【正文】 （ 31） 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 端產(chǎn)生一個中斷請求信號 ，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。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(guān)閉，并將測距成功標志字賦值 2 以表示此次測距不成功 。 系統(tǒng)資源分配表見表 31。 主程序的流程圖如圖 31 所示： 主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式，T1 為定時器 T2 模式，開中斷 IE， 再設(shè)置超聲波個數(shù)。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù) （即超聲波來回所用的時間）按式 32 計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取 20℃ 時的聲速為 340 m/s 則有： 2/0172/)( Ttcd ??? （ 32) 其中， 0T 為計數(shù)器 T0 的計算值。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 /* 初始化定時器 */ init_INT( )。 /* 測量標志 */ cshu=0。 /*延時 */。 /* 開中斷 */ ET1=1。 TR1=0。 TL1=T12us。 …… 19 圖 31主程序流程圖 開始 系統(tǒng)初 始化 T1自動重裝為 16 位定時器 設(shè)置超聲波個數(shù) 計算距離 調(diào)用顯示 標志位 CL flag是否 為 1？ 開 T0 口發(fā)送超聲波 Y N 返回 20 定時 /計數(shù)器 T0/T1 定時程序流程圖 AT89C52 單片機內(nèi) 帶 有兩個 16 位定時 /計數(shù)器 T0 和 T1，它們均可作為定時器或計數(shù)器使用。 它由 6 個特殊功能寄存器組成。 方式控制寄存器 TMOD 定時 /計數(shù)器 T0、 T1 都有四種工作方式，可通過程序?qū)?TMOD 進行設(shè)置來選擇，其各位定義如下： TMOD.6 TMO GATE TC/ M1 M0 GATE TC/ M1 M0 GATE：門控位。此時 如果 iTR位為 1，定時器啟動開始工作；為 0，定時器停止工作；當 GATE＝ 1 時，定時器的啟動要由外部中斷引腳和 iTR 位共同控制。 TC/ ： 定時或計數(shù) 功能選擇位。 M M0： 定時 /計數(shù)器工作方式選擇 位。當定時器計滿產(chǎn)生溢出時，由硬件自動置 “1”，并可申請中斷。這兩位也可作為程序查詢的標志位，在查詢方式下應(yīng)由軟件來清 0。當由軟件使 TRi清 0 而停止定時器的工作。 IE1 和 IE0：為外部中斷 INT1 和外部 INT0 的中斷請求標志位。其復位由觸發(fā)方式來設(shè)置。 iIT 設(shè)置為 “0”時為電平觸發(fā)方式；設(shè)置為 “1”時為邊沿觸發(fā)方式。它是一個可 以進行位尋址的寄存器。若要啟動定時器可以使用位 操作指令 SETB iTR 來啟動 [13]。在方式 1 工作下，計數(shù)器計數(shù) 范圍 為 1 至 65536。 如圖 33 所示，剛開始是定時器 T0 入口，然后在關(guān)定時。關(guān)定時之后，給它賦初值 00. 22 這時在同時啟動 T0、 T1。在方式 2 工作下，計數(shù)器最多可計數(shù)個數(shù)為 M＝ 2E8＝ 256。 //工作于模式 2 TH1=T12us。 如圖 34 所示，剛開始是定時器 T1 入口，然后 取反，從 口輸出的是高電平，取反后會發(fā)生跳變，產(chǎn)生方波。程序設(shè)計的是給 串數(shù)（ cshu）自減，減到零時就發(fā)送完 .如果發(fā)送完就關(guān) T1，如果沒有發(fā)送完，就繼續(xù)發(fā)送。 計數(shù) 器 T0入口 關(guān)定時 啟動 T0， T1 賦初值 返回 23 圖 33 定時器 T1中斷服務(wù)流程圖 外部中斷服務(wù)程序流程圖 如圖 34 所示，進入外部中斷入口，關(guān) T0T1 及外部中斷，再送計 數(shù)值，也就是超生 波發(fā)送到接收到的時間， 再置位標志位。 定時器 T1入口 關(guān) T1 開外部中斷 中斷 返回 是否 發(fā)送完 ？ N Y 24 圖 34 外部中斷子程序流程圖 圖 35 顯示程序流程圖 計算程序流程圖 利 用超聲波測距儀測距的核心是測得計數(shù)器 T0 的數(shù)，將測量的時間轉(zhuǎn)換為距離。 系統(tǒng)計算流程圖 如圖 36 所示 ： 延時 將 第一位數(shù) 送入 P0口 將 第二位數(shù) 送入 P0口 將 第三 位 數(shù) 送入 P0口 延時 返回 將 第四 位 數(shù) 送入 P0口 延時 延時 關(guān)外部中斷 讀取時間值 計算距離 結(jié)果輸出 置位標志位 返回 外部中斷入口 25 圖 36 計算程序流程圖 利用式子 10000000/0170 T? 求得第一位數(shù)字 讀取 T0值 利用式子 1000000/0170 T? 求得第二位數(shù)字 返回 利用式子 10000/0170 T? 求得第四位數(shù)字 利用式子 100000/0170 T? 求得第三位數(shù)字 顯示結(jié)果 26 4 電路調(diào)試及誤差分析 系統(tǒng)軟件的調(diào)試 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可使用合適的軟件編程將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為 20～ 200cm，測距儀最大誤差不超過 5cm。下面介紹本系統(tǒng)所采用的編程調(diào)試軟件的使用及程序下載。 圖 41 keil軟件啟動圖標 Keil 軟件是目前最流行開發(fā) MCS51 系列單片機的軟件， Keil 提供了包括 C 編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（ uVision）將這些部份組合在一起，掌握這一軟件的使用對于使用 51系列單片機來說是十分必要的，如果你使用 C 語言編程，那么 Keil 幾乎就是你的不二之選，即使不使用 C 語言而僅用匯編語言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強大的軟件仿真調(diào)試工具也會令你事半功倍。 新建工程之后就會，彈出如上圖所示的芯片選擇窗口。 由于本系統(tǒng)軟件采用 C 語言編寫，因此文件格式尾注必須是 .C,然后點擊按鈕 Add，將編寫好的文檔添加入工程 ， 如圖 44，圖 45 為文檔添加后的工程樣式。 28 圖 44 文件的添加窗口 圖 45 右側(cè)顯示就是文檔添加后的工程樣式 圖 46 晶振的頻率選擇窗口 圖 47 生成 HEX 文件的選項框 系統(tǒng)的 軟 硬件 串聯(lián) 調(diào)試 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運 行。 在用超聲波傳感器測距離時 ， 接收端會直接接收發(fā)射端的信號 ，影響測量 ,在程序設(shè)計中應(yīng)該考慮如何避免。 29 系統(tǒng)調(diào)試完后可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) 減小測距誤差， 使其滿足更高的測量要求。本系統(tǒng)可實 30 現(xiàn)從 20cm到 200cm 的精確測量。 31 聲速引起的誤差 聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測量距離，就要考慮這些因素對聲速影響。氣體中聲速受溫度的影響最大。 圖 48 空氣中溫度 聲速圖 由式 (41)和圖 48 可見，當溫度 θ 從 0～ 40℃ 變化時，將會產(chǎn)生 7%的聲速變化，因此，為了提高測量準確度，計算時必須根據(jù)溫度進行聲速修正。 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器，都需要一定的時候，中斷的方式誤差相對要小一些。s。使用的 12MHz 晶體作時鐘基準的 89C52單片機定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89C52 定時器既能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。 提高測距精度的方法 上節(jié)分析了超聲波測距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因，如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。 據(jù)經(jīng)驗，超聲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，速度快，脈沖發(fā)射周期可選短些。 因超聲接收波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 電路使放大倍數(shù)隨測距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，使接收器波形的幅值不隨測量距離的變化而大幅度的變化 ，采用電流負反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。 如采用芯片計 時器，計時器的計數(shù)頻率越高，則時間量化誤差造成的測距誤差就越小， 例如：單片機內(nèi)置計時器的計數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當晶振頻率 6MHz時，計數(shù)頻率為 ，此時在空氣中的測距時間量化誤差為 ；當晶振頻率為12MHz 時，計數(shù)頻率為 1MHz，此時測距時間量化誤差為 。 4. 補償溫度對傳播聲速的影響 。 溫度傳感器 LM92 的溫度測試分辨率為 ℃ ，－ 10℃ 至 +85℃ 準確度為 177。用 AT89C51 的通用 I/O 端口能很容易的模擬 I2C 總線的讀寫時序， LM92高精度溫度測量能很好的補償超聲波在不同溫度的傳播速度。 本章小結(jié) 在本章里，對設(shè)計的電路進行了調(diào)試和分析。如何減小系統(tǒng)的誤差，是設(shè)計測距系統(tǒng)必需要考慮的問題。 34 結(jié) 論 本課題介紹了一種基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的原理和設(shè)計。 超聲波傳感器 是本系統(tǒng)的核心器件，本論文詳細地介紹了超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)和超聲波測距儀的測距原 理 。單片機是本系統(tǒng)的控制部分，采用 Atmel 公司生產(chǎn)的 AT89C52 芯片。本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 反向器，通過它對單片機產(chǎn)生的方波信號進行放大，以驅(qū)動傳感器工作。本系統(tǒng)的 LED 顯示部分采用的是 動 態(tài) 顯示 方式。 本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有測量精度較高、速度快、控制簡單方便等優(yōu)點。5cm 內(nèi)。但由于經(jīng)驗不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的地方，在今后的學習中會進一步改進。了解了超聲波傳感器的原理，學會了各種放大電路的分析、設(shè)計，也掌握了單片機的開發(fā)過程和利用單片機設(shè)計電路的方法。這些對我今后的學習和工作都會有很大幫助的。在我畢業(yè)論文寫作期間，各位老師給我提供了種種專業(yè)知識上的指導和日常生活上的關(guān)懷，沒有您們這樣的幫助和關(guān)懷，我不會這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計，借此機會，向您們表示由衷的感激。 接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計的同學。同時，我還要感謝我的寢室同學和身邊的朋友，正是在這樣一個團結(jié)友愛，相互促進的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲。 還有許許多多給予我學業(yè)上鼓勵和幫助的朋友，在此無法一一列舉，在此也一并表示 衷 心地感謝！ 36 參考文獻 : [1]胡盛斌 ,羅均 ,龔振邦 .用于移動機器人避障的超聲測距系統(tǒng) [J].機電一體化 ,2020，(1):37—40. 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