【正文】 0180190測(cè)量值（cm）102111121129139152163172183194相對(duì)誤差（%）2 誤差分析超聲波測(cè)距由于其再使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車(chē)倒車(chē)、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在對(duì)測(cè)量值和真實(shí)值進(jìn)行比較時(shí)發(fā)現(xiàn)兩者總存在一定的偏差，測(cè)量值和真實(shí)值的偏差保持在1左右，并計(jì)算其相對(duì)誤差。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。再測(cè)試接收端，接收器正端一直有微弱信號(hào)，表明接收探頭也工作正常。在確定各芯片供電和關(guān)鍵管腳處正常后，即可插上IC進(jìn)行測(cè)試。在焊接完所有元件之后，先不上電，檢查電路電源和地是否因粗心而造成的短路現(xiàn)象。如果在超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾性能。 testok = 2。 TR0 = 0。 /* 關(guān)閉外中斷0 testok = 1。 /* 停止定時(shí)器0計(jì)時(shí) ET0 = 0。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。其部分源程序如下所示：超聲發(fā)生子程序（） NAME CS_T?PR?CS_T?CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_TCS_T: PUSH ACC MOV TH0, 00H MOV TL0, 00H MOV ACC, 10 SETB TR0CS_T1: CPL NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC, CS_T1 POP ACC RET 。圖15 主程序流程圖 超聲波發(fā)生子程序（），脈沖寬度為12左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。測(cè)出距離后，結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送往數(shù)碼管顯示。 主程序主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序。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)間和接收到反射波的時(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，就可算出超聲波發(fā)生器與障礙物之間的距離。整個(gè)系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。由于距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā)射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。在這部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值的換算，二進(jìn)制數(shù)與十進(jìn)制數(shù)的轉(zhuǎn)換。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此刻計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲(chǔ)在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始，需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）信號(hào)控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、顯示電路等的設(shè)計(jì)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。⑦為信號(hào)輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦值為22，沒(méi)有接受信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生低電平。⑤腳為帶通濾波器調(diào)整端，該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低。增大電阻或減小電容，將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。⑦腳為輸出端，CX20106A處理后的脈沖信號(hào)由⑦腳輸出給后續(xù)電路再加工處理推動(dòng)負(fù)載工作。帶通濾波器中心頻率需接一個(gè)外部電阻,改變阻值，可改變載波信號(hào)的接受頻率，當(dāng)偏離載波頻率時(shí)，放大增益會(huì)顯著下降?？傇鲆娲笮∮散谀_外接的電阻和電容決定，電阻越小或電容越大，增益越高。 CX20106ACX20106A紅外接收專用集成電路IC性能優(yōu)越，封裝形式及體積與許多遙控信號(hào)接收器IC相同或相似，可用來(lái)代替多種信號(hào)的遙控集成電路。具體步驟如下：⑴根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些I/O端口，用EQU偽指令定義其相應(yīng)的寄存器；⑵初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開(kāi)始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作；⑶根據(jù)外圍電路功能，確定I/O端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。STC89C52完全兼容AT89C5AT89C52 、AT89S5 AT89S52 ,擴(kuò)展性比AT89S52強(qiáng)很多。性能卓越，保密性好，因?yàn)椴捎么跓龑?xiě)所以燒寫(xiě)更方便更安全，不用擔(dān)心會(huì)燒壞芯片，STC89C52片內(nèi)含有8K的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀Flash程序存儲(chǔ)器和512 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。其電路圖如圖12所示。計(jì)數(shù)器所記的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。采用STC89C52來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)CX20106A紅外接收芯片和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。其電路如圖11所示。輸出端為引腳XTAL2，在芯片的外部通過(guò)這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器構(gòu)成。電路圖如圖10所示。⑶按鍵電平復(fù)位，按鍵電平復(fù)位是通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的。⑵系統(tǒng)復(fù)位，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平，只要RST保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。其顯示電路如圖9所示。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是CRT監(jiān)視器或者屏幕較大的LCD液晶屏。單片機(jī)對(duì)經(jīng)處理過(guò)的反射信號(hào)進(jìn)行最終的數(shù)學(xué)處理，把最終結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。超聲波接收電路原理圖如圖7所示。通過(guò)外接電阻，將CX20106A內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率設(shè)置為40，就可接收和放大超聲波電信號(hào)，并整形和輸出。它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，有較強(qiáng)的抗干擾性和靈敏度。超聲波接收探頭接收反射回來(lái)的聲波信號(hào)，經(jīng)放大后把信號(hào)引進(jìn)一個(gè)帶通濾波器，然后把信號(hào)再次放大后引入比較電路，最后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖5所示。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射器T構(gòu)成，74LS04用于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，使輸出方波更加標(biāo)準(zhǔn)。調(diào)制電路用作電流放大。由系統(tǒng)的主框圖，可以把系統(tǒng)分成三部分： 發(fā)射框圖和電路圖圖4為系統(tǒng)發(fā)射框圖。 系統(tǒng)主框圖及各模塊電路超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示超聲波發(fā)射超聲波接收單片機(jī)控制器4位數(shù)碼管顯示圖3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中用超聲波傳感器作為測(cè)量器件，用單片機(jī)中的程序進(jìn)行處理，最后通過(guò)LED數(shù)碼管顯示出測(cè)量的距離值。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。將式(4)帶入式(3)可得： (5)當(dāng)被測(cè)距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，式(5)變?yōu)椋? (6)這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 超聲波測(cè)距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計(jì)時(shí)。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。利用這一特性可制作成各種頻率的超聲波傳感器。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。圖1 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)錐形振子，當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)錐形振子振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)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(hào)。在壓電陶瓷上加上有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)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(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱為探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。電聲型主要包括壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。 超聲波傳感器介紹超聲波傳感器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。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。超聲波測(cè)量在國(guó)防、航空航天、電力、石化、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠(yuǎn)小于電磁波這一特性，可制成超聲波延遲線和存儲(chǔ)裝置以及進(jìn)行電視制式的轉(zhuǎn)換。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動(dòng)體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測(cè)量流速流量，探測(cè)心臟血管搏動(dòng)等。利用超聲波連續(xù)性的共振性質(zhì)，可以測(cè)量高壓電容器，鍋爐，輪船甲板等的厚度或者腐蝕程度，也可制成機(jī)械濾波器。超聲波在介質(zhì)（固體、液體、氣體）中傳播時(shí)，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)探查物體和進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)稱為超聲波檢測(cè)。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。2 超聲波測(cè)距原理 超聲波檢測(cè)概述超聲波