課程設(shè)計(jì) 超聲波測距.doc

西華大學(xué)電子技術(shù)課程設(shè)計(jì)說明書 基于51單片機(jī)的超聲波測距儀設(shè)計(jì)摘要： 本方案以stc89c52為核心，通過編程（C語言）來實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對外圍電路的適時(shí)控制，并提供給外圍電路各種所需的信號和接收超聲波反射回來的微小信號，包括頻率振蕩信號，時(shí)鐘信號，數(shù)據(jù)處理信號和顯示信號等等。其核心功能是對距離的檢測并實(shí)時(shí)的進(jìn)行距離的顯示，在檢測距離方面通過發(fā)射端與接收端的時(shí)間差來計(jì)算，理論上所測距離與其時(shí)間差成線性關(guān)系，所以可以通過線性回歸統(tǒng)計(jì)方法求出實(shí)際距離與所求距離的關(guān)系。該電路簡化了一些外圍電路，任能做到較為精確的測量工作，由于是采用程控操作，所以其移植性和可擴(kuò)展性還是較好。在設(shè)計(jì)時(shí)分，分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)各部分功能，簡化了在設(shè)計(jì)過程中的調(diào)試難度。關(guān)鍵詞： 超聲波測距、單片機(jī)控制、液晶顯示、距離報(bào)警、線性回歸Abstract：This program stc89c52 programming (C language) to achieve the timely control of the single-chip peripheral circuits, and made available to the peripheral circuits of the desired signal and receiving the ultrasonic reflected the small signal, including frequency oscillation signal, the clock signal, data signal processing and display signals, and so on. The its core function is to to the detection of pairs the distance and real-time of the carried out the distance the display of goes as follows. In the to calculate the, in the the detection distance aspects of through the launch of the-side with the the time of the the receiving end is poor, in theory, the measured distance with its time difference into a linear the relationship between, so can through the the linear regression statistical methods calculate the actual distance of the seek distance relationship. The circuit simplifies the peripheral circuit, any more accurate measurements can be done, because it is programmed operation, its portability and scalability better. Hours of the design, the sub-module design to achieve the function of each, and simplifies the debugging difficulty in the design process.Keywords:Ultrasonic Ranging, MCU control, LCD, alarm of distance ,linear regression 目錄1前言31.1 課題的研究背景和意義31.2 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀32 總體方案設(shè)計(jì)42.1超聲波測距的原理42.2超聲波傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)圖43單元模塊設(shè)計(jì)53.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)53.2 AT89S52型單片機(jī)介紹63.3各單元模塊的聯(lián)接84 軟件設(shè)計(jì)154.1軟件設(shè)計(jì)分析154.2軟件設(shè)計(jì)思路154.2.1主程序154.2.2 超聲波測距子程序164.2.3 超聲波延時(shí)子程序175系統(tǒng)調(diào)試185.1硬件調(diào)試185.2硬軟件聯(lián)調(diào)195.3測試結(jié)果分析205.3.1測試波形205.3.2測試中儀器儀表215.3.3 數(shù)據(jù)分析215.4超聲波測距誤差分析225.4.1溫度誤差225.4.2串?dāng)_問題226 結(jié)論236.1總結(jié)與體會236.2 對設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善提出意見或建議23附錄一、相關(guān)設(shè)計(jì)程序26附錄二、設(shè)計(jì)圖和35附錄三、實(shí)物圖36 37 1前言1.1 課題的研究背景和意義超聲波是指頻率高于20KHz的聲波，屬于機(jī)械波的范疇，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)橛羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科技水平的不斷提高，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，超聲波測量精度高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞，超聲波測距技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于人們生活和工作中。由于超聲波測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色的影響，比其他儀器更衛(wèi)生，具有不污染、高可靠、長壽命等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、污水處理廠、食品、水文、等行業(yè)中，可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離的準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水酒精、糖等液位控制，能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求。還可以用于移動機(jī)器人的視覺系統(tǒng)中，這樣可使機(jī)器人自動躲避障礙物行走，及時(shí)獲得障礙物的位置信息，同時(shí)超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些特點(diǎn)，在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛應(yīng)用1。1.2 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國際國內(nèi)，在超聲波測距方面的研究方向和水平的不同，主要體現(xiàn)在對測距原理、超聲波信號處理方法和超聲波測距處理器的選用上。常見的超聲波測距原理分為渡越時(shí)間法和相位差法兩種。信號的處理方法大致分為閾值檢驗(yàn)法、互相關(guān)延時(shí)估計(jì)法、偽隨機(jī)碼擴(kuò)頻測距法和最小均方法四種。在處理器方面大多以單片機(jī)為主，其中以51系列應(yīng)用最為廣泛，采用運(yùn)算速度更快，效率更高dsp芯片作為處理器，也正成為一個(gè)非?；钴S的研究方向。目前已研制的超聲波測距儀中，量程一般為3-12m，美國AIRMAR公司生產(chǎn)的airducer AR30超聲波傳感器的作用距離可達(dá)30m，但價(jià)格昂貴，準(zhǔn)確度方面已控制在測量誤差的0.4%左右，與真值的差距在厘米級的范圍內(nèi)，若采用互相關(guān)或偽隨機(jī)法，最高可控制在0.05m內(nèi)，在提高精確度方面，超聲波測距還有很大的發(fā)展?jié)摿蜕仙臻g2。2 總體方案設(shè)計(jì)2.1超聲波測距的原理 諧振頻率高于20 kHz 的聲波稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式, 頻率越高, 反射能力越強(qiáng), 而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性, 常常用渡越時(shí)間檢測法進(jìn)行距離的測量。其工作原理是:換能器向介質(zhì)發(fā)射超聲波, 聲波遇到目標(biāo)后必然有反射回波作用在換能器上。若已知介質(zhì)中聲速為c, 回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射波時(shí)刻的時(shí)間差為t, 就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與反射點(diǎn)的距離s:s= c.t/2 (1)2.2超聲波傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)圖為了研究和利用超聲波, 人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講, 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類: 即用電氣方式和機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。前者包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等; 后者有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同, 因而用途也各不相同, 目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體諧振來工作的。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)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(shí)，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是超聲波發(fā)生器;如沒加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，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(shí)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4。共 振 板電極壓電晶片圖 1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 以下為型號T/R40-10的超聲波傳感器的特性參數(shù)（T-發(fā)射，R-接收，40-中心頻率單位kHZ,10-外殼直徑單位mm）3單元模塊設(shè)計(jì)3.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52，超聲波發(fā)射和接收電路都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波模塊傳感器實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。整體電路如圖6：包括超聲波發(fā)射電路，超聲波接收電路，顯示電路等模塊組成8。鍵盤鍵入估測范圍 發(fā)射電路 AT89C51 接收電路 LED顯示電路 圖2.1工作原理超聲波測距器工作原理：打開電源，整個(gè)電路通電，單片機(jī)執(zhí)行程序，對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式，啟動T0， 調(diào)用超聲波發(fā)生子程序，等待反射超聲波，計(jì)算距離，顯示距離；重復(fù)。工作過程中，相關(guān)的子程序和中斷程序被執(zhí)行，相應(yīng)硬件配合行動，顯示測量結(jié)果。3.2 AT89S52型單片機(jī)介紹AT89S52 是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng) 可編程Flash，使得AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32 位I/O 口線，看門狗定時(shí)器，2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè)16 位 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工 作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止5。其引腳圖如圖3所示：P0 口：P0口是一個(gè)8位漏極開路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動8個(gè)TTL邏 輯電平。對P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn) 時(shí)，需要外部上拉電阻。P1 口：P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p1 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個(gè) TTL 邏輯電平。對P1 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P2 口：P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對P2 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 在訪問外部程序存儲器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR） 時(shí)，P2 口送出高八位地址。在這種應(yīng)用中，P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，P2口輸出P2鎖存器的內(nèi)容。 在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，p3 輸出緩沖器能驅(qū)動4 個(gè) TTL 邏輯電平。對P3 端口寫“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入 口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。 P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用。 第二功能： P3.0 RXD(串行輸入口) P3.1 TXD(串行輸出口) P3.2 INTO(外中斷0) P3.3 INT1(外中斷1) P3.4 TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0) P3.5 T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1) 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) 圖3.13.3各單元模塊的聯(lián)接3.3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)是以STC89C52型單片機(jī)為主體而搭建的，連接了外部矩陣鍵盤，1602型液晶，穩(wěn)壓電源系統(tǒng)。1、單片機(jī)單片機(jī)的型號是STC89C52，其主要外部I/O連接如下： 表3.1P0.0-P0.71602顯示端口P2.0-P2.21602讀寫控制P3.0-P3.1程序燒寫P3.4口發(fā)波端P3.2接收端 圖3.23.3.2、矩陣鍵盤鍵盤為44的矩陣鍵盤，每個(gè)按鍵功能和與單片機(jī)連接端口如下： 圖3.33.3.3、液晶 圖3.4使用1602型液晶，在不同的狀態(tài)下顯示不同的內(nèi)容： 初始化： 預(yù)設(shè)距離： 測量中： 測量失?。?圖3.53.3.4、閃爍燈 圖3.63.3.5、程序燒寫模塊 圖3.73.3.6、蜂鳴器模塊 圖3.83.3.7、穩(wěn)壓電源采用7805穩(wěn)壓芯片，增加了電源的穩(wěn)定性，降低功耗 圖3.93.3.8、測距模塊（1） 工作原理 圖3.10a. 采用IO口TRIG觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號；b. 模塊自動發(fā)送8個(gè)40KHZ的方波，自動檢測是否有信號返回；c. 有信號返回時(shí)，通過IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=（高電平時(shí)間*聲速）/2。（2） 引腳定義VCC供5V電源，TRIG觸發(fā)控制，信號輸入，ECHO回響信號輸出，OUT開關(guān)量輸出（當(dāng)報(bào)警模塊使用），GND為地線。（3） 工作時(shí)序圖 圖3.11以上時(shí)序圖表明，只要提供一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40KHZ周期電平并檢測回波。一旦檢測到回波，信號則輸出回響信號?；仨懶盘柕拿}沖寬度與所測量的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。4 軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)分析 完成了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)之后，接下來的就是系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，此設(shè)計(jì)所需要完成的主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。由以上所述系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和各個(gè)電路功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：1、信號控制。在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、回?fù)軝z測接收電路的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中只需完成發(fā)射脈沖信號及輸出顯示。2、數(shù)據(jù)存儲。測距系統(tǒng)中需要得到發(fā)射信號與接收回波的時(shí)間差，需要讀出計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)值，然后存儲在RAM中，而且每次發(fā)射周期的開始，需要對計(jì)數(shù)器清零，以備后續(xù)處理。3、信號處理。RAM中存儲的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示出來，有這個(gè)時(shí)間后，可以通過程序來計(jì)算出來。4、距離顯示。經(jīng)過軟件處理得到的距離值需要十進(jìn)制的數(shù)碼管方式。4.2軟件設(shè)計(jì)思路 超聲波軟件測距軟件設(shè)計(jì)主要由主程序，發(fā)射子程序，外部中斷接收子程序及顯示子程序12。程序可以由匯編和C來編寫，匯編語言雖然有很高的效率和精確度，但使用起來比較難以掌握，本文主要采用C語言程序來完成各個(gè)功能。4.2.1主程序主程序流程圖如圖14所示。主程序首先對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置T0工作模式為16位的定時(shí)器模式，及計(jì)數(shù)初值，然后使超聲波發(fā)射出一串40kHZ的方波。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(jì)數(shù)器T0的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按公式計(jì)算可測得被測物體與測距儀之間的距離，測出距離后結(jié)果在液晶屏顯示，然后再循環(huán)進(jìn)行下一次距離的測量。當(dāng)所測距離超出設(shè)置的最大距離后報(bào)警器會報(bào)警。開始系統(tǒng)初始化調(diào)用測距子程序計(jì)算測量結(jié)果調(diào)用顯示子程序結(jié)束 圖4.14.2.2 超聲波測距子程序超聲波發(fā)射子程序在P3.7口產(chǎn)生40kHZ方波脈沖寬度約12us，作為超聲波發(fā)射器的輸出信號。一旦接收到超聲波返回信號后（INT0引腳出現(xiàn)低電平），就立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷程序后就立即關(guān)閉定時(shí)器，T0停止計(jì)時(shí)，并將接收到的標(biāo)志位為1,，然后在主函數(shù)里調(diào)用計(jì)算距離公式，在顯示出來。流程圖如圖15：開始發(fā)射超聲波 啟動時(shí)鐘開始計(jì)時(shí)N外部0是否有中斷 Y時(shí)鐘停止計(jì)時(shí)計(jì)算檢測結(jié)果返回 圖4.24.2.3 超聲波延時(shí)子程序 在傳感器以脈沖發(fā)射方式工作下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分，此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象成為阻塞。不同的檢測儀阻塞成都不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量會使結(jié)果偏低，甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段時(shí)間成為盲區(qū)。延時(shí)子程序的作用就是在超聲波發(fā)射的同時(shí)延遲一些時(shí)間，在打開中斷，為了就是防止在超聲波發(fā)射時(shí)接收器就收到發(fā)射波，這樣就會產(chǎn)生錯誤，產(chǎn)生比較嚴(yán)重的誤差，所以要延遲一定的時(shí)間。5系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試超聲波測距儀的硬件安裝時(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行兩者之間的距離在3-5cm之內(nèi)，其余元件沒有特殊要求。若能將超聲波電路用金屬殼屏蔽起來，可以提高抗干擾能力。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的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件調(diào)試中，首先是線路的檢查。焊接完實(shí)驗(yàn)后檢查是否有錯焊、漏焊、虛焊，電解電容是否接反，走線是否正確。檢查無誤后，再次就是上電檢查，在正式上電前，用萬用表測量一下電源與地是否短路，短路的話，要耐心檢查、排除故障。然后進(jìn)行顯示電路，用同樣的方法對顯示部分進(jìn)行調(diào)試后，給單片機(jī)與1602液晶之間進(jìn)行調(diào)試。最后是對發(fā)射和接收電路，用函數(shù)發(fā)生器吧40kHZ的方波直接加到發(fā)射電路的輸入端后，用示波器檢測超聲波發(fā)射的換能器，檢差是不是有方波信號，再用函數(shù)發(fā)生器對超聲波接收的換能器直接加40kHZ的方波信號，用示波器對接收電路輸出端進(jìn)行檢測。通過這些過程，硬件部分的調(diào)試就基本完成了，剩下的就只有軟件和硬件的聯(lián)調(diào)了。5.2硬軟件聯(lián)調(diào)硬件測試好后，便可將程序編譯下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.042.10m，測距儀最大誤差不超過1cm。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(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測量要求。圖17為在keil_uVision3里編譯的情況： 圖5.15.3測試結(jié)果分析5.3.1測試波形圖18、19中的波形為示波器抓拍的發(fā)射和接收電路中所得的波形圖，上方的波形為發(fā)射電路中所得的波形圖，下方的波形為接收電路中在cx20106的1引腳處測得波形。圖5.2圖 5.3由上圖可見，接收回路中測得的超聲波信號共有兩個(gè)波束，第一個(gè)波束為余波信號，即超聲波接收頭在發(fā)射頭發(fā)射信號（一組40KHz的脈沖）后，馬上就接收到了超聲波信號，并持續(xù)一段時(shí)間。另一個(gè)波束為有效信號，即經(jīng)過被測物表面反射的回波信號。超聲波測距時(shí)，需要測的是開始發(fā)射到接收到信號的時(shí)間差，由上圖中就可看出，需要檢測的有效信號為反射物反射的回波信號，故要盡量避免檢測到余波信號，這也是超聲波檢測中存在最小測量盲區(qū)的主要原因。 5.3.2測試中儀器儀表所用儀器儀表如 表5.1表序號名稱型號品牌數(shù)量備注1直尺/1精度：0.1cm2萬用表/13數(shù)字示波器GDS-206215.3.3 數(shù)據(jù)分析基于上面設(shè)計(jì)的硬件電路和軟件，焊接好電路后，經(jīng)過調(diào)試，對系統(tǒng)進(jìn)行測試，測試的距離數(shù)據(jù)如表2。測量單位：cm。 表 5.2 單位：cm實(shí)際距離5102021253035405060測量距離592020253134384960誤 差0101011210實(shí)際距離708994105115120140180195200測量距離719091109118118140183194200誤 差11343203105.4超聲波測距誤差分析超聲波測距在實(shí)際應(yīng)用也有局限性，其中對超聲波測距的精度要求挺高。一是超聲波在空氣中衰減極大，因?yàn)闇y量距離的不同，造成回波信號的起伏，使回波到達(dá)時(shí)間的測量產(chǎn)生了較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過程中展寬，影響了測距的分辨率，尤其是對近距離造成較大的影響，還有一些因素，諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會對測量造成一定地影響，這些因素都限制了超聲波測距在一些對測距精度要求較高的場合的應(yīng)用，如何解決這些問題，提高超聲波測距的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義13。本系統(tǒng)最大測距誤差在3cm左右，測距的盲區(qū)為5cm。5.4.1溫度誤差由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與溫度有關(guān)，不同溫度下超聲波在空氣中傳播的速度隨溫度變化的關(guān)系： 式中：T為絕對溫度（）,為331.4m/s。表3列出了不同溫度下的超聲波聲速。在使用時(shí)，若果溫度變化不大，則可以認(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?4。 表 5.3 5.4.2串?dāng)_問題設(shè)計(jì)中發(fā)射極和接收極距離較近，這樣當(dāng)發(fā)射極發(fā)射超聲波后，有部分超聲波經(jīng)過障礙物反射就直接繞射到接收極上，這部分信號時(shí)無用的，會引起系統(tǒng)誤差，而且這種誤差是不可避免的。設(shè)計(jì)中采用延時(shí)來解決這個(gè)問題，經(jīng)過多次程序校正本設(shè)計(jì)的盲區(qū)為5cm13。6 結(jié)論6.1總結(jié)與體會在設(shè)計(jì)之前，參考了許多相關(guān)的資料。在設(shè)計(jì)中又參考了網(wǎng)上的相關(guān)超聲波測距儀資料，有了基本的思路。但著手設(shè)計(jì)時(shí)，又出現(xiàn)了許多未預(yù)料到的問題，例如元件的選擇：在選擇方案時(shí)最初選擇了用分立元件搭建，但是在調(diào)試過程中遇到了問題，發(fā)射端和接收端都正常工作，但是在處理接收端信號時(shí)由于CX1206芯片太為敏感，一直不能給出中斷低電平，后改方案為全部用分立元件搭建，其中涉及到前級放大，帶通濾波，后級放大比較，調(diào)試也沒能完成，因此暫時(shí)放棄了此方案。選擇了用超聲波模塊傳感器，在調(diào)試過程中就顯得容易了許多。在顯示問題上，由于要顯示字母和數(shù)字，因此選擇了用1602液晶顯示屏。為使單片機(jī)正常工作，電源選擇了用7805穩(wěn)壓芯片，使用9V干電池供電，達(dá)到了便攜的效果。在一些設(shè)計(jì)原理上也遇到了許多問題。如在中斷程序和時(shí)鐘編寫上。還有就是在PCB制圖和焊接上出現(xiàn)一些錯誤，經(jīng)同學(xué)以及老師的指證，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)通的原因，并及時(shí)的改正?？傊?，這次實(shí)驗(yàn)過程中我受益匪淺，培養(yǎng)了我的設(shè)計(jì)思維，增加了動手操作的能力。更讓我體會到實(shí)現(xiàn)電路功能喜悅。 6.2 對設(shè)計(jì)的進(jìn)一步完善提出意見或建議本次設(shè)計(jì)還是有許多的不足之處,比如說本次設(shè)計(jì)的測距儀測距范圍還不是特別大，只有0-5.4m，測量精度還不是很高，在兩米以內(nèi)為2厘米誤差，而之后誤差會隨著測量距離的增加而增加，比如在五米時(shí)誤差達(dá)到10厘米。在設(shè)計(jì)上我們還可以做成更小更便攜，比如在器件的選擇可以改用貼片，處理器可以用430類似的低功耗單片機(jī)，達(dá)到節(jié)能的目的，還可以加上無線通信功能，只需給設(shè)備發(fā)條短信，就可以知道測量的數(shù)據(jù)。只是由于時(shí)間以及個(gè)人的能力問題我們暫時(shí)還難以設(shè)計(jì)出這樣的電路,者就有待于今后我們在學(xué)習(xí)中認(rèn)真領(lǐng)悟、參透。7致謝在這里，我對我們的帶課老師卜云老師表示衷心的感謝。卜老師在這次課程設(shè)計(jì)過程中對我們的全方位的指導(dǎo)，是我們這次課程設(shè)計(jì)取得成功的根本保證。卜老師對這次課程設(shè)計(jì)抱著認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度，他極力做好安排、指導(dǎo)、答辯等各個(gè)環(huán)節(jié)，只為我們能通過這兩周的課程設(shè)計(jì)學(xué)到更多知識，更快地提高我們的能力。在卜老師的指導(dǎo)下，我學(xué)到了很多平時(shí)沒有學(xué)到的東西，尤其是學(xué)到了很多依托我們的專業(yè)知識在實(shí)際生活中廣泛應(yīng)用的東西。另外，我還要感謝學(xué)校能安排這次課程設(shè)計(jì)，為我們熟悉我們的專業(yè)相關(guān)提供了平臺。當(dāng)然，這次課程設(shè)計(jì)能取得成功，還少不了我們組幾個(gè)同學(xué)的通力合作，大家在設(shè)計(jì)中獻(xiàn)言獻(xiàn)策，不積極發(fā)揮著個(gè)人的聰明與才智。8參考文獻(xiàn)1孟立凡等.傳感器原理及技術(shù)M,北京，國防工藝出版社，2005.2楊永瑞,劉振起.電子測量技術(shù)基礎(chǔ)M,西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2004.3欒桂東等.傳感器及其應(yīng)用M，西安，西安電子科技大學(xué)出版社，1996.4王子芳.傳感器應(yīng)用技術(shù)M，西安，西北工業(yè)大學(xué)出版社，1996.5張國勛，孫海. 單片機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）M,北京：中國電力出版社,2007.6朱愛紅,朱寧文.基于AT89C2051的超聲波測距系統(tǒng)J，信息技術(shù)與信息化,2006, No.5.7翁黎朗.超聲波換能器驅(qū)動和接收電路的研究J,集美大學(xué)學(xué)報(bào),白然科學(xué)版，1998, No.4: 60-64.8趙廣濤 ,程蔭杭.基于超聲波傳感器的測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)J，微計(jì)算機(jī)信息， 2006，No.1:129-131.9卜英勇,何永強(qiáng).一種高精度超聲波測距儀測量精度的研究J，鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2006,No.1.10張謙琳.超聲波檢測原理和方法M,北京：中國科技大學(xué)出版社,1993.11翟國富,劉茂愷.一種實(shí)時(shí)高精度的機(jī)器人用超聲波測距處理方法J,應(yīng)用聲學(xué),1996,No.1.12譚浩強(qiáng).程序設(shè)計(jì)（第二版）M,北京：清華大學(xué)出版社,1999.13張紅蓮.基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J. 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High resolution Supersonic distances measurement for long distancesJ.Technisches Messen .2003,70(04):18-22. 附錄一、相關(guān)設(shè)計(jì)程序/* *基于stc89c52的超聲波測距儀* *編寫日期：2012年4月05日* *改寫日期：2012年5月30日* */#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit RS=P20; /寄存器選擇位，將RS位定義為P1.0引腳sbit RW=P21; /讀寫選擇位，將RW位定義為P1.1引腳sbit E=P22; /使能信號位，將E位定義為P1.2引腳sbit send=P34; /發(fā)波位sbit LED1=P35;sbit LED2=P23;sbit beep=P36;uchar flag=0,counter=0,mov=0;uchar code num=0123456789;uchar code table1=distance:;uchar code table2=SET:;uchar code table3=cm;uchar code table4=Test Fail !;uchar code table5=Welcom to you!;/*函數(shù)功能：延時(shí)若干微秒*/void delay(uint z) uint x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=600;y0;y-); void delaynus(uint z) uint x,y;for(y=5;y0;y-)for(x=z;x0;x-);void delay_key()uint x,y;for(x=100;x0;x-)for(y=180;y0;y-);/*函數(shù)功能：寫指令*/void write_com(uchar com)RS=0;RW=0;E=0;P0=com;delay(1);E=1;delay(1);E=0;/*函數(shù)功能：寫數(shù)據(jù)*/void write_data(uchar da)RS=1;RW=0;E=0;P0=da;delay(1);E=1;delay(1);E=0;/從1跳變到0，液晶開始執(zhí)行命令/*函數(shù)功能： 4*4 鍵盤掃描程序。進(jìn)行鍵盤掃描,P1口*/uchar keyscan(void) uchar temp,i,key_val;while(1) P1=0x0f;if(P1!=0x0f)delay_key();if(P1!=0x0f)P1=0xef; /要檢測列輸入狀態(tài)，低四位置1for(i=0;i4;i+) temp=P1&0x0f;switch(temp)case 0x0e:key_val=0;break;case 0x0d:key_val=1;break; case 0x0b:key_val=2;break;case 0x07:key_val=3;break; if(temp!=0x0f) return (i*4+key_val); P1=P11|0x01;/*函數(shù)功能：初始化LCD*/void initLCD()write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);/清屏write_com(0x80); /歸位/*函數(shù)功能：顯示預(yù)設(shè)距離*/void display_mun(uchar temp)uchar code table= 0x4a,0x4b,0x4c, ;write_com(0x80+tablemov+);write_data(numtemp);if(mov=3)mov=0; /*函數(shù)功能：顯示距離*/void display_distance(uint temp)uint bai,shi,ge; bai=temp/100;shi=temp%100/10;ge=temp%10;write_com(0x80+0x0a);write_data(numbai);write_com(0x80+0x0b);write_data(numshi);write_com(0x80+0x0c);write_data(numge);/*函數(shù)功能：顯示字符串*/void display_string(uchar adr , uchar a)uchar *p=a;delay(4);write_com(0x80+adr);while(*p!=0)write_data(*p);p+;void init_t0(void)TMOD=0x12;TH0=256-12.5;TL0=2