【正文】 化 17 而大幅度的變化，采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。其提高測距精度的措施下： (1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期 據(jù)經(jīng)驗，超聲測距的工作頻率選擇 f=40kHz 較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的 10 倍以上即： T0. 25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬 Ims。測距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時間計測、微機(jī)控制和溫度測量五個部分組成。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。 20℃時， T253. 15, CS= m/s。例如： 20℃時， T=293. 15， CS= m/s。氣 體的壓強(qiáng)為： 其中，R 為普適常量 8. 314kg/mol， T 為氣體溫度 K（絕對溫度）， M 為氣體分子量，空氣為 103 kg/mol。因此．超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影Ⅱ向 即： 其中 B 為氣體的彈性模量， r 為氣體的密度。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以 AT89S51 單片機(jī)為核心，采用 40KHz 壓電超聲波傳感器，應(yīng)用于單片機(jī)測距系統(tǒng)中。這些因素使超聲波測距的精度 和范圍受到影響。其中脈沖回波法測距常用，其原理 16 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。 根據(jù)讀寫操作，其流程圖如 34 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn) 超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。 (4)延時 15 微秒。 (2)延時 2 微秒。 (6)重復(fù)上 (1)到 (6)的操作直到所有的字節(jié)全部發(fā)送完為止。 (4)延時時間為 45 微秒。 (2)延時確定的時間為 15 微秒。 (8)將數(shù)據(jù)線再次拉高到高電平“ 1”后結(jié)束。據(jù)該狀態(tài)可以來確定它的存在，但是應(yīng)注意不能無限的進(jìn)行等待，不然會使程序進(jìn)入死循環(huán)，所以要進(jìn)行超時控制）。 (5)數(shù)據(jù)線拉到高電平“ 1”。 (2)延 時（該時間要求的不是很嚴(yán)格，但是盡可能的短一點(diǎn)） (3)數(shù)據(jù)線拉到低電平“ 0”。 ETO (ETl)定時器／計數(shù)器 T0 (T1)的溢出中斷允許位。 EA=O，屏蔽所有的中斷請求； EA=I，開放中斷。 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 1 表 定時器／計數(shù)器方式控制寄存器 TMOD 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。 測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。需要延時 0. 1ms （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。、 主程序流程框圖 主程序首先是對系統(tǒng)壞境初始化，設(shè)置定時器 TO 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式， 置位總中斷允許位 EA 并給顯示端 PO 和 P2 清 O。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(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換子程序后顯示輸出。由于采用了單片機(jī) AT89S51 并考慮整個系統(tǒng)的控制流程，整個系統(tǒng)軟件都有 AT89S51 系列單片機(jī)匯編語言實現(xiàn)。在這個部分中，信號處理包括計數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。 二、數(shù)據(jù)存儲 為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時間差，要讀出此刻計數(shù)器的計數(shù)值，然后存儲在RAM 中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。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。報警部分的連線如圖所示 11 三．超聲波測距系統(tǒng)的軟件設(shè)計 該超聲波測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報警電路組成，下面主要通過各個模塊的各種方案比較，確定設(shè)計的最終方案。這里采用的主要元器件是是美國 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18820，其具有精度高、智能化、體積小、線路簡單等特點(diǎn)。如下圖所示。數(shù)碼 管采用動態(tài)掃描顯汞，段碼輸出端口為單片機(jī)的 PO 口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的 、 、 、 口，數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用 NPN 三極管 S9012 驅(qū)動。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳 5 的外接電阻 R42，將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。工作 過程如下：接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器．將信號調(diào)整到合適幅值的矩形脈沖，由濾波器進(jìn)行頻率選擇，濾除干擾信號，再經(jīng)整形，送給輸出端 7 腳。故本次設(shè)計用它來做接收電路。可以看到，集成芯片 CX20216 在接收部分電路中起了很大的作用。 8 圖 22 超聲波發(fā)射原理圖 接收電路 CX20216 的應(yīng)用 上述 UCMT40 發(fā)射的在空氣中傳播，遇障礙物就會返回，超聲波接收部分是為了將反射波（回波）順利接收到超聲波接收換能器 UCMT40 進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片 CX20216，得到一個負(fù)脈沖送給單片機(jī)的 (INTO)引腳，以產(chǎn)生一個中斷。發(fā)射部分的電路，如圖 22 所示。 40 kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。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。本設(shè)計就是用的按鍵手動復(fù)位。只 7 要 vcc 的上升時間不超過 Ims，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。 復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。 51 系列單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。本設(shè)計中，振蕩晶體選擇 12MHz，電容選擇 30pF。振蕩晶體可在 1. 2MHz 到 12MHz 之間 選擇。 本設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTALI， XTAL2 引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。時鐘產(chǎn)生方法有兩種。由于放大電路輸出的信號是連續(xù)的正弦波疊加信號，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號常為下降沿脈沖信號，故信號在放大電路后通過LM393 構(gòu)成的比較電路，將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信 號，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，目的使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號，內(nèi)部計數(shù)器停止計時。 從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來的超聲回波很微弱（幾十個 mV 級），又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。 6 發(fā)射電路采用單片機(jī) PI． 0 端口編程輸出 40kHz 左右的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器 TO。木章主要在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。如果測距精度要求很高，則 應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 下表列出了幾種不同溫度下的聲速。 20℃時， T253. 15， CS= m/s；從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。所以 由公式26 可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得： B=g． r，其中 g 為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 ， P 為氣體的壓強(qiáng)。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。 溫度介紹 由 可知，聲速的 大小線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。 指向角介紹 傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測距的一個重要技術(shù)參數(shù)，記為 0， 它直接影 n 向測量的分辨率。 綜上所述，由于木測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz。 (2)1 作頻率越高，對相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙 物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。傳 感器的上作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。其中脈沖回波法測距最為常用，它主 要基于超聲測距回波信號的識別，多采用模擬方法，用電路來實現(xiàn)。金屬板的中心有圓錐形振予，發(fā)送超聲波時，圓 錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波：接收超聲波時，超聲波的振 動集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。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。 3 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 13 所示，它采用雙晶振子，即把雙壓 電陶瓷片以相反 極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。壓電陶瓷晶片有一個 固定的諧振頻率，即中心頻率兒。 如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與 超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號 [7]。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時， 2 根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種 機(jī)械變形的大小和方向在一定范 圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。超聲波 傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。其具有下列的特性 : 把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變：相反，對這種材料施以外力，則由 于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。電聲型主要有： 1．壓電傳感器： 2．磁致伸縮傳感器： 3．靜電傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲 能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァＫ荒茉诠腆w中傳播。它能在固體、液體和氣體中傳播。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形 也不同。 我們知道以前在物理課中學(xué)過，人們可聽到的聲音頻率 為 20HZ20KHz，即為可聽聲波， 超出頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波，頻率高于人類聽覺上限頻率 (約 20KHz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。 然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對晚一點(diǎn)了。我國兩千多年前的先秦時期，在樂律和樂器的 研究方面，對聲學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。 6．成績考核辦法 平時表現(xiàn) 30%，設(shè)計成果 40%，答辯表現(xiàn) 30%. 教研室審查意見： 教研室主任簽字： 年 月 日 院（系、部、中心）意見： 主管領(lǐng)導(dǎo)簽字： 年 月 日 目錄 ...............................