【正文】 0 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 表 11 超聲波測距儀 原理 框圖如下圖 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。電信學院綜合實驗報告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 1 基于單片機的超聲波測距儀設計 1 總體設計方案介紹 超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度υ在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 圖 11 超聲波測距儀原理框圖 2 系統(tǒng)的硬件結構設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波 檢測接收電路三部分。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅動。特別是該系列單片機片內(nèi)的 Flash可編程、可擦除只讀存儲器 (E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。 空閑方式： CPU停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。 單片機實現(xiàn)測距原理 單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C 為超聲波波速。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構成，單片機 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的 另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。上位電阻 R1O、 R11一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路 (如圖 23)。適當更改電容 C4 的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。電路原理圖如見附件。 3 系統(tǒng)軟件的設計 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、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 。 超聲波測距儀的算法設計 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。距離的計算公式為： d=s/2=(c t)/2 （ 1） 其中， d 為被測物與測距儀的距離， s 為聲波的來回的路程， c為聲速， t為聲波來回所用的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序， 讀取時間差，計算距離。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式。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。 測出距離后結果將以十進制 BCD碼方式送往 LED顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 電信學院綜合實驗報告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 5 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻率約 40kHz的方波），脈沖寬度為 12μ s 左右，同時把計數(shù)器 T0打開進行計時。 超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0引腳出現(xiàn)低電 平），立即進入中斷程序。如果當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 關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示此次測距不成功。部分源程序如下： RECEIVE1： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX1 ；關外部中斷 1 JNB , RIGHT ； 引腳為 0,轉至右測距電路中斷服務程序 JNB , LEFT ； 引腳為 0,轉至左測距電路中斷服務程序 RETURN： SETB EX1；開外部中斷 1 POP ACC POP PSW RETI RIGHT： ... ；右測距電路中斷服務程序入口 AJMP RETURN LEFT： ... ；左測距電路中斷服務程序入口 AJMP RETURN 4 系統(tǒng)的軟硬件的 調(diào)試 超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中 超聲波發(fā)射和接收采用Φ 15 的超聲波換能器 TCT4010F1（ T 發(fā)射）和 TCT4010S1（ R 接收），中心頻率為 40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 4～ 8cm，其余元件無特殊要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。根據(jù)實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量的間隔時 間，以適應不同距離的測量需要。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復一致性進行多 次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。但是對設計有一個很好的理論基礎。以數(shù)字的形式顯示測量距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。 電信學院綜合實驗報告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 6 超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。 顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅動。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。 超聲波檢測接收電路主要是由 集成電路 CX20216A 組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。實驗證明用CX20216A 接收超聲波 (無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、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。主超聲波測距儀主程序利用外中斷 0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。如果當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 關閉，并將測距成功標志字賦值 2以表示此次測距不成功。 超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(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。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超 聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。 在元件及調(diào)制方面， 由于采用的電路使用了很多集成電路。一般只要電路焊接無誤，稍加調(diào)試應該會正常工作。 根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 電信學院綜合實驗報告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 7 小組成員姓名 班級 學號 蘇 濤 07 電子二班 07205010244 胡 朝 07 電子二班 07205010215 楊宇翔 07 電子二班 小組成員簽字： 電信學院綜合實驗報告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 8 附錄 附錄 1 超聲波測距電路原理圖 12538764*LM3582 7 685431*LM5674 3 2 15 6 7 8*24C02*10K10K 10KXTAL1191011141521VCC402412XTAL218GND2023AT89C511KR?Res2220K22K10K30pF30PF104 1041041521uF1uF3 4 5 610 11 12 131497128*74ls1641K 1001 2 4 5 6 7 9 1038*2 位 LED 七段數(shù)碼管VCCVCCVCC20K*超聲波換能發(fā)射器*超聲波換能接收器 電信學院綜合實驗報告 小組成員：蘇濤 胡朝 楊宇翔 9 附錄 2 超聲波 測距 程序清單 INCLUDE