簡單測距數(shù)顯裝置的研究

1、簡單測距數(shù)顯裝置的研究摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在科學(xué)技術(shù)中的應(yīng)用越來越廣。本文對超聲波傳感器測距的可能性進(jìn)行了理論分析，利用模擬電子、數(shù)字電子、微機(jī)接口、超聲波換能器、以及超聲波在介質(zhì)的傳播特性等知識，采用以AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。為了保證超聲波測距傳感器的可靠性和穩(wěn)定性，采取了相應(yīng)的抗干擾措施。就超聲波的傳播特性，超聲波換能器的工作特性、超聲波發(fā)射、接收、超聲微弱信號放大、波形整形、速度變換、語音提示電路

2、及系統(tǒng)功能軟件等做了詳細(xì)說明。這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)合理、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級，可以用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：測量液位、井深、管道長度等場合。可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)檢查、日常生活、無人駕駛汽車、自動(dòng)作業(yè)現(xiàn)場的自動(dòng)引導(dǎo)小車、機(jī)器人、液位計(jì)等。關(guān)鍵詞: AT89C51；超聲波；傳感器；LEDResearching in a few simple device of surveying distanceABSTRACTAlong with the science and technology fast development, the ultraso

3、nic wave more and more will be broad in the science and technology application .This article has carried on the theoretical analysis to the ultrasonic sensor range finder possibility, the use simulation electron, the digital electron, the microcomputer connection, the ultrasonic wave transducer, as

4、well as the ultrasonic wave in medium knowledge and so on dissemination characteristic, uses take AT89C51 monolithic integrated circuit as the core low cost, the high accuracy, the microminiaturized numeral demonstrated the ultrasonic wave distance gauge the hardware electric circuit and the softwar

5、e design method has designed the system overall concept in this foundation, finally has realized each function module through the hardware and the software. The related part attaches the hardware circuit diagram, the program flow diagram. In order to guarantee the ultrasonic ranging sensor the relia

6、bility and the stability, have taken the corresponding ant jamming measure. On the ultrasonic wave dissemination characteristic, the ultrasonic wave transducer operational factor, the ultrasonic wave launch, the receive, the supersonic weak signal enlarged, the wave shaping, the speed transformation

7、, the voice prompt electric circuit and the system function software and so on have given the specify.Proved after the experiment that, this set of system software and hardware design reasonable, ant jamming ability strong, timeliness is good, the process system expansion and the promotion, may use

8、in the back-draft radar, the building construction work site as well as some industry scene, for example: Survey situations and so on fluid position, well depth, pipeline length. May widely apply in the industrial production, the medicine inspection, the daily life, pilot less automobile, automatic

9、work scene automatic guidance car, robot, liquid meter and so on.Key words : AT89C51,ultrasonic wave, sensor, LED目 錄第1章 前言51.1概述51.2超聲波測距特性51.2.1 超聲波用于距離測量的優(yōu)勢51.2.2 超聲波測距儀61.3設(shè)計(jì)要求61.3.1 內(nèi)容及任務(wù)61.3.2 擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)6第2章 方案及原理72.1方案的選擇72.1.1傳感器的選擇72.1.2單片機(jī)的選擇72.2 超聲波測距的原理8第3章 硬件電路設(shè)計(jì)113.1 AT89C51系列單片機(jī)的應(yīng)用113

10、.2傳感器123.2.1傳感器的定義及作用123.2.2壓電式傳感器123.3超聲波發(fā)射電路143.4超聲波接收電路與放大電路143.5顯示電路153.8報(bào)警電路16第4章 誤差和數(shù)據(jù)分析174.1測距計(jì)算中溫度補(bǔ)償174.2測距計(jì)算中誤差分析184.3數(shù)據(jù)處理19第5章 軟體設(shè)計(jì)195.1設(shè)計(jì)使用軟件的介紹195.2外部中斷子程序205.3測量距離子程序215.4定時(shí)中斷子程序235.5總程序及其流程圖25第6章總結(jié)276.1設(shè)計(jì)系統(tǒng)的實(shí)用性與價(jià)值性276.2設(shè)計(jì)系統(tǒng)的不足和改進(jìn)方法27參考文獻(xiàn)28致謝29附錄30附錄1 軟件編程30附錄2 英文文獻(xiàn)38第1章 前言1.1概述超聲波是指超過人

11、的聽覺范圍以上(16KHZ)的聲波。近二、三十年,特別是近十年來，由于電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展，使超聲檢測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。超聲技術(shù)是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超聲檢測技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等）來實(shí)現(xiàn)對非聲學(xué)量（如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測定。它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同的界面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的周期，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應(yīng)

12、變化，測定這些規(guī)律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況。與傳統(tǒng)超聲技術(shù)完全不同，新的超聲技術(shù)具有以下特點(diǎn)：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實(shí)現(xiàn)非接觸性測量，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在線測量。1.2超聲波測距特1.2.1 超聲波用于距離測量的優(yōu)勢由于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線傳播，它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開的。超聲波與一般聲波比較，它的振動(dòng)頻率高，而且波長短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能

13、量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。超聲波在均勻介質(zhì)中按直線方向傳播，但到達(dá)界面或者遇到另一種介質(zhì)時(shí)，也像光波一樣產(chǎn)生反射和折射，并且服從幾何光學(xué)的反射、折射定律。超聲波在反射、折射過程中，其能量及波形都將發(fā)生變化。 理論研究表明，在振幅相同的情況下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量跟振動(dòng)頻率的二次方成正比。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大。1.2.2 超聲波特性 超聲波跟聲音一樣，是一種機(jī)械振動(dòng)波，是機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中的傳播過程。超聲波檢測時(shí)利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對超聲波傳播的影響來探查物體和進(jìn)行測量的一門技術(shù)。人耳所能聽到的聲波在20Hz20000Hz之

14、間，頻率超過20000Hz，人耳不能聽到的聲波稱為超聲波。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如反射定律、折射定律相似。它的特點(diǎn)是：頻率高、波長短、定向傳播性好。聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)衰減更明顯。當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)的聲波稱為反射波；另一部分則透過分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播的波稱為折

15、射波。本次設(shè)計(jì)主要應(yīng)用了超聲波的反射定律。1.3設(shè)計(jì)要求熟悉掌握單片機(jī)與傳感器的相關(guān)知識。具備基本的模塊電路設(shè)計(jì)能力，具備宏觀設(shè)計(jì)硬件能力,利用所掌握的語言(匯編或C語言)實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)，要求硬件布局合理,軟件設(shè)計(jì)精練。1了解單片機(jī)相關(guān)知識（定時(shí)器、顯示器）2了解感測技術(shù)相關(guān)知識（超聲波測距，壓電式超聲換能器，超聲波發(fā)生器，接受和放大濾波整流電路等等）3熟悉電路（接收、發(fā)送超聲波電路，濾波整流電路，溫度補(bǔ)償，報(bào)警電路等）4調(diào)式、設(shè)計(jì)檢驗(yàn)裝置，進(jìn)行初步計(jì)算第2章 方案及原理2.1方案選擇2.1.1傳感器的選擇方案一 磁致式傳感器：按結(jié)構(gòu)方式不同，磁致式傳感器可分為動(dòng)圈式和磁阻式。磁致式超聲波傳感器

16、主要由鐵磁材料和線圈組成。超聲波的發(fā)射原理是:把鐵磁材料置于交變磁場中，產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，發(fā)射出超聲波。其接收原理是:當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí)，使磁致材料振動(dòng)，引起內(nèi)部磁場變化，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，使線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢輸出。但由于受外界溫度、壓力、電磁場的影響及自身結(jié)構(gòu)的限制，在實(shí)際操作中產(chǎn)生了各種誤差。方案二壓電式傳感器：壓電式傳感器的原理是基于某些晶體材料的壓電效應(yīng)，目前廣泛使用的壓電材料有石英和磷酸二氫胺等，當(dāng)這些晶體受壓力作用發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，在其相對的兩個(gè)側(cè)面上產(chǎn)生異性電荷，這種現(xiàn)象稱為“壓電效應(yīng)”。磷酸二氫胺屬于人造晶體，能夠承受高溫和相當(dāng)高的濕度，所以已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。室外用途

17、的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進(jìn)行覆蓋。工作頻率就是壓電芯片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和芯片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。誤差產(chǎn)生小。綜合上面所敘，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選擇用壓電式超聲波傳感器。2.1.2單片機(jī)的選擇單片機(jī)是微電子技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)晶，單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展而誕生的，由于它具有體積小、功能強(qiáng)、性價(jià)比高等特點(diǎn)，所以廣泛應(yīng)用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、軍事裝置、機(jī)器人、工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化、智能化，既提高了產(chǎn)

18、品的功能和質(zhì)量，又降低了成本，簡化了設(shè)計(jì)。單片機(jī)現(xiàn)在成為集成電路大家族的重要成員。單片機(jī)技術(shù)正日臻完善，國內(nèi)外的單片機(jī)熱更是經(jīng)久不衰。單片機(jī)不僅用于智能儀器，電器設(shè)備，數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)控制及國防工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域，而且進(jìn)入億萬家庭。目前，單片機(jī)正朝著兼容性，單片系統(tǒng)化，多功能和低功耗的方向發(fā)展。51系列單片機(jī)引腳與封裝如圖2.1所示。 圖2.1.2 51系列單片機(jī)封裝圖5l系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2個(gè)16b的定時(shí)計(jì)數(shù)器TO和T1，4個(gè)8 b的IO端：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等

19、組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實(shí)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。5l系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB存儲器；256 BRAM；32條IO線；2個(gè)16b定時(shí)計(jì)數(shù)器；5個(gè)2級中斷源；1個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。5l系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系

20、統(tǒng)。所以，單片機(jī)選用AT89C51。2.2 超聲波測距的原理超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（timeofflight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二

21、倍的聲源與障礙物之間的距離 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因?yàn)槌暡ㄔ跇?biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為331.45米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)，單片機(jī)使用12.0M晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，可以采用AT89S51單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)

22、框圖如下圖2.2所示： 圖2.2 超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖第3章 硬件電路設(shè)計(jì)3.1 AT89C51系列單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。單片機(jī)(AT89C51

23、)發(fā)出短暫的40kHz信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，得出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED顯示電路進(jìn)行顯示，若測得的距離超出設(shè)定范圍系統(tǒng)將提示聲音報(bào)警電路報(bào)警。AT89C51通過外部引腳P3.3輸出脈沖寬度為25us、載波為40kHz的超聲波脈沖串，加到射隨器的基級，經(jīng)功率放大推動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出去。超聲波接收器將接收到的反射超聲波送到放大器進(jìn)行放大，然后用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波。而通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)

24、INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。工作時(shí)，微處理器AT89C51先把P1.0置0，啟動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器T0開始計(jì)時(shí)。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個(gè)脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動(dòng)發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當(dāng)超聲波信號碰到障礙物時(shí)信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時(shí)表明信號已經(jīng)返回

25、，微處理器進(jìn)入中斷關(guān)閉定時(shí)器。再把定時(shí)器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。3.2傳感器3.2.1傳感器的定義及作用傳感器是一種以測量為目的，以一定精度把被測量轉(zhuǎn)換為與之有確定關(guān)系的、易于處理的電量信號輸出的裝置。傳感器是攝取信息的關(guān)鍵器件，它與通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)的三大支柱，是現(xiàn)代信息系統(tǒng)和各種裝備不可缺少的信息采集手段，也是采用微電子技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的重要方法，對提高經(jīng)濟(jì)效益、科學(xué)研究與生產(chǎn)技術(shù)的水平有著舉足輕重的作用。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，有換能芯片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率

26、高，波長短，繞射現(xiàn)象好，特別是方向性好，能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體，固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中， 它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)，國防，生物醫(yī)學(xué)等方面。以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。3.2.2壓電式傳感器常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器(或稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。本論文采用的是壓電式超聲波傳感器,主要由超聲波發(fā)射器(或

27、稱發(fā)射探頭)和超聲波接收器(或稱接收探頭)兩部分組成。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖3.2.2下：共振板 電極壓電芯片 圖3.2.2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內(nèi)部結(jié)構(gòu)上圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)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(shí)，壓電晶片將會(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)它就是一超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。3.3超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射器兩端輸入10個(gè)40KHz脈沖串，脈沖電信號

28、經(jīng)過超聲波內(nèi)部振子，振蕩出機(jī)械波，通過空氣，介質(zhì)，傳播到被測面，由被測面反射，被超聲波接收器接收，在超聲波接收器兩端信號是毫伏級別的正弦波信號，超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)轉(zhuǎn)播到接收器, 經(jīng)濾波，放大，整形,輸入到控制微處理器。簡要說明：輸入信號先通過一個(gè)RC濾波，濾除雜波干擾，使信號更加穩(wěn)定，正反饋電路是由超聲波探頭負(fù)端經(jīng)過二極管，通過Q6回到探頭正極，LC電路起到調(diào)諧作用。發(fā)射電路圖如下圖3.3.2所示：圖3.3.2超聲波發(fā)射電路圖3.4超聲波接收電路超聲波接收器包括超聲波接收傳感器，信號放大電路及波形變換電路三部分。反射回來超聲波被接收傳感器接收后，變換成非常微弱的正弦波電信號，因此必須經(jīng)過交流放大

29、電路放大，正弦波信號不能直接被微處理器接收，必須進(jìn)行波形變換，轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑻幚砥骺梢宰R別的高低電平信號（方波信號），處理器對信號進(jìn)行采樣分析，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出測量距離，輸出信號送顯示模塊顯示數(shù)值。接收電路電路說明：本電路由三部分組成，穩(wěn)壓，濾波放大，整形。78D05起到穩(wěn)壓作用，C2 、C3兩電容起到濾波作用， LM358是放大器，輸入信號經(jīng)過濾波后輸入到358放大器的2端口，從7端口輸出到LM576，經(jīng)過整形由8端口輸出。LM576起到一個(gè)微處理器的作用，電路圖如下圖3.4所示：圖3.4 超聲波接收電路圖3.5顯示電路為節(jié)省單片機(jī)IO接口，從性價(jià)比以及功能實(shí)用性的角度考慮，本次設(shè)計(jì)取用74L

30、S164驅(qū)動(dòng)。其峰值電流可達(dá)40mA，最高串行掃描頻率為30KHz。顯示電路采用簡單實(shí)用的8段共陽LED數(shù)碼管，使用4條線串行接口傳送數(shù)據(jù)。LED顯示方式為動(dòng)態(tài)顯示，各顯示位段引腳并聯(lián)在一起，共享一個(gè)74LS164驅(qū)動(dòng)器，多片級聯(lián)時(shí)可控制更多的LED。 圖3.5 單片機(jī)及顯示電路原理圖3.6報(bào)警電路電路中采用TL7404非門,原理簡單，電路準(zhǔn)確可靠。從發(fā)射及接受電路中進(jìn)行信號采樣，經(jīng)AT89C51信號處理，作為報(bào)警電路輸入信號，一端經(jīng)兩次非門到揚(yáng)聲器正極，另一端經(jīng)非門得到低電平，接到揚(yáng)聲器負(fù)極。電路中只要一個(gè)輸入信號便可以驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器工作，并使用兩非門迭加，保證電路工作的穩(wěn)定可靠性，防止誤報(bào)警情

31、況。電路圖如圖3.6所示：圖3.8 報(bào)警電路圖3.6 報(bào)警電路第4章 誤差和數(shù)據(jù)分析4.1測距計(jì)算中溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償是在求取聲速過程中一個(gè)必要環(huán)節(jié),本次設(shè)計(jì)測距儀采用查表法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。采用查表法進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)哪康氖菫榱吮荛_復(fù)雜的浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算及 浮點(diǎn)結(jié)果中各字節(jié)的提取操作,這樣既保證了一定的精度要求,又可以避免浮點(diǎn)運(yùn)算,在基于微處理器的系統(tǒng)中通?？蓪⒏↑c(diǎn)運(yùn)算改為定點(diǎn)運(yùn)算。查表法的前提是,必須事先得到溫度與聲速的二維關(guān)系表,表格的密度可以根據(jù)精度的需求和微處理器資源的分配來決定。由于表格中的典型溫度點(diǎn)有限而且是離散分布的，為了提高精度可以采取小區(qū)間插值計(jì)算法，例如，測得溫度為23 ，而表格中與之最

32、接近的特征溫度點(diǎn)為20和30 ，對應(yīng)的聲速分別為344和349，即溫度變化為10，聲速變化為5，也即溫度每增加2聲速增加1，于是進(jìn)行最簡便的線性插補(bǔ)得到聲速為345。表格可按照以下公式計(jì)算得到：C=331.4+0.61*T4.1式中，C為超聲波在空氣中的傳播速度，T表示溫度，0時(shí)超聲波在空氣中的傳播速度為331m/s, 25時(shí)為346.65m/s。根據(jù)以上公式可得到對應(yīng)的大致表格：溫度()聲速（m/s）折合后的聲速對應(yīng)的十六進(jìn)數(shù)-303138492212CH-20319865421CEH-1032588172271H03329007232FH10338917023D2H203449333247

33、5H30349946824FCH403559631259FH5036197942642H從DS18B20數(shù)字溫度傳感器上得到的溫度進(jìn)行取整處理,然后判斷所在區(qū)間,這里提供的程序沒有進(jìn)行插值計(jì)算 ,只簡單的取溫度區(qū)間內(nèi)溫度值對應(yīng)的聲速值。距離計(jì)算方便,在表格中的聲速值乘以機(jī)器周期再乘以100得到折合后的聲速值。4.2測距計(jì)算中誤差分析限制超聲波測距儀器最大可測距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。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。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)

34、計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)，由于當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)超聲波的傳播速度也隨之改變，這將會(huì)引起測距誤差。利用溫度傳感器DS18B20測量空氣溫度再送主控器中的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，即可消除該項(xiàng)誤差。改善接收器LC帶通濾波器效果，可以增加信號保真度和系統(tǒng)精度。反射信號的額外 增益級對增加探測范圍和提高精度也有幫助根據(jù)超聲波測距公式L=CT/2，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 時(shí)間誤差：當(dāng)要求測距誤差小于1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差st(0.001/344) 0.s 即2.9

35、07s。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于1cm的誤差。使用的12MHz晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的89C51單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到1s的精度，因此系統(tǒng)采用89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在1cm的測量范圍內(nèi)。 速度誤差：超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系，所以超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： v= sqrt(rRT/M)；式中： r 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，對空氣為1.40；R 氣體普適常量，8.314kgmol-1K-1； M氣體分子量，空氣為28.810-3

36、kgmol-1； T 絕對溫度，273K+T； 近似公式為：C=C0+0.607T ；式中：C0為零度時(shí)的聲波速度332m/s，T為實(shí)際溫度()。 對于超聲波測距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0時(shí)超聲波速度是332m/s, 30時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測量100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到5m，測量1m誤差將達(dá)到5mm。美國DALLS公司的DS18B20溫度傳感器的溫度測試分辨率為0.0625，-10至+85準(zhǔn)確度為1.0，I2C總線接口。用89C51的通用I/O端口能很容易的模擬I2C

37、總線的讀寫時(shí)序，DS18B20的高精度溫度測量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度。反射角誤差：超聲波在測量的過程中，由于利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免的存在發(fā)射與反射之間的夾角，其大小為2。這個(gè)夾角會(huì)對距離產(chǎn)生一定的誤差。在電路的實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，把發(fā)射傳感器和接收傳感器緊挨在一起，這樣便可以減少角度帶來的誤差，以便達(dá)到距離精度的要求。當(dāng)很小時(shí)，可直接按式進(jìn)行計(jì)算得到距離；當(dāng)較大時(shí)，則必須進(jìn)行距離修正，修正公式為：S=COSCt/24.24.3數(shù)據(jù)處理由于受環(huán)境溫度、濕度的影響，超聲傳感器的測量值與實(shí)際值總有一些偏差。測量值總是比實(shí)際值大出大約7cm，經(jīng)過分析原因主要有三個(gè)方面

38、：第一方面，超聲波傳感器測得的數(shù)據(jù)受環(huán)境溫度的影響；第二方面，指令運(yùn)行需占用一定的時(shí)間而使得測量的數(shù)據(jù)偏大；第三方面，為了防止其它信號的干擾，單片機(jī)開始計(jì)數(shù)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路發(fā)送16個(gè)脈沖串。對于單個(gè)回聲的方式，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電路接收到碰到障礙物返回的第四個(gè)脈沖時(shí)就停止計(jì)數(shù)，所以最終測得的時(shí)間比實(shí)際距離所對應(yīng)的時(shí)間多出四個(gè)脈沖發(fā)送的時(shí)間。為了減小測量值與實(shí)際值的偏差,經(jīng)過擬合，可得到下面的方程：y=1.0145x-9.3354 4.2（其中：y為實(shí)際值，x為測量值）修正后本超聲波測距系統(tǒng)測量值與實(shí)際值的對應(yīng)系統(tǒng)的測量誤差在1%以內(nèi)，滿足我們的測量要求。 第5章 軟體設(shè)計(jì)5.1設(shè)計(jì)使用軟件介紹 本次設(shè)計(jì)采用K

39、eil C51軟件進(jìn)行編程，Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。5.2主程序及流程圖軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，程序由主程序，預(yù)置子程序,發(fā)射子程序,接

40、收子程序,顯示子程序等模塊組成，調(diào)試過程中對其中每個(gè)功能模塊和子程序逐一調(diào)試，在每個(gè)子程序都完成其指定功能后，再進(jìn)行綜合調(diào)試。根據(jù)微處器的I/O接口發(fā)出脈沖信號驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出信號，與此同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)遇障礙物反饋信號到超聲波接收器接收，經(jīng)放大，濾波后產(chǎn)生一個(gè)低脈沖，其信號傳送給INTO產(chǎn)生中斷，調(diào)用測距子程序，計(jì)算出測量距離，調(diào)用顯示子程序，根據(jù)不同的測量數(shù)值在LED上顯示距離和報(bào)警。軟件設(shè)計(jì)的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報(bào)警等功能編成獨(dú)立的模塊，在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式，當(dāng)按下控制鍵后，在一定周期內(nèi)，依次執(zhí)行各個(gè)模塊，調(diào)用預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定

41、時(shí)子程序，并把測量的結(jié)果進(jìn)行分析處理，根據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報(bào)警程序。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距離時(shí)，聲音報(bào)警程序被調(diào)用。流程圖如下所示：圖5.5主程序流程圖LEDDATAPORTEQU P0 LEDCHOICEPORTEQU P2KEYMODE EQU B ;P3.0KEYFUNCTIONEQU B ;P3.1KEYUP QU B ;P3.4KEYDOWNEQU B ;P3.5KEYPORTEQU P3CHECKNUM EQU 17HCANCELEQU 00H ;BITHALFSPEED EQU 170 ; 340/2WAVEPORTEQU P1.0 ;信號脈沖輸出端口DE

42、LAYMINEQU 00H ;盲區(qū)時(shí)間延遲下限D(zhuǎn)ELAYMAXEQU 01H ;盲區(qū)時(shí)間延遲上限 ORG 0000h ;設(shè)置中斷向量表RESET: AJMP MAIN ORG 000BH JMP IT0P ;T0中斷請求服務(wù)程序 ORG 0013H JMP INT1P ;INT1外部中斷請求服務(wù)程序 ORG 001BH JMP IT1P ;T1中斷請求服務(wù)程序 ORG 0030HMAIN: 初始化Ram MOV SP,#50H CALL RESETMEMORY CLR CANCEL ;AID TO RESET MEMORY MOV 4EH,#00H MOV A,#00HMAINLOOP:CAL

43、L SHOWLED MOV KEYPORT,#0FFH MOV A,KEYPORT ;COLECT KEYBORD INFORMATION MOV R0,A KEYMODE SERVE ANL A,#KEYMODE CJNE A,#00H,NEXT1 MOV CHECKNUM,#00H ;CHECK NUMBER IS 0 NOW MOV A,4EH INC A CJNE A,#01H,MODESPEED CALL SHOWLEN MOV 4EH,A AJMP OK MODESPEED: CJNE A,#02H,MODESECOND CALL SHOWSPEED MOV 4EH,A AJMP

44、OKMODESECOND:CJNE A,#03H,RESETMODE CALL SHOWSECOND MOV 4EH,A AJMP OKRESETMODE: MOV 4EH,#01H CALL SHOWLEN AJMP OK OK; MOV R7,#01H CALL WAITKEYRELEASE SJMP MAINLOOP NEXT1:KEYFUNCTION SERVE MOV A,R0 ANL A,#KEYFUNCTION CJNE A,#00H,NEXT2 MOV CHECKNUM,#00H CHECK NUMBER IS 0 NOW MOV R7,#02H CALL WAITKEYREL

45、EASE CJNE R3,#00H,NOTRESTORMEM CALL RESETMEMORY PRESS FUNCTION KEY FOR A LONG TIME TO CLEAR MEMORY:SETB CANCEL SJMP MAINLOOPNOTRESTORMEM: MOV A,4EH CJNE A,#01H,SPEED CALL MEASURELEN SJMP MAINLOOPSPEED:CJNE A,#02H,SECOND CALL MEASSURESPEED SJMP MAINLOOPSECOND: CJNE A,#03H,MAINLOOP CALL MEASEURSECOND

46、SJMP MAINLOOPDEFAULT:SJMP MAINLOOPNEXT2: KEYUP CHECK SERVEMOV A,R0 ANL A,#KEYUP CJNE A,#00H,NEXT3 MOV R6,#01H CALL CHECK MOV R7,#03H CALL WAITKEYRELEASE JMP MAINLOOPNEXT3:KEYDOWN CHECK SERVE MOV A,R0 ANL A,#KEYDOWN CJNE A,#00H,AIDJMPTOMAINLOOPAJMP AIDNEXTAIDJMPTOMAINLOOP:JMP MAINLOOPAIDNEXT:MOV R6,#

47、02H CALL CHECK MOV R7,#04H CALL WAITKEYRELEASE JMP MAINLOOP RETEND MAIN5.3超聲波發(fā)射子程序定時(shí)中斷子程序由P1.0口發(fā)射1個(gè)脈沖，驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波，并關(guān)外部中斷，計(jì)數(shù)器T0、T1同時(shí)開始計(jì)時(shí)；為防止虛假回波的干擾，在延時(shí)一段時(shí)間后，開中斷，此時(shí)判斷計(jì)數(shù)器T1有否溢出中斷，單片機(jī)根據(jù)不同的時(shí)間，以查表的方式設(shè)置自動(dòng)增益控制電路的增益；當(dāng)有外部中斷信號時(shí)，單片機(jī)就停止T0的計(jì)時(shí)，計(jì)算出渡越時(shí)間t并存儲到E2PROM中。圖5.4 定時(shí)中斷流程圖SETTIME: ;設(shè)置T0,T1子程序,并啟用 MOV TMOD,#12

48、H;T0模式2,T1模式1 MOV TH0,#0F4H MOV TL0,#0FFH MOV TH1,#00H MOV TL1,#00H MOV R0,#00H ;測量時(shí)間標(biāo)志位清零,Ready狀態(tài) MOV R1,#01FH ;設(shè)置發(fā)送脈沖的個(gè)數(shù) MOV IE,#B ;開CPU中斷,#B; MOV TCON,#B ;啟用T0,T1 RETEND SETTIMEIT0P: ;T0中斷服務(wù)程序,脈沖電平變反 CJNE R1,#00H,TWAVE RETITWAVE:DEC R1 CPL WAVEPORT RETI END IT0PIT1P: ;T1中斷服務(wù)程序,測量距離溢出 MOV A,1EH CJ

49、NE A,#03H,NOTFORMSECOND MOV 1EH,#03H ;標(biāo)志參數(shù) INC 1FH ;FORM SECOND MODET=10 000uS TH1=0D8H TL1=0F0H MOV TH1,#0D8H MOV TL1,#0F8H RETINOTFORMSECOND:CLR EA ;關(guān)閉CPU中斷請求 MOV TCON,#00H ;關(guān)閉T0,T1 MOV R0,#0FFH ;設(shè)置測量時(shí)間標(biāo)志字符為溢出狀態(tài) RETI END IT1P5.4測量距離子程序測量距離有效時(shí):返回一個(gè)浮點(diǎn)形的四位數(shù)字。測量距離溢出時(shí):返回出錯(cuò)信息 ERRO。R3存放要顯示的信息的地址,并保存當(dāng)前的結(jié)果。MEASURELEN:;參數(shù)R0: