【正文】 最后我要深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無(wú)盡的愛(ài)、理解和支持，才使我時(shí)刻充滿信心和勇氣，克服成長(zhǎng)路上的種種困難，順利的完成大學(xué)學(xué)習(xí)。 在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短 3 個(gè)月里，你們給我提出很多寶貴的意見(jiàn)，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠(chéng)的謝謝你們。同時(shí)還要感謝系實(shí)驗(yàn)室在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供給我們優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。 35 致 謝 首先，我要感謝我的導(dǎo)師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時(shí)也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間所給予我得幫助。對(duì)一塊電路板的 設(shè)計(jì)、焊板、調(diào)試、改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程，有了更深入的理解和掌握。 總體來(lái)說(shuō)，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí)，從中受益匪淺。測(cè)距系統(tǒng)在許多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合，都有很重要的作用。測(cè)距范圍從 20cm 到 200cm，測(cè)量精度在 177。單片機(jī)內(nèi)部采用 C 語(yǔ)言編程，方波信號(hào)的產(chǎn)生、時(shí)間差的讀取、距 離的計(jì)算以及顯示輸出的譯碼都由單片機(jī)編程完成。接收電路采用的是 CX20206A，通過(guò)接收電路對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形，最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序。驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號(hào)，就是由單片機(jī)編程產(chǎn)生的。只有深入地了解超聲波傳感器的工作原理，才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路。給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。本章分析了各種產(chǎn)生測(cè)量誤差的原因以及解決辦法，以更進(jìn)一步提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。對(duì)于測(cè)距系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，誤差是不可避免的。 由 LM92 溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測(cè)距已應(yīng)用在各種高精度測(cè)距的場(chǎng)合，如自動(dòng)氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測(cè)試、自動(dòng)任意形狀物體密度測(cè)試儀等，它具有測(cè)試速度快，能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量 精度等優(yōu)點(diǎn)，在工程上的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用前景廣闊 [12]?！?，I2C 總線接口。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù) 33 有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償。若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路，則計(jì)數(shù)頻率可直接引用單片機(jī)的晶振頻率，時(shí)間量化誤差更小 [15]。 3. 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差。 2. 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié) (AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。其提高測(cè)距精度的措施如下： 1. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。 隨機(jī)誤差 由于測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律變化的，為了減少其影響，可 在同一位置處多次重復(fù)測(cè)量 xi，然后取平均值 x 作為測(cè)量的真值 [14]。 在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測(cè)量距離的傳播時(shí) 間差值精度只要在達(dá)到微秒級(jí)，就能保證測(cè)距誤差小于 1mm 的誤差。 相對(duì)而言，單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為 12MHz 時(shí)，時(shí)間分辨 32 率為 1181。工業(yè)測(cè)量中，一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度，即 ???c (43) 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 tcl ?? ，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 受 聲速受溫度的影響為 20 1 273cc? ??????????????? (41) 圖 48 為 根據(jù)上式測(cè)量的溫度 聲速圖。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會(huì)引起密度變化，固體中彈性模量對(duì)聲速影響較密度影響更 大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。如圖 48 所示： 圖 48 超聲波測(cè)距儀實(shí)物圖 系統(tǒng)的誤差分析 實(shí)際的檢測(cè)數(shù)據(jù)如下表格： 表 41 實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)表 測(cè)量次數(shù) 實(shí)際距離 X(cm) 測(cè)量距離 Y(cm) 誤差（ %） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 最遠(yuǎn)測(cè)量距離： 220cm ， 對(duì)應(yīng)實(shí)際最遠(yuǎn)距離為： 221cm 。 下圖 47 為 仿真調(diào)試圖 圖 47 系統(tǒng)調(diào)試圖 把程序燒入已經(jīng)調(diào)試好的硬件電路中后，便可實(shí)現(xiàn)超聲波的測(cè)距功能。 根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為 20～ 200cm，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò) 5cm。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。圖 46 為選擇 12MHz 的晶振，再?gòu)?output 選項(xiàng)中選擇生成 HEX 文件，如圖 47。在這里我們選擇 AT89C52 單片機(jī)， 圖 43 顯示的就是該 單片的相關(guān)信息。 27 使用 Keil Software 工具時(shí)你的項(xiàng)目開(kāi)發(fā)流程和其它軟件開(kāi)發(fā)項(xiàng)目的流程極其相似 ： 1 創(chuàng)建一個(gè)項(xiàng)目從器件庫(kù)中選擇目標(biāo)器件配置工具設(shè)置 2 用 C 語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言創(chuàng)建源程序 3 用項(xiàng)目管理器生成你的應(yīng)用 4 修改源程序中的錯(cuò)誤 5 測(cè)試連接應(yīng)用 6 下載程序到單片機(jī) 下面通過(guò)截圖進(jìn)行說(shuō)明 ： 圖 42 keil的操作環(huán)境 圖 43 芯片的選擇 圖 42 為 keil 的操作環(huán)境。如下圖 41 所示，雙擊就可以打開(kāi)程序編輯環(huán)境 。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。以下程序 流程 可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的計(jì)算功 能。 顯示程序流程圖 如圖 35 所示， 在 C 語(yǔ)言編程中，僅需把計(jì)算的四個(gè)十進(jìn)制數(shù)字逐個(gè)送入 P0 口即可， 且每個(gè)數(shù)字顯示前有 的延時(shí)。然后再開(kāi)外部中斷。這時(shí)在檢驗(yàn)是否發(fā)送完。 //設(shè)置 初值 TL1= T12us。 本設(shè)計(jì)采用模式 2， 其具體程序如下： TMOD=0x21。 圖 32 定時(shí)器 T0流程圖 定時(shí)器 T1 中斷服務(wù)程序流程圖 方式 2 有自動(dòng)重新加載初值的功能，使定時(shí)器做更精確的計(jì)時(shí)。這里之所以關(guān)定時(shí)是為了讓 T0T1 能夠同步，也就是發(fā)射 超生波的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)。 它的初始化指令為 init_CTC( ) 。 定時(shí)器 T0 流程圖 在本系統(tǒng)中設(shè)置 T0 工作在 模式 1 下，為 16 位計(jì)數(shù)器， 這 16 位是由 TH0(TH1)的高 8 位和 TL0(TL1)的低 8 位構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)所有位均為 0。 TCON 中低 4 位是與外部中斷有關(guān)的位，高 4 位為定時(shí)器控制位。 IT1 和 IT0：為外部中斷 1 和外部中斷 0 的觸發(fā)方式選擇位。當(dāng)外部中斷源有請(qǐng)求時(shí)其對(duì)應(yīng)的中斷標(biāo)志位置 “1”。定時(shí)器啟動(dòng)時(shí)該位應(yīng)置 “1”。 TR1 和 TR0：為定時(shí)器 1 和定時(shí)器 0 的啟動(dòng) 控制位。進(jìn)人中斷服務(wù)程序后，由硬件自動(dòng)清 0。 定時(shí) /計(jì)數(shù)器有四種工作方式，如表 42： 表 42 定時(shí) /計(jì)數(shù)器工作方式的選擇 M1 MO 工作方式 功能 描述 0 0 方式 0 13 位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 1 方式 1 16 位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 0 方式 2 具有自動(dòng)重裝初值的 8 位 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 1 方式 3 分為兩個(gè)獨(dú)立的 8 位計(jì)數(shù)器（僅適用于 T0） 21 控制寄存器 TCON TCON 是用于控制 定時(shí) /器的啟、停溢出標(biāo)志和外部中斷信號(hào)觸發(fā)方式，其各位定義如下： TF1 TR1 TF0 TR0 IE1 IT1 IE0 IT0 TF1 和 TF0；分別為定時(shí)器 1 和定時(shí)器 0 溢出標(biāo)志。當(dāng) TC/ ＝ O 時(shí)設(shè)置為定時(shí)器方式；當(dāng) TC/ ＝ 1 時(shí)設(shè)置為計(jì)數(shù)器方式。只有當(dāng)外部中斷引腳 INT0 或 INT1 為高時(shí)， iTR 置1 才能啟動(dòng)定時(shí)器工作。當(dāng) GATE＝ 0，定時(shí)器只由 TR0 或 TR1 來(lái)控制啟停。其中 TMOD 為定時(shí) /計(jì)數(shù)器方式控 制寄存器； TCON為定時(shí) /計(jì)數(shù)器控制寄存器。這兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器可用于定時(shí)、延時(shí)、對(duì)外部事件計(jì)數(shù)、分頻及事故記錄等。 TH1=T12us。 TR0=0。 ET0=1。 IE=0x80。 /* 傳數(shù) */ delay(200)。 /* 初始化外部中斷 */ CLflag=1。 部分源程序如下： init_CTC( )。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。再 開(kāi) T0，調(diào)用顯示程序。 表 31 資源分配表 接口 功能 P0,P2 顯示輸出口 超聲波輸出端口 超聲波接收中斷入口 T1 定時(shí)模式 2 T0 計(jì)數(shù)模式 1 外部中斷 0 判斷回波 18 主程序流程圖 單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時(shí)利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能開(kāi) 始計(jì)時(shí)，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變?cè)趩纹瑱C(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，然后通過(guò)軟件譯碼，將數(shù)據(jù)輸出 P0 口顯示 。 測(cè)出 的 結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送 LED顯示，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)前面的測(cè)量過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng) 進(jìn)入超聲波接收中斷程序后，該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間 T[12]，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 17 3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 超聲波設(shè)計(jì)概述 本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、 定時(shí)子程序、顯示子程序及外部中斷服務(wù)子程序 組成。 16 超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分 、顯示電路 以及電源部分構(gòu)成。但是，在制作超聲波測(cè)距系統(tǒng)的過(guò)程中，由單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng) LED 顯示，電流較小， LED 雖然有顯示但是比較暗，因此 用了三極管來(lái)對(duì)電流進(jìn)行放大 可解決 這個(gè)問(wèn)題。 電路 圖如圖 210 所示。 LED 顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。而在共陽(yáng)極接法中，剛好與共陰極接法向反。根據(jù)各管的極管接線形式，可分為 共陰極型和共陽(yáng)極型。只需能顯示09 的數(shù)字，且顯示穩(wěn)定無(wú)閃爍即可。由于經(jīng)探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，經(jīng)過(guò) CX20206A 處理后產(chǎn)生負(fù)跳變，引起單片機(jī)的外部中斷。超聲波接收器包括超聲波接收探頭、 CX20206A 處理兩部分 ，如圖 29。芯片中的帶通濾波器、積分器等使得它抗干擾能力很強(qiáng)。其帶通濾波器中心頻率可由芯片腳 5的外 接電阻調(diào)節(jié)。 CX20206由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路組成。一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲂盘?hào)微弱，同時(shí)根據(jù)反射條件不同信號(hào)大小變化較大 ， 需要放大倍數(shù)大約為 100 到 5000 倍 ， 另一方面?zhèn)鞲衅鬏敵鲎杩馆^大 ， 這就需要高輸入阻抗的多級(jí)放大電路 ， 這就會(huì)引入兩個(gè)問(wèn)題 ： 高輸入阻抗容易接收干擾信號(hào) ， 同時(shí)多級(jí)放大電路容易自激振蕩。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生 40kHz 方波。 該測(cè)距電路的 40kHz 方波由單片機(jī)編程產(chǎn)生，方波的周期為 1/40ms ，即 25181。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)， 用以提高驅(qū)動(dòng)能力。另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。發(fā)射脈沖可以由單片機(jī)或振動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 發(fā)射電路的主要目的是驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭內(nèi)的壓電晶片振動(dòng)，使之發(fā)出超聲波，并且發(fā)射的超聲波具有一定的能量，可傳播較遠(yuǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)測(cè)量的目的。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 9