超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

專(zhuān)業(yè)課綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)PAGEPAGE3專(zhuān)業(yè)課綜合課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)PAGE1目錄1緒論 31.1課題研究背景 31.2課題設(shè)計(jì)目的及意義 31.3課題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 32方案選擇的論證和選擇 52.1設(shè)計(jì)方案一 52.2設(shè)計(jì)方案二 52.3方案設(shè)計(jì)三 63 設(shè)計(jì)原理 74 硬件設(shè)計(jì) 84.1整體電路設(shè)計(jì) 84.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 94.2.1超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng) 94.2.2超聲波發(fā)射與接收裝置 104.3顯示電路設(shè)計(jì) 114.4穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì) 124.5硬件電路設(shè)計(jì)優(yōu)化 134.5.1提高測(cè)距的范圍 134.5.2發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 134.5.3超聲波的衰減 144.5.4系統(tǒng)干擾因素 145軟件設(shè)計(jì)流程圖 175.1主流程圖 175.2溫度讀取程序 175.3LCD顯示程序 185.4外中斷服務(wù)程序 195.5超聲波發(fā)射接收程序 195.6鍵掃子程序 206設(shè)計(jì)心得 21參考文獻(xiàn) 22附錄 23程序清單 231緒論1.1課題研究背景超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(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)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小Ｒ话愕某暡y(cè)距儀可用于固定物位或液位的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。1.2課題設(shè)計(jì)目的及意義日常生活應(yīng)用發(fā)面：人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市車(chē)輛逐漸增多，因?yàn)橥＼?chē)不當(dāng)而造成的交通事故也越來(lái)越多。為了避免此類(lèi)事故的發(fā)生，一個(gè)能夠直觀(guān)地測(cè)出汽車(chē)與障礙物之間的距離的裝置就變得十分必要。它可以及時(shí)將車(chē)輛與障礙物之間的距離反映出來(lái)，給司機(jī)以更準(zhǔn)確的信息和更多的反應(yīng)時(shí)間，減少事故的發(fā)生；軍事應(yīng)用方面：超聲波聲納已廣泛應(yīng)用于偵查探測(cè)等方面，如何提高其測(cè)量精度已是正在著重研究的課題之一，相信在不久的將來(lái)，超聲波測(cè)距一定會(huì)在偵查反偵察方面起到更大的作用；工業(yè)應(yīng)用方面：超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)方便了管道的距離探測(cè)，消除了一些空間方面的限制，在其測(cè)量精度得到提升后，對(duì)一些精密設(shè)備的測(cè)量也將起到良好的效果。1.3課題設(shè)計(jì)任務(wù)與要求設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，任務(wù)：1）了解超聲波測(cè)距原理。2）根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，要求：1）設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。2）對(duì)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(cè)量物體間的距離。3)對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。4)以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。2方案選擇的論證和選擇2.1設(shè)計(jì)方案一采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀是先由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。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：………2.1圖2-1采用單片機(jī)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀2.2設(shè)計(jì)方案二采用CPLD來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，主要是在軟件上運(yùn)用VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）編寫(xiě)程序使用MAX+plusII軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中采用的是MAX7000s系列中的EPM7128SLC84-15的CPLD器件，其最高頻率可達(dá)175.4MHz，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá)128個(gè)宏單元、68pin可編程I/O口，使該器件可以將分頻功能、計(jì)數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是方案中需要一塊FPGA,一塊雙口RAM,還需要一塊用來(lái)存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在FPGA中還要用硬件描述語(yǔ)言(VHDL語(yǔ)言)編寫(xiě)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于EPM7128SLC84-15的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來(lái)編程也復(fù)雜。2.3方案設(shè)計(jì)三采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，也可以實(shí)現(xiàn)我們所需要的超聲波測(cè)距儀。具體方案如下：首先通過(guò)頻率合成技術(shù)產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過(guò)信號(hào)線(xiàn)將采用鎖頻率相合成技術(shù)得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距。它的優(yōu)點(diǎn)就是工作頻率可調(diào)，也可以達(dá)到很高的頻率分辨率；缺點(diǎn)是要求使用的濾波器通帶可變，實(shí)現(xiàn)很困難。它的原理如圖2-2所示：圖2-2超聲波原理圖綜上所述，因此選擇第一種設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)原理我們做的是基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀。用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射、接受電路以及進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再用液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示。因?yàn)槁曇舻乃俣葧?huì)隨著溫度的變化而改變，所以，我們?cè)黾恿藴乜匮b置，即通過(guò)溫度傳感器（18B20），把當(dāng)前的溫度信息傳給單片機(jī)，再通過(guò)一定的算法，得到當(dāng)前的聲音速度。操作者可以通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的按鍵完成測(cè)量方式的選擇（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、手動(dòng)測(cè)量）。由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)引腳上，在由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。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：其中，D為換能器與障礙物之間的距離，C為波聲傳播速度，T為超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間間距。本次設(shè)計(jì)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用AT89C52單片機(jī)，配置時(shí)鐘電路，復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，由模擬電路和數(shù)字電路構(gòu)成超聲波發(fā)射、接收模塊。由鍵盤(pán)，LED顯示構(gòu)成人機(jī)對(duì)話(huà)通道，以及溫度傳感器來(lái)構(gòu)成由單片機(jī)最小系統(tǒng)來(lái)控制的超聲波測(cè)距儀，其結(jié)構(gòu)框圖如3-1：圖3-1總結(jié)構(gòu)框圖硬件設(shè)計(jì)介紹了本設(shè)計(jì)方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計(jì)方案來(lái)完成具體的電路設(shè)計(jì)。4.1整體電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對(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。超聲波探頭接OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與溫度測(cè)量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號(hào)放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。圖4-1超聲波測(cè)距原理圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)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。圖4-2超聲波發(fā)送原理圖4.2超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.2.1超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出超聲波發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。存在4個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測(cè)距誤差主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面：（1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過(guò)零點(diǎn)觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測(cè)量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對(duì)聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對(duì)聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當(dāng)很小的時(shí)候，可直接按式進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為：（4-1）實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)量夾角為45°。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)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。4.2.2超聲波發(fā)射與接收裝置采用HC-SR04超聲波收發(fā)模塊，它可提供2cm--400cm的非接觸式距離感測(cè)功能。測(cè)量精度可達(dá)到3mm（本作品因測(cè)量工具限制，測(cè)量精度在10mm）。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器及其控制電路?；竟ぷ髟恚翰捎肐O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)射8個(gè)40khz的方波，并檢測(cè)信號(hào)是否有返回。有信號(hào)返回，通過(guò)IO端口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間。測(cè)量距離=高電平持續(xù)時(shí)間*聲速/2。實(shí)物圖如圖4-3所示：圖4-3超聲波收發(fā)裝置實(shí)物圖VCC提供5V電壓，GND接地，GRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO回響信號(hào)輸出等四只線(xiàn)。電氣參數(shù)如圖4-4所示：電氣參數(shù)HC-SR04超聲波模塊工作電流15mA工作頻率40Hz工作電壓DC5V最遠(yuǎn)射程4m最近射程2cm測(cè)量角度15度輸入觸發(fā)信號(hào)10us的TTL脈沖輸出回響信號(hào)輸出TTL電平信號(hào)，與射程成正比規(guī)格尺寸45*20*15mm圖4-4HC-SR04電氣參數(shù)4.3顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個(gè)顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機(jī)只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時(shí),再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡(jiǎn)單與便利?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的I／O接口電路很多，常用的就是通過(guò)串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的I／O口。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)通過(guò)串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。在顯示電路的設(shè)計(jì)上，利用單片機(jī)的P0～P2口來(lái)控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費(fèi)管腳資源，但是對(duì)單片機(jī)的理論知識(shí)要求相對(duì)比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來(lái)支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陽(yáng)極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到低電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動(dòng)電路的原理圖見(jiàn)圖4-5。圖4-5數(shù)碼管顯示電路4.4穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來(lái)驅(qū)動(dòng)，所以我制作了一個(gè)穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來(lái)設(shè)計(jì)。通過(guò)變壓器的直流電通過(guò)由二極管組成的橋式整流電路進(jìn)入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。極性電容起濾波電容的作用，非極性電容則可以改善負(fù)載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖4-6所示：圖4-6穩(wěn)壓電源4.5硬件電路設(shè)計(jì)優(yōu)化4.5.1提高測(cè)距的范圍由于空氣對(duì)超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來(lái)測(cè)距的超聲波的頻率不能很高。另一方面，頻率越低，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)量的絕對(duì)誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻測(cè)距的范圍只有5～6米，無(wú)法滿(mǎn)足我們的要求。為了解決測(cè)量范圍和測(cè)量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測(cè)距的方法。其測(cè)距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長(zhǎng)度可以有10～16個(gè)完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。這種在時(shí)域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。由于高頻聲波先發(fā)出，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對(duì)于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測(cè)。當(dāng)目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠(yuǎn)時(shí)對(duì)精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測(cè)。如圖4-7所示：圖4-7雙頻超聲波測(cè)距工作時(shí)序圖t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開(kāi)始時(shí)間，t2、t3為高、低超聲波回波到達(dá)的時(shí)間，所測(cè)得的距離分別為：D1=c(t2-t0)/2(4-1)D2=c(t3-t1)/2(4-2)經(jīng)試驗(yàn)可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達(dá)到25m。4.5.2發(fā)射探頭和接收探頭間的影響超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔是由控制器內(nèi)部的定時(shí)器來(lái)完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問(wèn)題。這一干擾問(wèn)題可通過(guò)軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開(kāi)始到"虛假反射波"結(jié)束的時(shí)間段里的信號(hào)。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。4.5.3超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有：（1）擴(kuò)散衰減:超聲波在傳播過(guò)程中，由于聲束的擴(kuò)散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。（2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過(guò)程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮?。?）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來(lái)表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對(duì)同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀(guān)察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說(shuō)明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。另一種是理論上定量計(jì)算的表示方法，即用衰減系數(shù)來(lái)表示聲波的衰減。4.5.4系統(tǒng)干擾因素測(cè)量裝置的干擾來(lái)自多方面。機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線(xiàn)對(duì)測(cè)量裝置中的半導(dǎo)體器件會(huì)產(chǎn)生干擾;溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電路參數(shù)的變動(dòng)，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測(cè)量裝置有三條主要途徑，如圖4-8：圖4-8產(chǎn)生誤差的途徑（1）電磁干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測(cè)量裝置。信道干擾。信號(hào)在傳播過(guò)程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線(xiàn)性畸變所造成的干擾。（2）電源干擾這是由于電源波動(dòng)、市電電網(wǎng)干擾信號(hào)的竄入以及裝置供電電源電內(nèi)阻引起各單元電路相互禍合造成的干擾。一般情況下，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)干擾主要由發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、大功率繼電器、電臺(tái)等的感應(yīng)引起，其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電源接地系統(tǒng)和U0系統(tǒng)的干擾，這種干擾可采用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以抑制。因此，在微機(jī)系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)與v0通道的干擾是問(wèn)題的主要方面。（3）供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾由于供電電網(wǎng)面對(duì)各種用戶(hù)，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。用電器在開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)都會(huì)給電網(wǎng)帶來(lái)強(qiáng)度不一的電壓跳變。這種跳變的持續(xù)時(shí)間很短，人們稱(chēng)之為尖峰電壓。它會(huì)影響測(cè)量裝置的正常工作。（4）電網(wǎng)電源噪聲把供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間At>ls者稱(chēng)為過(guò)壓和欠壓噪聲。供電電網(wǎng)內(nèi)阻過(guò)大或網(wǎng)內(nèi)用電器過(guò)多會(huì)造欠壓器聲。供電電壓跳變的持續(xù)時(shí)間lms<At<ls，稱(chēng)為浪涌和下陷噪聲。它主要產(chǎn)生于感性用電器(如電機(jī))在開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。供電電壓跳變時(shí)間的持續(xù)時(shí)間At<lms的被稱(chēng)為尖峰噪聲。（5）供電系統(tǒng)的抗干擾供電系統(tǒng)常采用下列幾種抗干擾措施:①交流穩(wěn)壓器。它可消除過(guò)壓、欠壓所造的影響，保證供電的穩(wěn)定。②隔離穩(wěn)壓器。由于浪涌和尖峰噪聲主要成份是高頻分量，它們不通過(guò)變壓器級(jí)線(xiàn)圈之間的互感禍合，而是通過(guò)線(xiàn)圈寄生電容禍合。隔離穩(wěn)壓器初次級(jí)間用屏蔽層隔離，減少級(jí)間禍合電容，從而減少高頻噪聲的竄入。③低通濾波器。它可濾去大于50Hz市電基波的高頻干擾。對(duì)于50HZ市電基波，則通過(guò)整流濾波后也能夠完全濾除。④獨(dú)立功能塊單獨(dú)供電。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，有意識(shí)地把各種不同功能塊的電路單獨(dú)設(shè)置供電系統(tǒng)電源。這樣做基本可消除各單元電路因共用電源而引起相互耦合所造成的干擾.在本系統(tǒng)中就采用了這種電源的配置。接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測(cè)量裝置中的地線(xiàn)是所有電路公共的零電平參考點(diǎn)。理論上，地線(xiàn)上所有的位置的電平應(yīng)該相同。然而，由于各個(gè)地點(diǎn)之間必須用具有一定電阻的導(dǎo)線(xiàn)連接，一量有地電流流過(guò)時(shí)，就有可能使各個(gè)地點(diǎn)的電位產(chǎn)生差異。同時(shí)，地線(xiàn)是所有信號(hào)的公共點(diǎn)所有信號(hào)電流都要經(jīng)過(guò)地線(xiàn)。這就可能產(chǎn)生公共地電阻的禍合干擾。地線(xiàn)的多點(diǎn)相也會(huì)產(chǎn)生環(huán)電流.環(huán)路電流會(huì)與其它電路產(chǎn)生禍合。所以，認(rèn)真設(shè)計(jì)地線(xiàn)和接地點(diǎn)對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定是十分重要的。5軟件設(shè)計(jì)流程圖超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、溫度讀取程序、LCD顯示程序、外中斷服務(wù)程序、超聲波發(fā)射接收程序、鍵掃子程序組成。我們?cè)谶@里采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。5.1主流程圖圖5.1主流程圖5.2溫度讀取程序圖5.2溫度檢測(cè)程序5.3LCD顯示程序圖5.3LCD顯示流程圖5.4外中斷服務(wù)程序關(guān)定時(shí)器關(guān)定時(shí)器關(guān)中斷讀取時(shí)間值返回圖5.4外中斷服務(wù)程序5.5超聲波發(fā)射接收程序定時(shí)器初始化定時(shí)器初始化發(fā)射超聲波開(kāi)計(jì)時(shí)器返回停止發(fā)射圖5.5超聲波發(fā)射程序5.6鍵掃子程序圖5.6鍵掃子程序6設(shè)計(jì)心得此次設(shè)計(jì)為超聲波測(cè)距提供了理論和實(shí)踐基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距儀能夠產(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(cè)量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái)計(jì)算出傳播距離。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式，即發(fā)射波被物體反射回來(lái)后接收的反射。超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(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(cè)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(cè)量誤差。單片機(jī)控制HC-SR04超聲波發(fā)射與接收模塊進(jìn)行信號(hào)的發(fā)射與接收。顯示電路采用LC1602液晶管進(jìn)行數(shù)字顯示。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(yīng)該不會(huì)太難。一般只要電路焊接無(wú)誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會(huì)正常工作。電路中除集成電路外，對(duì)各電子元件也無(wú)特別要求。參考文獻(xiàn)[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.6.[2]康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2004.1.[3]張培仁.基于C語(yǔ)言編程的MCS-52單片機(jī)原理與應(yīng)用.北京：清華大學(xué)出版社,2003.4.[4]紀(jì)良文，蔣靜坪．機(jī)器人超聲測(cè)距數(shù)據(jù)的采集與處理．電子技術(shù)應(yīng)用，2001.7.[5]瞿金輝,周蓉生.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)儀器儀表,2007.8.[6]袁佑新,吳妍,劉蘇敏,等.可視汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006.10.[7]華兵.MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用.武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社，2002.5[8]李華.MCU-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.6[9]陳光東.單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.4附錄程序清單#include<reg52.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint#defineulongunsignedlonguintc=340;//定義10度時(shí)聲音的速度//ulongl,time;charii=1,k=80,aa;chart,ts,tg,lb,ls,lg,lsf,fh,cb,cs,cg;sbitRW=P2^1;//定義LCD讀/寫(xiě)選擇端//sbitRS=P2^0;//定義LCD數(shù)據(jù)/命令選擇端//sbitE=P2^2;//定義LCD使能端//sbitk3=P1^2;sbitk4=P1^3;sbitsg=P3^7;//定義超聲波射引腳//sbitctl=P3^5;//定義超聲波控制引腳//uchartplsb,tpmsb;//溫度值低位、高位字節(jié)//sbitDQ=P3^6;//DS18B20數(shù)據(jù)通信線(xiàn)//ulongtp,sw,gw,sfw,bfw,tppp;uchar*p;voiddelay(uinti)//延時(shí)程序//{while(i--);}//*******產(chǎn)生復(fù)位脈沖初始化DS18B20*******//voidTxreset(){DQ=0;delay(100);//拉低約900US//DQ=1;//產(chǎn)生上升沿//delay(4);}//*******等待應(yīng)答脈沖*******//voidRxwait(){while(DQ);while(DQ==0);//檢測(cè)到應(yīng)答脈沖//delay(4);}//*******讀取數(shù)據(jù)的一位，滿(mǎn)足讀時(shí)隙要求*******//bitRdbit(){uinti;bitb;DQ=0;i++;//保持至少1US//DQ=1;i++;i++;//延時(shí)節(jié)15US以上，讀時(shí)隙下降后15US，DS18B20輸出數(shù)據(jù)才有效//b=DQ;i=8;while(i>0)i--;return(b);//讀時(shí)隙不低于60US//}//*******讀取數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)*******//ucharRdbyte(){uchari,j,b;b=0;for(i=1;i<=8;i++){j=Rdbit();b=(j<<7)|(b>>1);}return(b);}//*******寫(xiě)數(shù)據(jù)的第一個(gè)字節(jié)，滿(mǎn)足寫(xiě)1和寫(xiě)0的時(shí)隙要求*****//voidWrbyte(ucharb){uinti;ucharj;bitbtmp;for(j=1;j<=8;j++){btmp=b&0x01;b=b>>1;//取下一位（由低位向高位）//if(btmp){DQ=0;i++;i++;//延時(shí)，使得15US以?xún)?nèi)拉高//DQ=1;i=8;while(i>0)i--;//整個(gè)寫(xiě)1時(shí)隙不低于60US//DQ=1;i++;i++;}else{DQ=0;i=9;while(i>0)i--;//保持低在60至120US之間//DQ=1;i++;i++;}}}//啟動(dòng)溫度變換//voidconvert(){Txreset();//產(chǎn)生復(fù)位脈沖，初始化DS18B20//Rxwait();//等待DS18B20給出的應(yīng)答脈沖//Wrbyte(0xcc);//skiprom命令//Wrbyte(0x44);//convertT命令//}//溫度讀取值//voidRdtemp(){Txreset();//產(chǎn)生復(fù)位脈沖，初始化DS18B20//Rxwait();//等待DS18B20給出的應(yīng)答脈沖//Wrbyte(0xcc);//skiprom命令//Wrbyte(0xbe);//convertT命令//tplsb=Rdbyte();//溫度值低位字節(jié)//tpmsb=Rdbyte();//溫度高位字節(jié)//}date(){tp=tpmsb*256+tplsb;sw=tp*625/100000;//讀取溫度十位//gw=tp*625%100000/10000;//讀取溫度個(gè)位//sfw=tp*625%100000%10000/1000;//讀取溫度十分位//bfw=tp*625%100000%10000%1000/100;//讀取溫度百分位//tppp=sw*10+gw;}vmain(){delay(100);//延時(shí)程序//convert();//啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換//delay(100);Rdtemp();//讀取溫度//delay(100);date();}//************液晶顯示***************//voidwritercom(ucharq)//寫(xiě)命令//{E=1;RS=0;RW=0;P0=q;E=0;delay(20);}voidwriterdata(ucharo)//寫(xiě)數(shù)據(jù)//{E=1;RS=1;RW=0;P0=o;E=0;delay(20);}voidwriter_d(uchar*u)//寫(xiě)數(shù)據(jù)串//{while(*u)writerdata(*u++);}voidxsinit(void){writercom(0x01);writercom(0x38);//使用8位數(shù)據(jù)，顯示兩行，使用5*7的字型//writercom(0x0c);//顯示設(shè)置，不顯示光標(biāo)，字符不顯閃瑣//writercom(0x06);//光標(biāo)從左往右移，內(nèi)容不移//}voidinptt(){while(1){vmain();writercom(0x80);writer_d("TadayTp:");writerdata(sw+0x30);//LCD顯示溫度十位//writerdata(gw+0x30);//LCD顯示溫度個(gè)位//writerdata('.');別//LCD顯示溫度十小數(shù)點(diǎn)//writerdata(sfw+0x30);//LCD顯示溫度十分位//writerdata(bfw+0x30);//LCD顯示溫度百分位//writerdata(0xdf);writer_d("C");writercom(0xc0);writer_d("PleasepressK4");if(k4==0)break;}}//**********超聲波發(fā)射程序************//voidsen() {uchartimes=0;TMOD=0x12;//定時(shí)器1工作在定時(shí)方式1，定時(shí)器0工作在定時(shí)方式2//IE=0x84;//中斷設(shè)置//TH0=244;TL0=244;TR0=1;TR1=1;//開(kāi)定時(shí)器//while(1){while(TF0==0);sg=~sg;times++;TF0=0;if(times==20)break;}//翻轉(zhuǎn)20次，發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)的超聲波//TR0=0;times=0;}//**********外中斷服務(wù)程序************//rec()interrupt2using2//接收中斷程序//{TR1=0;//關(guān)計(jì)數(shù)器//ctl=0;time=TH1*256+TL1;//算出t的值，t的單位為us//l=time*c/2;TH1=0;TL1=0;}//************數(shù)據(jù)處理，顯示結(jié)果***************//voiddataxs(){if(tppp>=10)c=338+(tppp-10)*0.6;elsec=338+(10-tppp)*0.6;cb=c/100;//聲音速度的百位//cs=c%100/10;//聲音速度的十位//cg=c%100%10;//聲音速度的個(gè)位//lb=l/1000000;//距離的個(gè)位//ls=l%1000000/100000;//距離的十分位//lg=l%1000000%100000/10000;//距離的百分位///******LCD顯示********/writercom(0x80);if(l<=100000)writer_d("toon