【正文】 96,Brussels,Belgium,1996.[28] ULTRASONIC RANGE 附錄1超聲波距離探測器設(shè)計原理圖附錄2 程序清單；*****************************************************；* 超聲波測距器 *；* 采用AT89C51 12MHz晶振 *；* 采用共陽LED顯示器 *；*****************************************************； ~4m，堆棧在4FH以上，20Ｈ用于標志 ； 顯示緩沖單元在40Ｈ~42H,內(nèi)存44H~46H用于計算距離 ； * VOUT EQU 。參考文獻[1][D].武漢：華中科技大學碩士論文，2004年4月30日.[2]羅忠輝，[J].北京：機械設(shè)計與制造，2005年1月第1期.[3]史曉華,[J].北京：科技廣場,Science Mosaic,2008年05期每次設(shè)計遇到問題時老師不辭辛苦的講解才使得我的設(shè)計順利的進行。 最后，在設(shè)計之前，我們要對所用單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個系統(tǒng)的了解，知道該單片機內(nèi)有哪些資源；要有一個清晰的思路和一個完整的的軟件流程圖；在設(shè)計程序時，不能妄想一次就將整個程序設(shè)計好，反復(fù)修改、不斷改進是程序設(shè)計的必經(jīng)之路；要養(yǎng)成注釋程序的好習慣，一個程序的完美與否不僅僅是實現(xiàn)功能，而應(yīng)該讓人一看就能明白你的思路，這樣也為資料的保存和交流提供了方便；在實習過程中遇到問題是很正常的，但我們應(yīng)該將每次遇到的問題記錄下來，并分析清楚，以免下次再碰到同樣的問題。在做本次實習的過程中，我感觸最深的當屬查閱大量的設(shè)計資料了。這個過程中，我們花費了大量的時間和精力，更重要的是，我們在學會創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，同時還懂得合作精神的重要性，學會了與他人合作。 這次的設(shè)計算起來一共進行了三個月，在這幾個月的時間里我們進行了硬件電路圖設(shè)計，以及軟件的編程實現(xiàn)，軟硬件的綜合調(diào)試。通過這次實習，我們學到了很多東西。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。⑶表格。首先，彈飛的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到冗余指令。在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道。當彈飛到某一雙字節(jié)指令上時，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯。外設(shè)設(shè)備接受到一個被干擾的錯誤信息后，還來不及作出有效的反應(yīng)，一個正確的信息又來了，就可及時防止錯誤動作的產(chǎn)生。慣性大的輸出設(shè)備（如各類電磁執(zhí)行機構(gòu)）對‘毛刺’干擾有一定的耐受能力。在滿足實時性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)字信號之間接入一段延時，效果會好一些，就能對抗較寬的干擾。數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點，所以數(shù)字濾波在微機應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。故實質(zhì)上它是一種程序濾波。對于這類信號，采用積分時間等于20ms的整數(shù)倍的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可有效的消除其影響。在單片機控制系統(tǒng)中，如能正確的采用軟件抗干擾技術(shù)，與硬件干擾措施構(gòu)成雙道抗干擾防線，無疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性。(5) 補償系統(tǒng)電路的時間延遲系統(tǒng)電路的時間延遲可通過實驗測定，通過測試兩個已知標準距離SS2所得到的時間tt2，可求出系統(tǒng)電路的延遲，(s1(4)補償溫度對傳播聲速的影響超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進行補償。(2) 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動增益負反饋控制環(huán)節(jié)因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用(AGC)電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅度的變化，采用電流負反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。在實際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。E （65） 其中d 為應(yīng)變電場常數(shù)。制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。由此可見，超聲波頻率越高，其衰減越快。設(shè)在距離超聲接收器x 處有被測物，則空氣中傳播的超聲波波動方程描述為：A=A(x)cos(ax+kt) （64）其中A為超聲傳感器接收的振幅；A0 為超聲傳感器初始振幅；α為衰減系數(shù)；x 為超聲波傳播距離；w角頻率；k 為波數(shù)。當需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。r ，其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，P為氣體的壓強。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以AT89C51單片機為核心，采用40KHz 壓電超聲波傳感器，應(yīng)用于單片機測距系統(tǒng)中。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間ts，在已知超聲波聲速Cs 的前提下，可計算被測物的距離D，即：D=CT/2。（8）延時30微秒。（4）延時15微秒。（7） 最后將數(shù)據(jù)線拉高。（3） 按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。（7） 若CPU讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“0”后，還要做延時，其延時的時間從發(fā)出的高電平算起（第（5）步的時間算起）最少要480微秒。（4） 延時750微秒（該時間的時間范圍可以從480到960微秒）。 RR A MOV R5,A AJMP PLAYENDOUT: MOV P2,0FEH MOV P0,0FEHRETTAB: DB ET0（ET1）定時器/計數(shù)器T0（T1）的溢出中斷允許位。TMOD的低4位用于定時器/計數(shù)器0 ，TMOD的高4位用于定時器/計數(shù)器1D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC//TM1M0GATEC//TM1M0中斷允許控制各中斷源的中斷開放或關(guān)閉是有內(nèi)部中斷允許寄存器IE的各位來控制的。（這也就是超聲波測距器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。在中斷響應(yīng)之后，原始數(shù)據(jù)經(jīng)計數(shù)值與距離值換算子程序，二進制與十進制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。在這個部分中，信號處理包括計數(shù)值與距離值換算，二進制與十進制轉(zhuǎn)換。根據(jù)第二節(jié)所述系統(tǒng)硬件設(shè)計和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能：一、信號控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、檢測電路、顯示電路、門限檢測的設(shè)計。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因為 I/O 的復(fù)位缺省值為輸入；(4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻；(5) 最后對 I/O 端口進行輸出(寫數(shù)據(jù)輸出寄存器)和輸入(讀端口)編程，完成對外圍電路的相應(yīng)功能。AT89C51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，AT89C51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。因為單片機的接口夠用所以不必考慮接口問題。當進入比較器的輸入信號高于238mv時，比較器輸出電壓為5V。檢測電路設(shè)計的要求是保證每次接收信號都能被準確的鑒別出來，通常利用比較器將輸入信號與某一固定電平進行比較，輸出不同的電平來產(chǎn)生上升或下降沿觸發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機的外中斷引腳。在本設(shè)計中我們需要采用帶通濾波濾除除40kHz以外的其他雜波。超聲波接受電路接收的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲，而前端放大電路在放大有用信號的同時，會將一部分的噪聲信號同時放大[13]。前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計。功率放大電路的特點：功率放大電路的主要任務(wù)是向負載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號電壓，同時還要輸出大幅度的信號電流，通常是在大信號狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒有出現(xiàn)過的特殊問題。另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20vpp，以及單片機正常工作輸出最大電壓SV，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠近，所以考慮電壓的同時應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。由于超聲波是換能器壓電晶片振動附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動規(guī)律相同。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源VCC接通而實現(xiàn)的。只要VCC的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。51系列單片機的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。本設(shè)計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 時鐘電路和復(fù)位電路51系列單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。木章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減。由于單片機端口輸出功率很弱，為使測量距離滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器UCM40T發(fā)射超聲波距離足夠遠，故在此電路上加功率放大電路。獲取溫度上一部分我們就影響超聲測距誤差的幾個因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCMT40和一支接收探頭UCMR40的收發(fā)分體式傳感器。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射200us(8個40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。所以 （29）由公式29可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。即： （27）其中B為氣體的彈性模量，r為氣體的密度。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，傳感器半徑r有關(guān)。⑶從傳感器設(shè)計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。hdS 障礙物發(fā)射端接收端圖25超聲測距原理圖如圖25所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用: (24)即可計算得傳感器與反射點之間的距離S，測量距離 (25)當Sh時，則d≈S，即: (26)由文獻[10]，空氣中超聲波的衰減對頻率f很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。聲壓115dBmin(0dB=)一70dBmin(0dB=1v/ubar)指向角7580容量2500177。表21傳感器特性參數(shù)表型號UCMt40UCMr40使用方式發(fā)射接收中心頻率40177。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。⑵超聲傳感器的選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。以石英晶片為例，當溫度達到+290℃時靈敏度可降低6%。②靈敏度靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負，它主要取決于晶片材料及制造工藝。⑴主要參數(shù)①中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號[7]。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯欽酸鉛，欽酸鋇等。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。衰減的大小用衰減系數(shù)α表示，其單位為dB/m，通常用103dB/mm表示。在聲波垂直入射時，α=β=0，上式可化簡為: (23)若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為Z1=*106，Z2=4*102，代入上式則得R=。②折射定律入射角α的正弦與折射角β的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速v，與折射波中介質(zhì)的波速v2之比，即 (2l)③反射系數(shù)當聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時，因為兩種介質(zhì)的密度不同和聲速在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，反射聲強IR與入射聲強I0之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大小為 (22)式中:IR為反射聲強。⑵反射與折射當聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)的波