超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)現(xiàn)代測控技術(shù)課程設(shè)計(jì)

1、 j i a n g s u u n i v e r s i t y現(xiàn)代測控技術(shù)課程設(shè)計(jì)超聲測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 班 級： 姓名學(xué)號： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 前言利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等生物作為防御和捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不能被人們聽到的超聲波20hz以上的機(jī)械波，借助空氣或其它介質(zhì)傳播。通過被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長短和反射回來的信號強(qiáng)弱來判斷反射物的類型及距離的遠(yuǎn)近。人類采用仿生學(xué)，人工發(fā)射出超聲波。目前，超聲波已應(yīng)用在民用及國防工業(yè)中。例如:用超聲波探測海洋潛艇位置、魚群以及確定海底暗礁等障礙物形狀及位置。利用超聲波在固體巢傳播的時(shí)間確定物體的長度

2、以及超聲波在固體里遇到障礙物界面上的反射來確定物體內(nèi)部損傷(如裂縫、氣孔及雜質(zhì)等)位置，稱之為無損探傷。利用超聲波測距輔助機(jī)器人確定機(jī)器人自身位置和環(huán)境識別，從而準(zhǔn)確避開障礙物按照預(yù)先規(guī)劃好的行進(jìn)方向行進(jìn)來完成預(yù)定任務(wù)。另外還應(yīng)用于礦井探測、液面探測、建筑、汽車報(bào)警等領(lǐng)域。超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，和紅外、激光及無線電測距相比，超聲波測距有其不受光線影響，結(jié)構(gòu)和操作簡單，成本低等特點(diǎn)。采用高精度視覺識別環(huán)境技術(shù)需要復(fù)雜的信息處理，且體積較大，價(jià)格昂貴。對于體積較小成本較低的機(jī)器人，這些特點(diǎn)尤為突出，相比之下，超聲波測距的特點(diǎn)彌補(bǔ)了以上不足，在許多情況下能很好地完成探測任務(wù)。就此而言，本

3、課題的研究是有一定實(shí)際意義的。目錄前言21、課程設(shè)計(jì)的任務(wù)與要求52、系統(tǒng)方案比較與選擇52.1利用分立模塊的超聲波測距儀52.2基于at89c51單片機(jī)的超聲波測距儀63、系統(tǒng)方案與電路設(shè)計(jì)73.1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)73.2系統(tǒng)整體方案的論證73.3超聲波測距儀原理73.4超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)83.4.1發(fā)射電路的設(shè)計(jì)83.4.2接受電路的設(shè)計(jì)93.4.3顯示模塊的設(shè)計(jì)104、系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)114.1單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距原理124.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)125、系統(tǒng)電路調(diào)試與誤差分析155.1電路的調(diào)試155.2系統(tǒng)的誤差分析155.2.1聲速引起的誤差155.2.2單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響

4、176protues仿真18結(jié)束語20參考文獻(xiàn)21附錄22 1 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)一超聲波測距儀，任務(wù)： (1)了解超聲波測距原理。 (2)根據(jù)超聲波測距原理，設(shè)計(jì)超聲波測距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。 設(shè)計(jì)一超聲波測距儀，要求： (1)設(shè)計(jì)出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 (2)對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。(3)對設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。 (4)用protues進(jìn)行仿真，以數(shù)字的形式顯示測量距離。2.系統(tǒng)方案比較與選擇2.1利用分立模塊的超聲波測距儀系統(tǒng)包括超聲波測距模組、led數(shù)碼顯示模組、驅(qū)動模組控制模組及電源五部分。超聲波

5、測距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器控制（如圖1所示）；超聲波換能器諧振在40khz的頻率，模塊上帶有40khz方波產(chǎn)生電路。顯示模塊是一個(gè)8位段數(shù)碼顯示的lcd；測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為x點(diǎn)xx米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。測量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式為x點(diǎn)xx米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。圖1 超聲波測距模塊組硬件框圖優(yōu)點(diǎn)：具有歷史數(shù)據(jù)存儲功能、出錯管理功能。缺點(diǎn)：能測的最小距離比較長，不能實(shí)現(xiàn)雙向測距，電路復(fù)雜性能穩(wěn)定性不高。2.2基于at89c51單片機(jī)的超聲波測距儀超聲波測距儀主要以單片機(jī)at89c51為核心，其發(fā)射器

6、是利用壓電晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。一般情況下，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/ s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t ，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s，即s=340t/2，這就是常用的時(shí)差法測距。在測距計(jì)數(shù)電路設(shè)計(jì)中，采用了相關(guān)計(jì)數(shù)法，其主要原理是：測量時(shí)單片機(jī)系統(tǒng)先給發(fā)射電路提供脈沖信號，單片機(jī)計(jì)數(shù)器處于等待狀態(tài)，不計(jì)數(shù)；當(dāng)信號發(fā)射一段時(shí)間后，由單片機(jī)發(fā)出信號使系統(tǒng)關(guān)閉發(fā)射信號，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)起始時(shí)的同步；當(dāng)接收信號的最后一個(gè)脈沖到來

7、后，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。雙向超聲波測距儀的系統(tǒng)主要有幾下部分組成（如圖2所示）： led顯示模塊，at89c51芯片，超聲波發(fā)射模塊，超聲波接收模塊，電源模塊等五大模塊組成。圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖優(yōu)點(diǎn)：雙向測距，精度高，功耗低。在電路中我們采用pic芯片它的優(yōu)點(diǎn)是：精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高；徹底的保密性；其引腳具有防瞬態(tài)能力，通過限流電阻可以接至220v交流電源，可直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應(yīng)用帶來極大方便?；谏鲜鰞煞N方案的比較，方案一，測量盲區(qū)較長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜且穩(wěn)定性不高。方案二，能進(jìn)行雙向測距，精度高，功耗低，模塊簡單，穩(wěn)定性高。所以選用方案二。3.系統(tǒng)方案與電路設(shè)計(jì)

8、3.1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。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)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用at89c51單片機(jī)作為控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)led數(shù)字顯示，超聲波

9、驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時(shí)器。3.2系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測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)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，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后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。3.3超聲波測距儀原理單

10、片機(jī)發(fā)出40khz的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送led顯示。超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時(shí)器單片機(jī)控制顯示器圖3 測距系統(tǒng)原理圖超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。3.4 超聲波測距系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)3.4.1 發(fā)射電路的設(shè)計(jì)由單片機(jī)產(chǎn)生的40khz的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)

11、動電路其實(shí)就是一個(gè)信號放大電路，本課題所選用的是74hc04集成芯片，圖2-4為發(fā)射電路圖.由單片機(jī)產(chǎn)生的40khz的方波需要進(jìn)行放大，才能驅(qū)動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，發(fā)射驅(qū)動電路其實(shí)就是一個(gè)信號放大電路，本課題所選用的是74hc04集成芯片，圖3.3為發(fā)射電路圖。圖3.3 發(fā)射電路74hc04內(nèi)部集成了六個(gè)反向器（輸入與輸出相位相反的電子電路），即1a輸入高電平，1y輸出高電平同時(shí)具有放大的功能。74hc04的管腳如圖3.4所示。y4a4y5a5y6a6vccgndy3a3y2a2a1y1 圖3.4 74hc04管腳結(jié)構(gòu)3.4.2 接收電路的設(shè)計(jì)超聲波接收頭接收到超聲波后，轉(zhuǎn)換為電信號，此時(shí)

12、的信號比較弱，必需經(jīng)過放大。本系統(tǒng)采用了lm741對接收到的信號進(jìn)行放大，接收電路如圖3.5所示。 圖3.5 接收電路超聲波探頭接收到超聲波后，通過聲電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生一正弦信號，其頻率為傳感器的中心頻率，即40khz。該信號通過c高通濾波后經(jīng)lm741放大，最后經(jīng)二極管整形后輸出到單片機(jī)中斷口,lm741是一單運(yùn)放集成芯片.3.4.3顯示模塊的設(shè)計(jì)led(light-emitting diode，發(fā)光二極管)有七段和八段之分，也有共陰和共陽兩種。led數(shù)碼管結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜。圖3.6示出了八段led數(shù)碼顯示管的結(jié)構(gòu)和原理圖。圖3.6(a)為八段共陰數(shù)碼顯示管結(jié)構(gòu)圖，圖3.6(b)是它的原理圖，圖

13、3.6(c)為八段共陽led顯示管原理圖。八段led顯示管由八只發(fā)光二極管組成，編號是a、b、c、d、e、f、g和sp，分別與同名管腳相連。七段led顯示管比八段led少一只發(fā)光二極管sp，其他與八段相同。 （a） （b） （c） 圖3.6 八段碼led數(shù)碼顯示管原理和結(jié)構(gòu)單片機(jī)對led管的顯示可以分為靜態(tài)和動態(tài)兩種。靜態(tài)顯示的特點(diǎn)是各led管能穩(wěn)定地同時(shí)顯示各自字形；動態(tài)顯示是指各led輪流地一遍一遍顯示各自字符，人們由于視覺器官惰性，從而看到的是各led似乎在同時(shí)顯示不同字形。為了減少硬件開銷，提高系統(tǒng)可靠性并降低成本，單片機(jī)控制系統(tǒng)通常采用動態(tài)掃描顯示。但是由于本系統(tǒng)所用的單片機(jī)引腳少，

14、剩余引腳很多，而且也只需顯示三位字符，所以，采用了靜態(tài)的顯示方式，且采用了軟件譯碼，這樣單片機(jī)引腳輸出可直接接到led顯示管上。這樣省去了外部復(fù)雜的譯碼電路。4.系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)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)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。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，減小測量誤差。單片機(jī)用p1.0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。顯示電路采用簡單實(shí)用的4位共陽led數(shù)碼管，段碼用74ls244驅(qū)動，位碼用pnp三極管8550驅(qū)動。4.1單

15、片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距原理單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差tr，然后求出距離sctr2，式中的c為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在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)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)。4.2系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)超聲波測距儀的軟件設(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

16、語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語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（超聲波測距時(shí)），所以控制程序可采用c語言和匯編語言混合編程。 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器t在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器r所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(ct)/2 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(shí)間。在啟動發(fā)射電

17、路的同時(shí)啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器t0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在int0或int1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號，單片機(jī)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(shí)間差，計(jì)算距離。 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三個(gè)方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。程序流程圖如圖4.1，(a)為主程序流程圖，(b)為定時(shí)中斷子程序流程圖，(c)為外部中斷子程序流程圖。等待初使化定時(shí)中斷子程

18、序有回波否外部中斷子程序定時(shí)中斷入口外部中斷入口返回返回有無定時(shí)初使化發(fā)射超聲波停止發(fā)射清中斷發(fā)射完否是是否讀取時(shí)間值計(jì)算距離保存結(jié)果清中斷(a) (b) (c) 圖4.1 程序流程圖用單片機(jī)編程產(chǎn)生40khz方波，可用延時(shí)程序和循環(huán)語句實(shí)現(xiàn)。先定義一個(gè)延時(shí)函數(shù)delays()，然后可用for語句循環(huán)，并且循環(huán)一次同時(shí)改變方波輸出口的電平高低，從而產(chǎn)生方波。部分程序如下：void delays() /延時(shí)函數(shù)void main() for(a=0;a200;a+) /產(chǎn)生100個(gè)40khz的方波 p36=!p36; /每循環(huán)一次，輸出引腳取反 delays() ; 單片機(jī)每隔一段時(shí)間產(chǎn)生一串4

19、0khz方波，同時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波，產(chǎn)生中斷信號后，單片機(jī)執(zhí)行中斷程序。在中斷程序中，先讓定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，然后讀取時(shí)間，通過時(shí)間計(jì)算出所測距離，輸出結(jié)果。中斷程序如下：void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /into中斷服務(wù)程序 uint bwei,shwei,gwei; uchar dh,dl; ulong count; ulong num; tr0=0 ; /停止計(jì)數(shù) dh=th0; dl=tl0; count=th0*256+tl0; num= (344*count)/20000; /計(jì)算距離 bwei=num/100; /取百位 g

20、wei=(num-bwei*100)/10; /取十位 shwei=num%10; /取個(gè)位 p1=tabbwei; /輸出百位 p0=tabshwei; /輸出十位 p2=tabgwei; /輸出個(gè)位 th0=0; tl0=0;本設(shè)計(jì)的led顯示采用了靜態(tài)顯示方式，并用單片機(jī)內(nèi)部軟件譯碼。這樣簡單方便，省去了復(fù)雜的外部譯碼電路。軟件譯碼只需要定義一個(gè)數(shù)組便可，程序語句如下：uchar data tab10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90;這是共陽led顯示從0到9的字形碼。5 系統(tǒng)電路的調(diào)試與誤差分析5.1 電路的調(diào)試通過多

21、次實(shí)驗(yàn)，對電路各部分進(jìn)行了測量、調(diào)試和分析。首先測試發(fā)射電路對信號放大的倍數(shù)，先用信號源給發(fā)射電路輸入端一個(gè)40khz的方波信號，峰-峰值為3.8v。經(jīng)過發(fā)射電路后，其信號峰-峰值放大到10v左右。40khz的方波驅(qū)動超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波，經(jīng)反射后由超聲波接收頭接收到40khz的正弦波，由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大，整形，最后輸出一負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號。該測距電路的40khz方波由單片機(jī)編程產(chǎn)生，方波的周期為1/40ms，即25s，半周期為12.5s。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產(chǎn)生40khz方波。由于

22、12m晶振的單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1s，所以只能產(chǎn)生半周期為12s或13s的方波信號，頻率分別為41.67khz和38.46khz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選用了后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46khz的方波。5.2 系統(tǒng)的誤差分析5.2.1 聲速引起的誤差聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點(diǎn)的位置、壓強(qiáng)和密度對相應(yīng)靜止值的擾動。高于20khz 時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波，媒質(zhì)包括氣體、液體和固體。流體中的聲波常稱為壓縮波或壓強(qiáng)波，對一般流體媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為 式中e為媒質(zhì)的彈性模量，單位kg/mm2；為媒質(zhì)的密度，單位kg/mm3；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(shí)數(shù)部分代表傳播速度，虛數(shù)部分

23、則與衰減常數(shù)(每單位距離強(qiáng)度或幅度的衰減)有關(guān)，測量后者可求得媒質(zhì)中的損耗。聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量密度、內(nèi)耗以及形狀大小(產(chǎn)生折射、反射、衍射等)有關(guān)。從式可知，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。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會引起密度變化，氣體中聲速主要受密度影響，液體的深度、溫度等因素會引起密度變化，固體中彈性模量對聲速影響較密度影響更大，一般超聲波在固體中傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度的影響最大。聲速受溫度的影響為根據(jù)上式測量的溫度-聲速圖如圖5.1。圖5.1 空氣中溫度-聲速圖由式和圖可見

24、，當(dāng)溫度從040變化時(shí)，將會產(chǎn)生7%的聲速變化，因此，為了提高測量準(zhǔn)確度，計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正。工業(yè)測量中，一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度，即待添加的隱藏文字內(nèi)容1 5.2.2 單片機(jī)時(shí)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(jī)中斷再通過軟件啟停定時(shí)器，都需要一定的時(shí)候，中斷的方式誤差相對要小一些。相對而言，單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高，如晶振頻率為12mhz時(shí)，時(shí)間分辨率為1s。隨機(jī)誤差由于測量過程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律變化的，為了減少其影響，可在同一位置處多次重復(fù)測量xi，然后取平均值x作為測量的真值10。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

25、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)。其提高測距精度的措施如下：. 合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期。據(jù)經(jīng)驗(yàn)，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(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度快，脈沖發(fā)射周期可選短些。. 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(agc)及自動增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)。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(fù)反饋

26、環(huán)節(jié)能使接收波形更加穩(wěn)定。. 提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差。如采用芯片計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間量化誤差造成的測距誤差就越小。例如：單片機(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一，當(dāng)晶振頻率6mhz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為0.5mhz，此時(shí)在空氣中的測距時(shí)間量化誤差為0.68mm；當(dāng)晶振頻率為12mhz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為1mhz，此時(shí)測距時(shí)間量化誤差為0.34mm。若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路，則計(jì)數(shù)頻率可直接引用單片機(jī)的晶振頻率，時(shí)間量化誤差更小11。. 補(bǔ)償溫度對傳播聲速的影響。超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。溫度傳感器lm92的溫度測

27、試分辨率為0.0625，10至+85準(zhǔn)確度為1.0，i2c總線接口。用at89c51的通用i/o端口能很容易的模擬i2c總線的讀寫時(shí)序，lm92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。由lm92溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測距已應(yīng)用在各種高精度測距的場合，如自動氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測試、自動任意形狀物體密度測試儀等，它具有測試速度快，能達(dá)到毫米級的測量精度等優(yōu)點(diǎn)，在工程上的開發(fā)與應(yīng)用前景廣闊。6、 protues仿真proteus 是英國labcenter公司開發(fā)的電路分析與實(shí)物仿真軟件。它運(yùn)行于windows操作系統(tǒng)上，可以仿真、分析(spice)各種模擬器件和集成電

28、路，該軟件的特點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和spice電路仿真相結(jié)合。具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、rs232動態(tài)仿真、i2c調(diào)試器、spi調(diào)試器、鍵盤和lcd系統(tǒng)仿真的功能；有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器等。支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真。目前支持的單片機(jī)類型有：arm7(lpc21xx)、 8051/52系列、avr系列、pic10/12/16/18系列、hc11系列以及多種外圍芯片。提供軟件調(diào)試功能。在硬件仿真系統(tǒng)中具有全速、單步、設(shè)置斷點(diǎn)等調(diào)試功能，同時(shí)可以觀察各個(gè)變量、寄存器等的當(dāng)前狀態(tài)，因此在該軟件仿真系統(tǒng)中，也必須具有這些功能；同時(shí)支持

29、第三方的軟件編譯和調(diào)試環(huán)境，如keil c51 uvision2、mplab等軟件。具有強(qiáng)大的原理圖繪制功能?？傊?，該軟件是一款集單片機(jī)和spice分析于一身的仿真軟件，功能極其強(qiáng)大。當(dāng)然,軟件仿真精度有限,而且不可能所有的器件都找得到相應(yīng)的仿真模型, 在本設(shè)計(jì)中，由于設(shè)計(jì)有限，在仿真時(shí)超聲波發(fā)射后沒遇到障礙物而不能接收所反射的回波, 從而不能測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差，仿真效果為顯示最大值，所以只做出仿真參考圖如下（上圖為沒發(fā)出方波前，下圖為發(fā)出方波后）：（1）為準(zhǔn)備發(fā)射方波前，處于靜止?fàn)顟B(tài)圖6.1 發(fā)射方波前（2）為發(fā)射方波以后的狀態(tài)圖6.2 發(fā)射方波后因?yàn)槌暡òl(fā)射后沒遇到障礙物而不能接

30、收所反射的回波, 從而不能測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差，仿真效果為顯示最大值。結(jié)束語 以上介紹了超聲波測距系統(tǒng), 通過發(fā)射和接受超聲波, 使用單片機(jī)計(jì)算距離, 該系統(tǒng)可滿足大多數(shù)場合的測距要求。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間。測得的距離有誤差。在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中此誤差可忽略不計(jì)；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動測距等方面。此誤差不能忽略。只有通過改變一些硬件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對超聲波的快速鎖定。 總體來說，最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過程中我學(xué)到了很多知識，從中受益匪淺。了解了超聲波傳感器的原理，在設(shè)計(jì)的過程中了解到了一定放大電路的設(shè)計(jì)知識，一定程度上培養(yǎng)了我發(fā)現(xiàn)問題解決問題的能力，這些對我今后的學(xué)

31、習(xí)和工作都會有很大幫助的。我相信在這個(gè)課程設(shè)計(jì)后，我的相關(guān)知識和能力會有一個(gè)相對程度的提高，而且在設(shè)計(jì)的過程中，也讓我意識到了自身的不足之處，讓我在今后的學(xué)習(xí)中加以改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1孔雅瓊, 基于單片機(jī)的超聲測距儀研究與開發(fā), 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)2張芬 ,基于c8051f320單片機(jī)的超聲波測距儀,中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，儀表技術(shù)與傳感器，09年12期3李為民, 基于stc89單片機(jī)的超聲波測距儀, 陜西師范大學(xué)學(xué)報(bào),05年6月33卷4胡福云, 基于單片機(jī)的超聲波測距儀, 湖北工業(yè)大學(xué)，科技視野5陳瑩,基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng), 華中科技大學(xué)6符艷輝,基于單片機(jī)控制的超聲波測距儀的

32、設(shè)計(jì), 吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，農(nóng)業(yè)與技術(shù)，08年2月28卷7譚洪濤,單片機(jī)設(shè)計(jì)測距儀原理及其簡單應(yīng)用, 重慶通信學(xué)8曾毓敏,基于80c552單片機(jī)的駕斐蹙蜜型題儀，南京師范大學(xué)物理系9安宗權(quán),基于atmega8單片機(jī)的超聲波測距儀, 安徽工業(yè)大學(xué)附錄at89c51單片機(jī)簡介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cmos 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。at89c2051是一種帶2k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除

33、100次。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，at89c2051是它的一種精簡版本。 at89c51是一個(gè)低功耗高性能單片機(jī)，40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，at89c51可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。其管腳圖如圖3.2所示。 圖

34、3.2 at89c單片機(jī)管腳圖at89c51主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：100寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年全靜態(tài)工作：0hz-24hz三級程序存儲器鎖定1288位內(nèi)部ram32可編程i/o線兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器5個(gè)中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 管腳說明vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個(gè)8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash

35、進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”