1、-. z第三章 超聲波測距儀硬件電路的設計3.1 超聲波測距儀硬件電路硬件電路可分為單片機系統(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局部。 單片機系統(tǒng)及顯示電路本系統(tǒng)采用AT89S52來實現(xiàn)對超聲波傳感器的控制。單片機通過P1.0引腳經(jīng)反相器來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT0引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(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。 超聲波測距的硬件示意圖如圖3所示：單片機采用89S52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減少測量誤差。單片機用P1

2、.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口檢測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示的輸出顯示的種類很多，從液晶顯示、發(fā)光二極管顯示到CRT顯示器等，都可以與微機連接。其中單片機應用系統(tǒng)最常用的顯示是發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器簡稱LED顯示器。液晶顯示器簡LCD。LED顯示器價廉，配置靈活，與單片接口方便，LCD可顯示圖形，但接口較復雜本錢也較高。該電路使用7段LED構成字型“8，另外還有一個發(fā)光二極管顯示符號及小數(shù)點。這種顯示器分共陽極和共陰極兩種。這里采用共陽極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽極共接，如下列圖3-1所示，當*個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該發(fā)光二極管亮。它的管腳配置

3、如下列圖3-2所示。VCC圖3-1圖3-2實際上要顯示各種數(shù)字和字符，只需在各段二極管的陰極上加不同的電平，就可以得到不同的代碼。這些用來控制LED顯示的不同電平代碼稱為字段碼也稱段選碼。如下表為七段LED的段選碼。 表3-1 七段LED的段選碼顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba顯示字符共陽極段選碼dp gfedcba 0C0H A 88H 1F9H B 83H 2A4H C C6H 3B0H D A1H 499H E 86H 592H F 8EH 682H P 8CH 7F8H y 91H 880H 8. 00H 990H“滅 FFH本系統(tǒng)顯示電路采用簡單實用的4位共陽LED數(shù)碼管，位

4、碼用PNP三極管8550驅動。單片機系統(tǒng)顯示電路如圖3-3所示。圖3-3單片機系統(tǒng)及顯示電路 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路原理圖如圖3-4所示。發(fā)射電路主要有反向器CD4069和超聲波發(fā)生換能器T構成，單片機P1.0的端口輸出 40KHz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。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅動能力。上拉電阻R10，R11一方面可以提高反向器74lS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩的時間。圖3

5、-4超聲波發(fā)射電路原理圖 超聲波檢測接收電路集成電路C*20106A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。考慮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如圖3-5。實驗證明用C*20106A承受超聲波無信號時輸出高電平，具有很高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5圖3-5超聲波檢測接收電路原理圖第四章 超聲波測距儀系統(tǒng)程序的設計4.1 超聲波測距儀的程序設計超聲波測距器的軟件設計主要由主程序，超聲波發(fā)生子程序，超聲波承受中斷程序及顯示子程序組成。我們知

6、道C語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率并且容易準確計算程序運行的時間，而超聲波測距器的程序既有較復雜的計算計算距離時，有要求準確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。下面對超聲波測距器的算法、主程序、超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收斷程序逐一介紹。 超聲波測距器的算法設計圖4-1示意了超聲波測距的原理，即超聲波發(fā)生器T在*一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波信號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，就可以計算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。TR圖4-1超聲波測距的

7、示意圖距離的計算公式：d=s/2=(c*t)/2其中d為被測物與測距器的距離，s為聲波的來回路程，c為聲波，t為聲波來回所用的時間。由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關，表4-1列出了幾種不同溫度下的超聲波聲速，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是根本不變的，如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀傩Ｕ?，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。表4-1 不同溫度下超聲波聲速表溫度-30-20-100102030100聲速c/m/s313 319325323338344349386 主程序主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設定定時器T0工作模式為6位定時計數(shù)器模式，置

8、位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2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器會有一個最小測距離的原因后，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，計算器每計一個數(shù)就是1us,，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1-2計算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設計時取20時的聲速為344m/s則有D=(c*t)/2=172T0/10000cm1-2其中T0為計數(shù)器T0的計數(shù)值。測出距離后結果將以十進制BCD碼方式送往LED

9、顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序構造化和容易計算出距離，主程序采用C語言編寫。圖4-1為主程序流程圖。開場系統(tǒng)初始化顯示結果0.5s發(fā)射超聲波脈沖計算距離等待反射超聲波圖4-1主程序流程圖系統(tǒng)程序流程圖如圖4-2所示：圖4-2超聲波測距程序流程圖工作時，微處理器AT89S52先把P1.0置0，啟動超聲波傳感器發(fā)射超聲波，同時啟動部定時器T0開場計時。由于我們采用的超聲波傳感器是收發(fā)一體的，所以在發(fā)送完16個脈沖后超聲波傳感器還有余震，為了從返回信號識別消除超聲波傳感器的發(fā)送信號，要檢測返回信號必須在啟動發(fā)射信號后2.38ms才可以檢測，這樣就可以抑制輸出得干擾。當

10、超聲波信號碰到障礙物時信號立刻返回，微處理器不停的掃描INT0引腳，如果INT0接收的信號由高電平變?yōu)榈碗娖?，此時說明信號已經(jīng)返回，微處理器進入中斷關閉定時器。再把定時器中的數(shù)據(jù)經(jīng)過換算就可以得出超聲波傳感器與障礙物之間的距離。 4.2 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為40kHz的方波，脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0翻開進展計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行時間準確，所以采用匯編語言編程。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即INT0引腳出現(xiàn)低電平立即進入中斷

11、程序。進入該中斷程序后立即關閉計時器T0停頓計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出是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關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示本次測距不成功。第五章 超聲波測距儀誤差分析與調(diào)試5.1 誤差來源分析由超聲波測距原理可知，它是基于聲波速度不隨頻率變化為根底的，利用聲波行進于待測距離的時間為測量參量確定待測間距。主要誤差來源有：1聲波速度變化引起的誤差，這與空氣的元素含量以及空氣溫度有關。由聲波傳播速度可知，聲速是與空氣的分子量與以及空氣溫度有關。2脈沖計數(shù)頻率的穩(wěn)定性是直接導致“等效標準尺長度變化的因素。由測長誤差關系式可得，當脈沖頻率準

12、確到10-5時，如果測量距離L是100米的話，=0.001米，此誤差遠小于超生測長誤差。3開關門的可靠性是標志超聲波測距可靠性的關鍵，即同步門控制。也就是說，超聲波發(fā)射與脈沖計數(shù)必須同步開門。所以，非同步性帶來的隨機誤差會影響結果。5.2 調(diào)試過程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15的超聲波換能器TCT40-10F1T發(fā)射和TCT40-10S1R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48cm，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，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得適宜的接收靈敏度和抗干擾能力。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，測距儀能測的圍為0.075.5m，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展屢次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其到達實際使用的測量要求。調(diào)試考前須知:一