基于STC89C52的超聲波測(cè)距儀.doc

廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 企業(yè)項(xiàng)目企業(yè)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)報(bào)告 題目 基于題目 基于 5151 單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 院院 系系 信息工程學(xué)院信息工程學(xué)院 專業(yè)名稱專業(yè)名稱 控制控制 09100910 班級(jí)學(xué)號(hào)班級(jí)學(xué)號(hào) 0709103407091034 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 王名遠(yuǎn)王名遠(yuǎn) 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 張永亮張永亮 二二 O 一一一一 年年 六六 月月 1 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 摘要摘要 自 19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初 在物理 學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng) 之后 人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法 從此迅速揭開了發(fā)展 與推廣超聲技術(shù)的歷史篇章 隨著科技的快速發(fā)展 超聲波技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越 廣 很多產(chǎn)品在工業(yè)中廣泛應(yīng)用 為了讓超聲波測(cè)距類產(chǎn)品智能 人性化 因此此次設(shè)計(jì)我們嘗試?yán)?STC89C52 單片機(jī)研究制作超聲波測(cè)距系統(tǒng) 超聲波發(fā)射電路 以及超聲波接收 電路 鍵盤和顯示部分 實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距功能 在這個(gè)系統(tǒng)中 我們先讓超聲 波發(fā)射電路發(fā)射 500us 大概 20 個(gè)脈沖信號(hào) 等到超聲波接收電路接收到脈沖 信號(hào) 計(jì)時(shí)結(jié)束 由程序上控制算法 S vt 測(cè)出距離 S 2 送數(shù)碼管顯示 并 滿足一定精度要求 并在顯示模塊中顯示出來(lái) 這類產(chǎn)品可以運(yùn)用到工業(yè)產(chǎn)品 中 例如 測(cè)試罐裝飲料是否裝滿 結(jié)合了該芯片的價(jià)格 應(yīng)用 我們?cè)O(shè)計(jì)的 超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有速度快 適應(yīng)性好 操作方便 有著廣泛擴(kuò)展應(yīng)用的前景 展望未來(lái) 超聲波測(cè)距作為一種新型的非常重要有用的技術(shù)在各方面都將 有很大的發(fā)展空間 它將朝著更加高定位 智能化的方向發(fā)展 以滿足日益發(fā) 展的社會(huì)需求 關(guān)鍵字關(guān)鍵字 超聲波 STC89C52 模塊電路 2 目錄目錄 摘 要 1 目 錄 2 引 言 3 第一章 超聲波測(cè)距儀方案的設(shè)計(jì) 4 1 1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì) 4 1 2 系統(tǒng)方案的論證 4 第二章 硬件電路的設(shè)計(jì) 5 2 1 超聲波發(fā)射電路的分析 5 2 2 超聲波接收電路的分析 6 2 3DS18B20 的電路分析 6 2 4 顯示電路的分析 7 第三章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) 9 3 1 超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì) 9 3 2 超聲波測(cè)距器原理圖 9 3 3 主程序算法設(shè)計(jì) 10 3 4 主程序的流程圖 10 3 5 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 11 第 4 章 電路與程序的調(diào)試 11 第 5 章 系統(tǒng)誤差的分析 12 5 1 聲速引起的誤差 12 5 2 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 13 總結(jié) 14 參考文獻(xiàn) 15 附錄 A 16 附錄 B 17 附錄 C 18 附錄 D 20 3 引言引言 超聲技術(shù)是一門以物理 電子 機(jī)械 及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一 超聲技術(shù)是通過(guò)超聲波產(chǎn)生 傳播及接收的物理過(guò)程而完成的 超聲波具有聚 束 定向及反射 透射等特性 聲檢測(cè)技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性 聲速 衰減 反射 聲阻抗等 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量 如密度 濃度 強(qiáng)度 彈性 硬度 粘度 溫度 流速 流量 液位 厚度 缺陷等 的測(cè)定 它的 基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到不同的介面 將產(chǎn)生反射 折射 繞射 衰減等現(xiàn)象 從而使傳播的聲時(shí) 振幅 波形 頻率等發(fā)生相應(yīng)變化 測(cè)定這些規(guī)律的變化 便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況 與傳統(tǒng)超聲 技術(shù)完全不同 在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量 適應(yīng)能力強(qiáng) 可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量 近二 三十年 特別是近十年來(lái) 由于電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展 使超聲檢測(cè)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展 在無(wú)損探傷 測(cè)溫 測(cè)距 流量測(cè)量 液 體成分測(cè)量 巖體檢測(cè)等方面 新的超聲檢測(cè)儀表不斷出現(xiàn) 應(yīng)用領(lǐng)域也不斷 擴(kuò)大 本文正是基于這一應(yīng)用背景 超聲波由于其指向性強(qiáng) 能量消耗緩慢 傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn) 而經(jīng)常用于距離的測(cè)量 如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可 以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn) 超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá) 建筑施工工地以及一 些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) 例如 液位 井深 管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅 速 方便 計(jì)算簡(jiǎn)單 易于做到實(shí)時(shí)控制 并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí) 用的要求 因此在測(cè)控系統(tǒng)的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用 本文介紹一種以 SPCE061A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(cè)距儀的硬 件電路設(shè)計(jì)方法 超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法和激光 渦流和無(wú)線電測(cè) 距方法相比 具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn) 在比較惡劣的環(huán) 境中也具有一定的適應(yīng)能力 且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本低 因此在工業(yè)控制 建筑測(cè) 量 機(jī)器人定位等方面得到了廣泛的應(yīng)用但由于超聲波傳播聲時(shí)難于精確捕捉 溫度對(duì)聲速的影響等原因 使得超聲波測(cè)距的精度受到了很大的影響 限制了 超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求更高的場(chǎng)合下的應(yīng)用 本文對(duì)超聲波傳感器測(cè)距的可能性進(jìn)行了理論分析 利用模擬電子 數(shù)字 4 電子 微機(jī)接口 超聲波測(cè)試原理 DS18B20的原理 74ls164的傳輸原理等知 識(shí) 設(shè)計(jì)出基于單片機(jī)STC89C52的超聲波測(cè)距儀的硬件電路 編寫好相應(yīng)的軟 件程序 對(duì)硬件電路和軟件程序作出相應(yīng)的調(diào)試 確保超聲波測(cè)距儀的可靠性 第一章第一章 超聲波測(cè)距儀方案的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀方案的設(shè)計(jì) 1 11 1系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì) 由于超聲波指向性強(qiáng) 能量消耗緩慢 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(cè)量 利用超聲波檢測(cè)距離 設(shè)計(jì)比較方便 計(jì)算處理也 比較簡(jiǎn)單 并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求 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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波 電氣方式包括壓電型 電動(dòng)型等 機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛 氣流旋笛等 他們所產(chǎn)生的超聲波的頻率 功率 和聲波的特性各不相同 因 而用途也各不相同 目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器 根 據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素 本文采用STC89C52單片機(jī)作為控制器 用動(dòng)態(tài) 掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示 超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)是由單片機(jī)端口控制555時(shí)基發(fā)生器 產(chǎn)生40KHz的脈沖信號(hào) 1 21 2系統(tǒng)整體方案的論證系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射與接收 根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來(lái) 計(jì)算出傳播距離 實(shí)用的測(cè)距方法有兩種 一種是在被測(cè)距的兩端 一端發(fā)射 另一端接受的直接波方式 適用于身高計(jì) 一種是發(fā)射波被物體發(fā)射回來(lái)后接 收的反射波方式 適用與測(cè)距儀 此次設(shè)計(jì)采用反射波方式 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)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 采用的材料是壓電陶瓷 由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有 5 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(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器 而長(zhǎng)距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器 第二章第二章 硬件電路的設(shè)計(jì)硬件電路的設(shè)計(jì) 我們的超聲波測(cè)距儀主要由 超聲波發(fā)射電路 超聲波接受電路 溫度測(cè) 量電路 顯示電路 單片機(jī)最小系統(tǒng)組成 2 12 1 超聲波發(fā)射電路的分析超聲波發(fā)射電路的分析 超聲波發(fā)射電路的前置電路是由一個(gè)555無(wú)穩(wěn)態(tài)電路組成的多諧振蕩器 它 是一種是間接反饋型 振蕩電阻是連在電源VCC上的555電路 它是用來(lái)產(chǎn)生方 波信號(hào)的 它的特點(diǎn)是 RA 7 RB 6 2 C RA與ACC相連 VD與RB并聯(lián) 其計(jì) 算公式為 T1 0 693RA C T2 0 693RB C RA RB時(shí) T1 T2 F 0 722 RA C 6 超聲波發(fā)射電路的后半部分主要由非門組成的電路 其中作用是 兩組非門是倒相的 使負(fù)載上可以得到兩種方向的電流 峰峰值為電源的 兩倍 非門并聯(lián)是為了提高輸出電流驅(qū)動(dòng)能力 也就是提高輸出功率 2 22 2 超聲波接收電路的分析超聲波接收電路的分析 發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射后 反射到接收頭 而接收到的波 形幅度非常小 所以在回波處理電路中 把接收到的波形放大了 10000 倍 用 的 LM347 搭成的兩級(jí)交流放大電路 經(jīng)放大后的波形送入檢波電路 射隨后經(jīng) LM347 比較器 經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為方波 可送給 STC89C52 的 EXT1 外 部中斷 在模塊電路的設(shè)計(jì)中一定要注意 超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的干擾 一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾 發(fā)射頭和接收頭間要有 20 cm 的距離 而在發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的 3ms 內(nèi) 接收頭會(huì)一直接收到發(fā)射頭傳 過(guò)來(lái)的非反射波 這是干擾波 在軟件處理的時(shí)候一定要注意清除掉此類的干 擾 2 3 溫度測(cè)量電路的分析溫度測(cè)量電路的分析 7 DS18B20DS18B20 引腳定義 引腳定義 1 DQ 為數(shù)字信號(hào)輸入 輸出端 2 GND 為電源地 3 VDD 為外接供電電源輸入端 在寄生電源接線方式時(shí)接地 DS18B20DS18B20 具有一下特性 具有一下特性 1 適應(yīng)電壓范圍更寬 電壓范圍 3 0 5 5V 在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 2 獨(dú)特的單線接口方式 DS18B20 在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線 即可實(shí)現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊 3 DS18B20 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上 實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫 4 DS18B20 在使用中不需要任何外圍元件 全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集 成在形如一只三極管的集成電路內(nèi) 5 測(cè)溫范圍 55 125 在 10 85 時(shí)精度為 0 5 6 可編程的分辨率為 9 12 位 對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 7 在 9 位分辨率時(shí)最多在 93 75ms 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字 12 位分辨率時(shí) 最多在 750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字 速度更快 8 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào) 以 一線總線 串行傳送給 CPU 同時(shí)可傳送 CRC 校驗(yàn)碼 具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 9 負(fù)壓特性 電源極性接反時(shí) 芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀 但不能正常工 作 8 2 42 4 顯示電路的分析顯示電路的分析 在計(jì)算機(jī)控制中 顯示裝置是一個(gè)重要組成部分 主要用來(lái)顯示生產(chǎn)過(guò)程 的工藝狀況與運(yùn)行結(jié)果 以便于現(xiàn)場(chǎng)工作人員的正確操作 常用的顯示器件有 顯示記錄儀 發(fā)光二極管顯示器 LED 液晶顯示器 LCD 大屏幕顯示器和圖形顯 示器終端 CRT 此設(shè)計(jì)的顯示電路為此設(shè)計(jì)的顯示電路為 74LS164 驅(qū)動(dòng) LED 動(dòng)態(tài)顯示電路 其工作原理 其工作原理 首先由 I O 口 1 送出數(shù)字 3 的段選碼 4FH 即數(shù)據(jù) 01001111 到 4 個(gè) LED 共同的段選線上 接著由 I O 口 2 送出位選碼 0111 到位選線上 其中數(shù)據(jù)的高 4 位為無(wú)效的 唯有送入左邊第一個(gè) LED 的 COM 端 D3 為低電平 0 因此只有該 LED 的發(fā)光管因陽(yáng)極接受到高電平 1 的 g d c b a 段 有電流流過(guò)而被點(diǎn)亮 也就是顯示出數(shù)字 3 而其余 3 個(gè) LED 因其 COM 端均為 高電平 1 而無(wú)法點(diǎn)亮 顯示一定時(shí)間后 再由 I O 口 1 送出數(shù)字 4 的段 選碼 66H 即 01100110 到段選線上 接著由 I O 口 2 送出點(diǎn)亮左邊第二個(gè) LE 9 D 的位選碼 1011 到位選線上 此時(shí)只有該 LED 的發(fā)光管因陽(yáng)極接受到 高電平 1 的 g f c b 段有電流流過(guò)因而被點(diǎn)亮 也就是顯示出數(shù)字 4 而其余 3 位 LED 不亮 如此再依次送出第三個(gè) LED 第四個(gè) LED 的段選與位選 的掃描代碼 就能一一分別點(diǎn)亮各個(gè) LED 使 4 個(gè) LED 從左至右依次顯示 3 4 5 6 第三章第三章 系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序 超聲波程序發(fā)生子程序 超聲波接收 中斷程序及顯示子程序組成 由于 C 語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法 匯編 語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間 而超聲波測(cè)距 器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算 計(jì)算距離時(shí) 又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間 超 聲波測(cè)距時(shí) 所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程 下面對(duì)超聲波 測(cè)距器的算法 3 13 1 超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的算法設(shè)計(jì) 距離計(jì)算公式 d s 2 vt 2 其中d是被測(cè)物與測(cè)距器的距離 s是超聲波的來(lái)回路程 v是超聲波 在當(dāng)前溫度下的速度 t是發(fā)送和接收超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間 聲波在其傳播介 質(zhì)中被定義為縱波 當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反 射 反射波稱為回聲 假如聲波在介質(zhì)中傳播的速度是已知的 而且聲波從聲 源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到 從聲波到目標(biāo)的距離就可以精 確地計(jì)算出來(lái) 這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理 3 23 2 超聲波測(cè)距器原理圖超聲波測(cè)距器原理圖 T R 障礙物 10 T 0 C 超聲波在空氣中的傳播速度 C1 331 45m s C 331 45 0 61T m s 式中 T C 3 33 3 主程序算法設(shè)計(jì)主程序算法設(shè)計(jì) 主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化 設(shè)置定時(shí)器工作模式為 16 位定時(shí) 計(jì)數(shù) 器模式 置位總中斷允許位 EA 并對(duì)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(gè)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) 需要延遲 0 1ms 后才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào) 由于采用 12MHZ 晶振 計(jì)數(shù)器每記一個(gè)數(shù)就是 1us 計(jì)算當(dāng) 20 時(shí)的超聲 波傳輸速度 v 344m s 則 d vt 2 344t 2 172T0 106 m 172T0 10000 cm 其中 T0 為中斷 T0 的計(jì)數(shù)值 測(cè)出距離后 結(jié)果以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 0 5S 然后再發(fā)出 超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量 3 43 4 主程序的流程圖主程序的流程圖 系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化 發(fā)送超聲波脈沖發(fā)送超聲波脈沖 等待反射超聲波等待反射超聲波 計(jì)算距離計(jì)算距離 顯示結(jié)果顯示結(jié)果 開始開始 11 3 53 5 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(guò) P1 0 端口發(fā)送兩個(gè)左右的超聲波脈沖信號(hào) 頻率約 40KHZ 的方波 脈沖寬度為 12us 左右 同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì) 時(shí) 超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單 但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確 所以采用匯編語(yǔ)言 程序編程 超聲波測(cè)距主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào) 一旦接收到返回的超 聲波信號(hào) 即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平 立即進(jìn)入超聲波接收中斷程序 進(jìn)入該 中斷后 就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí) 并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦 1 如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào) 則定時(shí)器 T0 溢出中斷將 外中斷 0 關(guān)閉 并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 表示本次測(cè)距不成功 第四章第四章 電路與程序的調(diào)試電路與程序的調(diào)試 通過(guò)多次實(shí)驗(yàn) 對(duì)電路各部分進(jìn)行了測(cè)量 調(diào)試和分析 首先測(cè)試發(fā)射電路對(duì)信號(hào)放大的倍數(shù) 先用信號(hào)源給發(fā)射電路輸入端一個(gè) 40kHz 的方波信號(hào) 峰 峰值為 3 8V 經(jīng)過(guò)發(fā)射電路后 其信號(hào)峰 峰值放大到 10V 左右 40kHz 的方波驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波 經(jīng)反射后由超聲波接收頭接 收到 40kHz 的正弦波 由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減 所以接收到的波形幅值 12 較低 經(jīng)接收電路放大 整形 最后輸出一負(fù)跳變 在單片機(jī)的外部中斷源輸 入端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào) 該測(cè)距電路的 40kHz 方波由單片機(jī)編程產(chǎn)生 方波的周期為 1 40ms 即 25 s 半周期為 12 5 s 每隔半周期時(shí)間 讓方波輸出腳的電平取反 便可產(chǎn) 生 40kHz 方波 由于 12M 晶振的單片機(jī)的時(shí)間分辨率是 1 s 所以只能產(chǎn)生半 周期為 12 s 或 13 s 的方波信號(hào) 頻率分別為 41 67kHz 和 38 46kHz 本系統(tǒng) 在編程時(shí)選用了后者 讓單片機(jī)產(chǎn)生約 38 46kHz 的方波 按照設(shè)計(jì)的原理 我們選用了 LM324 比較器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大 但是 無(wú)論如何調(diào)整電路 都無(wú)法將信號(hào)放大 然后我們查看了 LM324 的芯片手冊(cè) 我們發(fā)現(xiàn) 當(dāng)信號(hào)達(dá)到 40KHz 左右的時(shí)候 LM324 基本放大不了信號(hào) 這是因 為 LM324 的帶寬不夠大 我們?cè)诰W(wǎng)上搜索資料 找到一款管腳 功能都與 LM324 相同的芯片 LM347 此款芯片為寬帶比較器 可以放大 40KHz 的信號(hào) 使輸出信號(hào)達(dá)到 3 8V 左右 使單片機(jī)工作 當(dāng)我們將電路完全調(diào)試成功之后 我們對(duì)超聲波測(cè)距儀的顯示數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè) 量 我們發(fā)現(xiàn)顯示電路顯示的數(shù)值與實(shí)際測(cè)出的數(shù)值有偏差 經(jīng)過(guò)對(duì)電路的分 析 我們?cè)\斷出超聲波接收電路上存在著干擾 我們對(duì)電路加入 103 瓷片電容 進(jìn)行對(duì)電路干擾的消除 第五章第五章 系統(tǒng)的誤差分析系統(tǒng)的誤差分析 5 1 聲速引起的誤差聲速引起的誤差 聲波是媒質(zhì)中傳播的質(zhì)點(diǎn)的位置 壓強(qiáng)和密度對(duì)相應(yīng)靜止值的擾動(dòng) 高于 20kHz 時(shí)的機(jī)械波稱為超聲波 媒質(zhì)包括氣體 液體和固體 流體中的聲波常 稱為壓縮波或壓強(qiáng)波 對(duì)一般流體媒質(zhì)而言 聲波是一種縱波 傳播速度為 5 1 2 E c 式 5 1 中E為媒質(zhì)的彈性模量 單位 kg mm2 為媒質(zhì)的密度 單位 kg mm3 E 為復(fù)數(shù) 其虛數(shù)部分代表?yè)p耗 c也是復(fù)數(shù) 其實(shí)數(shù)部分代表傳播速 度 虛數(shù)部分則與衰減常數(shù) 每單位距離強(qiáng)度或幅度的衰減 有關(guān) 測(cè)量后者可 求得媒質(zhì)中的損耗 聲波的傳播與媒質(zhì)的彈性模量密度 內(nèi)耗以及形狀大小 產(chǎn) 13 生折射 反射 衍射等 有關(guān) 從式 5 1 可知 聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān) 因此 利用 聲速測(cè)量距離 就要考慮這些因素對(duì)聲速影響 在氣體中 壓強(qiáng) 溫度 濕度 等因素會(huì)引起密度變化 氣體中聲速主要受密度影響 液體的深度 溫度等因 素會(huì)引起密度變化 固體中彈性模量對(duì)聲速影響較密度影響更大 一般超聲波 在固體中傳播速度最快 液體次之 在氣體中的傳播速度最慢 氣體中聲速受 溫度的影響最大 聲速受溫度的影響為 5 2 2 0 1 273 cc 圖 5 1 根據(jù)上式測(cè)量的溫度 聲速圖 圖 5 1 空氣中溫度 聲速圖 由式 5 2 和圖 5 1 可見(jiàn) 當(dāng)溫度 從 0 40 變化時(shí) 將會(huì)產(chǎn)生 7 的聲 速變化 因此 為了提高測(cè)量準(zhǔn)確度 計(jì)算時(shí)必須根據(jù)溫度進(jìn)行聲速修正 工 業(yè)測(cè)量中 一般用公式計(jì)算超聲波在空氣中的傳播速度 即 5 3 331 0 6c 5 2 單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響單片機(jī)時(shí)間分辨率的影響 不管是查詢發(fā)射波與回波 還是由其觸發(fā)單片機(jī)中斷再通過(guò)軟件啟停定時(shí) 器 都需要一定的時(shí)候 中斷的方式誤差相對(duì)要小一些 相對(duì)而言 單片機(jī)的時(shí)間分辨率還是不太高 如晶振頻率為 12MHz 時(shí) 時(shí) 間分辨率為 1 s 隨機(jī)誤差 14 由于測(cè)量過(guò)程中的隨機(jī)誤差是按統(tǒng)計(jì)規(guī)律變化的 為了減少其影響 可 在同一位置處多次重復(fù)測(cè)量 xi 然后取平均值 x 作為測(cè)量的真值 10 提高測(cè)距精度的方法 上節(jié)分析了超聲波測(cè)距系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的一些原因 如何提高測(cè)量精度是超 聲測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù) 其提高測(cè)距精度的措施如下 1 合理選擇超聲波工作頻率 脈寬及脈沖發(fā)射周期 據(jù)經(jīng)驗(yàn) 超聲測(cè)距的工作頻率選擇 40kHz 較為合適 發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于 填充波周期的 10 倍以上 考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力 選擇發(fā)射脈 寬 1ms 脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度 速度快 脈沖發(fā) 射周期可選短些 2 在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié) AGC 及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié) 因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減 所以采用 AGC 電 路使放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路 使接收器波形的幅值 不隨測(cè)量距離的變化而大幅度的變化 采用電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)能使接收波形更加 穩(wěn)定 3 提高計(jì)時(shí)精度 減少時(shí)間量化誤差 如采用芯片計(jì)時(shí)器 計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高 則時(shí)間量化誤差造成的測(cè)距 誤差就越小 例如 單片機(jī)內(nèi)置計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率只有晶振頻率的十二分之一 當(dāng)晶振頻率 6MHz 時(shí) 計(jì)數(shù)頻率為 0 5MHz 此時(shí)在空氣中的測(cè)距時(shí)間量化誤差 為 0 68mm 當(dāng)晶振頻率為 12MHz 時(shí) 計(jì)數(shù)頻率為 1MHz 此時(shí)測(cè)距時(shí)間量化誤差 為 0 34mm 若采用外部硬件計(jì)時(shí)電路 則計(jì)數(shù)頻率可直接引用單片機(jī)的晶振頻 率 時(shí)間量化誤差更小 4 補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度 壓力 等因數(shù)有關(guān) 其中溫度的影響最大 因此需要對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償 溫度傳感器 LM92 的溫度測(cè)試分辨率為 0 0625 10 至 85 準(zhǔn)確度為 1 0 I2C 總線接口 用 AT89C51 的通用 I O 端口能很容易的模擬 I2C 總線 的讀寫時(shí)序 LM92 高精度溫度測(cè)量能很好的補(bǔ)償超聲波在不同溫度的傳播速度 由 LM92 溫度傳感器和單片機(jī)組成的高精度超聲波測(cè)距已應(yīng)用在各種高精度 測(cè)距的場(chǎng)合 如自動(dòng)氣象站中水氣日蒸發(fā)量的測(cè)試 自動(dòng)任意形狀物體密度測(cè) 試儀等 它具有測(cè)試速度快 能達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn) 在工程上的開 15 發(fā)與應(yīng)用前景廣闊 總結(jié)總結(jié) 本課題介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì) 給出了硬 件和軟件的設(shè)計(jì)方案 超聲波傳感器是本系統(tǒng)的核心器件 本論文詳細(xì)地介紹了超聲波傳感器的 原理 結(jié)構(gòu) 檢測(cè)方式以及它的一些特性 只有深入地了解超聲波傳感器的工 作原理 才能更好的設(shè)計(jì)測(cè)距電路 單片機(jī)是本系統(tǒng)的控制部分 采用 STC89C52芯片驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40kHz 的方波信號(hào) 由 555 多謝振蕩器產(chǎn) 生 本系統(tǒng)的發(fā)射電路采用 74HC04 六反向器 通過(guò)它對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生的方波信號(hào) 進(jìn)行放大 以驅(qū)動(dòng)傳感器工作 接收電路采用的是 LM347 通過(guò)接收電路對(duì)接 收到的信號(hào)進(jìn)行放大和整形 最終再輸出負(fù)脈沖給單片機(jī)響應(yīng)中斷程序 本系 統(tǒng)的 LED 顯示部分采用的是動(dòng)態(tài)掃描方式 并用單片機(jī)軟件譯碼 單片機(jī)內(nèi)部 采用 C 語(yǔ)言編程 方波信號(hào)的產(chǎn)生 時(shí)間差的讀取 距離的計(jì)算以及顯示輸出 的譯碼都由單片機(jī)編程完成 本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有測(cè)量精度較高 速度快 控制簡(jiǎn)單方 便等優(yōu)點(diǎn) 測(cè)距范圍從 20cm 到 200cm 測(cè)量精度在 10cm 內(nèi) 測(cè)距系統(tǒng)在許多 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和自動(dòng)控制場(chǎng)合 都有很重要的作用 但由于經(jīng)驗(yàn)不足 電路硬件 軟件部分都有不夠完善的地方 在今后的學(xué)習(xí)中會(huì)進(jìn)一步改進(jìn) 總體來(lái)說(shuō) 最重要的是在本課題的設(shè)計(jì)過(guò)程中我學(xué)到了很多知識(shí) 從中受 益匪淺 了解了超聲波傳感器的原理 學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析 設(shè)計(jì) 也 掌握了單片機(jī)的開發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法 對(duì)一塊電路板的設(shè)計(jì) 焊板 調(diào)試 改進(jìn)等整個(gè)過(guò)程 有了更深入的理解和掌握 這些對(duì)我今后的學(xué) 習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) 16 1 劉鳳然 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) 傳感器世界 2001 5 29 32 2 何希才 薛永毅 傳感器及其應(yīng)用實(shí)例 機(jī)械工業(yè)出版社 2004 138 152 3 胡漢才 單片機(jī)原理及其接口技術(shù) 清華大學(xué)出版社 2004 27 46 4 吳斌方 劉民 熊海斌 超聲波測(cè)距傳感器的研制 湖北工學(xué)院學(xué)報(bào) 2004 19 6 26 28 5 蘇煒 龔壁建 潘笑 超聲波測(cè)距誤差分析 傳感器技術(shù) 2004 23 6 8 11 6 羅忠輝 黃世慶 提高超聲測(cè)距精度的方法 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 2005 1 109 附錄附錄 附錄附錄A A 實(shí)物圖實(shí)物圖 超聲波發(fā)射電路 17 超聲波接收電路 顯示電路 附錄附錄B B PCBPCB圖圖 18 發(fā)射和接收電路 顯示模塊 附錄附錄C C 19 20 附錄附錄D D include include include define KeyData P1 0 xe0 define KeyDown 1 按鍵 按下 define KeyUp 0 按鍵 彈開 bit KeyFirst 1 按鍵 第一次按下 bit KeyState KeyUp 按鍵 狀態(tài) uchar KeyValue 鍵值 sbit CLK P1 6 sbit DAT P1 5 sbit MeasureEn P3 7 超聲 波測(cè)距使能按鍵 uchar TimeInitData 7 5 5 10 14 4 5 1 時(shí)間芯片DS1302初始值設(shè) 定 秒 分 時(shí) 日 月 星期 年 uchar TimeBuff 7 0 0 0 0 0 0 0 接收到的時(shí)間信息 21 uchar TimeBuff 7 11 22 33 44 55 66 7 7 uchar code DispCode 22 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4 f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 0 xbf 0 x86 0 xdb 0 xcf 0 xe6 0 xed 0 x fd 0 x87 0 xff 0 xef 0 x40 0 x00 0 1 9 0 1 9 uchar NumCode 4 0 0 0 0 uchar code LedSelect 4 0 x01 0 x02 0 x04 0 x0 8 數(shù)碼管的為選通信號(hào) int TimeData int DispNum int DispTemp uint Distance 3 0 0 0 定 義三次測(cè)量結(jié)果數(shù)組 uchar T0Num uchar MeasureTime 第 幾次測(cè)量 bit FlagEndMeasure 測(cè) 量完成一次的標(biāo)志 bit Flag20ms 0 bit Flag50ms 0 bit Flag1s 0 extern bit FlagSgn DS18B20正負(fù)溫度標(biāo)志 void StartMeasured 啟 動(dòng)測(cè)距 void Measure3Times 啟 動(dòng)測(cè)距三次 并取中值 void T0Init TMOD 0 x01 TH0 65536 5000 256 定時(shí) 5ms 動(dòng)態(tài)掃描 TL0 65536 5000 256 TR0 1 ET0 1 EA 1 void T1Init TMOD 0 x10 定時(shí)器1計(jì)數(shù)方 式 TH1 0 TL1 0 TR1 0 void Ex0Init IT0 1 外部中斷0 邊沿觸發(fā) EX0 0 EA 1 22 void Delayus uint n while n 延時(shí)大約n 10us void Send164 uchar Ch 口線模 擬時(shí)序 164送顯示 uchar j for j 0 j 8 j CLK 0 nop DAT Ch CLK 1 nop Ch 1 void Disp4 四個(gè)數(shù) 碼管顯示 static uchar j 0 Send164 DispCode NumCode j 調(diào)出與顯緩區(qū)數(shù)值相應(yīng)的字型碼 P0 P0 j j 4 void TempSendDisp 送顯溫度 if FlagSgn 1 NumCode 0 20 else NumCode 0 21 NumCode 1 DispNum 1000 100 if NumCode 1 0 NumCode 1 21 NumCode 2 DispNum 100 10 10 NumCode 3 DispNum 10 void DistanceSendDisp 送顯 距離 NumCode 0 DispNum 1000 23 if NumCode 0 0 NumCode 0 21 NumCode 1 DispNum 1000 100 1 0 NumCode 2 DispNum 100 10 NumCode 3 DispNum 10 void SendDisp 送顯數(shù)字