基于單片機的倒車雷達設計

畢業(yè)設計〔論文〕題目：基于單片機的倒車雷達設計系〔院〕：工業(yè)與信息化學院專業(yè)：電氣自動化技術(shù)姓名：學號：校內(nèi)指導教師：職稱：講師摘要隨著社會經(jīng)濟的開展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量大幅攀升。交通擁擠狀況也日益嚴重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可防止的人生傷亡和經(jīng)濟損失，針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞預警系統(tǒng)勢在必行，超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，本文介紹的就是利用超聲波測距法設計的一種倒車防撞報警系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)核心局部就是超聲波測距儀的研制。因此，設計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。本設計采用以AT89C51單片機為核心的低本錢、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計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此根底上設計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)局部附有硬件電路圖、程序流程圖。設計通過多種發(fā)射接收電路設計方案比擬，得出了最正確設計方案，并對系統(tǒng)各個單元的原理進行了介紹。對組成系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過對系統(tǒng)的誤差分析，給出了較完善的方案。關(guān)鍵詞單片機倒車雷達超聲波\目錄第1章課題設計11.1課題設計的目的及意義1設計的目的1設計的意義11.2超聲波測距系統(tǒng)的設計思路1超聲波測距原理1超聲波測距原理框圖2第2章課題的方案設計與論證32.1系統(tǒng)整體方案的設計32.2系統(tǒng)整體方案的論證3第3章系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計43.151系列單片機的功能特點及測距原理43.1.151系列單片機的功能特點43.1.2單片機實現(xiàn)測距原理53.2超聲波發(fā)射電路的設計63.3超聲波接收電路的設計73.4超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計8第4章系統(tǒng)軟件的設計94.1超聲波測距儀的算法設計94.2主程序流程圖94.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序114.4系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試11第5章系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析125.1調(diào)試步驟12我的錯誤與糾正12調(diào)試準備125.2調(diào)試現(xiàn)象165.3誤差分析185.3.1性能分析185.3.2誤差分析19第6章結(jié)論21致謝23參考文獻24附錄25第1章課題設計思路1.1課題設計的目的及意義1.1.1設計的目的隨著科學技術(shù)的快速開展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃開展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領域。展望未來，超聲波測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開展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向開展，以滿足日益開展的社會需要，如倒車雷達，工地及工業(yè)現(xiàn)場，聲納探測等方面都有其廣泛的應用，經(jīng)濟，軍事，文化方面都有重要的應用價值。毋庸置疑，未來的超聲波測距儀將于自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。隨著測距儀的技術(shù)進步，測距儀從具有單純判斷動能，開展到具有學習功能，最終開展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.1.2設計的意義隨著社會飛速開展，人們生活水平的不斷提高，汽車愈來愈成為人們不可缺少的最常用的交通工具，交通平安問題變的日益嚴重。而通過研究汽車倒車雷達系統(tǒng)，可以到達很高的采集速率和精度。汽車倒車時可以檢測車輛后面的障礙物、并顯示其距離，至危險區(qū)域后會自動報警。本設計綜合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等知識，設計利用單片機控制的汽車倒車雷達超聲波測距系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車倒車的平安保障，這就是我設計的意義。1.2超聲波測距系統(tǒng)的設計思路1.2.1超聲波測距原理超聲波測距的原理一般采用渡越時間法TOF(timeoffilght)。它通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差T，然后求出距離S。一般采用渡越時間發(fā)：即S=CT/2，其中S為測量點與被測物體之間的距離，C為聲波在介質(zhì)〔此處指空氣〕中的傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時間間隔 。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米/秒。下表列出了幾種溫度下的聲速關(guān)系：表1-1超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度〔℃〕-30-20-100102030100聲速〔m/s〕313319325323338344349386在進行計算時，如果溫度變化不大，那么可認為聲速C是根本不變的，計算時取C為340M/S1.2.2超聲波測距原理框圖超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時器單片機控制顯示器圖1-1超聲波測距儀原理框圖單片機發(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)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。第2章課題的方案設計與論證2.1系統(tǒng)整體方案的設計由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比擬方便，計算處理也較簡單，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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本設計屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。利用超聲波測距原理，測量汽車倒車時的平安距離，當車輛與前方車輛的距離小于平安距離時，發(fā)出聲光報警，并顯示車輛與前方車輛的距離，提醒駕駛員及時采取減速、制動等措施，從而到達防止車輛與前方車輛的碰撞等事故。整個系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51單片機控制系統(tǒng)、距離顯示等設備組成。2.2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)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實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；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。本設計采用反射波方式。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會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的上下成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。第3章系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設計硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三局部。單片機采用AT89C51單片機。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用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。3.151系列單片機的功能特點及測距原理3.1.151系列單片機的功能特點51系列單片機中典型芯片(AT89C31)采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時／計數(shù)器TO和T1，4個8b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的Flash可編程、可擦除只讀存儲器(E~PROM)，使其在實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系列單片機提供以下功能：4kB存儲器；256BRAM；32條工／O線；2個16b定時／計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時／計數(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，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低本錢的解決方法。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統(tǒng)該系列單片機引腳與封裝如圖3-1所示。圖3-151系列單片機封裝圖5l系列單片機提供以下功能：4kB存儲器；256BRAM；32條工／O線；2個16b定時／計數(shù)器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。空閑方式：CPU停止工作，而讓RAM、定時／計數(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，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。5l系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低本錢的解決方法。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統(tǒng)。3.1.2單片機實現(xiàn)測距原理單片機發(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)射和接收回波的時間差t，然后求出距離S＝Ct／2，(C為超聲波波速)。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在4個因素：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。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速C與溫度有關(guān)。3.2超聲波發(fā)射電路的設計超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3-2所示。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P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。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，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當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，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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，使用時應分清器件上的標志。圖3圖3-2超聲波發(fā)射電路原理圖3.3超聲波接收電路的設計集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，因為當CX20106A接受到40KHZ的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入，可以利用它制作超聲波接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖3-3超聲波接收電路3.4超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用AT89C51，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有4K的ROM，便于編程。超聲波測距電路原理圖第4章系統(tǒng)軟件的設計超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、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。C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序那么具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，在超聲波測距儀的程序設計中,計算距離時較為復雜，程序運行時間的計算又較為精細，控制程序的編程只使用一種語言編寫并不理想,所以該程序采用C語言和匯編語言混合編程。

4.1超聲波測距儀的算法設計超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個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。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：

d=s/2=(c×t)/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間。

在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷效勞子程序，讀取時間差，計算距離。4.2主程序流程圖軟件分為兩局部，主程序和中斷效勞程序，如圖4-1〔a〕〔b〕(c)所示。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。定時中斷效勞子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷效勞子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。圖4-1超聲波測距系統(tǒng)的的軟件設計主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設置定時器T0工作模式為16位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P1清0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了防止超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時約0.1ms〔這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因〕后，才翻開外中斷0接收返回的超聲波信號。由于采用的是12MHz的晶振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是1μs，當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數(shù)器T0中的數(shù)〔即超聲波來回所用的時間〕按式計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設計時取20℃時的聲速為344m/s那么有：d=(c×t)/2=172T0其中，T0為計數(shù)器T0的計算值。測出距離后結(jié)果將以十進制BCD碼方式送往LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。

4.3超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過P1.0端口發(fā)送2個左右超聲波脈沖信號〔頻率約40kHz的方波〕，脈沖寬度為12μs左右，同時把計數(shù)器T0翻開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準確，所以采用匯編語言編程。超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號〔即INT0引腳出現(xiàn)低電平〕，立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，那么定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。4.4系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比擬簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT40-10F1〔T發(fā)射〕和TCT40-10S1〔R接收〕，中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。假設能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，那么可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得適宜的接收靈敏度和抗干擾能力。

硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實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量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據(jù)所設計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.07～5.5m，測距儀最大誤差不超過1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應對測量誤差和重復一致性進行屢次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其到達實際使用的測量要求。第5章系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析5.1調(diào)試步驟我的步驟是先焊接各個模塊，焊接完每個模塊以后，再進行模塊的單獨測試，以確保在整個系統(tǒng)焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的AT89S51機裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復移動，看數(shù)碼管的顯示結(jié)果會不會變化，在測量范圍內(nèi)能否正常顯示。如果一直顯示“---〞，那么需將下限值增大。本測距板1s測量4-5次，超聲波發(fā)送功率較大時，測量距離遠，那么相應的下限值〔盲區(qū)〕應設置為高值。試驗板中的聲速沒有進行溫度補償，聲速值為340m/s，該值為15℃注：由于條件原因調(diào)試時無法提供6V交流電與5V雙USB接口線，所以由4.5V干電池與5V實驗室穩(wěn)壓電源代替。我的錯誤與糾正當我焊接好元器件，檢查無短路后，我接通了電源。當時的現(xiàn)象是：接通電源瞬間顯示“---〞伴隨蜂鳴器一聲“滴〞蜂鳴，接著LED顯示三個“CCC〞,并伴隨間斷蜂鳴，此為超出最大探測范圍。調(diào)節(jié)下限值無變化。錯誤1：斷電后我重新按照原理圖對各個元器件焊腳進行對照。發(fā)現(xiàn)除了BG1外其它元器件焊腳焊接正確，BG1的“E〞腳和“C〞腳焊接錯誤。糾正：拆下BG1檢查未被擊穿后重新按照正確的焊腳分部焊接。錯誤2：接通電源重新調(diào)試卻發(fā)現(xiàn)任就是之前的現(xiàn)象。斷電后我重新按照原理圖進行排故。因為錯誤1的緣故元器件已經(jīng)檢查過焊腳無錯誤，所以我按照原理圖檢查元器件的名稱標識，發(fā)現(xiàn)BG2、BG9兩個三極管分別是9013和9012，而焊接是卻焊接成了9012和9013.糾正：拆下BG2、BG9檢查未被擊穿后重新按照正確名稱標識焊接。接通電源能正常工作...調(diào)試準備調(diào)試時由于沒有皮尺和米尺所以本人以白紙粘貼起來做成55cm的簡易倒車帶如下列圖所示：在簡易倒車帶最前方有0.8cm的空白區(qū)域?qū)⒑喴椎管噹ё钋胺椒庞谡系K物前〔墻角〕5.2調(diào)試現(xiàn)象本設計為汽車倒車雷達因此將雷達至于小車上模擬汽車倒車。在50cm以上時無報警圖5-1在50cm以上時無報警小于50cm時蜂鳴器報警圖5-2小于50cm時蜂鳴器報警3、小于40cm時顯示“---〞即盲區(qū)圖5-3小于40cm時顯示“---〞即盲區(qū)5.3誤差分析雖然在簡易倒車帶最前端有0.8cm的空白距離，但是雷達在50cm〔50.8cm〕時顯示的是51cm，在45cm〔45.8cm〕不到處卻顯示45cm。如圖5-1、5-2。因此本雷達存在誤差。性能分析從實物測試的總體來說本測距板根本上到達了要求，理想上超聲波測距能到達500到700cm左右，而我所能實現(xiàn)的最大距離只有664cm左右，測量結(jié)果受環(huán)境溫度影響。分析原因如下：1.超聲波發(fā)射部份由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構(gòu)成，以提高超聲波的發(fā)射功率，從面提高測量距離。這種方式，加大的超聲波了送頭的余振時間，造成超聲波測距盲區(qū)值較大〔本系統(tǒng)盲區(qū)值為40厘米〕。2.本測距板沒有設計溫度補償對測量結(jié)果進行修正。但在硬件的PCB上預留的位置。誤差分析超聲波測距由于其再使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡單本錢低，在機器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應用。在原理上將，超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，在超聲波聲速的前提下，可計算被測物的距離H，即：H=vt/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間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響?！?〕溫度對超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有對抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體對抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響?！?〕超聲波回波聲強影響超聲波回波聲強與被測物得距離有由直接的關(guān)系，實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過根據(jù)測量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)以及動態(tài)調(diào)整比擬電壓來減小這種誤差。〔3〕電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會造成測量誤差，主要表現(xiàn)為：①啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差。這是源于單片機一次只能處理一件事，所以啟動發(fā)射和啟動計時實際上不能同時完成，是先后完成的，存在時差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。②收到回波到被檢測出的滯后。這是源于檢測電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實際回波到電路確認并輸出相應信號肯定存在滯后，這和回波信號強弱、檢測電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測距的核心。③收到中斷到中斷響應停止計時之間的滯后。這是源于單片機的中斷機制。收到中斷信號后，單片機不可能立刻響應，至少要完成當前的指令，有時還要等待其它中斷效勞結(jié)束，所以這個滯后時間也不確定，從而導致測量結(jié)果的變化。但這個因素可以通過提高單片機速度，使用高優(yōu)先級中斷。④計時器本身的誤差。這是源于計時器本身。由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準確度為20-50PPM級別，對于音速而言，其帶來的誤差在mm級。為減小此項誤差，應該提高計時的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差。同時選用質(zhì)量好的晶振?！?〕超聲波波速入射角影響超聲波波束入射角也會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，由于系統(tǒng)是用來測量點和面的距離，那么被測物外表，超聲波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個角度不是0度，系統(tǒng)測量到的距離是被測物與接收探頭之間的距離而不是和測量參考面之間的距離，這就會造成測量誤差?！?〕超聲波傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響制作超聲波傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測距常用壓電材料制作的傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當壓電材料不受外力時，其應變S與外加電場強度E的關(guān)系為： S=dE其中d為應變電場常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波的回波幅值。所以，為了提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。第6章結(jié)論由于時間和其它客觀上的原因，此次設計沒有做出實物。但是對設計有一個很好的理論根底。設計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實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；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。此次設計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括AT80C51單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三局部。單片機采用AT89C51其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用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。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P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換形式將方波信號加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。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，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當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，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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，使用時應分清器件上的標志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、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語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序那么具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復雜的計算〔計算距離時〕，又要求精細計算程序運行時間〔超聲波測距時〕，所以控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號〔即INT0引腳出現(xiàn)低電平〕，立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，那么定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。

前方測距電路的輸出端接單片機INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機INT1端口，同時單片機P1.3和P1.4接到IC3A的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個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。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷效勞子程序，讀取時間差，計算距離。在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試應該不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調(diào)試應該會正常工作。電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C0的大小，以獲得適宜的接收靈敏度和抗干擾能力。致謝首先，我要感謝我的導師王愷老師在畢業(yè)設計中對我給予的悉心指導和嚴格要求，同時也要感謝學校其他老師在我畢業(yè)設計中給我的幫助和支持。在我畢業(yè)論文設計期間，各位老師在無論是在生活還是專業(yè)知識上都給我提供了很大的幫助。在你們的幫助和關(guān)心，我才得以順利的完成我的畢業(yè)設計，借此時機，向各位老師表示由衷的感其次，我還要感謝畢業(yè)小組的各位成員。在畢業(yè)設計的短短幾月里，你們無私的向我提出很多珍貴的意見，給了我不少幫助，在此也衷心的謝謝你們。最后我要感謝我親愛的家人，是他們默默的支持我，鼓勵我，在我成長和求學的道路上為我指明前進的方向，在生活和學習上給予我無私的愛，是我有信心面對一切，走出大學的校園，踏上社會的征途。在此，對于給予我?guī)椭娜?，我無法一一列舉，在此一并對你們表示真心的謝意。參考文獻[1].單片機原理及其接口，胡漢才，北京，清華大學出版社，2004.2〔第2版〕[2].基于DSP的多超聲測距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。葉濤，陳紅軍，楊國勝，侯增廣，譚民，電子技術(shù)應用，2004；12:28[3].李華.MCU-51系列單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學出版社，1993.6[4].陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大學出版社，1999.4[5].蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社，1993.7[6].梁立編.程序設計根底與C語言.陜西：西安電子科技大學出版社，1998[7]李瀚蓀.《電路分析根底》[M].北京：高等教育出版社，2006[8]楊志忠.《數(shù)字電子技術(shù)根底》[M].北京：高等教育出版社，2004[9]華成英.《模擬電子技術(shù)根底》[M].北京：高等教育出版社，2006[10]鄭郁正.《單片機原理及應用》[M].成都：四川大學出版社，2023附錄程序清單#include<REG2051.H>#definek1P3_4

#definecsbout

P3_5

//超聲波發(fā)送

#definecsbint

P3_7

//超聲波接收

#definecsbc=0.034

#definebg

P3_3

unsignedcharcsbds,opto,digit,buffer[3],xm1,xm2,xm0,key,jpjs;//顯示標識

unsignedcharconvert[10]={0x3F,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};//0~9段碼

unsignedints,t,i,xx,j,sj1,sj2,sj3,mqs,sx1;

bitcl;

voidcsbcj();

voiddelay(j);

//延時函數(shù)

voidscanLED();

//顯示函數(shù)

voidtimeToBuffer();

//顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)

voidkeyscan();

voidk1cl();

voidk2cl();

voidk3cl();

voidk4cl();

voidoffmsd();

voidmain()

//主函數(shù)

{

EA=1;

//開中斷

TMOD=0x11;

//設定時器0為計數(shù)，設定時器1定時

ET0=1;

//定時器0中斷允許

ET1=1;

//定時器1中斷允許

TH0=0x00;

TL0=0x00;

TH1=0x9E;

TL1=0x57;

csbds=0;

csbint=1;

csbout=1;

cl=0;

ōpto=0xff;

jpjs=0;

sj1=45;

sj2=200;

sj3=400;

k4cl();

TR1=1;

while(1)

{

keyscan();

if(jpjs<1)

{

csbcj();

if(s>sj3)

{

buffer[2]=0x76;

buffer[1]=0x76;

buffer[0]=0x76;

}

elseif(s<sj1)

{

buffer[2]=0x40;

buffer[1]=0x40;

buffer[0]=0x40;

}

elsetimeToBuffer();

}

elsetimeToBuffer();

//將值轉(zhuǎn)換成LED段碼

offmsd();

scanLED();

//顯示函數(shù)

if(s<sj2)

bg=0;

bg=1;

}

}

voidscanLED()

//顯示功能模塊

{

digit=0x04;

for(i=0;i<3;i++)

//3位數(shù)顯示

{

P3=~digit&opto;

//依次顯示各位數(shù)

P1=~buffer;

//顯示數(shù)據(jù)送P1口

delay(20);

//延時處理

P1=0xff;

//P1口置高電平〔關(guān)閉〕

if((P3&0x10)==0)

//判斷3位是否顯示完

key=0;

digit>>=1;

//循環(huán)右移1位

}

}voidtimeToBuffer()

//轉(zhuǎn)換段碼功能模塊

{

xm0=s/100;

xm1=(s-100*xm0)/10;

xm2=s-100*xm0-10*xm1;

buffer[2]=convert[xm2];

buffer[1]=convert[xm1];

buffer[0]=convert[xm0];

}voiddelay(i)

{

while(--i);

}voidtimer1int(void)

interrupt3

using2

{

TH1=0x9E;

TL1=0x57;

csbds++;

if(csbds>=40)

{

csbds=0;

cl=1;

}

}voidcsbcj()

{

if(cl==1)

{

TR1=0;

TH0=0x00;

TL0=0x00;

i=10;

wh