課程設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距

..PAGE1基于51單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)摘要：本方案以stc89c52為核心,通過(guò)編程〔C語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對(duì)外圍電路的適時(shí)控制,并提供給外圍電路各種所需的信號(hào)和接收超聲波反射回來(lái)的微小信號(hào),包括頻率振蕩信號(hào),時(shí)鐘信號(hào),數(shù)據(jù)處理信號(hào)和顯示信號(hào)等等。其核心功能是對(duì)距離的檢測(cè)并實(shí)時(shí)的進(jìn)行距離的顯示,在檢測(cè)距離方面通過(guò)發(fā)射端與接收端的時(shí)間差來(lái)計(jì)算,理論上所測(cè)距離與其時(shí)間差成線性關(guān)系,所以可以通過(guò)線性回歸統(tǒng)計(jì)方法求出實(shí)際距離與所求距離的關(guān)系。該電路簡(jiǎn)化了一些外圍電路,任能做到較為精確的測(cè)量工作,由于是采用程控操作,所以其移植性和可擴(kuò)展性還是較好。在設(shè)計(jì)時(shí)分,分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)各部分功能,簡(jiǎn)化了在設(shè)計(jì)過(guò)程中的調(diào)試難度。關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距、單片機(jī)控制、液晶顯示、距離報(bào)警、線性回歸Abstract：Thisprogramstc89c52programming<Clanguage>toachievethetimelycontrolofthesingle-chipperipheralcircuits,andmadeavailabletotheperipheralcircuitsofthedesiredsignalandreceivingtheultrasonicreflectedthesmallsignal,includingfrequencyoscillationsignal,theclocksignal,datasignalprocessinganddisplaysignals,andsoon.Theitscorefunctionistotothedetectionofpairsthedistanceandreal-timeofthecarriedoutthedistancethedisplayofgoesasfollows.Inthetocalculatethe,inthethedetectiondistanceaspectsofthroughthelaunchofthe-sidewiththethetimeofthethereceivingendispoor,intheory,themeasureddistancewithitstimedifferenceintoalineartherelationshipbetween,,socanthroughthethelinearregressionstatisticalmethodscalculatetheactualdistanceoftheseekdistancerelationship.Thecircuitsimplifiestheperipheralcircuit,anymoreaccuratemeasurementscanbedone,becauseitisprogrammedoperation,itsportabilityandscalabilitybetter.Hoursofthedesign,thesub-moduledesigntoachievethefunctionofeach,andsimplifiesthedebuggingdifficultyinthedesignprocess.Keywords:UltrasonicRanging,MCUcontrol,LCD,alarmofdistance,linearregression目錄TOC\o"1-3"\h\u114461前言 3305771.1課題的研究背景和意義3293871.2課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀3197242總體方案設(shè)計(jì) 4318832.1超聲波測(cè)距的原理424882.2超聲波傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)圖4194343單元模塊設(shè)計(jì)5210153.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)5273363.2AT89S52型單片機(jī)介紹6304673.3各單元模塊的聯(lián)接829084軟件設(shè)計(jì)15285844.1軟件設(shè)計(jì)分析15147014.2軟件設(shè)計(jì)思路15102534.2.1主程序15103864.2.2超聲波測(cè)距子程序16289974.2.3超聲波延時(shí)子程序17271615系統(tǒng)調(diào)試18127415.1硬件調(diào)試188945.2硬軟件聯(lián)調(diào)1957675.3測(cè)試結(jié)果分析20321225.3.1測(cè)試波形20323645.3.2測(cè)試中儀器儀表21226315.3.3數(shù)據(jù)分析21310865.4超聲波測(cè)距誤差分析22310095.4.1溫度誤差22170575.4.2串?dāng)_問(wèn)題22311106結(jié)論2348926.1總結(jié)與體會(huì)23251436.2對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善提出意見(jiàn)或建議2323869附錄一、相關(guān)設(shè)計(jì)程序2616220附錄二、設(shè)計(jì)圖和ＰＣＢ3515069附錄三、實(shí)物圖36..1前言1.1課題的研究背景和意義超聲波是指頻率高于20KHz的聲波,屬于機(jī)械波的范疇,遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律,如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象,在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等,正是因?yàn)橛羞@些性質(zhì),使得超聲波可以用于距離的測(cè)量,隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,科技水平的不斷提高,電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛,超聲波測(cè)量精度高,成本低,性能穩(wěn)定則備受青睞,超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于人們生活和工作中。由于超聲波測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù),不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色的影響,比其他儀器更衛(wèi)生,具有不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、污水處理廠、食品、水文、等行業(yè)中,可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離的準(zhǔn)確度在線標(biāo)定,可直接用于水酒精、糖等液位控制,能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求。還可以用于移動(dòng)機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)中,這樣可使機(jī)器人自動(dòng)躲避障礙物行走,及時(shí)獲得障礙物的位置信息,同時(shí)超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些特點(diǎn),在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛應(yīng)用[1]。1.2課題的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國(guó)際國(guó)內(nèi),在超聲波測(cè)距方面的研究方向和水平的不同,主要體現(xiàn)在對(duì)測(cè)距原理、超聲波信號(hào)處理方法和超聲波測(cè)距處理器的選用上。常見(jiàn)的超聲波測(cè)距原理分為渡越時(shí)間法和相位差法兩種。信號(hào)的處理方法大致分為閾值檢驗(yàn)法、互相關(guān)延時(shí)估計(jì)法、偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測(cè)距法和最小均方法四種。在處理器方面大多以單片機(jī)為主,其中以51系列應(yīng)用最為廣泛,采用運(yùn)算速度更快,效率更高dsp芯片作為處理器,也正成為一個(gè)非?；钴S的研究方向。目前已研制的超聲波測(cè)距儀中,量程一般為3-12m,美國(guó)AIRMAR公司生產(chǎn)的airducerAR30超聲波傳感器的作用距離可達(dá)30m,但價(jià)格昂貴,準(zhǔn)確度方面已控制在測(cè)量誤差的0.4%左右,,與真值的差距在厘米級(jí)的范圍內(nèi),若采用互相關(guān)或偽隨機(jī)法,最高可控制在0.05m內(nèi),在提高精確度方面,超聲波測(cè)距還有很大的發(fā)展?jié)摿蜕仙臻g[2]。2總體方案設(shè)計(jì)2.1超聲波測(cè)距的原理諧振頻率高于20kHz的聲波稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式,頻率越高,反射能力越強(qiáng),而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性,常常用渡越時(shí)間檢測(cè)法進(jìn)行距離的測(cè)量。其工作原理是:換能器向介質(zhì)發(fā)射超聲波,聲波遇到目標(biāo)后必然有反射回波作用在換能器上。若已知介質(zhì)中聲速為c,回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射波時(shí)刻的時(shí)間差為t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與反射點(diǎn)的距離s:s=c.t/2<1>2.2超聲波傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)圖為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:即用電氣方式和機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。前者包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等;后者有加爾統(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,目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器,壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體諧振來(lái)工作的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1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(hào),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)它就是超聲波發(fā)生器;如沒(méi)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(hào),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[4]。共振板共振板電極壓電晶片圖1超聲波傳感器結(jié)構(gòu)以下為型號(hào)T/R40-10的超聲波傳感器的特性參數(shù)〔T--發(fā)射,R--接收,40--中心頻率單位kHZ,10--外殼直徑單位mm3單元模塊設(shè)計(jì)3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52,超聲波發(fā)射和接收電路都對(duì)相應(yīng)信號(hào)進(jìn)行整形及放大,以保證測(cè)量結(jié)果盡可能精確。超聲波模塊傳感器實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。整體電路如圖6：包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,顯示電路等模塊組成[8]。鍵盤鍵入估測(cè)范圍鍵盤鍵入估測(cè)范圍發(fā)射電路AT89C51接收電路發(fā)射電路AT89C51接收電路LED顯示電路LED顯示電路圖2.1工作原理超聲波測(cè)距器工作原理：打開(kāi)電源,整個(gè)電路通電,單片機(jī)執(zhí)行程序,對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化,設(shè)置定時(shí)器T0工作模式,啟動(dòng)T0,調(diào)用超聲波發(fā)生子程序,等待反射超聲波,計(jì)算距離,顯示距離；重復(fù)。工作過(guò)程中,相關(guān)的子程序和中斷程序被執(zhí)行,相應(yīng)硬件配合行動(dòng),顯示測(cè)量結(jié)果。3.2AT89S52型單片機(jī)介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造,與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程,亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上,擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash,使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash,256字節(jié)RAM,32位I/O口線,看門狗定時(shí)器,2個(gè)數(shù)據(jù)指針,三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外,AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作,支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下,RAM內(nèi)容被保存,振蕩器被凍結(jié),單片機(jī)一切工作停止,直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[5]。其引腳圖如圖3所示：P0口：P0口是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口,每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫"1"時(shí),引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下,P0不具有內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時(shí),P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí),輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí),需要外部上拉電阻。P1口：P1口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,p1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫"1"時(shí),內(nèi)部上拉電阻把端口拉高,此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。P2口：P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫"1"時(shí),內(nèi)部上拉電阻把端口拉高,此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR時(shí),P2口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中,P2口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用8位地址〔如MOVX@RI訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí),P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。在flash編程和校驗(yàn)時(shí),P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,p3輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫"1"時(shí),內(nèi)部上拉電阻把端口拉高,此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí),被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因,將輸出電流〔IIL。P3口亦作為AT89S52特殊功能〔第二功能使用。第二功能：P3.0RXD<串行輸入口>P3.1TXD<串行輸出口>P3.2INTO<外中斷0>P3.3INT1<外中斷1>P3.4TO<定時(shí)/計(jì)數(shù)器0>P3.5T1<定時(shí)/計(jì)數(shù)器1>P3.6WR<外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通>P3.7RD<外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通>圖3.13.3各單元模塊的聯(lián)接3.3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)該系統(tǒng)是以STC89C52型單片機(jī)為主體而搭建的,連接了外部矩陣鍵盤,1602型液晶,穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。1、單片機(jī)單片機(jī)的型號(hào)是STC89C52,其主要外部I/O連接如下：表3.11602顯示端口1602讀\寫控制程序燒寫P3.4口發(fā)波端P3.2接收端圖3.2、矩陣鍵盤鍵盤為4×4的矩陣鍵盤,每個(gè)按鍵功能和與單片機(jī)連接端口如下：圖3.3、液晶圖3.4使用1602型液晶,在不同的狀態(tài)下顯示不同的內(nèi)容：初始化：預(yù)設(shè)距離：測(cè)量中：測(cè)量失?。簣D、閃爍燈圖、程序燒寫模塊圖、蜂鳴器模塊圖3.8、穩(wěn)壓電源采用7805穩(wěn)壓芯片,增加了電源的穩(wěn)定性,降低功耗圖、測(cè)距模塊工作原理圖3.10采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距,給至少10us的高電平信號(hào)；模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波,自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；有信號(hào)返回時(shí),通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平,高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=〔高電平時(shí)間*聲速/2。引腳定義VCC供5V電源,TRIG觸發(fā)控制,信號(hào)輸入,ECHO回響信號(hào)輸出,OUT開(kāi)關(guān)量輸出〔當(dāng)報(bào)警模塊使用,GND為地線。工作時(shí)序圖圖3.11以上時(shí)序圖表明,只要提供一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號(hào),該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHZ周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到回波,信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)量的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。4軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)分析完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后,接下來(lái)的就是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì),此設(shè)計(jì)所需要完成的主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。由以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和各個(gè)電路功能,系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：1、信號(hào)控制。在系統(tǒng)硬件中,已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回?fù)軝z測(cè)接收電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中只需完成發(fā)射脈沖信號(hào)及輸出顯示。2、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。測(cè)距系統(tǒng)中需要得到發(fā)射信號(hào)與接收回波的時(shí)間差,需要讀出計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值,然后存儲(chǔ)在RAM中,而且每次發(fā)射周期的開(kāi)始,需要對(duì)計(jì)數(shù)器清零,以備后續(xù)處理。3、信號(hào)處理。RAM中存儲(chǔ)的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示出來(lái),有這個(gè)時(shí)間后,可以通過(guò)程序來(lái)計(jì)算出來(lái)。4、距離顯示。經(jīng)過(guò)軟件處理得到的距離值需要十進(jìn)制的數(shù)碼管方式。4.2軟件設(shè)計(jì)思路超聲波軟件測(cè)距軟件設(shè)計(jì)主要由主程序,發(fā)射子程序,外部中斷接收子程序及顯示子程序[12]。程序可以由匯編和C來(lái)編寫,匯編語(yǔ)言雖然有很高的效率和精確度,但使用起來(lái)比較難以掌握,本文主要采用C語(yǔ)言程序來(lái)完成各個(gè)功能。主程序主程序流程圖如圖14所示。主程序首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化,設(shè)置T0工作模式為16位的定時(shí)器模式,及計(jì)數(shù)初值,然后使超聲波發(fā)射出一串40kHZ的方波。由于采用12MHZ的晶振,機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后,將計(jì)數(shù)器T0的數(shù)〔即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間按公式計(jì)算可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,測(cè)出距離后結(jié)果在液晶屏顯示,然后再循環(huán)進(jìn)行下一次距離的測(cè)量。當(dāng)所測(cè)距離超出設(shè)置的最大距離后報(bào)警器會(huì)報(bào)警。開(kāi)始開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化調(diào)用測(cè)距子程序調(diào)用測(cè)距子程序計(jì)算測(cè)量結(jié)果計(jì)算測(cè)量結(jié)果調(diào)用顯示子程序調(diào)用顯示子程序結(jié)束結(jié)束圖超聲波測(cè)距子程序超聲波發(fā)射子程序在P3.7口產(chǎn)生40kHZ方波脈沖寬度約12us,作為超聲波發(fā)射器的輸出信號(hào)。一旦接收到超聲波返回信號(hào)后〔INT0引腳出現(xiàn)低電平,就立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉定時(shí)器,T0停止計(jì)時(shí),并將接收到的標(biāo)志位為1,,然后在主函數(shù)里調(diào)用計(jì)算距離公式,在顯示出來(lái)。流程圖如圖15：開(kāi)始開(kāi)始發(fā)射超聲波發(fā)射超聲波啟動(dòng)時(shí)鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)啟動(dòng)時(shí)鐘開(kāi)始計(jì)時(shí)N外部0是否有中斷N外部0是否有中斷Y時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)Y時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)計(jì)算檢測(cè)結(jié)果計(jì)算檢測(cè)結(jié)果返回返回圖超聲波延時(shí)子程序在傳感器以脈沖發(fā)射方式工作下,電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分,此時(shí),在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低,甚至沒(méi)有放大作用,這種現(xiàn)象成為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞XX不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量會(huì)使結(jié)果偏低,甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物,這是需要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度,加上放大器有阻塞問(wèn)題,在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi),所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn),這段時(shí)間成為盲區(qū)。延時(shí)子程序的作用就是在超聲波發(fā)射的同時(shí)延遲一些時(shí)間,在打開(kāi)中斷,為了就是防止在超聲波發(fā)射時(shí)接收器就收到發(fā)射波,這樣就會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤,產(chǎn)生比較嚴(yán)重的誤差,所以要延遲一定的時(shí)間。5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試超聲波測(cè)距儀的硬件安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行兩者之間的距離在3-5cm之內(nèi),其余元件沒(méi)有特殊要求。若能將超聲波電路用金屬殼屏蔽起來(lái),可以提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同,可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容的大小,以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件調(diào)試中,首先是線路的檢查。焊接完實(shí)驗(yàn)后檢查是否有錯(cuò)焊、漏焊、虛焊,電解電容是否接反,走線是否正確。檢查無(wú)誤后,再次就是上電檢查,在正式上電前,用萬(wàn)用表測(cè)量一下電源與地是否短路,短路的話,要耐心檢查、排除故障。然后進(jìn)行顯示電路,用同樣的方法對(duì)顯示部分進(jìn)行調(diào)試后,給單片機(jī)與1602液晶之間進(jìn)行調(diào)試。最后是對(duì)發(fā)射和接收電路,用函數(shù)發(fā)生器吧40kHZ的方波直接加到發(fā)射電路的輸入端后,用示波器檢測(cè)超聲波發(fā)射的換能器,檢差是不是有方波信號(hào),再用函數(shù)發(fā)生器對(duì)超聲波接收的換能器直接加40kHZ的方波信號(hào),用示波器對(duì)接收電路輸出端進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)這些過(guò)程,硬件部分的調(diào)試就基本完成了,剩下的就只有軟件和硬件的聯(lián)調(diào)了。5.2硬軟件聯(lián)調(diào)硬件測(cè)試好后,便可將程序編譯下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間,以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序,測(cè)距儀能測(cè)的范圍為0.04～2.10m,測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析,不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。圖17為在keil_uVision3里編譯的情況：圖5.15.3測(cè)試結(jié)果分析測(cè)試波形圖18、19中的波形為示波器抓拍的發(fā)射和接收電路中所得的波形圖,上方的波形為發(fā)射電路中所得的波形圖,下方的波形為接收電路中在cx20106的1引腳處測(cè)得波形。圖5.2圖5.3由上圖可見(jiàn),接收回路中測(cè)得的超聲波信號(hào)共有兩個(gè)波束,第一個(gè)波束為余波信號(hào),即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號(hào)〔一組40KHz的脈沖后,馬上就接收到了超聲波信號(hào),并持續(xù)一段時(shí)間。另一個(gè)波束為有效信號(hào),即經(jīng)過(guò)被測(cè)物表面反射的回波信號(hào)。超聲波測(cè)距時(shí),需要測(cè)的是開(kāi)始發(fā)射到接收到信號(hào)的時(shí)間差,由上圖中就可看出,需要檢測(cè)的有效信號(hào)為反射物反射的回波信號(hào),故要盡量避免檢測(cè)到余波信號(hào),這也是超聲波檢測(cè)中存在最小測(cè)量盲區(qū)的主要原因。測(cè)試中儀器儀表所用儀器儀表如表5.1表序號(hào)名稱型號(hào)品牌數(shù)量備注1直尺//1精度：0.1cm2萬(wàn)用表//13數(shù)字示波器GDS-206215.3.3數(shù)據(jù)分析基于上面設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件,焊接好電路后,經(jīng)過(guò)調(diào)試,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試的距離數(shù)據(jù)如表2。測(cè)量單位：cm。表5.2單位：cm實(shí)際距離5102021253035405060測(cè)量距離592020253134384960誤差0101011210實(shí)際距離708994105115120140180195200測(cè)量距離719091109118118140183194200誤差11343203105.4超聲波測(cè)距誤差分析超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用也有局限性,其中對(duì)超聲波測(cè)距的精度要求挺高。一是超聲波在空氣中衰減極大,因?yàn)闇y(cè)量距離的不同,造成回波信號(hào)的起伏,使回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生了較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過(guò)程中展寬,影響了測(cè)距的分辨率,尤其是對(duì)近距離造成較大的影響,還有一些因素,諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定地影響,這些因素都限制了超聲波測(cè)距在一些對(duì)測(cè)距精度要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用,如何解決這些問(wèn)題,提高超聲波測(cè)距的精度,具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[13]。本系統(tǒng)最大測(cè)距誤差在3cm左右,測(cè)距的盲區(qū)為5cm。5.4.1溫度誤差由于超聲波也是一種聲波,其聲速c與溫度有關(guān),不同溫度下超聲波在空氣中傳播的速度隨溫度變化的關(guān)系：式中：T為絕對(duì)溫度〔℃,為331.4m/s。表3列出了不同溫度下的超聲波聲速。在使用時(shí),若果溫度變化不大,則可以認(rèn)為聲速是基本不變的,如果測(cè)距精度要求很高,則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ齕14]。表串?dāng)_問(wèn)題設(shè)計(jì)中發(fā)射極和接收極距離較近,這樣當(dāng)發(fā)射極發(fā)射超聲波后,有部分超聲波經(jīng)過(guò)障礙物反射就直接繞射到接收極上,這部分信號(hào)時(shí)無(wú)用的,會(huì)引起系統(tǒng)誤差,而且這種誤差是不可避免的。設(shè)計(jì)中采用延時(shí)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題,經(jīng)過(guò)多次程序校正本設(shè)計(jì)的盲區(qū)為5cm[13]。6結(jié)論6.1總結(jié)與體會(huì)在設(shè)計(jì)之前,參考了許多相關(guān)的資料。在設(shè)計(jì)中又參考了網(wǎng)上的相關(guān)超聲波測(cè)距儀資料,有了基本的思路。但著手設(shè)計(jì)時(shí),又出現(xiàn)了許多未預(yù)料到的問(wèn)題,例如元件的選擇：在選擇方案時(shí)最初選擇了用分立元件搭建,但是在調(diào)試過(guò)程中遇到了問(wèn)題,發(fā)射端和接收端都正常工作,但是在處理接收端信號(hào)時(shí)由于CX1206芯片太為敏感,一直不能給出中斷低電平,后改方案為全部用分立元件搭建,其中涉及到前級(jí)放大,帶通濾波,后級(jí)放大比較,調(diào)試也沒(méi)能完成,因此暫時(shí)放棄了此方案。選擇了用超聲波模塊傳感器,在調(diào)試過(guò)程中就顯得容易了許多。在顯示問(wèn)題上,由于要顯示字母和數(shù)字,因此選擇了用1602液晶顯示屏。為使單片機(jī)正常工作,電源選擇了用7805穩(wěn)壓芯片,使用9V干電池供電,達(dá)到了便攜的效果。在一些設(shè)計(jì)原理上也遇到了許多問(wèn)題。如在中斷程序和時(shí)鐘編寫上。還有就是在PCB制圖和焊接上出現(xiàn)一些錯(cuò)誤,經(jīng)同學(xué)以及老師的指證,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通的原因,并及時(shí)的改正?？傊?這次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我受益匪淺,培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維,增加了動(dòng)手操作的能力。更讓我體會(huì)到實(shí)現(xiàn)電路功能喜悅。6.2對(duì)設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善提出意見(jiàn)或建議本次設(shè)計(jì)還是有許多的不足之處,比如說(shuō)本次設(shè)計(jì)的測(cè)距儀測(cè)距范圍還不是特別大,只有0-5.4m,測(cè)量精度還不是很高,在兩米以內(nèi)為2厘米誤差,而之后誤差會(huì)隨著測(cè)量距離的增加而增加,比如在五米時(shí)誤差達(dá)到10厘米。在設(shè)計(jì)上我們還可以做成更小更便攜,比如在器件的選擇可以改用貼片,處理器可以用430類似的低功耗單片機(jī),達(dá)到節(jié)能的目的,還可以加上無(wú)線通信功能,只需給設(shè)備發(fā)條短信,就可以知道測(cè)量的數(shù)據(jù)。只是由于時(shí)間以及個(gè)人的能力問(wèn)題我們暫時(shí)還難以設(shè)計(jì)出這樣的電路,者就有待于今后我們?cè)趯W(xué)習(xí)中認(rèn)真領(lǐng)悟、參透。7致謝在這里,我對(duì)我們的帶課老師卜云老師表示衷心的感謝。卜老師在這次課程設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我們的全方位的指導(dǎo),是我們這次課程設(shè)計(jì)取得成功的根本保證。卜老師對(duì)這次課程設(shè)計(jì)抱著認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度,他極力做好安排、指導(dǎo)、答辯等各個(gè)環(huán)節(jié),只為我們能通過(guò)這兩周的課程設(shè)計(jì)學(xué)到更多知識(shí),更快地提高我們的能力。在卜老師的指導(dǎo)下,我學(xué)到了很多平時(shí)沒(méi)有學(xué)到的東西,尤其是學(xué)到了很多依托我們的專業(yè)知識(shí)在實(shí)際生活中廣泛應(yīng)用的東西。另外,我還要感謝學(xué)校能安排這次課程設(shè)計(jì),為我們熟悉我們的專業(yè)相關(guān)提供了平臺(tái)。當(dāng)然,這次課程設(shè)計(jì)能取得成功,還少不了我們組幾個(gè)同學(xué)的通力合作,大家在設(shè)計(jì)中獻(xiàn)言獻(xiàn)策,不積極發(fā)揮著個(gè)人的聰明與才智。8參考文獻(xiàn)[1]孟立凡等.傳感器原理及技術(shù)[M],北京,國(guó)防工藝出版社,2005.[2]楊永瑞,劉振起.電子測(cè)量技術(shù)基礎(chǔ)[M],XX：XX電子科技大學(xué)出版社,2004.[3]欒桂東等.傳感器及其應(yīng)用[M],XX,XX電子科技大學(xué)出版社,1996.[4]王子芳.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M],XX,西北工業(yè)大學(xué)出版社,1996.[5]張國(guó)勛,孫海.單片機(jī)原理及應(yīng)用〔第二版[M],北京：中國(guó)電力出版社,2007.[6]朱愛(ài)紅,朱寧文.基于AT89C2051的超聲波測(cè)距系統(tǒng)[J],信息技術(shù)與信息化,2006,No.5.[7]翁黎朗.超聲波換能器驅(qū)動(dòng)和接收電路的研究[J],集美大學(xué)學(xué)報(bào),白然科學(xué)版,1998,No.4:60-64.[8]趙廣濤,程蔭杭.基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J],微計(jì)算機(jī)信息,2006,No.1:129-131.[9]卜英勇,何永強(qiáng).一種高精度超聲波測(cè)距儀測(cè)量精度的研究[J],XX大學(xué)學(xué)報(bào)<工學(xué)版>,2006,No.1.[10]張謙琳.超聲波檢測(cè)原理和方法[M],北京：中國(guó)科技大學(xué)出版社,1993.[11]翟國(guó)富,劉茂愷.一種實(shí)時(shí)高精度的機(jī)器人用超聲波測(cè)距處理方法[J],應(yīng)用聲學(xué),1996,No.1.[12]譚浩強(qiáng).Ｃ程序設(shè)計(jì)〔第二版[M],北京：清華大學(xué)出版社,1999.[13]張紅蓮.基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].Plc&TA.2008<09>：89-91.[14]ShirleyPA.Anintroductiontoultrasonicsensing[J].sensors.1989<11>:15-21.[15]H.Elmer,H.Schweinzer,G.Magerl.HighresolutionSupersonicdistancesmeasurementforlongdistances[J].TechnischesMessen.2003,70<04>:18-22.附錄一、相關(guān)設(shè)計(jì)程序/*******************************************************基于stc89c52的超聲波測(cè)距儀********************編寫日期：20XX4月05日***********************改寫日期：20XX5月30日***************/#include<reg52.h>#defineuintunsignedint#defineucharunsignedcharsbitRS=P2^0;//寄存器選擇位,將RS位定義為P1.0引腳sbitRW=P2^1;//讀寫選擇位,將RW位定義為P1.1引腳sbitE=P2^2;//使能信號(hào)位,將E位定義為P1.2引腳sbitsend=P3^4; //發(fā)波位sbitLED1=P3^5;sbitLED2=P2^3;sbitbeep=P3^6;ucharflag=0,counter=0,mov=0;ucharcodenum[]="0123456789";ucharcodetable1[]="distance:";ucharcodetable2[]="SET:";ucharcodetable3[]="cm";ucharcodetable4[]="TestFail!";ucharcodetable5[]="Welcomtoyou!";/****************************************************函數(shù)功能：延時(shí)若干微秒***************************************************/voiddelay<uintz>{ uintx,y; for<x=z;x>0;x--> for<y=600;y>0;y-->;}voiddelaynus<uintz>{ uintx,y; for<y=5;y>0;y--> for<x=z;x>0;x-->; }voiddelay_key<>{ uintx,y; for<x=100;x>0;x--> for<y=180;y>0;y-->;}/****************************************************函數(shù)功能：寫指令***************************************************/voidwrite_com<ucharcom>{ RS=0; RW=0; E=0; P0=com; delay<1>; E=1; delay<1>; E=0;}/****************************************************函數(shù)功能：寫數(shù)據(jù)***************************************************/voidwrite_data<ucharda>{ RS=1; RW=0; E=0; P0=da; delay<1>; E=1; delay<1>;E=0; //從1跳變到0,液晶開(kāi)始執(zhí)行命令}/**********************************************函數(shù)功能：4*4鍵盤掃描程序。進(jìn)行鍵盤掃描,P1口***********************************************/ucharkeyscan<void>{ uchartemp,i,key_val; while<1> { P1=0x0f; if<P1!=0x0f> { delay_key<>; if<P1!=0x0f> {P1=0xef; //要檢測(cè)列輸入狀態(tài),低四位置1 for<i=0;i<4;i++> { temp=P1&0x0f; switch<temp> { case0x0e: key_val=0; break; case0x0d: key_val=1; break; case0x0b: key_val=2; break; case0x07: key_val=3; break; } if<temp!=0x0f> return<i*4+key_val>; P1=P1<<1|0x01; } } } } }/****************************************************函數(shù)功能：初始化LCD***************************************************/voidinitLCD<>{ write_com<0x38>; write_com<0x0c>; write_com<0x06>;write_com<0x01>; //清屏write_com<0x80>; //歸位}/****************************************************函數(shù)功能：顯示預(yù)設(shè)距離***************************************************/voiddisplay_mun<uchartemp>{ ucharcodetable[]={ 0x4a,0x4b,0x4c, }; write_com<0x80+table[mov++]>; write_data<num[temp]>; if<mov==3> mov=0;}/****************************************************函數(shù)功能：顯示距離***************************************************/voiddisplay_distance<uinttemp>{uintbai,shi,ge; bai=temp/100; shi=temp%100/10; ge=temp%10; write_com<0x80+0x0a>; write_data<num[bai]>; write_com<0x80+0x0b>; write_data<num[shi]>; write_com<0x80+0x0c>; write_data<num[ge]>; }/****************************************************函數(shù)功能：顯示字符串***************************************************/voiddisplay_string<ucharadr,uchara[]>{ uchar*p=a; delay<4>; write_com<0x80+adr>;while<*p!='\0'> { write_data<*p>; p++; }}voidinit_t0<void>{ TMOD=0x12; TH0=256-12.5; TL0=256-12.5; ET0=1;}voidinit_t1<void>{ TMOD=0x12; TH1=0; TL1=0; ET1=1;}voi