基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計

1、第 1 章 緒論1.1 課題背景目的及重要意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來越廣。在人類文明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術(shù)一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在人們可以想象的所有領(lǐng)域中，它幾乎無所不在M。傳感器是世界各國發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，在各國有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門的共同努力下，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測距與其它非接觸式的檢測方式方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法它不受光線，被測對象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對于

2、被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量，機(jī)械手控制，車輛自動導(dǎo)航，物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，信號處理可靠等特點。超聲波是一種指向性強(qiáng)，能量消耗慢的波。它在介質(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，可解決超長度的測量。 超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?，反射，折射，干涉，衍射，散射。與物理緊密聯(lián)系，應(yīng)用靈活。并且更適合與高溫，高粉塵

3、，高濕度和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)J。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。在新的世紀(jì)里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用課程設(shè)計目的是單片機(jī)原理與接口技術(shù)課程設(shè)計是在教學(xué)及實驗基礎(chǔ)上，對課程所學(xué)理論知識的深化和提高。通過單片機(jī)原理與接口技術(shù)的課程設(shè)計,使學(xué)生初步掌握設(shè)計的基本方法。 培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力；培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用計算機(jī)輔助設(shè)計和撰寫設(shè)計說明書的能力。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目

4、前國內(nèi)的超聲波測距儀技術(shù)落后產(chǎn)品功能低端，專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用 LM92 溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計的高精度測距儀超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。國外超聲波測距儀技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品齊全，性能比較穩(wěn)定，市場需求量大，測量精度高，測量誤差小。1.3 論文研究思路及創(chuàng)新點1.3.1 主要思路 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力里的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20KHz以上的機(jī)械波)，借助媒質(zhì)傳播由被捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射

5、的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性，電子計數(shù)，光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離的測量方法。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量，過程檢測，機(jī)器人檢測和定位，以及流體液面高度測量等。超聲波是指頻率高于20KHz的機(jī)械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收

6、聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。超聲波測距的工作方式利用超聲波測距的工作, 就可以根據(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔, 從而達(dá)到測量距離的作用。其主要有三種測距方法:(1) 相位檢測法, 相位檢測法雖然精度高, 但檢測范圍有限;(2) 聲波幅值檢測法, 聲波幅值檢測法易受反射波的影響;(3) 渡越時間檢測法, 渡越時間檢測法的工作方式簡單, 直觀, 在硬件控制和軟件設(shè)計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為: 發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波, 經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間,這個時

7、間就是渡越時間。本設(shè)計的超聲波測距就是使用了渡越時間TOF(time of flight)檢測法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源于障礙物之間的距離。測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為334.5米/秒(由于超聲波速度受溫度影響比較大，必須采用DS1820測量環(huán)境溫度，再對超聲波速度進(jìn)行修正，進(jìn)而計算出測量距離)，由單片機(jī)AT89C51負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用12.0MHz晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度在理論上可以達(dá)到毫米級。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消

8、耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠(yuǎn)，因此超聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也比較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到要求。超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類使用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。本文屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。1.3.2 主要創(chuàng)新點本設(shè)計采用以 AT89C51 單片機(jī)為核心的低成本、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(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)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(jī)綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體

9、方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。1.4 本章小結(jié)本章主要介紹了超聲波測距儀的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，研究該課題的意義及作用。 第 2 章主要介紹了該課題的研究方法和課題的任務(wù)。 第 3 章主要介紹了該課題的設(shè)計方案硬件的設(shè)計和硬件電路圖。 第 4 章主要介紹了軟件的設(shè)計和軟件程序。 第 5 章主要介紹了誤差分析和計算。第 2 章 課題的方案設(shè)計與任務(wù)2.1 超聲波測距儀的原理單片機(jī)(AT89C51)發(fā)出短暫的 40KHz 信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，得

10、出時間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至 LED 顯示電路進(jìn)行顯示。主要由單片機(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組成。發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)，在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。其系統(tǒng)框圖如圖 2-1 所示: 超聲波接收器超聲波發(fā)射器放大電路放大電路鎖相環(huán)檢波電路計時器單片機(jī)控制顯示器圖 2-1 超聲波測距系統(tǒng)框

11、圖2.2 課題設(shè)計的任務(wù)和要求采用 40KHz 的超聲波發(fā)射和接收傳感器測量距離?？刹捎冒l(fā)射和接收之間的距離，也可將發(fā)射和接收平行放在一起，通過反射測量距離。設(shè)計任務(wù)：1. 了解超聲波測距儀的原理。2. 根據(jù)超聲波測距原理，設(shè)計超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。設(shè)計要求：1 .掌握傳感器的工作原理及相應(yīng)的輔助電路設(shè)計方法。2 .獨立設(shè)計原理圖及相應(yīng)的硬件電路。3 .設(shè)計說明書格式規(guī)范，層次合理，重點突出。并附上詳細(xì)的原理圖。4LED 數(shù)碼管顯示測量距離，精確到小數(shù)點后一位(單位：cm)。5測量方式可通過硬件開關(guān)預(yù)置。測量范圍：20cm1000cm，誤差 5cm。2.3 本章小結(jié)超聲波測距的原理是利用

12、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(shè)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(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，故短距離測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 本次設(shè)計主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波

13、發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分組成。單片機(jī)部分采用 AT89C51 作為主控制器；顯示電路采用的是動態(tài)驅(qū)動形式的 LED 數(shù)碼顯示器；超聲波的發(fā)射電路用的是由壓電式超聲波轉(zhuǎn)換器，發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中幅射；超聲波檢波接收電路采用的是由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超進(jìn)行檢測。3.2 單片機(jī)的功能特點3.2.1 AT89C51 單片機(jī) 單片機(jī) AT89C51 采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由一個

14、 8 位的80C51 微處理器，4KB 的程序存儲器 Flash ROM，256 字節(jié)的 RAM，2 個 16 字節(jié)的定時/計數(shù)器 TO 和 T1，4 個 8 位的 I/O 端口：P0，P1，P2，P3，一個全雙工UART 串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，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。單片機(jī) AT89C51 提供以下功能：4 KB 存儲器；256 字節(jié) RAM；32 條 I/O 線；2 個 16 字節(jié)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

15、：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(fù)位。單片機(jī) AT89C51 為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。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)。AT89C51 單片機(jī)封裝圖如下： 圖 3-1 AT89C51 單片機(jī)封裝圖3.2.2 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10 年）；全靜態(tài)工作：024KHz；三級程序存儲器鎖定；1288 位內(nèi)部 RAM；32位可編程

16、 I/O 線；兩個 16 位定時器/計數(shù)器；5 個中斷源；可編程串行通道；低功耗的限制和掉電模式；片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。3.2.3 管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。P0 口：P0 口為一個 8 位漏極開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫時，被定義為高阻輸入。P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)儲存器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在 FLASH 編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH 進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。P1 口：P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 口緩沖器能接受輸出 4TTL 門

17、電路流。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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口作為第八位地址接收。P2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口緩沖區(qū)可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“1”時，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，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)由于外部程序儲存器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時了，P2 口輸出地值的高八位。再給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉的優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地

18、址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3 口：P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL門電流。當(dāng) P3 口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3 口將輸出電流，這是由于上拉的緣故。P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示：P3.0 RXD(串行輸入口)P3.1 TXD(串行輸入口)P3.2 (外部中斷 0)P3.3 /INT1(外部中斷 1)P3.4 T0(計時器 0 外部輸入)P3.5 T1(計

19、時器 1 外部輸入)P3.6 /WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)P3.7 /RD(外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通)P3 口同時為閃爍編程和編程嬌艷接受一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入變成脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻率周期正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可以用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如果禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH

20、地址上置 0。此時，ALE 只有在執(zhí)行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。/PSEN：外部程序儲存器的選通信號。在有外部程序存儲器取值間，每個機(jī)器周期兩次/PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN 信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當(dāng)/EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH）不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時，/EA 將內(nèi)部鎖定為RESET：當(dāng)/EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源

21、（VPP）。XTAL1：反向震蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。3.3 超聲波發(fā)射和接收電路超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：(1)工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。(2)工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。(3)靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。系統(tǒng)的特點是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲

22、波自發(fā)射至接收往返時間的計時。本超聲波測距系統(tǒng)以 AT89C51 為中央處理器，系統(tǒng)上電工作后，由脈沖發(fā)生器發(fā)出脈沖信號。該脈沖信號一方面通過驅(qū)動的電路推動脈沖發(fā)生器發(fā)出超聲波脈沖；另一方面觸發(fā) AT89C51 內(nèi)部定時器 T1 開始定時，同時等待接受信號，關(guān)閉定時器。3.3.1 超聲波發(fā)生器與超聲波發(fā)射角超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機(jī)產(chǎn)生, 將脈沖信號放大用以驅(qū)動超聲波換能器發(fā)送超聲波。并由單片機(jī)控制脈沖群的脈沖個數(shù)及脈沖群之間的時間間隔, 其發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離。若在有效測距范圍內(nèi)有被測物, 則在后一路探測波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)出的反射波, 否則認(rèn)為前一路沒有探測到物體。按

23、有效測距范圍及最大測量距離可以算出最短的脈沖群間隔發(fā)送時間。例如, 最大測距距離為5 m 時, 脈沖間隔時間t= 2 D/C = 25/340 30 m s, 實際應(yīng)取t30 m s。超聲波的發(fā)射是利用逆壓電效應(yīng)，在壓電晶片上施加交變電壓，使其產(chǎn)生電致伸縮振動而發(fā)射超聲波。根據(jù)共振原理，當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時就產(chǎn)生共振，此時發(fā)射的超聲波最強(qiáng)。圖 3-2 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-2 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共

24、振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一超聲波發(fā)生器；如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時，將壓迫壓電振蕩器作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時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。 超聲波發(fā)散角選用型號 401 型時超聲波的發(fā)散角為 45 度(選用各種不同型號探頭時，發(fā)散角有所變化)。超聲波傳感器即可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時間發(fā)射一束超聲波束，只有待發(fā)射結(jié)束后才能啟動接收，設(shè)發(fā)送波束的時間為 D，則在 D 時間內(nèi)從物體反射回的信號就無法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回

25、信號的工作。因此，在余振未消失前，還不能啟動系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個原因造成了超聲波傳感器具有一定的測量范圍。此超聲波最近可測量 20 cm。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 3-3 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(jī) 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(qiáng)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

26、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(dāng)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(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)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(yīng)分清器件上的標(biāo)志。3.3.2 超聲波檢測接收電路集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。

27、考慮到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路(圖3-4)。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(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電圖 3-3 超聲波發(fā)射電路原理圖 容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖3-4 超聲波檢測接收電路3.3.3 用于通用音調(diào)譯碼器LM567 為通用音調(diào)譯碼器，當(dāng)輸入信號于通帶內(nèi)時提供飽和晶體管對地開關(guān)，電路由 I 與 Q 檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。LM567 為通用音調(diào)譯碼器，

28、當(dāng)輸入信號于通帶內(nèi)時提供飽和晶體管對地開關(guān)，電路由 I 與 Q 檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。用外接電阻 20 比 1 頻率范圍 邏輯兼容輸出具有吸收 100mA 電流吸收能力。 可調(diào)帶寬從 0%至 14% 寬信號輸出與噪聲的高抑制 對假信號抗干擾 高穩(wěn)定的中心頻率 中心頻率調(diào)節(jié)從 0.01Hz 到 500kHz 電源電壓 5V-15V，推薦使用 5V。3.4 顯示電路及顯示器接口一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示是人機(jī)通道的重要組成部分。目前

29、廣泛使用的顯示器件主要有LED(二極管顯示器)，LCD(液晶顯示器)和VFD(真空熒光管)。而LED顯示器造價低廉，與單片機(jī)接口方便靈活，技術(shù)上易與實現(xiàn)，但只能形式阿拉伯?dāng)?shù)字和少數(shù)字符，通常用于對形式要求不高的場合。本次設(shè)計采用LED。LED 顯示器有靜態(tài)和動態(tài)兩種形式方式。由于靜態(tài)功耗大，占用 CPU 的 I|O 口線多，切成本高。所以我選用動態(tài)顯示。所謂動態(tài)顯示，實質(zhì)上是多個 LED 顯示器按照一定的順序輪流顯示。它利用了人眼的“視覺暫留現(xiàn)象”，只要多個 LED 顯示器的選通掃描速度足夠快，人眼就觀察不到數(shù)碼管的閃爍現(xiàn)象。動態(tài)掃描方式的所有LED 段選線并聯(lián)在一起，只由一個 8 位的 I|

30、O 口控制，而各個 LED 的未選線則由另外一組 I|O 口控制。動態(tài) LED 顯示方式的優(yōu)點是功效較低，占用 CPU 的 I|O 口線少，外圍接口簡單，但程序編制較之靜態(tài)顯示方式略顯復(fù)雜。3.5 超聲波測距原理超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜,在這里使用脈沖反射式。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 C ,而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差 t ,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 S ,即

31、: S = Ct/2 。這就是所謂的時間差測距法3.6 聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)主要由單片機(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組成。采用AT89C51來實現(xiàn)對超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過P3.5引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測INT0引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。設(shè)計的原理框圖如圖3-5。設(shè)計的原理圖見附錄B。定時器控制顯示器調(diào)制器計時器振蕩器接收檢超聲波發(fā)生器超聲波接收器障礙物圖 3-5 超聲波測距原理框圖3.

32、7 本章小結(jié)本章是該課題的重點，全面介紹了超聲波測距系統(tǒng)的原理和設(shè)計思路，給出了硬件電路設(shè)計。在硬件電路設(shè)計中，分別詳細(xì)介紹了發(fā)射電路，接收電路及顯示模塊的設(shè)計方法。本章詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)的性能和特點，并在分析了超聲波測距儀的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計測距儀系統(tǒng)的思路和所需考慮的問題，給出了以 AT89C51 單片機(jī)為核心的低成本，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(shè)計方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計合理、工作穩(wěn)定、檢測速度快、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)使用的要求。第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計的

33、主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報警等功能編成獨立的模塊,在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式,當(dāng)按下控制鍵后,在一定周期內(nèi),依次執(zhí)行各個模塊,調(diào)用預(yù)置據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報警程序。當(dāng)測得距離小于預(yù)置距子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序,并把測量的結(jié)果進(jìn)行分析處理,根離時,聲報警程序被調(diào)用。AT89C51 單片機(jī)和其開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)具有語言簡單，可移植性好，表達(dá)能力強(qiáng)，表達(dá)方式靈活，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計，可直接控制計算機(jī)硬件，生成代碼質(zhì)量高，使用方便等諸多優(yōu)點。超聲波測距軟件設(shè)主計要由主程序，超聲波發(fā)射子程序，超聲波接受中斷程序及顯示子程序組成。下面對超聲波測距器的

34、算法，主程序，超聲波發(fā)射子程序和超聲波接受中斷程序逐一介紹。超聲波測距系統(tǒng)的軟設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的軟設(shè)計圖 4-1 (a)主程序流程圖 (b) 定時中斷服務(wù)子程序 (c) 外部服務(wù)中斷子程序 返回軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)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。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)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 P2 清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時 0.1MS(這也就

35、是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。LED 超聲波發(fā)送電路輸入端接單片機(jī) P3.7 端口。單片機(jī)執(zhí)行程序時，在 P3.5端口輸出一個 40KHZ 的脈沖信號，通過超聲波發(fā)射電路發(fā)射出去，同時啟動單片機(jī)內(nèi)部定時器 T0，定時器開始計數(shù)。延時 2.0MS 后，當(dāng)障礙物將超聲波發(fā)射回來，超聲波接收電路就開始接受處理。定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。4.1 超聲波測距器的算法設(shè)計 下圖示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出的一個超聲波信號，當(dāng)超聲波遇到

36、被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接受。這樣只要計算出發(fā)生信號到接受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。距離計算公式：d=s/2=(c*t)/2d 為被測物與測距器的距離，s 為聲波的來回路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用的時間聲速 c 與溫度有關(guān)，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測得超聲波往返時間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來監(jiān)測環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度被償。這里可以用 DS1820 測量環(huán)境溫度，根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定一聲速提高測距的穩(wěn)定性。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件

37、上采用抗干擾措施。表 4-1 不同溫度下的超聲波聲速表測出發(fā)射和接收回波的時間差t，然后求出距離 S。在速度 v 已知的情況下，距離 S 的計算公式如下：/2Sv t 在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是 340 米秒，但其傳播速度 V 易受空氣中溫溫度/oC-30-20-100102030100波速/m/s313319325323338344349386度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高 1 oC，聲速增加約 0.6 米/秒。因此在測距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。已知現(xiàn)場環(huán)境溫度 T 時，超聲波傳播速度 V 的計算公式可近似如下：3

38、31.50.607VT在超聲波的兩個探頭旁邊需要放置溫度傳感器，測出環(huán)境溫 T，由單片機(jī)控制器進(jìn)行修正。4.2 主程序主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位的定時計數(shù)器模式，置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P1 和 P3 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)，需延遲 0.1ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)(即超聲波來回所用的時間)

39、按下式計算即可測得被測物體與測距儀之間的距離,設(shè)計時取 20時的聲速為 344m/s 則有： d=(C*T0)/2=172T0/10000cm(其中 T0 為計數(shù)器 T0 的計數(shù)值)測出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。對所要求測量范圍20cm1000cm 內(nèi)的平面物體做了多次測量發(fā)現(xiàn)，其最大誤差為 5cm，且重復(fù)性好?？梢娀趩纹瑱C(jī)設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、測量誤差小等特點。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 P3.5 端口發(fā)送 2 個左右的超聲波信號頻率約40KHz 的方波，脈沖寬度為

40、12us 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號(INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。4.4 BCD 碼轉(zhuǎn)換子程序得到的距離值是二進(jìn)制數(shù)，要顯示輸出，必須進(jìn)行 BCD 碼的轉(zhuǎn)換。由于測距時定時器 T0 的最長的定時時間為 58765US，則得到的距離最大值為 S=VT/2=58765*340/2=9

41、86FA2(16 進(jìn)制，3 個字節(jié))UM=9990050UM(10 進(jìn)制)=9.99M。所以需要 4 個字節(jié)來存放十進(jìn)制轉(zhuǎn)換結(jié)果。其實現(xiàn)過程如圖 4-2 所示。圖 4-2 BCD 碼轉(zhuǎn)換子程序4.5 軟硬件調(diào)試及性能超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 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，在安裝時應(yīng)當(dāng)要 保持兩換能器中心軸線平行并相距 48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C4 的大小，以獲得合

42、適的接收靈敏度和抗干擾能力。N開始結(jié)果單元清零3*8-位計數(shù)器距離單元左移一位CY結(jié)果單元*2+CY結(jié)果單元位計數(shù)器-1=0？返回Y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(jī)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(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.210m，測距儀最大誤差不超過 5cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。第 5 章 誤差分析5.1 超聲波回波聲強(qiáng)的影響回波的聲強(qiáng)與障礙物距離的遠(yuǎn)近有直接的影響，實際測量時，不一定是第一個回

43、波的過零點觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但可以通過根據(jù)障礙物的距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)以及動態(tài)調(diào)整比較電壓來減小誤差。另一方面將求距離公式D=CT/2 后加一個補(bǔ)償系數(shù)，來補(bǔ)償計時誤差 D=CT/2+a(a 與距離，脈沖個數(shù)有關(guān))。5.2 超聲波波束入射角的影響如果系統(tǒng)是用來測量面與點的距離，則被測物，換能器及換能器所在測量面三者之間存在一個幾何角度，即反射波入射到換能器的角度，當(dāng)這個角度不是 90C 時，系統(tǒng)測量到的距離是障礙物與換能器之間的距離而不是和測量參考平面之間的距離，這就會造成誤差。 障礙物的距離較小時，這個誤差就會成為近距離時的主要誤差來源，可以用多個換能器測量，利用幾何關(guān)系來

44、計算的出實際距離，消除誤差。 (5-2a)1S=( 123)2yyy (5-2b)1(1)(2)(3)2sysysy (5-2c)2 /xz 式中，是換能器 a,b 到被測物之間的距離。y1y2Z換能器 a,b 之間的距離X被測物到測量面的距離5.3 超聲波傳播速度的影響穩(wěn)定準(zhǔn)確的聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播介質(zhì)的溫度壓力及密度對聲速都有影響，對于在大氣中傳播的聲波而言，引起聲波變化的主要原因是溫度的變化。采用聲速預(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測量結(jié)合的方法對聲速進(jìn)行修正，可有效的降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。在對距離的精度要求不高的應(yīng)用中可以不進(jìn)行溫度補(bǔ)償，選擇室溫 20C 左右時的聲速 340

45、 作為固定參數(shù)，當(dāng)溫度在-1040C 變化時聲速誤差在-5%5%之間變化。如果在室外測量，對于季節(jié)溫差大的地區(qū)，還可采用預(yù)置該地區(qū)12 個月的統(tǒng)計溫度，用意于溫度進(jìn)行補(bǔ)償，即可提高精度，又不增加成本。影響測量誤差的因素很多，包括現(xiàn)場環(huán)境干擾，時基脈沖頻率等。在實際應(yīng)用中可以根據(jù)系統(tǒng)測量精度要求，采用合理的補(bǔ)償手段。超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： (5-3a) 2Dct m/s (5-3b) 0 1/273CCT式中：D傳感器與被測物之間的距離C為在介質(zhì)中的傳播速率 T 絕對溫度，

46、273K+T。 近似公式為：C=C0+0.607 T式中：C0 為零度時的聲波速度 332m/s； T 為實際溫度()。對于超聲波測距精度要求達(dá)到 1mm 時，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度 0時超聲波速度是 332m/s, 30時是 350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為 18m/s。若超聲波在 30的環(huán)境下以 0的聲速測量 100m 距離所引起的測量誤差將達(dá)到 5m，測量 1m 誤差將達(dá)到 5mm。5.4 時間誤差當(dāng)要求測距誤差小于 1mm 時，假設(shè)已知超聲波速度 C=344m/s (20室溫)，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差 st(0.001/344) 0.s 即

47、2.907ms。在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。使用的 12MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的 89C51 單片機(jī)定時器能方便的計數(shù)到 1s 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C51 定時器能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。第 6 章 總結(jié)與展望6.1 總結(jié)雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用 AT89C51 單片機(jī)可以簡化設(shè)計，便于操作和直觀讀數(shù)。該設(shè)計經(jīng)過實際測試證明，可以滿足大多數(shù)場合的測距要求。經(jīng)實驗證明，這套系統(tǒng)軟硬件設(shè)計合理、抗干擾能力強(qiáng)、實時性良好，經(jīng)過系統(tǒng)擴(kuò)展和升級，可以有效地解決汽車

48、倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控但同時它也存在一定的問題，比如測量誤差，時間誤差，超聲波傳播速度誤差。但目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是精確到厘米級的測量精度，所以在此次設(shè)計中可以忽略。通過這次設(shè)計，使我對三年多來所學(xué)的知識有了一個概括性的理解與融合。學(xué)以致用一直以來就是學(xué)習(xí)的主要目標(biāo)。這次機(jī)會對我來說就是學(xué)和用融合的機(jī)會。由于本人知識水平有限，再此次設(shè)計中難免出現(xiàn)漏洞，希望您能給予批評和指正。冷靜分析，不氣餒，不急躁，持之以恒。設(shè)計過程中要注意設(shè)計模塊化，便于設(shè)計，便于檢測。檢測要注意方法，合理的利用推測和驗證結(jié)合的方式，確定錯誤之處。硬件調(diào)試要靈活運用示波器和信號發(fā)生器等一切可能用到的儀器。想要更好的理解知識，更好的運用實踐的最好的方法即認(rèn)真思考然后多次嘗試。6.2 展望