【正文】 消除溫度變化對精度的影響，從而提高了超聲波往返時間的測量可靠性。 根據(jù)超聲波測距的原理，設(shè)計了以 51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng)，考慮到單片機測量精度受到內(nèi)部主振頻率或參考頻率的限制，從硬件電路設(shè)計角度出發(fā)，采用了一種單片機外部硬件擴展計數(shù)電路，通過升高計數(shù)的參考頻率來提高了測距系統(tǒng)的計時精度，以最終提高了系統(tǒng)的計時精度。 簡而言之，綜述研究現(xiàn)狀，雖然某些研究方法仍存在不足和困難的地方，但也可看到一些優(yōu)秀的測量方法，應(yīng)取其精華，去其糟粕。此方法對提高精度和減少盲區(qū)都較有效。對于本系統(tǒng)并不適用。 (2)采用 74LS74A構(gòu)成雙 D觸發(fā)器，使比較后的信號僅在超聲波反射時間內(nèi)輸出為高電平，在從發(fā)射到接收到虛假反射波這段時間內(nèi) 置 0，從而在接收到串繞信號時也不會發(fā)出中斷請求。此方法能解決超聲波繞射問題，但是會增加盲區(qū)范圍。 且對于本系統(tǒng)指令響應(yīng)要求高，單片機存儲空間有限，較復(fù)雜的算法并不適用于本系統(tǒng)。 這種方法從軟件算法上計算回波時間點，過程過于復(fù)雜，有效性不清楚。 《一種高精度超聲波測距處理方法》 [4]提出一種基于歸一化包絡(luò)曲線方程的抗起伏信號處理方法。時間檢出點是隨距離變化而變化的，這種“時間檢出點”的變化就產(chǎn)生了距離測量的誤差。它對回波包絡(luò)線進行峰值檢測作為回波時間點。 發(fā)射波頻率加高受到換能器特性限制，同時，發(fā)射波頻率加高使超聲波在媒介中的衰減大幅度加劇，使作用距離下降。提出減小盲區(qū)的改善措施可以減少發(fā)射波串的長度，發(fā)射波頻率增高，波長減小，可以減少繞射，還可以用喇叭口形的聚波器束窄方向瓣。此方法對第 3個波近似計算為波峰的 75％，所以對精度要求較高的測量并不足夠。選取一定的門限值，接 收回波的包絡(luò)線大于門限值時確定為回波到達(dá)的時間。目前相位探測法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機械制造、電子冶金、航海、宇航 、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和需改進的地方 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于 1876年 。 目前基于超聲 波精確測距的需求也越來越大，如油庫和水箱液面的精確測量和控制，物體內(nèi)氣孔大小的檢測和機械內(nèi)部損傷的檢測等。 超聲波測距在某些場合有著顯著的優(yōu)點，因為這種方法是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，因此它是一種非接觸式的測量所以它就能夠在某些特定場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波 (20kHz以上的機械波 )，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 目 錄 第一章 緒論 ........................................ 1 課題背景及意義 ............................................ 1 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r和需改進的地方 .............................. 1 第二章 超聲波測距原理 ............................... 4 超聲波簡介 ................................................ 4 超聲波傳感器 .............................................. 5 超聲測距原理 .............................................. 6 盲區(qū)處理 .................................................. 8 第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計方案論證 .............. 9 方案一 .................................................... 9 方案二 .................................................... 9 方案三 ................................................... 10 方案確定 ................................................. 10 第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計思路及調(diào)試 ............. 12 設(shè)計要求 ................................................. 12 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 ................................. 12 各功能模塊電路介紹 ....................................... 13 超聲波產(chǎn)生電路 ..................................... 13 驅(qū)動電路模塊 ....................................... 14 接收放大電路模塊 ................................... 15 峰值檢波模塊 ....................................... 16 電壓比較器模塊 ..................................... 17 電平轉(zhuǎn)換模塊 ....................................... 18 溫度測量模塊 ....................................... 19 鍵盤顯示電路 ....................................... 21 超聲波測距系統(tǒng)硬件調(diào)試 ................................... 25 第五章 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計及調(diào)試 ................ 27 超聲波測距系統(tǒng)程序設(shè)計流程 ............................... 27 主程序設(shè)計流程 ..................................... 27 距離計算流程 ...................................... 28 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 軟件調(diào)試 ................................................. 29 第六章 超聲波測距系統(tǒng)最終調(diào)試 ...................... 30 第七章 總結(jié) ....................................... 32 研究結(jié)論 ................................................. 32 本系統(tǒng)的不足和需改進的地方 ............................... 32 參考 文獻(xiàn) .......................................... 33 致謝 ................................ 錯誤 !未定義書簽。 附錄 A 超聲波測距系統(tǒng)硬件電路圖 .................... 34 附錄 B 超聲波測距系統(tǒng)軟件程序 ...................... 35 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第一章 緒論 課題背景及意義 利用超聲波測量己知基準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法，稱為超聲波測距法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制 ，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。比如要測量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。本文結(jié)合超聲波精確測距的需要，分析了影響超聲波測距精確的多種因素，進行了系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計，來有效提高超聲波測距系統(tǒng)的精度。這些年來 ，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。對超聲波測距的精度主要取決于所測的超聲波傳輸時間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時間的不確定度來提高測距精度。 《超聲波測距精度的探討》 [1]一文中提到測量回波用到門限值的方法來測量回波的真實時間?；夭ǖ牡谝粋€周期的峰值作為測量標(biāo)準(zhǔn)，以該值的 75％作為門限值，測出時間，由此計算出超聲波真實的到達(dá)時間。 《超聲波測距誤差分析》 [2]認(rèn)為收發(fā)換能器分離比一體化更減少盲區(qū)距離。這些措施也有一定限度，例如：發(fā)射波串的長度過短將使得發(fā)射換能器激振達(dá)不到最大值或不能被激振。 《高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用》 [3]提出一種比較有效的測量回波方法。傳統(tǒng)的測量方法，以接收信號的幅值超過系統(tǒng)所規(guī)定的閾值時的時刻作為停止計時信號。針對回波信號的特點，采用峰值時間點檢出方法，首先回波將經(jīng)過放大、濾波后的回波信號進行線性包絡(luò)檢波，然后對檢波的輸出信 號進行微分處理，最后對微分電路的輸出進行零點交叉檢測，即可得到回波信號的峰值時間，此時無論被測距離遠(yuǎn)近，即在回波信號包絡(luò)線的峰值點。處理步驟為： 1．用一定的檢測方法計算出方程中的起伏參數(shù)： 2．根據(jù)包絡(luò)方程推算出回波的理想前沿； 3．得到準(zhǔn)確的聲波傳輸時間； 4．乘聲速除 2即得距離。不如南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 《高精度的超聲波測距系統(tǒng)在移動機器人導(dǎo)航方面的應(yīng)用》的方法簡潔。 《用于微地形探測的超聲波測距系統(tǒng)》 [5]通過軟件編程和硬件方法，在繞射波有效階段封閉 CPU中斷申請，躲避有效干擾。此文論述到處理這種串繞信號一般有兩種方法： (1)通過軟件編程從開始發(fā)射到虛假反射波結(jié)束時清零，從而使其不會向 CPU發(fā)出中斷申請，即可有效躲避干擾。通過這兩種方法都能夠有效地躲過串繞信號，但同時也會形成盲區(qū)，系統(tǒng)的盲區(qū)約為 lOOmm左右。 《自動增益電路在超聲波測距系統(tǒng)中的應(yīng)用研究》 [6]提出自動增益補償電路使誤差控制在 0． 2mm至 0． 5mm之間，并減少測距盲區(qū)，盲區(qū)范喇為 67cm。在軟件編寫的動態(tài)改變發(fā)射功率時可以作參考。但總的來 說，論文中系統(tǒng)的盲區(qū)范圍較大，一般有 lOcm左右距離，個別較好的有 46cm距離。經(jīng)過實驗分析，效果良好。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 第二章 超聲波測距原理 超聲波簡介 超聲波 [7]簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。與光波不同，超聲波是一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。超聲波在相同的傳播媒體里 (如大氣條件 )傳播速度相同， 即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播的，波動方程描述方法與電磁波是類似的 : ? ?xktwxAA ????? c o s)( () xeAxA ???? ?0)( () 在公式中， A(x)為振幅， Ao為常數(shù)， w為圓頻率， t為時間， x為 傳播距離， k=2∏ /λ為波數(shù)， A為波長， a為衰減系數(shù)。在空氣里， a= 13102 ?? s2/cm，當(dāng)振動的聲波頻率 f= 40kHz(超聲波 )代入式 ()，可得 a= ?? /cm，即 1/α =31m；它的物理 意義是 :在 (1/a)長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短?？紤]實際工程測量要求，在設(shè)計超聲波測距儀時，選用頻率 f=40kHz的超聲波。 1. 液體中的縱波聲速： （ ） ： （ ） 式中： K體積彈性模量 熱容比 P靜態(tài)壓力 ρ 密度 例： T=0 176。 C 超聲波傳感器 超聲波傳 感器是近年來出現(xiàn)的用于超聲控制元件，它分為發(fā)射器和接收器。實質(zhì)上是一種可逆的換能器，即將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振蕩，形成超聲波；或者由超聲波能量轉(zhuǎn)換為電振蕩。T/R40的特征參數(shù)如表 1所示。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電