超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文題目：超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)超聲波具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn),超聲波測(cè)距作為一種有效 的非接觸式測(cè)距方法已被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)采用渡越時(shí)間法，硬件系統(tǒng)分為發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、中央處 理模塊四個(gè)部分。本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為微型中央處理器并由軟件實(shí)現(xiàn) 40kHz脈沖經(jīng)放大電路從超聲波發(fā)射探頭T-40發(fā)射出超聲波，接收探頭R-40收到聲 波后經(jīng)集成芯片CX20106A放大濾波整形后回送到單片機(jī)計(jì)算，通過發(fā)射與接收的時(shí) 間差和聲速計(jì)算出距離。本系統(tǒng)使用四位共陽極LED數(shù)碼管顯示距離，能實(shí)時(shí)顯示即 時(shí)距離。經(jīng)測(cè)試，在30cm200cm范圍內(nèi)，誤

2、差能控制在2cm以內(nèi)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了 誤差分析，并提出了解決方案，最后對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望。通過系統(tǒng) 的調(diào)試和測(cè)試，本設(shè)計(jì)基本完成了設(shè)計(jì)要求?！娟P(guān)鍵詞】單片機(jī)，超聲波，測(cè)距，渡越時(shí)間法;【論文類型】應(yīng)用型Title: The design of ultrasonic distance measurement systemMajor: Electronic and Information EngineeringName: Zhang YankunSignature:Supervisor: Zhang XiaoliSignature:ABSTRACTThe advantages o

3、f ultrasound without the influence of outside light and electromagnetic fields and other factors , ultrasonic distance measurement as an effective non-contact distance measurement method has been used in many fields.This design uses the transit time method, the hardware system is divided into transm

4、itter module, receiver module and display module, the central processing module. This design uses a microcontroller STC89C52 as micro central processing unit and 40 kHz pulse by the software, The ultrasonic emission from the ultrasonic probe the T-40 via the amplifler circuit. Acousticreceived by pr

5、obe R-40, via the integrated chip CX20106A amplifying , filtering and shaping and sent to the microcontroller computing, calculate the distance by the transmit and receive time and the speed of sound. The design uses four common anode LED digital display the distance value, to provide users with a v

6、ery intuitive interface.Been tested within the range of 30cm 200cm, the error can be controlled at less than 2cm.According to the experimental data and analyzed the error, and proposed solutions, the developmental direction in ultrasonic ranging were also presented at last.By systematic debugging an

7、d testing, the design basically completed the design requirements.Key words microcontroller, ultrasonic, range, transit time methodLlXpe of Thesis Applied前言隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多 個(gè)領(lǐng)域。目前，典型的非接觸式測(cè)距方法有超聲波測(cè)距、CCD探測(cè)、雷達(dá)測(cè)距、激光 測(cè)距等。其中，CCD探測(cè)具有使用方便、無需信號(hào)發(fā)射源、同時(shí)獲得大量的場(chǎng)景信息 等特點(diǎn)，但視覺測(cè)距需要額外的計(jì)算開銷。雷達(dá)測(cè)距具有全天候工作

8、，適合于惡劣的 環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)，但容易受電磁波干擾。激光測(cè)距具有高方向 性、高單色性、高亮度、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)雨霧有一定的穿透能力，抗干 擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。與前幾種測(cè)距方式相比，超聲波測(cè)距可以直 接測(cè)量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì) 中傳播的距離較遠(yuǎn)且操作簡(jiǎn)單，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，對(duì)環(huán) 境有一定的適應(yīng)能力，且覆蓋面較大等優(yōu)點(diǎn)。這些特點(diǎn)可使測(cè)量?jī)x器不受被測(cè)介質(zhì)的 影響，大大解決了傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器存在的問題，利用超聲波檢測(cè)既迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn) 單，又易于實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要

9、求。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是 一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測(cè)距儀作為 一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定 位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，未來的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化 智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。然而超聲波測(cè)距也有其局限性，超聲波傳播波速不恒定、回波信號(hào)幅值隨傳播距 離增大呈指數(shù)規(guī)律衰減、有盲區(qū)、超聲波的旁瓣影響、混響信號(hào)干擾、超聲波探測(cè)器 測(cè)量分辨力和探測(cè)角度范圍的矛盾等局限性。所以目前研究主要是降低現(xiàn)有測(cè)距方法 的誤差和尋找新的超聲

10、波測(cè)距方法。超聲波測(cè)距方法主要有可變閾值檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間 法四種。通過系統(tǒng)論證，本設(shè)計(jì)最終確定采用渡越時(shí)間法。渡越時(shí)間法就是通過檢測(cè)發(fā)射超聲波與接收回波之間的時(shí)間差t,求出目標(biāo)障礙物距 信號(hào)發(fā)射源的距離d,計(jì)算公式為:d = vt /2,其中，v為超聲波波速（m/s）o本論文研究了超聲波測(cè)距原理以及各種超聲波測(cè)距系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，確定了本設(shè)計(jì) 所采用的方案。文中確定了發(fā)送模塊、接收模塊、顯示模塊、中央處理模塊構(gòu)成整個(gè) 系統(tǒng)，并確定了各個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)所使用的芯片，軟件設(shè)計(jì)部分描述了各個(gè)模塊程序流程 圖和主要程序。制作硬件并檢測(cè)調(diào)試。最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果并對(duì)誤差進(jìn)行了分析，提出 減

11、小誤差的方法和方案。附錄部分提供了本論文所使用的硬件電路和軟件代碼。選擇L 1相位法超聲波測(cè)距1. 1. 1測(cè)量原理L 1. 2系統(tǒng)硬件原理框圖2444555557L 1. 3基于相位法雙頻超聲波測(cè)距L2渡越時(shí)間檢測(cè)法1. 2. 1單頻渡越時(shí)間法 1.2.2雙頻渡越時(shí)間法.1.3其他幾種測(cè)距或測(cè)厚方法1. 3. 1共振法L 3. 2往復(fù)法L3.3多重相位法L 3. 4頻域的譜分析法.L4方案選擇2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1主要技術(shù)指標(biāo)82. 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖82.3超聲波發(fā)射電路92. 3. 1采用74LS04驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路92. 3. 2采用9012三極管驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路2.4 接收電路102.5 顯示電路

12、11123超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和仿真3. 1總體設(shè)計(jì)123. 1.1主程序123. L 2超聲波發(fā)射子程序133. 1. 3超產(chǎn)波接收中斷程序133.2 系統(tǒng)仿真144系統(tǒng)測(cè)試163.3 軟件和硬件測(cè)試164. 2 統(tǒng)測(cè)量165結(jié)論185. 1數(shù)據(jù)的誤差分析185.2 總結(jié)185.3 超聲波測(cè)距研究趨勢(shì)的展望18致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。附錄20CX20106A引腳和參數(shù)20超聲波測(cè)距源程序清單21參考文獻(xiàn)261方案選擇1.1 相位法超聲波測(cè)距相位法超聲測(cè)距是利用發(fā)射波和被目標(biāo)反射的接收回波之間聲波的相位差包含的距 離信息來實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)目標(biāo)距離的測(cè)量，同時(shí)，可以通過變換調(diào)制信號(hào)的頻率來改變相位 差

13、對(duì)距離的細(xì)分尺度，來提高精度和改變量程。1.1.1 測(cè)量原理設(shè)在起始時(shí)刻八發(fā)射的超聲波的強(qiáng)度為：/1 = A】 sin(69Z + 0()實(shí)際波為方波，這里為方便公式說明用正弦波舉例。接收時(shí)刻調(diào)制波的強(qiáng)度為：，2 =42 sin(皿 + cot 2D + 00)則接收與發(fā)射時(shí)刻的相位差為：0 = 3t2D = 2可 2D時(shí)間差為：tL2D -249根據(jù)時(shí)間和相位的關(guān)系，待測(cè)距離D = - C12 D可以轉(zhuǎn)換為：c (p A(pO = 上=(N + ')2 2時(shí) 22乃其中，。為待測(cè)距離；。為超聲波傳播速度；”為超聲波波長(zhǎng)；N為相位傳播延遲中的中周期數(shù)；A9為相位延遲中不足一周期的相位差

14、值?？梢岳糜?jì)數(shù)器測(cè) 出a值，而夕則需應(yīng)用相位比較器計(jì)算出。1.1.2 系統(tǒng)硬件原理框設(shè)計(jì)出超生波測(cè)距系統(tǒng)硬件原理框圖1-1:2MHx _TLTU圖111.1.3 基于相位法雙頻超聲波測(cè)距雙頻超聲波測(cè)距法是發(fā)射二個(gè)頻率不同的猝發(fā)聲波，測(cè)定與這二個(gè)猝發(fā)聲對(duì)應(yīng)的回 波信號(hào)的相位，根據(jù)所測(cè)相位進(jìn)行測(cè)距的一種高精度的超聲波測(cè)距方法。本方法同時(shí)使 用二個(gè)回波的相位以及包絡(luò)信息，排除了以2乃為周期的相位上的不確定性。基本原理是 使用兩個(gè)不同頻率的波形的發(fā)射與接收波的相位差的差的變化函數(shù)來代替單個(gè)頻率的波 形相位差的變化，如下式必一必二%式中，外和直為兩種頻率波形的初始相位.外和田為兩種頻率接收波形的相位，

15、40,一久）為兩種頻率波形相位差的差的變化函數(shù)，這樣做的好處是，既有使用高頻率 超聲波的良好的方向性與反射性，同時(shí)由于4慮一慮）的周期相對(duì)于單個(gè)波形的相位差 變化函數(shù)的周期更大，這樣能增大相位差對(duì)距離的細(xì)分尺度，從而得到更精確的測(cè)量結(jié) 果?；谝陨想p頻超聲波測(cè)距原理，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路是采用兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的相位法 測(cè)距電路，分別比較出兩個(gè)不同頻率的波形的相位差，然后將兩個(gè)相位差提供給MCU, 由MCU中事先寫入的程序來計(jì)算出兩種波形相位差的差，為了得到所測(cè)距離L的大概 值，解決相位法中的2解的不確定性，會(huì)需要用到單片機(jī)中的定時(shí)器。另外，顯示部 分也是由MCU來完成。由于整個(gè)過程并沒有過大的運(yùn)算量,

16、基于經(jīng)濟(jì)性和易用性考慮， 單片機(jī)選用AT89C52單片機(jī)。在接收部分中，由接收探頭接收的波形經(jīng)過前置放大后，經(jīng)由濾波器濾波,使用的 濾波器選用MAX275。當(dāng)為了改變量程而改變超聲波的頻率時(shí)，由于MAX275組成不同 的濾波器需要不同的外接電阻,所以若需要實(shí)現(xiàn)較大的量程覆蓋，可能需要一組以上 的MAX275組成不同的濾波器實(shí)現(xiàn)濾波。在相位比較電路中，把信號(hào)源輸出的正弦信號(hào)和接收端得到的正弦信號(hào)分別轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)A和B，將A、B輸入具有很強(qiáng)抗噪能力的異或門，如圖1-2所示:aFVd圖102當(dāng)輸入波形a和b之間的相位差變化的時(shí)候,輸出波形的占空比隨之發(fā)生變化, 通過積分電路可得到輸出波形的平均電平

17、。根據(jù)輸出波形的平均電平和相位差的一 對(duì)應(yīng)關(guān)系，可得到相位差與輸出平均電平的曲線。如圖1-3所示：1.2 渡越時(shí)間檢測(cè)法1.2.1 單頻渡越時(shí)間法本設(shè)計(jì)方案中使用的渡越時(shí)間檢測(cè)法原理是，在由單片機(jī)發(fā)出驅(qū)動(dòng)信號(hào)的同時(shí)， 開啟單片機(jī)中的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。發(fā)射探頭發(fā)射出超聲波，在由接收探頭接收到第 一回波的同時(shí)停止單片機(jī)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)，由于超聲波在空氣中的速度已知，根據(jù)公式 5 = 1即可求得探頭與待測(cè)目標(biāo)之間的距離。測(cè)量原理如圖卜4所示圖14通常的計(jì)算是默認(rèn)上圖中Hn,在兩個(gè)探測(cè)頭T和R的距離M較小時(shí),這樣默認(rèn)并沒有錯(cuò),但當(dāng)測(cè)量距離較小時(shí),或者距離M較大時(shí)，的式子便不再適用,2為了進(jìn)一步降低測(cè)量誤差

18、,應(yīng)該在編程時(shí),將距離計(jì)算公式寫作=尚7相, 而且，可以在較短時(shí)間內(nèi)多次發(fā)出超聲波測(cè)量,完成后計(jì)算平均值然后顯示。1.2.2 雙頻渡越時(shí)間法由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率的平方成正比，因此用來測(cè)距的超聲波 的頻率就不能很高。另一方面頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)距的絕對(duì)誤差就越大。所以， 測(cè)距的范圍加大與測(cè)量精度實(shí)際上是一對(duì)矛盾。為了解決這一矛盾，我們引入了已被 廣泛用于海洋測(cè)深方法中的雙頻超聲波探測(cè)技術(shù)，使其用于空氣中的測(cè)距及定位。其 原理是:同時(shí)發(fā)射兩個(gè)頻率分別為fL和fH的雙頻超聲波，由于fH的波長(zhǎng)較短，絕對(duì) 測(cè)量精度高，而空氣對(duì)它的吸收大，所以用于近距離測(cè)距（比如5m以內(nèi)），而ft波 長(zhǎng)較

19、長(zhǎng)，絕對(duì)精度低，但是空氣對(duì)它的吸收要小很多，可以達(dá)到較遠(yuǎn)的目標(biāo)(比如5 20m),由于這個(gè)范圍絕對(duì)距離較長(zhǎng),因此可以保證在整個(gè)測(cè)距范圍內(nèi)相對(duì)精度一致。1.3 其他幾種測(cè)距或測(cè)厚方法1.3.1 共振法共振法是利用超聲波在介質(zhì)中的多次反射而形成的共振，通過測(cè)定幾個(gè)共振頻率 的差來測(cè)量厚度。這是一種高精度的測(cè)距方法。但這種方法必須事先知道發(fā)射換能器 和目標(biāo)之間超聲波傳播的介質(zhì)中存在有二個(gè)以上的共振頻率。1.3.2 往復(fù)法往復(fù)(sing-around)法是利用由介質(zhì)層返回的回波去觸發(fā)下一次信號(hào)的發(fā)射，這 樣反復(fù)觸發(fā)并記錄觸發(fā)的次數(shù)，在一定的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)的厚度就是觸發(fā)次數(shù)的函數(shù)。 顯然，要想提高測(cè)量精度

20、，必須進(jìn)行較多的觸發(fā)計(jì)數(shù)。然而，較多的觸發(fā)計(jì)數(shù)的代價(jià) 就是延長(zhǎng)了測(cè)量時(shí)間。1.3.3 多重相位法多重相位法是將超聲波利用另一個(gè)頻率較低的信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制，而后發(fā)出調(diào)幅 波，接收調(diào)幅波及其二個(gè)不同頻率的信號(hào)的相位差，以這個(gè)相位差為依據(jù)，計(jì)算傳聲 介質(zhì)的厚度或距離。這種方法通過提高調(diào)制頻率可以提高測(cè)量精度，當(dāng)然也存在相位 上以2%為周期的不確定性。這種方法不適用于收發(fā)合置的聲學(xué)系統(tǒng)。相位比較法同 樣也存在以2T為周期的不確定性，同時(shí)還存在由于三次回波而形成干涉的影響。1.3.4 頻域的譜分析法頻域的譜分析法是利用回波的頻域變換技術(shù)的測(cè)距方法，可用利用回波的頻譜特 性，也可以利用相位特性，或者二者兼

21、有。這種方法可用到達(dá)比較高的精度。但是， 必須對(duì)回波進(jìn)行A / D變換并進(jìn)行FFT分析等運(yùn)算，因此要求系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)FFT運(yùn)算 功能。281.4 方案選擇通過分析，相位法雖然能較精確的測(cè)得距離，但其系統(tǒng)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來較為困難。 渡越時(shí)間法無論是硬件還是軟件實(shí)現(xiàn)都比較容易，如果加上溫度補(bǔ)償電路等改進(jìn)措施 后，能達(dá)到比較高的測(cè)量精度，可以滿足本次設(shè)計(jì)的要求。其他幾種測(cè)距方法都有各 自的要求或局限性，實(shí)現(xiàn)并不容易。所以，最終選擇渡越時(shí)間法作為最終方案。2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1主要技術(shù)指標(biāo)量程：30200cm；電源：5V DC；超聲波頻率：40kHz； 測(cè)量誤差：±2cm； 顯示方式：數(shù)碼管顯示。

22、2. 2系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為中央處理器，超聲波發(fā)射40kHz脈沖由單片機(jī) 軟件實(shí)現(xiàn)從P1.0 口發(fā)出，采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器進(jìn)行計(jì)時(shí)和控制。超聲波接收部分 使用CX20106A作為接收主控制芯片，收到信號(hào)后輸出端輸出低電平給INTT0 口，接 收成功，停止計(jì)時(shí)。顯示部分采用四位LED數(shù)碼顯示管顯示距離。超聲波測(cè)距器的系統(tǒng)框圖如圖2-1所示發(fā)射探頭圖2-12. 3超聲波發(fā)射電路單片機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)送40kHz信號(hào)，從P1. 0發(fā)送到驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路有兩種， 分別是采用反相器74LS04和三極管9012放大驅(qū)動(dòng)，使超聲波發(fā)射探頭共振，發(fā)出 40kHz的超聲波信號(hào)。本次設(shè)計(jì)采

23、用的是后者。2. 3.1采用74LS04驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波探頭構(gòu)成，單片機(jī)P1.。端口輸出40kHz 的方波信號(hào)，一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相 器后送到超聲波換能器的另一端，用這種形式可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采 用兩反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻一方面提高反相器74LS04輸出高電 平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增強(qiáng)超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。 電路原理圖如圖2-2所示。R674LS04R74LS04匚1k圖222. 3. 2采用9012三極管驅(qū)動(dòng)發(fā)射電路該電路超聲波發(fā)送模塊是使用9012三極管做為

24、驅(qū)動(dòng)放大，超聲波換能器一段接P1.0 0,另一端接集電極，R8提高驅(qū)動(dòng)能力，通過調(diào)試電阻可以加大超聲波的發(fā)射 功率，從而提高測(cè)距距離。電路如圖2-3所示。AR8 .1 超聲波發(fā)射T1粕超聲波發(fā)射T2徜R71k1,圖2-3超聲波發(fā)射電路2. 4接收電CX20106A是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電 路，可用來代換多種型號(hào)的遙控接收集成電路。集成電路CX20106A可用來完成信號(hào) 的放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波和波形整形等功能。可以保證在超聲波傳感器接 收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大 器不會(huì)過載;其帶通濾波器中心頻率可由芯片

25、腳5的外接電阻調(diào)節(jié)，不需要外接電感, 可避免外磁場(chǎng)對(duì)電路的干擾，可靠性較高。當(dāng)超聲波接收頭收到發(fā)射信號(hào)時(shí)，便通過CX20106進(jìn)行前置放大、限幅放大、帶 通濾波、峰值檢波和比較、積分及施密特觸發(fā)比較得到解調(diào)處理后的信號(hào)。7腳為信 號(hào)輸出口，沒收到信號(hào)時(shí)為高電平，收到后變?yōu)榈碗娖剑笥只謴?fù)高電平。IC2 CX20106AZCC52C5>圖2-4超聲波接收電路2. 5顯示電路顯示電路采用4位共陽極數(shù)碼管顯示。用74LS07和74LS245驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，并連 接到單片機(jī)STC89C52的P2. 0P2. 3 口上作位選,P0. 0P1. 7 口做段選。電路如圖2-5 所示。RP1RESPACK

26、-83332P OfADO2 1/AD17 2MD2 KJ3/AD3*0 4TAD4 >0*AD6P2.WA8 P2.VA9)2如1)24A12=>2 6M13 町如4 327 伍 1533RX0*31(TXD 32前 33ANfiP34m>P3 5FT1P36IW P3 7/RDCEAB»6A圖2-53超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和仿真3.1 總體設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有主程序、超聲波發(fā)射子程序、超聲波接收中斷子 程序及顯示子程序。3.1.1 主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，設(shè)置定時(shí)器的初值和工作方式，使總中斷允許位=1,并給顯 示端口清0,啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，然后調(diào)用超聲波發(fā)

27、生子程序由P1.0腳發(fā)出40kHz的驅(qū)動(dòng) 信號(hào)，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)，需要延時(shí)一段時(shí) 間后才打開INTO中斷，并且開始等待接收到的回波和中斷信號(hào)，若接收到回波（INTO 引腳出現(xiàn)低電平），計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，保存時(shí)間信息，計(jì)算出當(dāng)前距離后儲(chǔ)存，并調(diào) 用顯示子程序，結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式傳送到LED顯示,然后再發(fā)超聲波脈沖重 復(fù)測(cè)量過程。晶振為12Mhz,所以機(jī)器周期為1微秒。主程序流程圖如圖3-1所示：圖3-13.1.2 超聲波發(fā)射子程序本設(shè)計(jì)由軟件產(chǎn)生40kHz的驅(qū)動(dòng)信號(hào): void fasong(uchar gs)(while(gs-)Pl_0 = 1;no

28、p (); nop (); nop (); nop ();nop (); nop (); nop () ;nop ();Pl_0 = 0;nop () ;nop () ;nop();nop 0 ；nop (); nop (); nop ();)Pl_0=0;3.1.3 超聲波接收中斷程序超聲波測(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)(INTO引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序，然后立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)， 并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值lo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。 然后讀

29、取計(jì)數(shù)器中的值，取20C時(shí)的聲速344m/s,則由D=ct/2可以計(jì)算出被測(cè)物 體與測(cè)距儀之間的距離。3.1.4 顯示子程序本設(shè)計(jì)采用共陽極7段LED數(shù)碼管顯示，顯示子程序如下所示： void zhuanhuan()轉(zhuǎn)換程序qw = time/1000;bw = time%1000/100;sw = time%100/10;void xianshi () (P2 = 0x01;P2 = 0x02;P2 = 0x04;P2 = 0x08;顯示程序P0 = shu qw;P0 = shubw;P0 = shusw;P0 = shugw;delay(20);delay(20);delay (20);

30、delay (20);3.2 系統(tǒng)仿真在Proteus中根據(jù)超聲波發(fā)射硬件電路搭建系統(tǒng)，由于個(gè)別元件在Proteus元件 庫(kù)中沒有，用其他的方式代替。如：74LS07用74HC07代替；發(fā)射探頭部分用示波器, 便于查看T-40兩個(gè)引腳的信號(hào);接收部分用一個(gè)開關(guān)代替,兩端分別連接INTO和地。將程序在Keil中編譯，并輸出.hex文件，將其放入Proteus電路中的單片機(jī)里, 進(jìn)行仿真，電路如圖3-2,圖3-3所示：Digital OscilloscopeRP1t ZZZJT 0 c - c /、0 aU485a2B*m窗ACA17 aA4AIM"“小歸efcfcSB二卬小 Jiann

31、elLClminelB ClmiiielD尸5I：UIAC DCGKO OFFACDC GNO OFFInverIrvort J圖3-3發(fā)射探頭引腳波形仿真4系統(tǒng)測(cè)試4.1軟件和硬件測(cè)試將元器件焊接到萬用板上，焊接的時(shí)候盡量不要長(zhǎng)時(shí)間焊接某一管腳，否則元器 件會(huì)由于溫度過高壞掉或工作不穩(wěn)定，檢查是否有短路，虛焊，元器件有沒有接反。 由于設(shè)計(jì)時(shí)并沒有安排下載部分，所以用專用的下載器進(jìn)行程序的燒錄。無誤后，將 單片機(jī)安裝上，接通電源。測(cè)試LED數(shù)碼管是否顯示正常（通過燒錄到單片機(jī)中的顯示程序）；測(cè)試超聲波發(fā)射是否正常，方法是在發(fā)射探頭前放置一根點(diǎn)燃的蠟燭，若蠟燭的 火焰有有規(guī)律的抖動(dòng)，則超聲波正常

32、發(fā)射（把耳朵貼到發(fā)射探頭，可以聽到“咔咔” 的聲音）。開始的時(shí)候P1.0發(fā)射2個(gè)約40K的脈沖，但是測(cè)距范圍最遠(yuǎn)只能達(dá)到50cm,開 始以為是發(fā)射功率不夠，于是調(diào)整發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路中的電阻和接收電路CX20106A引腳 5的外接電阻，雖然有點(diǎn)提高，但效果不是很大，根本達(dá)不到系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。再看軟 件,發(fā)現(xiàn)當(dāng)把發(fā)送脈沖數(shù)調(diào)高的時(shí)候可以提高測(cè)距范圍，顯然這也會(huì)帶來更多的誤差, 不過可以達(dá)到系統(tǒng)要求。4. 2系統(tǒng)測(cè)量測(cè)量距離選取50cm、75cm、100cm> 125cm, 150cm> 175cm六個(gè)不同距離進(jìn)行測(cè) 量。測(cè)量時(shí)，將測(cè)量?jī)x放置于距離地面50cm高度的地方，正前方面對(duì)一面平整的墻

33、。 每種不同的距離測(cè)量5次。結(jié)果如表-1所示。表-1實(shí)際距離(cm)5次測(cè)量距離(cm)50.048.548.848.748.648.775.073.874.173.774.273.9100.098.998.898.898.898.9125.0123.5123.9123.8123.6123.9150.0148.1148.4148.0148. 1148. 1175.0173.4173.8173.5173.5173.45.1數(shù)據(jù)的誤差分析測(cè)量結(jié)果和實(shí)際距離有誤差，經(jīng)分析，誤差可能來源一下幾個(gè)方面：(1)超聲波發(fā)射與接收探頭和被測(cè)點(diǎn)位置存在著一個(gè)很小的角度，這個(gè)角 度會(huì)影響測(cè)量距離。(2)由于PLO

34、發(fā)射多個(gè)脈沖，接收端接收到的可能不是第一個(gè)回波，所 以會(huì)增加誤差。(3)由于沒有溫度檢測(cè)電路，超聲波在不同的溫度下傳播速度不同，所以 受溫度影響，測(cè)量距離和實(shí)際距離會(huì)有誤差。、(4)信號(hào)在電路中傳播會(huì)有延時(shí)，也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。(5)系統(tǒng)軟件算法不夠精準(zhǔn)，單片機(jī)精度不高。5. 2總結(jié)本次設(shè)計(jì)基于51單片機(jī)和超聲波實(shí)現(xiàn)了 30200cm范圍內(nèi)測(cè)距，采用渡越時(shí)間 法，硬件系統(tǒng)分為發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、中央處理模塊四個(gè)部分。由軟件 實(shí)現(xiàn)40kHz脈沖經(jīng)放大電路從超聲波發(fā)射探頭T-40發(fā)射出超聲波，接收探頭R-40收 到聲波后經(jīng)集成芯片CX20106A放大濾波整形后回送到單片機(jī)計(jì)算，通過發(fā)射與接

35、收 的時(shí)間差和聲速計(jì)算出距離。本系統(tǒng)使用四位共陽極LED數(shù)碼管顯示距離。本次設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果精度不是很高，若想得到更精確的測(cè)距方法，可以采用相位 法或雙頻超聲波測(cè)距方法，或者尋找更精確的算法。不過系統(tǒng)會(huì)更復(fù)雜，對(duì)各個(gè)模塊 要求會(huì)更高。5. 3超聲波測(cè)距研究趨勢(shì)的展望超聲波測(cè)距作為非接觸式檢測(cè)技術(shù)的典型方法之一，以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的發(fā) 展前景，作以下三點(diǎn)展望：(1)目前采用壓電式陶瓷材料和磁致伸縮材料來制造的超聲波換能器存在一定的 阻抗失配問題，即在驅(qū)動(dòng)脈沖結(jié)束后，由于存在慣性會(huì)使換能器繼續(xù)振動(dòng)產(chǎn) 生盲區(qū)，從而影響超聲波測(cè)距儀的精度。所以，超聲波換能器制造材料的改 進(jìn)是超聲波測(cè)距技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重

36、要方向。(2)選擇更合理的發(fā)射脈沖、研發(fā)更高性能的換能器，來提高超聲波測(cè)距系統(tǒng)的 測(cè)距范圍、分辨力、測(cè)量精度和抗干擾能力等性能，是超聲波測(cè)距理論的又 一個(gè)重要研究方向。(3)超聲波測(cè)距、CCD探測(cè)、雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距等非接觸式檢測(cè)技術(shù)均具有各 自的優(yōu)點(diǎn)。所以，可以復(fù)合使用多種非接觸式傳感器，充分發(fā)揮各檢測(cè)技術(shù) 的優(yōu)勢(shì)，可以得到更精確的檢測(cè)結(jié)果。CX20106A引腳和參數(shù)CX20106主要引腳說明:表2 CX20106引腳說明腳號(hào)符號(hào)引腳名稱說明1IN信號(hào)輸入 端該腳輸入阻抗約為40 士 5k92RCRC網(wǎng)絡(luò)連 接端該腳與地間接有RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，用來確定前置放大器的頻率特性和增益。電阻增大，電容值

37、小，則增益低:反則高。 但電容不宜過大，否則瞬態(tài)響應(yīng)速度會(huì)降低。3C檢波電容 連接端該腳與地間連接著檢波電容。電容量大為平均值檢 波，瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度低;電容量小，則為峰值檢波， 瞬態(tài)響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈寬變動(dòng)大，易造 成遙控誤動(dòng)作。4GND接地端5fo帶通濾波 器中心頻 率設(shè)置端該腳與電源間所接電阻R用來設(shè)置帶通濾波器的中 心頻率fo6330 p積分電容 連接端該腳所接的積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330PF。當(dāng)其容量值 變大，則外部噪波干擾增強(qiáng)，而且輸出脈沖的低電平 持續(xù)時(shí)間增加，遙控距離變短7OUT信號(hào)輸出端該端口為集電極開路輸出端。該腳和電源之間連接一 只R3電阻后，輸出脈沖低電平的標(biāo)準(zhǔn)值

38、約為0. 2Vo8Vcc供電電源端(5 ±0.3) VCX20106參數(shù)表如表- 3：表3 CX20106參數(shù)表參數(shù)名稱最小典型最大單位輸入電壓2.02.53.1V輸出電壓（低電平）0.20.4V輸出漏電流02.2電壓增益747984dB帶通濾波器特性49dB輸入阻抗274055kQ檢波能力440540750消耗電流1.01.82.8mA超聲波測(cè)距源程序清單ulongucharuchartime;qw, bw, sw, gw;flag;總時(shí)間千、百、十、個(gè)位標(biāo)志位#include<AT89X51. H>#include<intrins. h>defineuch

39、arunsigned char#defineuintunsigned intttdefineulongunsigned longttdefinenop ()_nop_()static unsigned char shu=OxCO, 0xF9, 0xA4, OxBO, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, Oxff, Oxbf;/*對(duì)應(yīng)數(shù)字 “0”，“1” , “2”，“3”，“4”，“5”，“6”，“7”，“8”“9"，“一”*/static unsigned char shu2=0x40, 0x79, 0x24, 0x30, 0x19, 0x12,

40、 0x02, 0x78, 0x00, 0x10, Oxff, Oxbf;/*對(duì)應(yīng)數(shù)字 “0.”，“1.”，“2.”，“3.”，“4.”，“5.”，“6."，” , “8. ”，“9. ”，“ "，*/void delay(uchar us)(uint i, j;for(i=us;i>0;i-) for(j=U;j>0;j-);)void fasong(uchar gs)(while(gs)(Pl_0 = 1;nop (); nop (); nop (); nop ();nop (); nop (); nop (); nop ();P1.0 = 0;nop() ;

41、nop() ;nop ();nop () ; nop () ;nop (); nop ();)Pl_0=0;)用于距離計(jì)算void jisuan ()(time = THO;time = (time«8) |TLO;time = time-300;減去延時(shí) 300 ustime = time*170;time = time/1000; 單位 mm分離千位、百位、十位、個(gè)位void zhuanhuan ()qw = time/1000;bw = time%1000/100;sw = time%100/10;gw = time%10;P2 = 0x01;P2 = 0x02;P2 = 0x

42、04;P2 = 0x08;數(shù)碼管掃描顯示 void xianshi () (PO = shutqw;PO = shutbw;PO = shu2sw;PO = shutgw;)delay (20); /2msdelay(20);delay(20);delay (20);void main()(uchar cs;TMOD = 0x11;掃描循環(huán)次數(shù)變量/TO工作在16位計(jì)時(shí)狀態(tài)，最高計(jì)時(shí)65msTHO = 0x00;TLO = 0x00;TRO = 0;ETO = 1;EXO = 0;PXO = 1;EA = 1;while (1)先關(guān)閉TO開TO中斷循環(huán)程序中再打開/INTO中斷高優(yōu)先級(jí)while(!P3_2) delay ；while(!P3_2) P3.2為低則等待，不發(fā)送如果P3. 2仍為低，等待，直到為高，再發(fā)EXO = 0;ETO = 0;開始發(fā)送前保證INTO是關(guān)閉狀態(tài) 先關(guān)閉T0中斷THO = OxOO;TLO = 0x00;flag= 0;ETO = 1;while(!P3.2) 保證發(fā)射前初值為0重新打開TRO = 1; fasong(20); delay ；EXO = 1; while(!flag) /INTO中斷完成后進(jìn)入重新清0/TO計(jì)時(shí)開始發(fā)送20個(gè)40khz脈沖300us延時(shí)，防止直波干擾開始接收信