【正文】 好，強度好控制，它的應(yīng)用價值己被普遍重視。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 從設(shè)計要求可知，本課題研究的是利用超聲波傳感器來測量距離。所謂超聲波就是指頻率高于 20kHz 的機械波，一般由壓電效應(yīng)或磁致伸縮效應(yīng)產(chǎn)生；沿直線傳播，當(dāng)頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強；強度大、方向性好等特點。又由于超聲波在空氣中的傳播速度較慢，一般為 340m/s 左右，這使得超聲波傳感器的應(yīng)用變得非常簡單，因此利用超聲波傳感器測量距離就不再困難了，由此可見，基于 STC89C52 的超聲波測距系統(tǒng)的研究設(shè)計是可行的。因此，本課題的研究是非常有實用和商業(yè)價值。其主要功能如下： 1） 測距范圍為 6m； 2） 顯示方式為數(shù)碼管顯示； 3） 具有較強的抗干擾能力，安裝簡單； 4） 體積小、功耗低，能嵌入其它系統(tǒng)。該技術(shù)在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特 別具有潛在能力。超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息，稱為檢測超聲。超聲波在空氣中的傳播速度為 v，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙 物的距離 (s)，即： 2tvs ?? （ 21） 圖 21 超聲波測距原理圖 這就是所謂的時間差測距法 [7]， 由于是利用超聲波測距，要測量預(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到預(yù) 定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。 在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 6 (22)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。C ， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s。 測距儀以 AT89S52 芯片為核心， 74LS04 組成的超聲波 發(fā)射電路、并由超聲波處理模塊 CX20216A、 LED 顯示模塊等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 LED 顯示電路。 由單片機發(fā)出 40kHz 的方波信號進入超聲波發(fā)射電路，經(jīng)功率放大芯片放大后進入超聲波發(fā)射頭。結(jié)構(gòu)圖如圖 22 所示。單片機采用 STC89C52 或其兼容系列。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的 方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。 LED數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜。圖 31(a)為八段共陰極數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖 31(b)是它的原理圖，圖31(c)為八段共陽 LED顯示管原理圖。 圖 31 LED結(jié)構(gòu)圖 超聲波發(fā)射電 路 超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭的型號選用 CSB40T（其中心頻率為 40KHz）。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設(shè)計一個驅(qū)動電流為100mA 以上的驅(qū)動電路。這種方法的特點是無基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 9 需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。 圖 32 發(fā)射電路圖 從圖中可知，當(dāng)輸入的信號為高電平時，上面經(jīng)過兩級反向 CSB40T 的 1引腳為高電平，下面經(jīng)過一級反向后為低電平；當(dāng)輸入信號為低電平時，正好相反，實現(xiàn)了振蕩的信號驅(qū)動 CSB40T，只要控制信號接近 40KHz，就能產(chǎn)生超聲波。i8。 TX!=TX。右側(cè)和左側(cè)測距電路的輸入端分別接 端口，工作原理與前方測距電路相同。由于超聲波接收探頭的信 號非常弱，所以必須用放大器放大，放大后的正弦波不能被微處理器處理，所以必須經(jīng)過波形變換。接受電路如圖 32 所示。其總放大增益 80db。 （ 1） 1 腳：超聲信號輸入端， 該腳的輸入阻抗約為 40kΩ。增大電阻 R14或減小 C5,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。 （ 4） 4 腳：接地端。 （ 6） 6 腳： 該引腳與地之間接一個積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 （ 8） 8 腳：電源正極， ～ 5V 距離計算 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時間。其部分源程序如下： void Conut(void) { time=TH0*256+TL0。 TL0=0。 delay1(10)。 c=c/150。 if((S=200)||flag==1) { SPEAK=0。 flag=0。 //顯示 “” disbuff[1]=10。 //顯示 “” } else { disbuff[0]=S%1000/100。 disbuff[2]=S%1000%10 %10。 RS232 串口通信電路設(shè)計 RS232 是單片機間，或單片機與上位機間通訊聯(lián)絡(luò)用。 MAX232 是一種雙組驅(qū)動器／接收器，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器以便在單 5V 電源供電時提供EIA／ TIA232電平。當(dāng)無數(shù)據(jù)傳輸時，線上為 TTL，從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從 TTL 電平到 RS232 電平再返回 TTL 電平。據(jù)查閱資料：由 RS232C 標準規(guī)定在碼元畸變小于 4％的情況下，傳輸電纜長度應(yīng)為 15m，在實際應(yīng)用中。 為了能將編譯后的程序文件下載到單片機中，用到 了 MAX232 芯片。在89C52 單片機系統(tǒng)中，分別從 和 引出串口線 RXD 和 TXD 轉(zhuǎn)換成RS232 接口標準的電平，這樣，二者之間就可以通過 RS232 接口進行數(shù)字信號的傳送，其電路圖如下圖 34 所示。多數(shù) PC機提供兩個 9針或 25針的 RS232標準串行口，簡稱為 COM1和 COM2。 串口通信的實現(xiàn) 單片機硬件系統(tǒng)是一個典型的信號采集系統(tǒng)， PC機控制端先給單片機發(fā)送“開始指令 ”和有關(guān)系統(tǒng)測量參數(shù)，單片機接收到后硬件系統(tǒng)開始工作，進行數(shù)據(jù)采集，采集到的信號經(jīng)放大和 A/D變換后送入單 片機，單片機把處理后的數(shù)據(jù)按每個 180個字節(jié)為一幀整理成幀，然后通過 RS232接口傳到計算機 [18]。 PC機也可以隨時向單片機發(fā)送指令，使單片機根據(jù)指令的要求執(zhí)行相應(yīng)的動作。 為獲得一個標準設(shè)計的電源電路，可通過降壓，整流，穩(wěn)壓 ，濾波四個環(huán)節(jié)得到 5V的直流穩(wěn)壓電源： 1） 降壓：可通過變壓器將市電轉(zhuǎn)變后，選擇輸出電壓為 7～ 9 伏之間電源。 3）穩(wěn)壓：通過三端正穩(wěn)壓電路 7805 穩(wěn)壓成 5 伏直流電源提供給單片機系統(tǒng)使用。 7805 右邊兩個電容是 5 伏電源的濾波電容。整個電源電路都是圍繞這種7805穩(wěn)壓芯片進行設(shè)計的，是一種串聯(lián)的穩(wěn)壓電路，這樣就可以為單片機提供安全且穩(wěn)定的電源了，最后再并接一個高亮發(fā)光二極管來指示單片機的工作狀態(tài)。復(fù)位輸入端管腳 RST 通過一個施基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 15 密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，主要是用來抑制噪聲。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了防止干擾竄入復(fù)位端，引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位，可在 RST 端管腳上可接一個去藕電容。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時， P1 口的 8 個發(fā)光二極管（除了 ）全部點亮；當(dāng)進入時間調(diào)整的時候， P1 口的 8 個發(fā)光二極管只有高四位點亮，且蜂鳴器發(fā)出兩聲急促響聲，此時即可 開始調(diào)時；調(diào)時完畢后，蜂鳴器再次發(fā)出兩聲急促的響聲，然后 8 位發(fā)光二極管回到正常工作時的點亮狀態(tài)。 可選擇的方案有以下兩種： 方案一：采用行列式鍵盤方式輸入。 方案二：采用獨立按鍵方式輸入。 由于本設(shè)計中所需 I/O 口不是很多，且 I/O 資源很充裕因此選擇了方案二。其電路圖如下圖 39 所示： 圖 39 單片機與按鍵的接口電路 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 17 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)主程序設(shè)計 超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，主要包括主程序設(shè)計、 T1 中斷服務(wù)子程序、 INT0 外部中斷服務(wù)子程序、測溫子程序、距離計算子程序、顯示子程序、延時子程序和報警子程序設(shè)計等。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)定定時 器 T0 工作模式為 16 位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA，并給西安市端口清零，然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序發(fā)出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲 （這也是測距器會有一個最小可測距離的原因）后，再打開外部中斷 0 接收返回的超聲波信號。 測出距 離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式 LED，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲 波信號（ INT0 引腳出現(xiàn)低電平 )，立即進入中斷程序 [11]。如果當(dāng)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(guān)閉，并將測距成功標志字賦值 0 以表示此次測距不成功。 圖 43 定時中斷服務(wù)子程序 定時中斷入口 定時器初始化 發(fā)射超聲波 停止發(fā)射 返回 三方發(fā)射完否 Y N 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 20 超聲波測距子程序設(shè)計 超聲波發(fā)射子程 序在 口產(chǎn)生 40kHZ 方波脈沖寬度約 12us，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號。進入中斷程序后就立即關(guān)閉定時器， T0 停止計時，并將接收到的標志位為 1,，然后在主函數(shù)里調(diào)用計算距離公式，在顯示出來，流程圖如圖 44 所示。 圖 45 溫度補償流程圖 開始 啟動溫度檢測電路 得出對應(yīng)的溫度值 返回 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 22 第 5 章系統(tǒng)電路調(diào)試及誤差分析 系統(tǒng)電路的調(diào)試 通過多次的實驗，對電路各部分進行了測量，調(diào)試和分析。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號峰峰值放大到 10V 左右。 該測距電路的 40kHz 方波由單片機的編程產(chǎn)生，方波的周期為 1/40ms，即25μs，半周期為 。 超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用 Φ15 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(yīng)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(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C4 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(yīng)不同距離的測量需要。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)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。高于20kHz時的機械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體，液體和固體。 （ 51） 式（ 51）中 E 為媒質(zhì)的彈性模量，單位為 kg/mm178。；E 為復(fù)數(shù)，其虛數(shù)部分代表損耗； C 也是復(fù)數(shù)，其實數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分則與衰減常數(shù)（每單位距離強度或幅度的衰 減）有關(guān)，測量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。 從（ 51）可知，聲波傳播速度與媒質(zhì)的彈性模量和密度有關(guān)，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對聲速的影響。氣體中聲速受溫度影響最大。 （ 52） 圖 51 根據(jù)上式測量的溫度 聲速圖 圖 51 空氣中溫度 聲速圖 由式（ 52）和圖 51 可見，當(dāng)溫度 θ從 0~40176。工業(yè)測量中，一般用公式計算超聲波在空氣中的傳播速度，即 Cθ=331+ （ 53） 單片機時間分辨率的影響 不管是查詢發(fā)射波與回波，還是由其觸發(fā)單片機中斷再通過軟 件啟停定時基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 24 器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。隨即誤差由于測量過程中的隨機誤差是按統(tǒng)計的規(guī)律變化的，為了讓減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測量 X，然后取平均值 x 作為測量的真值。 據(jù)經(jīng)驗，超聲波測距的工作頻率選擇 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，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬 1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機處理數(shù)據(jù)的速度，熟讀快，脈沖發(fā)射周期可選短些。 因超聲波接收的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用 AGC 電路放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器的波形的幅值不隨測量距離的變化的大幅度的變化，采用電流負反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。例如：單片機內(nèi)置計數(shù)器的計數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率 6M