超聲測距報(bào)告

超聲測距報(bào)告摘要：本系統(tǒng)包括控制，超聲發(fā)送與接收。通過單片機(jī)控制超聲波的發(fā)送與接收，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在液晶上顯示距離。系統(tǒng)穩(wěn)定性好，測量精度高。關(guān)鍵詞：單片機(jī)，超聲，步進(jìn)電機(jī)一方案論證與比較1．系統(tǒng)方案方案一：采用單片機(jī)與FPGA配合，對超聲發(fā)送與接收進(jìn)行控制，以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理。方案二：直接用單片機(jī)控制與數(shù)據(jù)處理工作。鑒于單片機(jī)內(nèi)部自帶有定時(shí)計(jì)數(shù)器，足夠控制超聲發(fā)送與步進(jìn)電機(jī)，完全可以勝任。而且只用單片機(jī)，體積小巧，攜帶方便，也節(jié)約成本。因此選擇方案二。2．超聲發(fā)送模塊方案一：利用定時(shí)器產(chǎn)生40K赫茲脈沖，引起超聲波發(fā)送器內(nèi)部諧振，將電能轉(zhuǎn)化為聲能。方案二：采用555產(chǎn)生40K赫茲方波，使超聲波發(fā)送器發(fā)射超聲波。由于555定時(shí)器的頻率不穩(wěn)定，而由單片機(jī)定時(shí)能產(chǎn)生非常穩(wěn)定的40K赫茲頻率的波形，因此采用方案一。3．超聲接收模塊方案一：采用各種運(yùn)算放大器放大回波信號，并將送入電壓比較器，再經(jīng)過非門進(jìn)入單片機(jī)外部中斷1。方案二：采用普通三極管共射極放大電路，由于我們只需要將回波信號放大即可，并不需要非常好的波形，所以選擇普通三極管。經(jīng)過三級放大，可以探測到一米以內(nèi)的回波信號。由于方案一接收后的波形更穩(wěn)定，故采用方案一。二、基本測量原理與方案實(shí)現(xiàn)1．基本測量原理：系統(tǒng)開始工作時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出一個(gè)頻率為40kHz個(gè)數(shù)為5的群脈沖，并在發(fā)出第一個(gè)脈沖的同時(shí)，由一個(gè)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)接收傳感器接收到第一個(gè)脈沖信號經(jīng)過放大比較后送入單片機(jī)中斷口的時(shí)候，停止計(jì)時(shí)。這當(dāng)中的時(shí)間差t就是超聲波在測量過程中經(jīng)過的距離。因此可以得出被測物體與傳感器所在位置之間的直線距離為：S=v*t/2上式中，v為超聲波在空氣里的傳播速度，考慮到溫度對超聲波速度的影響，查尋下表：溫度（C）-30-20-100102030100聲速（m/s）313319325332338344349386可知，在25°C室溫，取波速為345.3m/s。在測量誤差方面，我們認(rèn)為誤差主要來自兩傳感器之間的距離，如圖示：圖中，2*1為超聲波在空氣中的實(shí)際傳播距離，s為兩探頭之間的距離。那么被測物體實(shí)際距離的計(jì)算公式為：d=（l2-s2/4）1/2當(dāng)被測物體與傳感器距離較遠(yuǎn)時(shí)，即圖中的1>>s時(shí)，s可近似忽略，那么有：l"d；當(dāng)被測物體與傳感器距離很近時(shí),s對d的影響就不可忽略了，此時(shí)lHd,因此當(dāng)d〈10cm的時(shí)候，絕對誤差將增大。 v2．方案實(shí)現(xiàn)：前面提到，整個(gè)系統(tǒng)制作的關(guān)鍵就在于超聲波的發(fā)送和接收部分。在這一環(huán)節(jié)我們用的是型號為UCM—T4OK1、UCM—R4OK1的壓電超聲波換能器，它是適用于遙控、遙測、報(bào)警、自動控制等電子裝置的關(guān)鍵部件。該器件按用途分為發(fā)射（UCM-T4OKI）和接收（UCM-R40K1）二種。它應(yīng)用了壓電陶瓷的壓電效應(yīng)，當(dāng)接收信號時(shí)，錐形諧振子收集信號傳輸?shù)綁弘娬褡?，壓電振子諧振并產(chǎn)生電壓；當(dāng)發(fā)射信號時(shí)，將電壓加到壓電振子，使其諧振并產(chǎn)生電壓信號，通過錐形諧振子向空間發(fā)射。其技術(shù)指標(biāo)：中心頻率40±lkHz（發(fā)射）,38±1kHz（接收）；靈敏度^-70dB/V/ubar；頻寬2±0.5kHz。.超聲波發(fā)射在發(fā)送端，發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)P1。0端口輸出的40kHz脈沖信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)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(gè)電極，用這種推挽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。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。.超聲波接收在接收端，由于傳感器收到的信號極其微弱，因此需經(jīng)過放大才能為單片機(jī)檢測至I」。通過粗略估計(jì)，要把小信號放大到5?7v,需放大1000倍左右?？紤]到高達(dá)40kHz的頻率以及現(xiàn)有運(yùn)算放大器UA741的增益帶寬積(0.3MHz),我們使用低噪音高性能運(yùn)放NE5532來實(shí)現(xiàn)放大。為了有效地放大信號，在第一級采用了差分放大以減小各種漂移的干擾。后面再加入三級基本反向放大，使輸出后放大1000倍。有些資料介紹在接收端加入帶通濾波器，以防止接收器感應(yīng)到其它一些非有效信號。關(guān)于這一點(diǎn)，我們考慮到該超聲傳感器本來的固有頻率就是40kHz,也就是說，它在接收信號時(shí)，首先就已經(jīng)對各種信號進(jìn)行了選頻，不會感應(yīng)到其它信號，因此在這里濾波器是不必要的。具體電路如下：

信號整形通過示波器測量、顯示，傳感器收到的信號波形為正弦波，需要經(jīng)過整形成矩形波信號，才能輸入給單片機(jī)進(jìn)行識別，因此我們加入電壓比較器LM311即能完成這一任務(wù)。電路如下：+5VLM311[R]/10kOhm/50%5.1kOhm12V^^12+5VLM311[R]/10kOhm/50%5.1kOhm12V^^12Vzr發(fā)射頭接收到的波形如下圖，將LM311的比較電平設(shè)定為某一正值，當(dāng)接收到的(4)系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)超聲波測距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(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語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序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（超聲波測距時(shí)），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中斷程序逐一介紹。計(jì)算公式為：d=s/2=（v*t）/2其中：d為被測物與測距器的距離；s為聲波往返的路程；v為聲速；t為聲波往返所用的時(shí)間。主函數(shù)主函數(shù)程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器TO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并將顯示商端口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)，需要延時(shí)約0。1ms（這也是超聲波測距器會有一個(gè)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。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是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中的數(shù)（既超聲波往返所用的時(shí)間）按計(jì)算公式計(jì)算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取聲速344m/s，則有D=（v*t）/2=172T0/1000mm其中：T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。測出距離后結(jié)果將送往LCD顯示約0。5S，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用C語言編寫。圖為主函數(shù)程序流程圖：3．超聲波發(fā)生子函數(shù)和超聲波接收中斷函數(shù)超聲波發(fā)生子函數(shù)的作用是通過P1。0端口發(fā)送2個(gè)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(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子函數(shù)比較簡單，但要求程序運(yùn)行時(shí)間準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。超聲波測距器主函數(shù)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INTO引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷函數(shù)。進(jìn)入該中斷后立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器TO停止計(jì)時(shí)，并將測距成功標(biāo)志字置1。若計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測到超聲波返回信號，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字置2以表示本次測距不成功。三、測試方法與數(shù)據(jù)：讓傳感器探頭固定面向一個(gè)方向，在超聲波傳播方向上一米之內(nèi)放一個(gè)障礙物讓液晶顯示其測的距離作為實(shí)測數(shù)據(jù)，用米尺測量兩傳感器探頭與障礙物之間的實(shí)際距離，兩者進(jìn)行比較，就能直觀地看出測量的誤差。數(shù)據(jù)記錄表格如下：（單位：mm）理論值10203040506070測量值盲區(qū)344553596879理論值80100150250400500600測量值88104153252404491593理論值7008009001000測量值6978029051005在這一部分，我們發(fā)現(xiàn)誤差不大，符合系統(tǒng)要求。由以上表格可知，本超聲測距系統(tǒng)的有效可測范圍是2