基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第1章課題及功能分析本系統(tǒng)是基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，主要是應(yīng)用單片機(jī)AT89C52控制超聲波發(fā)射與接收，運(yùn)用壓電式超聲波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)根本測(cè)距的功能。1.1題目來(lái)源本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在日常生產(chǎn)生活中，很多場(chǎng)合如汽車(chē)倒車(chē)、機(jī)器人避障、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等需要自動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)距。測(cè)距電路在人們的日常生活及工作中都有廣泛的應(yīng)用，可謂是源于生活，貼近生活，是和生活密不可分的。而在本測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中主要應(yīng)用超聲波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能，我們知道，超聲波是指頻率大于20kHz的在彈性介質(zhì)中產(chǎn)生的機(jī)械振蕩波，其具有指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離相對(duì)較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，因此常被用于非接觸測(cè)距，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)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線(xiàn)、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，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(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。由于超聲波對(duì)光線(xiàn)、色彩和電磁場(chǎng)不敏感，因此超聲波測(cè)距對(duì)環(huán)境有較好的適應(yīng)能力，利用超聲波檢測(cè)往往比擬迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)工業(yè)實(shí)用的要求，所以將此技術(shù)應(yīng)用到生活中可以節(jié)省很多人力、物力等資源，而且利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比擬方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，在測(cè)量精度方面能到達(dá)日常使用的要求，大大提高了產(chǎn)品的性能及質(zhì)量。此外超聲波測(cè)量在實(shí)時(shí)、精度、價(jià)格也能得到很好的折衷。1.2主要任務(wù)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的任務(wù)比擬明確，主要是測(cè)量超聲波到反射物的距離，此設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的是計(jì)算從超聲波發(fā)出到途中遇到障礙物反射回來(lái)的往返時(shí)間，然后利用有關(guān)參數(shù)根據(jù)距離計(jì)算公式算出所測(cè)距離，要求測(cè)距的范圍是0.5到10米，所測(cè)到距離要能夠?qū)崟r(shí)顯示，如果距離小于0.5米，將采用聲光報(bào)警來(lái)提示用戶(hù)。1.3功能分析本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要是應(yīng)用超聲波技術(shù)，以單片機(jī)系統(tǒng)為設(shè)計(jì)核心的控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)以下功能：1．測(cè)距范圍為0.5到10米；2．?dāng)?shù)碼管實(shí)時(shí)顯示所測(cè)到的距離；3．距離小于0.5米發(fā)生聲光報(bào)警。第2章方案論證2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求本設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一測(cè)距系統(tǒng)，測(cè)距的范圍是0.5到10米，所測(cè)到距離要能夠?qū)崟r(shí)顯示，如果距離小于0.5米，將采用聲光報(bào)警來(lái)提示用戶(hù)。在設(shè)計(jì)當(dāng)中以單片機(jī)為核心器件，形成相應(yīng)的測(cè)距電路，信號(hào)處理電路及報(bào)警電路，自行編制單片機(jī)控制程序，并進(jìn)行硬件調(diào)試、軟件調(diào)試，最后進(jìn)行軟硬件聯(lián)調(diào)，到達(dá)性能要求。系統(tǒng)性能要求如下：1．收發(fā)傳感器均選用超聲波傳感器；2．距離要求顯示；3．探測(cè)距離0.5m—10m；4．工作溫度-20—45℃。2.2系統(tǒng)方案論證超聲波測(cè)距原理是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S＝CT／2，式中的C為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在4個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射或接收的設(shè)計(jì)方法。2.2.1方案1本系統(tǒng)主要是基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中要以單片機(jī)為核心器件，分為超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路、顯示及報(bào)警四局部。超聲波測(cè)距電路的設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示：74LS04反相器74LS04反相器CX20236A集成電路超聲波發(fā)射器超聲波接收器MCS-52單片機(jī)顯示報(bào)警圖2.1超聲波測(cè)距電路的設(shè)計(jì)框圖本方案采用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)，用單片機(jī)產(chǎn)生8個(gè)40kHz的超聲波，脈沖持續(xù)時(shí)間為0.2ms左右，時(shí)隔59.8ms反復(fù)進(jìn)行。此脈沖信號(hào)作為計(jì)時(shí)的起始脈沖，由單片機(jī)輸出的端口的高頻脈沖經(jīng)過(guò)74LS04六反相器功率放大、升壓后與超聲波探頭產(chǎn)生共振，使超聲波探頭工作，那么超聲波由超聲波發(fā)射頭發(fā)射出去。接收電路由超聲波接收器、CX20236A集成電路組成。使用CX20236A集成電路對(duì)接收探頭收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。當(dāng)CX20236A接收到反射40kHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入，停止計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)，并讀取T0計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)。顯示用4位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管，聲光報(bào)警是用發(fā)光二極管和蜂鳴器組成的，單片機(jī)輸出一定頻率的脈沖驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，同時(shí)點(diǎn)亮發(fā)光二極管。系統(tǒng)中采用的是壓電式超聲波發(fā)生器，這個(gè)發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波傳感器由兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板組成。發(fā)射超聲波時(shí)，壓電傳感器中的壓電晶片受發(fā)射電脈沖鼓勵(lì)后產(chǎn)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。接收超聲波時(shí)，兩電極間未外加電，共振板接收到超聲波，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。2.2.2方案2原理框圖如圖2.2所示。MCS-51MCS-51單片機(jī)超聲波發(fā)射器顯示報(bào)警超聲波接收器FPS4091接收組件圖2.2方案原理框圖本方案主要是對(duì)方案1的發(fā)射和接收電路做了改動(dòng)，在本方案中的發(fā)射電路是由單片機(jī)I/O口編程輸出40kHz的方波，持續(xù)時(shí)間為0.2ms，每隔59.8ms左右再發(fā)一次，常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為340米/秒，這樣決定了儀器的最大探測(cè)距離為。直接由單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的超聲波，在發(fā)射電路中，由于單片機(jī)的P1口作為I/O口使用時(shí)吸電流能力小，所以外接一個(gè)三極管來(lái)提高其輸出電流的能力，保證40kHz的脈沖有一定的功率。在接收端方案二采用FPS4091接收組件，需要將紅外接收管PH302換為超聲波接收頭。因?yàn)樵诰嚯x較遠(yuǎn)時(shí)，回波信號(hào)很弱，使用此接收組件，可以在有效的測(cè)距范圍內(nèi)保證接收到的信號(hào)其輸出到達(dá)TTL電平防止了為到達(dá)幾十萬(wàn)倍的放大量而采用多級(jí)運(yùn)放組成的調(diào)試?yán)щy的高增益放大電路，十分便于制作，且電路無(wú)需調(diào)試。2.2.3方案比擬通過(guò)分析上述兩個(gè)方案，可以發(fā)現(xiàn)他們的主要區(qū)別在超聲波的接收和發(fā)射局部，方案一的發(fā)射電路采用74LS04六反相器來(lái)驅(qū)動(dòng)40kHz的超聲波，而方案二采用直接通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程由I/O口直接產(chǎn)生40kHz的超聲波，方案一雖然增加了六反相器，但這能保證超聲波一定能發(fā)射出去，提高驅(qū)動(dòng)能力。在接收局部方案一采用CX20236A集成電路，使用CX20236A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。當(dāng)CX20236A接收到反射40kHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入，停止計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)，并讀取T0計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)。而方案二采用FPS4091接收組件，結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單且不用調(diào)試，容易實(shí)現(xiàn)，但是大大的增加了投入費(fèi)用，這與我們的實(shí)際情況不符，同時(shí)FPS4091接收組件在市場(chǎng)上不是很容易買(mǎi)到，尤其是小批量的購(gòu)置很難。2.2.4結(jié)論通過(guò)方案比擬，方案一更加節(jié)省資金，容易實(shí)現(xiàn)，與我們的實(shí)際情況相符，因此確定選擇方案一為最終實(shí)施方案。2.3元器件的選擇在整個(gè)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中，元器件的選擇是否適合本設(shè)計(jì)的需求，對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成功與否起著相當(dāng)重要的作用，所以在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一定要慎重地選擇所要用的元器件。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)采用AT89C52，具有較高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；晶體振蕩器采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差；超聲波傳感器選擇T/R40-16〔T發(fā)射/R接收〕；LED七段數(shù)碼管選用簡(jiǎn)單實(shí)用的四位LED共陽(yáng)數(shù)碼管，位碼采用PNP三極管8550驅(qū)動(dòng)；超聲波發(fā)射電路采用六反相器74LS04構(gòu)成的推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波傳感器兩端，以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度；超聲波檢測(cè)接收電路主要采用CX20236A集成電路。第3章系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是利用超聲波技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)其測(cè)距的功能，它不僅包含硬件電路的設(shè)計(jì)，也包含了軟件程序的編程。下面就先以硬件電路的設(shè)計(jì)加以說(shuō)明。3.1系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)思想本系統(tǒng)主要是用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的測(cè)距電路的設(shè)計(jì)，按照設(shè)計(jì)的要求，主要是根據(jù)超聲波測(cè)距原理，以AT89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)為核心來(lái)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)。以下是對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的各局部電路的說(shuō)明：1、AT89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心局部。它的主要作用是：①發(fā)射40kHz的方波信號(hào)用來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)生超聲波信號(hào)；②利用計(jì)數(shù)器T0對(duì)超聲波從發(fā)射到返回所用的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)；③利用外部中斷0口來(lái)檢測(cè)超聲波回波信號(hào)；④根據(jù)所測(cè)出的時(shí)間及有關(guān)參數(shù)來(lái)計(jì)算距離；⑤控制有關(guān)參數(shù)的輸入與顯示。2、顯示電路的作用是采用動(dòng)態(tài)掃描法使4位LED共陽(yáng)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示。3、超聲波發(fā)射電路的作用主要是將單片機(jī)發(fā)射過(guò)來(lái)的40kHz的方波信號(hào)放大加到超聲波發(fā)射傳感器兩極，用以驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器發(fā)生超聲波信號(hào)。4、超聲波檢測(cè)接收電路的作用主要是對(duì)接收到的超聲波回波進(jìn)行放大和整形，將其轉(zhuǎn)換成單片機(jī)中斷信號(hào)。5、聲光報(bào)警電路的作用主要是根據(jù)有關(guān)參數(shù)及設(shè)計(jì)要求使系統(tǒng)按要求發(fā)出相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。3.2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的硬件電路主要分為單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路及聲光報(bào)警電路五局部。3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)電路是整個(gè)硬件電路中非常重要的一局部。單片機(jī)系統(tǒng)主要起控制電路中的各局部能夠按照設(shè)計(jì)要求正常工作的作用，在本電路中單片機(jī)采用AT89C52，采用了12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)AT89C52最小系統(tǒng)電路如圖3.1所示：圖3.1單片機(jī)AT89C52最小系統(tǒng)電路1、單片機(jī)AT89C52AT89C52是一種低功耗、高性能的含有8K字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的8位CMOS微控制器，使用高密度、非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造。芯片上的FPEROM允許在線(xiàn)或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)程序存儲(chǔ)器重復(fù)編程。AT89C52的內(nèi)部有256個(gè)字節(jié)的RAM，地址范圍是00H-FFH，但實(shí)際提供應(yīng)用戶(hù)使用的只有128個(gè)字節(jié)〔00H-7FH〕，另128個(gè)字節(jié)〔80H-FFH〕是特殊存放器區(qū)。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，在本系統(tǒng)中定時(shí)器T0用來(lái)測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間。51系列單片機(jī)引腳與封裝如圖3.2所示：圖3.251單片機(jī)引腳與封裝圖AT89C52的主要性能如下：⑴與MCS-52微控制器產(chǎn)品系列兼容；⑵片內(nèi)有8K字節(jié)的可在線(xiàn)重復(fù)編程快閃擦寫(xiě)存儲(chǔ)芯器〔FlashMemory〕；⑶編程所需的所有時(shí)序和電壓，均不需外部電路供應(yīng)；⑷存儲(chǔ)器可循環(huán)寫(xiě)入/擦除1000次；⑸存儲(chǔ)數(shù)據(jù)保存時(shí)間為10年；⑹寬工作電壓范圍：Vcc可由2.7V到6V；⑺全靜態(tài)工作：可由0Hz到16MHz；⑻程序存儲(chǔ)器具有3級(jí)鎖存保護(hù)；⑼128×8位內(nèi)部RAM；⑽32條可編程I/O線(xiàn)；⑾三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器；⑿中斷結(jié)構(gòu)具有5個(gè)中斷源和2個(gè)優(yōu)先級(jí)；⒀可編程全雙工串行通道；⒁空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保護(hù)存儲(chǔ)內(nèi)容。2、時(shí)鐘電路常用的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種為外部時(shí)鐘方式，本系統(tǒng)采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式。51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2.。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容。這里晶振的振蕩頻率為12MHz，電路中的電容C6、C7選為30pF。3、復(fù)位電路本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是的上電自動(dòng)復(fù)位電路，上電自動(dòng)復(fù)位是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)電源接通時(shí)只要Vcc的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。3.2.2顯示電路在本系統(tǒng)的顯示電路的設(shè)計(jì)中主要采用的是4位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，根據(jù)LED數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的連接方式，數(shù)碼管結(jié)構(gòu)可以分為共陽(yáng)極型和共陰極型兩種，共陽(yáng)極型的內(nèi)部發(fā)光二極管是由陽(yáng)極連在一起接高電平。由于P0口輸出電壓很低，無(wú)法驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管點(diǎn)亮，所以要加上拉電阻，一般選擇10kΩ上拉電阻。同時(shí)數(shù)碼管額定工作電壓范圍為1.2—1.5V，工作電流為10mA,要加限流電阻，根據(jù)公式：所以此處限流電阻選擇380。顯示電路如圖3.3所示：圖3.3顯示電路3.2.3超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路主要由六反相器74LS04組成的推挽電路和超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成。超聲波發(fā)射電路如圖3.4所示。單片機(jī)P1.0端口向外輸出超聲波脈沖信號(hào)，該信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩極反相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(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。其中的上拉電阻R1、R2一方面可以提高反相器74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。圖3.4超聲波發(fā)射電路1、反相器在本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射電路中采用的反相器是六反相器74LS04芯片，其引腳結(jié)構(gòu)如圖3.5所示：圖3.5芯片74LS04引腳結(jié)構(gòu)由其引腳結(jié)構(gòu)可知，7腳接地，14腳接電源，剩下12個(gè)管腳可分為六個(gè)反相器，其中A為輸入端，Y為輸出端，例如：1A輸入，1Y輸出。2、超聲波傳感器超聲波傳感器是利用晶體的壓電效應(yīng)和電致伸縮效應(yīng)，將機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換，并利用波的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種參量的測(cè)量。人們能聽(tīng)到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率通常在20Hz-20kHz范圍內(nèi)，超過(guò)20kHz稱(chēng)為超聲波，低于20Hz的稱(chēng)為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十kHz-幾十MHz。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，它的波形有縱波、橫波、外表波三種。質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)與波的傳播方向一致的波稱(chēng)為縱波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)與波的傳播方向垂直的波稱(chēng)為橫波；質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波與之間，沿著外表傳播，振幅隨著深度的增加而迅速衰減的波稱(chēng)為外表波。橫波、外表波只能在固體中傳播，縱波可在固體、液體及氣體中傳播。2.1傳播速度超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)，與環(huán)境條件也有關(guān)。在液體中傳播速度為C=式中p為介質(zhì)的密度；為絕對(duì)壓縮系數(shù)。對(duì)于固體，其傳播速度為C=式中，E為固體的彈性模量；u為介質(zhì)的泊松比。在氣體中，超聲波的傳播速度與氣體種類(lèi)、壓力及溫度有關(guān)，在空氣中傳播速度為C=331.5+0.607t(m/s)式中，t為環(huán)境溫度，單位為0C。2.2反射和折射超聲波在通過(guò)兩種不同介質(zhì)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反射和折射現(xiàn)象，有如下的關(guān)系：=C1/C2式中C1、C2為超聲波在兩種介質(zhì)中的速度；為入射角，b為折射角。2.3傳播中的衰減隨著超聲波在介質(zhì)中傳播距離的增加，介質(zhì)吸收能量使超聲波強(qiáng)度有所衰減。假設(shè)超聲波進(jìn)入介質(zhì)的強(qiáng)度為I0，通過(guò)介質(zhì)后的強(qiáng)度為I，那么他們之間的關(guān)系為：I=I0e-Ad式中，d為介質(zhì)的厚度，A為介質(zhì)對(duì)超聲波能量的吸收系數(shù)。介質(zhì)的密度越小，衰減越快，頻率高時(shí)那么衰減更快。因此，在空氣中常采用頻率較低的超聲波，而在固體、液體中那么采用頻率較高的超聲波。利用超聲波的特性，可做成各種傳感器〔包括超聲波的發(fā)射和接收〕，配上不同的電路，可制成各種超聲波儀器及裝置，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、家電等行業(yè)中。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中就是利用壓電式超聲波傳感器，該超聲波傳感器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。超聲波傳感器由兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板組成。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。同時(shí)要注意的是超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在其結(jié)構(gòu)上稍有不同，在使用中一定要分清楚器件上的符號(hào)標(biāo)志。圖3.6超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)所采用的是T/R40-16型超聲波傳感器。下面就對(duì)T/R40超聲波傳感器進(jìn)行一些簡(jiǎn)單介紹：超聲波傳感器型號(hào)代碼例如T/R40-16型超聲波傳感器的型號(hào)代碼如圖3.7所示。圖3.7T/R40-16型超聲波傳感器型號(hào)代碼⑵超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。圖3.8超聲波傳感器的外形結(jié)構(gòu)示意圖⑶超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.9所示。圖3.9超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖⑷超聲波傳感器的性能指標(biāo)如表3.1所示。要想很好地運(yùn)用超聲波傳感器，還要了解它的各項(xiàng)性能指標(biāo)，超聲波傳感器的性能指標(biāo)如表3.1所示：表3.1超聲波傳感器性能指標(biāo)超聲波型號(hào)T/R40-10T/R40-12T/R40-16中心頻率40士1kHz40士1kHz40士1kHz發(fā)射聲壓大于107dB大于112dB大于115dB接收靈敏度>-74dB/v/ubar>-67dB/v/ubar>-64dB/v/ubar-6dB指向100deg80deg50deg電容1100士25%pF2500士25%pF2400士25%pF⑸超聲波傳感器特性曲線(xiàn)①聲壓電平特性曲線(xiàn)如圖3.10所示。圖3.10聲壓電平特性曲線(xiàn)②靈敏度特性曲線(xiàn)如圖3.11所示。圖3.11靈敏度特性曲線(xiàn)由這些特性曲線(xiàn)圖可知，T/R40超聲波傳感器在輸入頻率為40kHz時(shí)，各種特性都呈現(xiàn)出最正確狀態(tài)，因此為了得到最正確效果必須使單片機(jī)輸出方波的頻率為40kHz。3.2.4超聲波檢測(cè)接收電路超聲波檢測(cè)接收電路主要是由紅外線(xiàn)檢波接收的專(zhuān)用芯片CX20236A以及超聲波接收傳感器R構(gòu)成的，其電路圖如圖3.12所示。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測(cè)距的超聲波頻率40kHz較為接近，而且CX20236A的載波頻率可以通過(guò)其5腳與電源所接的電阻大小調(diào)整到40kHz，所以可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。用CX20236A接收超聲波〔無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平〕，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。以集成片CX20236A的7腳做為指今輸出端，利用單片機(jī)外中斷0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)；CX20236A的5腳與電源之間所接電阻R7的大小決定著它本身的帶通濾波器的中心頻率的大小，在本系統(tǒng)中選擇R7的阻值為200k，此時(shí)的中心頻率=40kHz；超聲波接收傳感器R接在CX20236A的1腳與地所接電容C5的兩端，根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)更改接于超聲波接收傳感器R電極兩端的電容C5的大小，以改變接收電路的接收靈敏度和抗干擾能力。圖3.12超聲波檢測(cè)接收電路紅外線(xiàn)檢波的專(zhuān)用芯片CX20236A是8腳單列直插式塑封結(jié)構(gòu)，其各引腳功能如表3.2所示，它的主要功能是對(duì)接收到的超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。它主要是由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器〔BPF〕、峰值檢波器和波形整形器等組成。其主要特點(diǎn)如下：〔1〕低電壓供電〔Vcc=5V〕，低功耗〔Vcc=5V時(shí)，典型功耗為9mV〕。〔2〕帶通濾波器在集成電路內(nèi)部，濾波特性由5腳和電源之間外接電阻的阻值來(lái)決定，可不必進(jìn)行調(diào)整，帶通濾波器的頻率范圍為30～60kHz，由于沒(méi)有使用電感，可免受磁場(chǎng)的影響?！?〕能和PIN光電二極管直接相連?！?〕集電極開(kāi)路輸出，能直接與TTL或CMOS電路相連。表3.2CX20236A的各引腳功能引腳符號(hào)功能電壓(V)1IN信號(hào)輸入端,輸入阻抗為40±5kΩ2.52C2該腳和地之間接有RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),用來(lái)確定前置放大器的頻率特性和增益.假設(shè)電阻大、電容小,那么增益低,反之那么高。但電容不易過(guò)大，否那么瞬間響應(yīng)速度會(huì)降低2.53C3該腳和地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波；假設(shè)電容量小，那么為峰值檢波，瞬間響應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出脈沖的脈寬變動(dòng)大，易造成遙控誤動(dòng)作1.54GND接地端05該腳為帶通濾波器的中心頻率設(shè)置端，其與電源所接的電阻用來(lái)設(shè)置帶通濾波器的中心頻率：當(dāng)R=200kΩ時(shí)，=40kHz；當(dāng)R=220kΩ時(shí)，=38kHz1.46C4該腳為積分電容連接端，所接電容的標(biāo)準(zhǔn)值為330pF。假設(shè)電容量大，那么受外部噪波干擾增強(qiáng)，而且輸出脈沖的低電平持續(xù)時(shí)間增加，遙控距離變短1.07OUT指令輸出端,是集電極開(kāi)路輸出端,該腳與電源之間連接22kΩ電阻,輸出脈沖的低電平標(biāo)準(zhǔn)為0.2V5.08Vcc供電電源端,電壓為5±0.3V5.03.2.5聲光報(bào)警電路本系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)要求測(cè)量距離小于0.5米時(shí)電路發(fā)生聲光報(bào)警。在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中應(yīng)用單片機(jī)程序控制電路發(fā)生報(bào)警，通過(guò)單片機(jī)輸出低電平觸發(fā)的，選擇了發(fā)光二極管以及蜂鳴器作為該報(bào)警電路的主要元器件，聲光報(bào)警電路如圖3.13所示：圖3.13聲光報(bào)警電路第4章系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、定時(shí)器T1中斷效勞子程序、外部中斷INT0中斷效勞子程序、距離計(jì)算子程序、初始化子程序、顯示子程序、延時(shí)子程序等組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算〔計(jì)算距離時(shí)〕，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間〔超聲波測(cè)距時(shí)〕，所以為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。下面就對(duì)主要的程序加以說(shuō)明。4.1系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出超聲波脈沖信號(hào)，超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，被超聲波接收器R接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：S=CT/2其中的S為被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，C為聲速，T為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。設(shè)計(jì)時(shí)取超聲波20℃時(shí)的聲速為344m/s。所以，只要測(cè)出超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)，在使用時(shí)，如果溫度變化不大，那么可認(rèn)為聲速是根本不變的，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中取20℃時(shí)的的聲速為344m/s。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。4.2系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件編制時(shí)應(yīng)考慮相關(guān)硬件的連線(xiàn)，同時(shí)還要進(jìn)行存儲(chǔ)空間、存放器以及定時(shí)器和外部中斷引腳的分配和使用。本設(shè)計(jì)中P1.0引腳連接到74LS04推挽放大電路再連接到超聲波發(fā)射傳感器，P1.0引腳輸出的將是軟件方式產(chǎn)生的超聲波脈沖信號(hào)，而P3.2(INT0)那么被用來(lái)接收回波。定時(shí)器T1，計(jì)數(shù)器T0均工作在工作方式1，為16位計(jì)數(shù)，T1定時(shí)器被用來(lái)開(kāi)啟一次測(cè)距過(guò)程以它的溢出為標(biāo)志開(kāi)始一個(gè)發(fā)射測(cè)量循環(huán)，T0計(jì)數(shù)器是用來(lái)計(jì)算脈沖往返時(shí)間，T0的初值設(shè)為0。4.2.1主程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)初始化后就啟動(dòng)定時(shí)器T1從0開(kāi)始計(jì)數(shù)，此時(shí)主程序進(jìn)入等待，當(dāng)?shù)竭_(dá)60ms時(shí)T1溢出進(jìn)入T1中斷效勞子程序；在T1中斷效勞子程序中將啟動(dòng)一次新的超聲波發(fā)射，此時(shí)將在P1.0引腳上開(kāi)始產(chǎn)生超聲波脈沖信號(hào)，同時(shí)開(kāi)啟計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)，為了防止直射波的繞射，需要延遲1ms后再開(kāi)INT0中斷允許；INT0中斷允許翻開(kāi)后，假設(shè)P3.2(INT0)引腳出現(xiàn)低電平那么代表收到回波信號(hào)，將提出中斷請(qǐng)求進(jìn)入INT0中斷效勞子程序，在INT0中斷效勞子程序中將停止計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)，讀取計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)值到相應(yīng)的存儲(chǔ)區(qū)，同時(shí)設(shè)置接收成功標(biāo)志；主程序一旦檢測(cè)到接收成功標(biāo)志，單片機(jī)再調(diào)用距離計(jì)算子程序進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算出傳感器到目標(biāo)物體之間的距離；此后主程序調(diào)用顯示子程序進(jìn)行顯示；假設(shè)超過(guò)設(shè)定的最小報(bào)警距離還將報(bào)警；如果沒(méi)有檢測(cè)到接收成功標(biāo)志，那么繼續(xù)等待回波；當(dāng)一次發(fā)射、接收、顯示的過(guò)程完成后，系統(tǒng)將再次啟動(dòng)T1以溢出，進(jìn)入下一次測(cè)距。主程序的流程圖如圖4.1所示：開(kāi)始系統(tǒng)初始化啟動(dòng)定時(shí)器T1定時(shí)60ms,開(kāi)T1中斷開(kāi)始系統(tǒng)初始化啟動(dòng)定時(shí)器T1定時(shí)60ms,開(kāi)T1中斷調(diào)用距離計(jì)算顯示距離清回波接收成功標(biāo)志位回波接收成功標(biāo)志位置1NY啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，開(kāi)始計(jì)數(shù)，開(kāi)外部中斷INT04.2.2定時(shí)器T1中斷效勞子程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中40kHz方波的產(chǎn)生采用軟件方式實(shí)現(xiàn)：控制P1.0口輸出12.5μs的高電平，再輸出12.5μs的低電平，這樣得到一個(gè)周期為40kHz的脈沖，再循環(huán)發(fā)送8次。超聲波發(fā)生子程序用定時(shí)器T1中斷程序產(chǎn)生超聲波。定時(shí)器T1中斷效勞程序流程圖如圖4.2所示：計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器T0清零并啟動(dòng)計(jì)數(shù)器T0，開(kāi)中斷允許EA連續(xù)發(fā)射8個(gè)40kHz的超聲波延時(shí)1ms以防止“虛假發(fā)射波〞開(kāi)外部中斷INT0返回定時(shí)器T1中斷效勞子程序入口圖4.2定時(shí)器T1中斷效勞程序流程圖4.2.3外部中斷INT0中斷效勞子程序的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)〔即INT0引腳出現(xiàn)低電平〕，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)數(shù)器T0停止計(jì)數(shù)，并將接收成功標(biāo)志字賦值1。外部中斷INT0中斷效勞子程序流程圖如圖4.3所示：關(guān)總中斷允許EA關(guān)總中斷允許EA停止計(jì)數(shù)器T0計(jì)數(shù)，并讀取T0計(jì)數(shù)值存儲(chǔ)置回波接收成功標(biāo)志位為1返回外部中斷INT0中斷效勞子程序入口圖4.3INT0中斷效勞子程序流程圖4.2.4延時(shí)子程序的設(shè)計(jì)在軟件程序的設(shè)計(jì)當(dāng)中，無(wú)論是在數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描程序當(dāng)中，或是在超聲波的發(fā)射與接收中，延時(shí)程序都占有很重的份量，如果沒(méi)有延時(shí)程序的工作，系統(tǒng)也不會(huì)穩(wěn)定而且正常的工作。延時(shí)程序如下：voiddelay()//超聲避開(kāi)自己發(fā)出波的延時(shí)。{intm; for(m=0;m<200;m++) { _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); }}voidDelay(uii){ for(;i>0;--i);}此外，還有幾點(diǎn)需要說(shuō)明的是：

(1)定時(shí)器T1之所以是60ms溢出是因?yàn)樗?6位定時(shí)／計(jì)數(shù)器(65535)。在使用12MHz的晶振時(shí)，由于周期T=1/f=1／[(12×)／12]=1μs，那么根據(jù)計(jì)算初值公式，求得X=159F，即定時(shí)器T1的初值為T(mén)H1=0x15,TL1=0x9F。

(2)在CPU停止發(fā)送脈沖群后，由于電阻尼，換能器不能立即停止發(fā)送超聲波，在一段時(shí)間內(nèi)仍然會(huì)發(fā)送，故這段時(shí)間內(nèi)不可立即開(kāi)啟INT0接收回波，要等待一段后以防止發(fā)送端的局部直射波未經(jīng)被測(cè)物就直接繞射到接收端，這段被稱(chēng)為“虛假反射波〞。從發(fā)射開(kāi)始一直到“虛假反射波〞結(jié)束這段時(shí)間，不開(kāi)放INT0中斷申請(qǐng)，可有效躲避干擾，但也會(huì)造成測(cè)試的“盲區(qū)〞。本次設(shè)為1ms，假定溫度為20℃，那么測(cè)量盲區(qū)為S=1××344／2≈17．2cm。

(3)最大測(cè)試距離將取決于：兩次脈沖群發(fā)送之間的最小時(shí)間間隔和脈沖的能量。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)射端脈沖個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。如果要測(cè)試的最大距離是10m，那么兩次脈沖群之間的最小時(shí)間為T(mén)=2×S/C=2×10／344≈60ms。第5章系統(tǒng)調(diào)試情況及其排故在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都可以按照書(shū)上的原理設(shè)計(jì)，但是系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)也是至關(guān)重要的，調(diào)試過(guò)程中會(huì)遇到很多實(shí)際的問(wèn)題，要一個(gè)模塊一個(gè)模塊的調(diào)試。特別是軟、硬件的聯(lián)合調(diào)試過(guò)程，這個(gè)是最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)該過(guò)程能夠檢驗(yàn)一個(gè)系統(tǒng)是否能正常穩(wěn)定地工作，同時(shí)還可以檢測(cè)其是否到達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的性能要求，能否實(shí)現(xiàn)所有功能等等。如果軟、硬件聯(lián)合調(diào)試能夠成功，實(shí)現(xiàn)正確的結(jié)果，才能夠證明這個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是成功的。下面就針對(duì)這次設(shè)計(jì)在調(diào)試中所出現(xiàn)的一些問(wèn)題做些簡(jiǎn)要的說(shuō)明。5.1硬件調(diào)試在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先就是要進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，硬件設(shè)計(jì)以及焊接完成后，就是硬件調(diào)試局部?？傮w來(lái)說(shuō)，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的制作和調(diào)試都較為簡(jiǎn)單，其中超聲波發(fā)射和接收選用的是Ф16的超聲波傳感器T/R40-16〔T發(fā)射/R接收〕，中心頻率為40kHz，在焊接時(shí)應(yīng)保持兩傳感器的中心軸線(xiàn)平行并相距4～8cm，其余元器件無(wú)特別要求。假設(shè)能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，那么可提高抗干擾能力。下面就來(lái)說(shuō)明一下本系統(tǒng)的硬件調(diào)試局部。首先，將焊接完成的硬件與設(shè)計(jì)的硬件電路圖重新對(duì)照一下，檢查是否有多焊、漏焊以及錯(cuò)焊等情況。在此項(xiàng)檢查過(guò)程中，先從超聲波的發(fā)射電路開(kāi)始，剛檢查就發(fā)現(xiàn)了很?chē)?yán)重的錯(cuò)焊現(xiàn)象，焊接六反相器的管腳時(shí)誤將導(dǎo)線(xiàn)絲與電路板相連，發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后及時(shí)修正，重新焊接后接著再繼續(xù)檢查，又發(fā)現(xiàn)在超聲波接收電路中的超聲波接收傳感器R的管腳與集成片CX20236A接錯(cuò)了，重新焊接后并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)太大的焊接錯(cuò)誤了。接著，用萬(wàn)用表檢測(cè)硬件電路是否有斷接、短接等情況，同時(shí)重點(diǎn)檢查一下高、低電平的連接有沒(méi)有錯(cuò)誤。在此項(xiàng)檢查中，由于14腳的IC底座的各管腳之間距離很近，當(dāng)電阻或?qū)Ь€(xiàn)同時(shí)連接一點(diǎn)時(shí)，導(dǎo)致發(fā)射和接收電路中有的導(dǎo)線(xiàn)可能沒(méi)有焊接上，一一改正后繼續(xù)檢測(cè)。在檢測(cè)中又發(fā)現(xiàn)超聲波接收電路中的超聲波接收傳感器的正極端接地了，改正后繼續(xù)檢測(cè)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其它的錯(cuò)誤了。最后，用USB提供5V電壓將整個(gè)電路通電后檢查現(xiàn)象，在用萬(wàn)用表測(cè)量各個(gè)管腳的電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)沒(méi)有高電平，各個(gè)管腳與地線(xiàn)之間都沒(méi)有電壓，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，后來(lái)發(fā)現(xiàn)是所用的排線(xiàn)接高電平的那根線(xiàn)與接頭接觸不好，經(jīng)過(guò)重新焊好排線(xiàn)后，再測(cè)量管腳與地線(xiàn)之間有電壓了。繼續(xù)檢測(cè)，再次通電后，用萬(wàn)用表測(cè)量超聲波接收電路時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的電容和電阻兩端的電壓很小，當(dāng)把CX20236A芯片與IC座重新插一下后，再測(cè)量電壓變大了，分析可能是IC座焊的不太牢固，芯片與其接觸也不太好。重新焊好插好芯片再測(cè)量就沒(méi)有發(fā)現(xiàn)其他的錯(cuò)誤了。經(jīng)過(guò)上面的硬件調(diào)試后，硬件根本檢測(cè)完畢，等待軟件程序的編程與調(diào)試后進(jìn)行軟、硬件聯(lián)合調(diào)試。5.2軟件調(diào)試軟件程序是在KEIL單片機(jī)仿真系統(tǒng)中完成的，軟件程序的主程序以及各局部子程序都編完后，進(jìn)行軟件編譯，編譯不通過(guò)，提示說(shuō)在發(fā)生脈沖程序中的_nop_()沒(méi)有定義，原來(lái)是頭文件中沒(méi)有定義，加上#include<intrins.h>頭文件后，繼續(xù)編譯。這時(shí)又提示有錯(cuò)誤產(chǎn)生，提示說(shuō)不可以調(diào)用延時(shí)程序，檢查發(fā)現(xiàn)是在主程序中的顯示局部用到的延時(shí)程序放在了主函數(shù)的后面，導(dǎo)致無(wú)法調(diào)用，把延時(shí)程序放在主函數(shù)前面后繼續(xù)編譯。這時(shí)又有錯(cuò)誤產(chǎn)生了，提示報(bào)警處附近處有錯(cuò)誤，發(fā)現(xiàn)有一語(yǔ)句忘寫(xiě)“；〞號(hào)了，加上分號(hào)后再編譯。這時(shí)又提示有一變量未定義，發(fā)現(xiàn)是輸入錯(cuò)誤，改正后再編譯，終于編譯成功通過(guò)了。所以本程序在設(shè)計(jì)中并沒(méi)有太大的邏輯上的錯(cuò)誤，只是有一些語(yǔ)法上的錯(cuò)誤，比方重復(fù)定義等，經(jīng)過(guò)調(diào)試﹑修改后，沒(méi)有了語(yǔ)法上的錯(cuò)誤，軟件調(diào)試結(jié)束。5.3軟、硬件聯(lián)合調(diào)試在硬件、軟件局部都分別進(jìn)行調(diào)試后，接下來(lái)就是在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的局部——軟、硬件聯(lián)合調(diào)試局部。下面就來(lái)談?wù)勗谲?、硬件?lián)合調(diào)試中所遇到的問(wèn)題與其解決的方法。首先，將已經(jīng)編譯成功的軟件程序下載到單片機(jī)AT89C52中，把片子放到最小系統(tǒng)板上去，同時(shí)將系統(tǒng)板與電腦連接提供電源，觀(guān)測(cè)現(xiàn)象。電源接通后，發(fā)現(xiàn)LED數(shù)碼管顯示全亮，并且蜂鳴器一直響。把電源斷開(kāi)以便檢查電路，又重復(fù)了一次硬件調(diào)試的過(guò)程，即又檢測(cè)了一下系統(tǒng)中有沒(méi)有落焊、錯(cuò)焊、短接以及斷接等問(wèn)題，再次檢查后并無(wú)發(fā)現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題。然后再試著調(diào)試顯示程序中給共陽(yáng)數(shù)碼管賦值的值，改變后把程序再下載到單片機(jī)上，數(shù)碼管顯示數(shù)值了，現(xiàn)在可以證明顯示局部的焊接沒(méi)有錯(cuò)誤了。接著，測(cè)試超聲波發(fā)射電路是否有40kHz的超聲波脈沖信號(hào)，當(dāng)用實(shí)驗(yàn)室的示波器觀(guān)看波形時(shí)，把地線(xiàn)接到板子上的接地端，觀(guān)看P1.0口的波形。一開(kāi)始什么波形也沒(méi)有，調(diào)試示波器上的頻率，因?yàn)?0kHz的脈沖信號(hào)周期很小，不容易觀(guān)察，所以會(huì)有很多干擾，慢慢調(diào)整示波器上的頻率后有脈沖了，但是干擾很大，波形也不正確。再次斷開(kāi)電源調(diào)試程序，這回發(fā)生超聲波程序中不使用delay()函數(shù)延時(shí)，而用8個(gè)_nop_()語(yǔ)句，然后脈沖電平翻轉(zhuǎn)一次，上下電平近似13us,得到一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，為了防止在傳播過(guò)程中超聲波信號(hào)會(huì)有喪失，所以一次連續(xù)發(fā)射8個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，調(diào)試完程序后再編譯，沒(méi)有錯(cuò)誤。把編譯后的程序下載到單片機(jī)上，通電后再次觀(guān)看P1.0輸出波形，重復(fù)調(diào)試示波器的頻率和賦值，最后能看到連續(xù)8個(gè)40kHz的脈沖串了，8個(gè)脈沖串的時(shí)間是0.2ms。再看超聲波發(fā)射器T它兩端的波形是否和P1.0口輸出的波形是否一致，把夾子夾到超聲波發(fā)射器T的正極，觀(guān)看波形，也能看到連續(xù)8個(gè)40kHz的脈沖串，但是波形不是很規(guī)整。這是由于經(jīng)過(guò)六反相器74LS04功率放大后的結(jié)果，由此可以證明超聲波發(fā)生電路是正確的，超聲波發(fā)生子程序也是正確的。然后，測(cè)試超聲波接收電路是否能接收到回波。檢測(cè)的方法是在程序中的接收到回波成功標(biāo)致后加上一個(gè)語(yǔ)句，讓發(fā)光二極管亮。如果有回波，發(fā)光二極管亮，反之，如果沒(méi)有回波，發(fā)光二極管不點(diǎn)亮。當(dāng)把程序下載后，發(fā)光二極管沒(méi)有點(diǎn)亮，那么說(shuō)明沒(méi)有超聲波接收器R沒(méi)有接收到回波。經(jīng)反復(fù)思考以及檢查，應(yīng)該是超聲波傳感器沒(méi)有工作的緣故，因?yàn)闆](méi)有找到可以檢測(cè)超聲波傳感器好壞的方法，所以就把超聲波接收器R拆了下來(lái)，與其他同學(xué)在畢設(shè)中也應(yīng)用到超聲波傳感器的同學(xué)借用了一下，經(jīng)調(diào)試發(fā)現(xiàn)確實(shí)是超聲波傳感器的問(wèn)題，接著替換了原有的超聲波傳感器后繼續(xù)調(diào)試，這時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)碼管顯示有反響了。拿了一本書(shū)用來(lái)當(dāng)被測(cè)物體，但是當(dāng)把書(shū)遠(yuǎn)離時(shí)，雖然數(shù)碼管顯示的數(shù)值有變化，但是與估算的距離差距很大。第一位即千位的數(shù)碼管的值總變化，而第四位即個(gè)位的數(shù)碼管的值總為零，后來(lái)想是不是連顯示的位選線(xiàn)與單片機(jī)的P2口沒(méi)有對(duì)應(yīng)上，重新交換位選端口后，數(shù)碼管顯示的值和所估算的值很接近了。最后，顯示的數(shù)值動(dòng)態(tài)掃描時(shí)間太長(zhǎng)了，我把程序中的延時(shí)時(shí)間調(diào)的小些，下載到單片機(jī)后，數(shù)碼管顯示距離清晰可見(jiàn)，移動(dòng)平面物體距離，數(shù)碼管也跟著變化。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)測(cè)距的功能。本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)對(duì)測(cè)量范圍0.5～10米內(nèi)的平面物體做了屢次測(cè)試，測(cè)距系統(tǒng)的最大誤差不超過(guò)1cm，重復(fù)一致性很好。第6章社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析及產(chǎn)品性能價(jià)格比分析本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是基于單片機(jī)的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)。隨著社會(huì)的飛速開(kāi)展，科學(xué)技術(shù)也不斷地進(jìn)步，電子技術(shù)更是日新月異，因此，測(cè)距技術(shù)也不甘落后，出現(xiàn)了各種測(cè)距方法，如超聲波測(cè)距法、紅外線(xiàn)測(cè)距法和激光測(cè)距法等，其中激光測(cè)距又可分為脈沖式激光測(cè)距法和相位式激光測(cè)距法。不管是用哪種測(cè)距方法，都有它們的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)。例如超聲波測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)就在于超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，利用超聲波檢測(cè)往往比擬迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)工業(yè)實(shí)用的要求；缺點(diǎn)在于它的抗干擾性不強(qiáng)。而激光測(cè)距儀就存在著“平安〞與“不平安〞之分了。目前，市場(chǎng)上的手持式激光測(cè)距儀的工作物質(zhì)主要有以下幾種：工作波長(zhǎng)為905納米和1540納米的半導(dǎo)體激光，工作波長(zhǎng)為1064納米的YAG激光。1064納米的波長(zhǎng)對(duì)人體皮膚和眼睛是害的，特別是如果眼睛不小心接觸到了1064納米波長(zhǎng)的激光，對(duì)眼睛的傷害可能將是永久性的。所以，在國(guó)外，手持激光測(cè)距儀中，完全取締了1064納米的激光。在國(guó)內(nèi)，某些廠(chǎng)家還有生產(chǎn)1064納米的激光測(cè)距儀。對(duì)于905納米和1540納米的激光測(cè)距儀，我們就稱(chēng)之為"平安"的。對(duì)于1064納米的激光測(cè)距儀，由于它對(duì)人體具有潛在的危害性，所以我們就稱(chēng)之為"不平安"的。兩者經(jīng)過(guò)比擬，發(fā)現(xiàn)超聲波測(cè)距系統(tǒng)在檢測(cè)中往往比擬迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，設(shè)計(jì)中所用到的元器件也較為常用，并且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。例如本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器T/R40-16一對(duì)10元，AT89C52就是很常用的芯片，價(jià)錢(qián)也不貴，而且經(jīng)常用于控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)單方便，控制精度也相比照擬高，可靠穩(wěn)定可以大幅度提高控制系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。而其它的元器件也都是非常常見(jiàn)的，而且價(jià)格低廉，節(jié)省了開(kāi)銷(xiāo)。從各方面綜合來(lái)看，本次設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的性?xún)r(jià)比還是比擬高的。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)不但應(yīng)用的器件價(jià)格低廉，而且具有良好的性能，因此擁有樂(lè)觀(guān)的開(kāi)展前景，相信加以完善將可以創(chuàng)造較好的經(jīng)濟(jì)效益?？偨Y(jié)通過(guò)這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我獲益良多。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的這幾個(gè)月里，我深刻的體會(huì)到電子信息工程專(zhuān)業(yè)是一門(mén)工程特點(diǎn)和實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，加強(qiáng)工程訓(xùn)練，特別是技能的培養(yǎng)，對(duì)于工程人員的素質(zhì)和能力具有十分重要的作用。今天，我終于完成了我的畢業(yè)設(shè)計(jì)，無(wú)論完成得好與壞，這都是我本人全身心投入、認(rèn)認(rèn)真真地完成的，也從中體會(huì)到了些許的成就感。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我將大一到大四這四年里所學(xué)的有關(guān)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的根底知識(shí)和專(zhuān)業(yè)知識(shí)又復(fù)習(xí)了一遍，特別是單片機(jī)方面的知識(shí)，對(duì)單片機(jī)的原理以及接口方面的知識(shí)做了進(jìn)一步的理解，以便能夠更加順利地完成此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。同時(shí)在焊接過(guò)程中，一定要先弄明白且讀懂原理圖。搞明白整個(gè)電路圖的原理，還要細(xì)心和仔細(xì)，因?yàn)槊恳粋€(gè)焊點(diǎn)你都要牢固以保持它的耐用性，更不能出現(xiàn)虛焊和漏焊的事情發(fā)生。同時(shí)你必須對(duì)芯片的特性都非常清楚，這樣你才能讓你的實(shí)際電路到達(dá)你所要求的性能，雙列直插的芯片引腳彼此都挨得很近。而每一個(gè)引腳都有不同的功用，有的是輸出端，有的是輸入端，所以在焊接時(shí)這些點(diǎn)都是應(yīng)該特別注意的地方。否那么輕者電路的功能實(shí)現(xiàn)不了，重者會(huì)造成芯片永久的損壞。所以在以后的學(xué)習(xí)和工作中，當(dāng)我要使用某個(gè)器件時(shí)一定要先查資料，將它的工作原理搞清楚，然后再進(jìn)行實(shí)際的操作。這樣往往會(huì)事半功倍。還有我體會(huì)到的一點(diǎn)是電路仿真和實(shí)際有一定的差異，在仿真中我們只需要明白電路的工作原理即可，在實(shí)際組裝電路時(shí)，我們要根據(jù)實(shí)際器件的性能和仿真圖的原理來(lái)進(jìn)行調(diào)試，二者都很重要。經(jīng)過(guò)了這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使自己在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中提高了自身運(yùn)用知識(shí)的能力，也為將來(lái)的工作打下了堅(jiān)實(shí)的根底，同時(shí)也讓我對(duì)電子技術(shù)產(chǎn)生了更加濃厚的興趣，更加深了對(duì)本專(zhuān)業(yè)知識(shí)的熱愛(ài)與追求。本次設(shè)計(jì)的這個(gè)用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的測(cè)距系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)、調(diào)試以及改良后，系統(tǒng)根本到達(dá)了設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)完成了以下的功能：系統(tǒng)的測(cè)距功能；距離實(shí)時(shí)顯示；聲光報(bào)警。根據(jù)以上畢業(yè)設(shè)計(jì)的完成功能來(lái)看，已根本上完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目要求，但由于個(gè)人能力有限，設(shè)計(jì)中也難免會(huì)有錯(cuò)誤和疏漏，所以還肯請(qǐng)各位老師以及同學(xué)多多批評(píng)指正。致謝本論文是在指導(dǎo)教師李秀人教授的悉心指導(dǎo)下完成的，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的幾個(gè)月里時(shí)間特別緊張，轉(zhuǎn)眼幾個(gè)月就過(guò)去了，我的四年大學(xué)生活也已進(jìn)入尾聲。通過(guò)本學(xué)期這幾個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅提高了我的獨(dú)立思考、發(fā)現(xiàn)問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，同時(shí)也鍛煉了我的實(shí)際動(dòng)手能力，更對(duì)自己本專(zhuān)業(yè)的前沿科學(xué)領(lǐng)域有了更加深刻的了解，而這些就是我在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中得到的最大收獲。借此時(shí)機(jī)，請(qǐng)?jiān)试S我對(duì)所有曾幫助過(guò)我的人表達(dá)我的感謝之情！首先，我要感謝我的父母，感謝他們二十多年以來(lái)對(duì)我的培育與支持，沒(méi)有他們，就沒(méi)有我今天的一切，因?yàn)檎怯辛烁改负寥憧嗟膿嵊攀沟梦夷芤率碂o(wú)憂(yōu)地在學(xué)校里安心地學(xué)習(xí)，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無(wú)盡的愛(ài)、理解和支持，才使我時(shí)刻充滿(mǎn)信心和勇氣，克服成長(zhǎng)路上的種種困難，順利地完成我的學(xué)業(yè)！其次，我要感謝我的母校，感謝它給我提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)、生活的環(huán)境，讓我能全身心地投入到學(xué)習(xí)、生活中去，在大學(xué)四年里鍛煉了我的溝通能力，增強(qiáng)了我的自學(xué)能力，遇到問(wèn)題能夠自主解決，正是我的母校的給我們帶來(lái)的種種方便，使我順利地走完大學(xué)四年的美好時(shí)光！再者，我要感謝我的老師，李老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時(shí)也感謝本校的一些老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間所給予我得幫助。在我硬件焊接和調(diào)試期件，實(shí)驗(yàn)室的老師每天準(zhǔn)時(shí)讓我們進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)當(dāng)我缺少元器件，老師都全力提供我們。當(dāng)我有問(wèn)題時(shí)，實(shí)驗(yàn)室的每個(gè)老師也及時(shí)替我解答，為我?guī)?lái)了很大幫助，沒(méi)有您們這樣的幫助和關(guān)心，我不會(huì)這么順利的完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，借此時(shí)機(jī)，向您們表示由衷的感謝。感謝他們對(duì)我的悉心教導(dǎo)，是他們帶著我走進(jìn)了電子領(lǐng)域，使我對(duì)這門(mén)科學(xué)產(chǎn)生了學(xué)習(xí)的興趣，教會(huì)了我電子技術(shù)方面的根底知識(shí)與專(zhuān)業(yè)知識(shí)，為我未來(lái)的工作生活打下了堅(jiān)實(shí)的根底！同時(shí)還要感謝系實(shí)驗(yàn)室在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間提供應(yīng)我們優(yōu)越的實(shí)驗(yàn)條件。最后，我要感謝我的同學(xué)與朋友，同時(shí)，我還要感謝我的寢室同學(xué)，正是在這樣一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛(ài)，相互促進(jìn)的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲。感謝他們對(duì)我大學(xué)四年的學(xué)習(xí)、生活的無(wú)私幫助，有了他們，才讓我的大學(xué)生活充滿(mǎn)了美麗的色彩！在此，我要特別感謝我的畢設(shè)導(dǎo)師李秀人老師，感謝她在我整個(gè)的畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中給予我的幫助與支持，感謝她給我提出了很多珍貴的意見(jiàn)，使我在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中受益匪淺。所以我非常榮幸能夠選擇了由她指導(dǎo)的這個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，也正是有了李老師的幫助與支持，才能順利地完成我的這次畢業(yè)設(shè)計(jì)！參考文獻(xiàn)[1]李麗霞.單片機(jī)在超生波測(cè)距中的應(yīng)用.電子技術(shù),2002.6[2]李建法等.超聲波測(cè)距的電路設(shè)計(jì)與單片機(jī)編程.安陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào),2003.9[3]邱瑞昌等.泊車(chē)用超聲波測(cè)距儀的研制.電子產(chǎn)品世界,20011.9[4]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.8[5]張毅剛等主編.新編MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì).哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004年5月[6]閻石主編.數(shù)字電子技術(shù)根底〔第四版〕.高等教育出版社，2004年[7]孫涵芳等主編.MCS-51/96系列單片機(jī)原理及應(yīng)用〔修訂版〕.北京航空航天大學(xué)出版社，2002年[8]戴勝華等主編.單片機(jī)原理與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2005年[9]馮建華等主編.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品開(kāi)發(fā).人民郵電出版社，2004年[10]付家才主編.單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù).化學(xué)工業(yè)出版社，2004年[11]陳龍三主編.8051單片機(jī)C語(yǔ)言控制與應(yīng)用.清華大學(xué)出版社，1999年[12]王治剛主編.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)與實(shí)訓(xùn).清華大學(xué)出版社，2004年[13]陳明英等主編.8051單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教材.清華大學(xué)出版社，2004年[14]張鵬主編.一種新型超聲測(cè)距系統(tǒng).山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2003年[15]姜道連等主編.用AT89C2051設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀.天津理工學(xué)院光電信息與電子工程系，2000年[16]徐愛(ài)鈞主編.8051單片機(jī)實(shí)踐教程.電子工業(yè)出版社，2005年[17]占操，梁厚琴，曹燕.單片機(jī)系統(tǒng)中的軟件抗干擾技術(shù).電子技術(shù)，2003.3[18]華兵.MCS-51單片機(jī)原理應(yīng)用.武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社，2002.5[19]繼興，劉霞.單片機(jī)系統(tǒng)軟件抗干擾措施分析.電子測(cè)量技術(shù)，2003[20]田華等.可編程單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器DS18B2的原理與應(yīng)用.電子質(zhì)量，2004.7[21]KimWs.DevelopmentsofNewForceRefectingControlSchemesandanApplicationtoaTeleoperationTrainingSimulator[A].IEEEIntConfOnRobAndAuto[C].1992.1412-1419[22]Sung-MoKang,YusufLeblebici:CMOSDigitalIntegratedCircuits--AnalysisandDesign,McGraw—Hill,Inc.,1996.[23]YusukeMoritake,HiroomiHikawa.CategoryRecognitionSystemUsingTwoUltrasonicSensorsandCombinationalLogicCircuit.ElectronicsandCommunicationsinJapan.2005,8.[24]Carlhamacher.COMPUTERORGANIZATION.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.[25]Rajivkapadia.8051MicrocontrollerandEmbeddedSystemsJacioPublishingHouse,2005.[26]J.A.Allocca.ElectronicInstrumentation,PrenticeHall,1983.[27]J.Otto.SensorsforDistanceMeasurementandTheirApplicationsinAutomobiles.SensorsUpdate.2002,10.[28][28]HerringtonDR.Ultrasonicrangefinderusesfemcomponen.[SCJ].EDN,1999.[29]PeterHauptmann,RalfLucklum,BerndHenning.UltrasonicSensorsforProcessControl.SensorsUpdate.