字的形式顯示測量距離。 顯示部分完成數據在 LED 數碼管的顯示。 2 課題設計的任務和要求 課題設計的任務 此 次課題的研究方向是超聲波測距儀的軟件設計。超聲波測距傳感器按其可實現的檢測距離可以分為大、中、小三種量程，小量程探測距離小于 2m，工作頻率 60kHz～300kHz之間；中量程探測距離約為 2m～ l0m，工作頻率在 40kHz～ 60kHz之間； 大量程探測距離約為 20m～ 50m，工作頻率處在 16kHz～ 30kHz之間。 它利用超聲波測距傳感器的發(fā)射探頭與接 收探頭工作時的時間差來計算出障礙物的距離，對被測目標無任何影響， 再者超聲波傳播速度也在一定范圍內與其頻率無關。 目 錄 1 緒 論 ............................................................................................................................