【正文】 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 38 第六章 結(jié)束語 超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀(jì) 70 年代已經(jīng)實用化，從 70 年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。 （ 2） 標(biāo)桿校正的方法提高測距精度 在復(fù)雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如果仍舊要求較高的測量精度， 可以 采用所謂標(biāo)桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。 通過 DS18B20 芯片獲得的數(shù)據(jù)信號傳至 單片機(jī) ，由軟件進(jìn)行聲速換算。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準(zhǔn)確的溫度值。實際情況下，溫度每上升或者下降 1 C? , 聲速將增加或者減少 ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng)嚴(yán)重的。 當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時間的影響嚴(yán)重。 圖 測試平臺圖，通過標(biāo)尺來檢測測得障礙物距離與實際距離的誤差 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 34 圖 障礙物太近或太遠(yuǎn)則顯示盲區(qū) 圖 顯示結(jié)果 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 35 圖 實測示意圖 測試結(jié)果 表格 測試結(jié)果表（單位：米） 障礙距離 顯示數(shù)據(jù) 盲區(qū) 誤差值 * 顯示數(shù)據(jù) 顯示距離 誤差值 障礙距離 顯示數(shù)據(jù) 盲區(qū) 盲區(qū) 誤差值 * * 注：誤差值為顯示數(shù)據(jù)與障礙距離之差值 超聲波測距誤差分析 發(fā)射接收時間以及當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 發(fā)射接收時間 對測量精度的影響分析 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 36 采用 TCT40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機(jī)控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。 EX0=0。 //開外部中斷 } void rec() interrupt 0 using 2 { Tout=0。_nop_()。_nop_()。 _nop_()。i++) { sg=~sg。//清定時 0 TR0=1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2以表示此次測距不成功。 主程序內(nèi)容詳見附錄。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。主程序完成初始化工作、各 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 29 路超聲波發(fā)射和接收順序的控 制。 while(1)。 printstr(3,3,distance,7)。 if(s1462) {print(3,2,盲區(qū) )。 printstr(4,1,disbuft,7)。 while(1) 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 28 { flag1=1。//開外部中斷 0 IT0=1。//定時 0 方式 1 TH0=0。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 INT0 端 （單片機(jī) 12 號管腳，見圖 ） 產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間 差，計算距離。 超聲波測距儀的算法設(shè)計 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(dāng)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。 單片機(jī)通過兩根 I/O 口控制TC35 的開關(guān)機(jī)、復(fù)位等，通過串口與 TC35 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通信速率為 9600Kbps，采用 8 位異步通訊方式， 1位起始位， 8位數(shù)據(jù)位， 1 位停止位 。模塊的供電電壓如果低于 會自動關(guān)機(jī)。利用溫度檢測電路實時的測量環(huán)境溫度 T并將結(jié)果送至單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)式子 C=+ 計算超聲波的修正后速度 C[21]。 A4連續(xù)尋址：在正常操作中 ,當(dāng)一個信息放出 ,遇到一個 EOM 標(biāo)志時 ,地址計數(shù)器會復(fù)位，A4可防止地址計數(shù)器復(fù)位 ,使得信息連續(xù)不斷地放出。當(dāng)這個操作模式完成時 ,錄入的所有信息就作為一個連續(xù)的信息放出。操作模式可以與微控制器一起使用 ,也可用硬件連線得到所需系統(tǒng)操作。 使用操作模式有兩點要注意 : 所有初始操作都是從 0地址開始 ,0 地址是 ISD1420 存儲空間的起始端 ,以后的操作可根據(jù)模式的不同 ,而從不同的地址開始工作。電路內(nèi)部由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。 在這里我 采用的是 集成電路 CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開路的輸出方式，因此該引腳必須接 上一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。 4 腳：接地端。 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組 成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。 電路設(shè)計： 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 能向外界發(fā)出 40 kHz 左右的方波脈沖信號。 8 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 20 腳（ R2IN）、 9 腳（ R2OUT）、 10腳（ T2IN）、 7 腳（ T2OUT）為第二數(shù)據(jù)通道。功能是產(chǎn)生 +12v 和12v兩個電源，提供給 RS232 串口電平的需要。本設(shè)計采用手動復(fù)位方式。出于對測距精度的考慮，本設(shè)計采用 12MHZ的晶體振蕩 器 [20]， c1 和 c2 的電容值約為 30PF。 AT89S52 內(nèi)部有一個可控制的負(fù)反饋反向大器，引腳 XTAL1和 XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。 圖 AT89S52引腳分布圖 AT89S52 芯片共 40 引腳 : 1~8 腳 : 通用 I/O 接口 ~ 9 腳 : RST 復(fù)位鍵 10 ~11 腳 :RXD 串口輸入 TXD 串口輸出 12~19:I/O p3接口 (12,13 腳 INT0中斷 0 INT1中斷 1 14~15 : 計數(shù)脈沖 T0 T1 16,17: WR 寫控制 RD 讀控制輸出端 ) 18~19: 晶振諧振器 20 地線 21~28 p2 接口 高 8 位地址總線 29: psen 片外 rom選通端 單片機(jī)對片外 rom操作時 29 腳 (psen)輸出低電平 30:ALE/PROG 地址鎖存器 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 18 31:EA/ROM 取指令控制器 高電平片內(nèi)取 低電平片外取 32~39:~ 40:電源 +5V 電路設(shè)計： 單片機(jī)正常工作時，都需要一個時鐘電路和一個復(fù)位電路來構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。如下圖所示： 圖 顯示示意圖 :其中溫度單位為“攝氏度”，距離單位為“米” 各功能模塊介紹設(shè)計 單片機(jī)處理單元 [19] AT89S52 簡介： 圖 AT89S52 實物圖 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 17 器。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。b 點就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域。由圖 可見，從 b 點 以后，接收的信號低于閾值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。另一方面，接收 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 14 探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測距 儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz[5]。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長元 λ，傳感器半徑 r有關(guān)。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信 號的幅增大，以提高測量的精度。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進(jìn)行修正的方法 [16]，可以測得比較準(zhǔn)確的距離。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，不能能有輸出信號。 在使用一個探頭同時充當(dāng)發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強(qiáng)達(dá)幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅電路，引起探頭振動，不能進(jìn)行正確的測量。當(dāng)需要測量的距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時 , 公式 變?yōu)?: vtH 21? 所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離 S，即： S=340t/2。當(dāng)超聲波傳來時，受音板發(fā)生唯一，使磁路磁場發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動勢。結(jié)構(gòu)上有采用 PVDF 膜作為受音體、也有采用欽酸、鎬酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶狀受音體的形式結(jié)構(gòu)。 圖 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 超聲波接收器 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 9 超聲波接收器接收原理基于伴隨聲波而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動電、電磁、反磁致伸縮聲光效應(yīng)等。 (4)高頻型超聲波傳感器 上述各種類型傳感器的中心頻率只有數(shù)十 kHz，但中心頻率高于 100kHz 的傳感器近來也有銷售。所以，一個傳感器可以兼作接收傳感器與發(fā)送傳感器。但通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分 開使用的，測量中必須成對使。使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。兩芯片之間，芯片與金屬該班之間通常夾以薄黃銅片，作為焊接電極引線用 。壓電組件在超聲振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，但這種振動加速度很大，于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動能量，這種巨大的超聲波能量，沿著特定方向傳播出來。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 7 (2)正壓電效應(yīng) 當(dāng)對某電介質(zhì)施加應(yīng)力時，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛 電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。如電場反向，則形變亦相反。直到現(xiàn)在，朗之萬型換能器仍在得到廣泛的應(yīng)用，如功率超聲和水聲中。目前壓電式換能器的理論研究和實際應(yīng)用最為廣泛，本文超聲波測距選用的也是壓電式超聲波換能器。 超聲波傳感器 為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。正是在這種工作原理下，我們可以充分地利用超聲波的各種特性來研制超聲波傳感器，配合不同的信號處理與顯示電路完成許多待測量的檢測工作。 （ 4）超聲波的聲壓特性 當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時 ,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。因為當(dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率 — 樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。對于同一介質(zhì)，聲波