【正文】 取時(shí)間值 計(jì)算距離 結(jié)果輸出 開(kāi)外部中斷 返回 基于 51 單片機(jī)超聲波測(cè)距儀 第 13 頁(yè) 共 25 頁(yè) 小，以或得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 本章將要分析溫度對(duì)超聲波聲速 的影響，超聲波回?fù)軝z測(cè)對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響，超聲波傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超聲波數(shù)字測(cè)距儀。實(shí)驗(yàn)表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲波測(cè)距的精度。 超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低、在機(jī)器人避障礙和和定位、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。從原理上講，超聲波測(cè)距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距常用，器原理是超聲波傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物后，經(jīng)反射有超聲波傳感器接收反射脈沖 ，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接受的時(shí)間 ts，在已知超聲波聲速 Cs的前提下，可計(jì)算被測(cè)物的距離 S，即 :S=CT/2 由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度：超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。本章從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響：回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲波傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了以 AT89C51 單片機(jī)為核心，采用 40KHZ 壓電超聲波傳感器，應(yīng)用廣泛的超聲測(cè)距儀。空 氣中的傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化里的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度收氣體的密度、溫度計(jì)氣體分子成分的影響。例如： 20度時(shí)， T=,CS=； 40度時(shí)， T=,CS=； 20度時(shí)， T=,CS=；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度是，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲波傳感器發(fā)出，在空氣中傳 播，遇到障礙物反射后，在傳回超聲波傳感器。整個(gè)過(guò)程，超聲波會(huì)有很大的衰減。器衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)在距離超聲接收器 x處有被測(cè)物，超聲波皮率越高，器衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干渋。但是。超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大倍數(shù)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。 制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測(cè)距徜徉壓電材料傳感器，例如 TR40壓電超聲傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變 S 與外加電場(chǎng)強(qiáng)度 E 的關(guān)系為 :S=dE,其中 d 為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲波轉(zhuǎn)換的效率，提高超聲波測(cè)距精度和范圍，英盡量提高超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)溫度、回波和所加脈沖電壓對(duì)超聲測(cè)距精度的影響，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的時(shí)，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射 、接收和顯示幾部分構(gòu)成了超超聲測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的中心控制和信號(hào)處理單元為單片機(jī) AT89c51，超聲波傳感器采用 TR40(40KHZ)收發(fā)超聲傳感器。 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生 40khz脈沖電壓。它有非門(mén)和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，有單片機(jī) 。發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開(kāi)關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲波傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距 范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。 接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路有檢波電路、濾波放大電 基于 51 單片機(jī)超聲波測(cè)距儀 第 14 頁(yè) 共 25 頁(yè) 路這整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大，整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。 由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲， S/N 較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高Q值的濾波放大電驢。濾波放大電路 才用兒介帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。 軟件設(shè)計(jì)：超聲波測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。軟件修正以用下面的公式： S=CT/2 附錄 1 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m be r R e v i s i o nS i z eBD a t e : 1 8 A pr 2 0 10 S he e t o f F i l e : F : \王昭 \ c ha o s h e n g . d db D r a w n B y:M1M2M3M4P 0. 0bP 0. 1cP 0. 2dP 0. 3eP 0. 4P 0. 5gP 0. 6hP 0. 7 7 s l e dU?Q1P N PQ2P N PQ3P N PQ4P N P12345678161514131211109RR31 0KR 1 21KR 1 31KR 1 41KR 1 51K+5P 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 6P 0. 7+5P 2. 7P 2. 6P 2. 5P 2. 4112233445566778899101011111212131314147 4L S 0 4U37 4L S 0 4K3T X ( f )*R 1 61KR 1 71KCC 1 6+5P 1. 012345678U4C X 2 01 0 6AK1R X ( S )+ C 1 41 0U F+ C 1 21 0U FC 1 51 04 P FC 1 14 70 U FC 1 33 30 P FR 1 94 . 7 KR 2 02 00 KR 2 12 00 K+5P 3. 2P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S T9P 3. 0 ( R X D )10P 3. 1 ( T X D )11P 3. 2 I N T O12P 3. 3 I N T 113P 3. 4 T 014P 3. 5 T 115P 3. 6 _ W R16P 3. 7 _ R D17X T A L 218X T A L 119GND20P 2. 021P 2. 122P 2. 223P 2. 324P 2. 425P 2. 526P 2. 627P 2. 728P S E N29A L E30V P P31P 0. 732P 0. 633P 0. 534P 0. 435P 0. 336P 0. 237P 0. 138P 0. 039V C C40A T 89 C 5 1U2CC43 0P FCC33 0P FU 1 01 2M HCC21 0U FR 1 88K+5R S TR S TX T A L 1X T A L 2X T A L 1X T A L 2+5CC11 0U FP 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 6P 0. 7P 3. 2P 2. 7P 2. 6P 2. 5P 2. 4P 1. 0 總結(jié) 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)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(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 超聲波測(cè)距儀 硬 件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲 基于 51 單片機(jī)超聲波測(cè)距儀 第 15 頁(yè) 共 25 頁(yè) 波檢測(cè)接收電路三部分。單片機(jī)采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷 0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4位共陽(yáng) LED數(shù)碼管，段碼用 74LS244驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP三極管 8550驅(qū)動(dòng)。 超聲波 發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一 路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、 R11一方面可以提高反向器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)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(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。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)，壓電晶片會(huì)發(fā)生 共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波檢測(cè)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(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz與測(cè)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(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20216A接收超聲波 (無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)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。 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。我們知道 C 語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。主超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返 回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，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。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過(guò)與門(mén)IC3A的輸出接單片機(jī) INT1端口，同時(shí)單片機(jī) IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢(xún)來(lái)處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。 基于 51 單片機(jī)超聲波測(cè)距儀