超音波测距仪.doc

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1、 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 1 页 共 24 页 1 1 绪论绪论 -2 2 1.11.1 课题背景、目的和意义课题背景、目的和意义 -2 1.21.2 课题主要内容课题主要内容 -2 2 2 系统概述系统概述 -3 3 2.12.1 超声波测距仪的原理超声波测距仪的原理 -3 2.22.2 两种常用的超声波测距方法两种常用的超声波测距方法 -3 2.32.3 超声波的介绍超声波的介绍 -4 2.42.4 超声波传感器超声波传感器 -6 2.52.5 本章小结本章小结-10 3 3 系统设计系统设计 -1010 3.13.1 系统组成系统组成-11 3

2、.23.2 超声波测距仪硬件设计超声波测距仪硬件设计-11 3.33.3 超声波测距仪软件设计超声波测距仪软件设计-13 3.43.4 本章小结本章小结-16 4 4 系统调试系统调试 -1717 4.14.1 软硬件的调试软硬件的调试-17 4.24.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度仪器精度分析及如何提高超声测距精度-17 结结 论论 -2020 致致 谢谢 -2121 参参 考考 文文 献献-2222 附附 录录 A A -2323 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 2 页 共 24 页 附附 录录B B -2424 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设

3、计计说说明明书书 （论论文文） 第 3 页 共 24 页 1 1 绪论绪论 超声波具有指向性强，能量消耗缓慢，传播距离较远等优点，所以，在利用传 感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用最普遍的一 种，它广泛应用于防盗、倒车雷达、水位测量、建筑施工工地以及一些工业现场。 本课题详细介绍了超声波传感器的原理和特性，以及Atmel 公司的AT89C51 单 片机的性能和特点，并在分析了超声波测距的原理的基础上，指出了设计测距系统 的思路和所需考虑的问题，给出了以AT89C51单片机为核心的低成本、高精度、微型 化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法。该系统电路设计合理

4、、工作 稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方 面能达到工业实用的要求。 1.11.1 课题背景、目的和意义课题背景、目的和意义 传感器技术是现代信息技术的主要内容之一，信息技术主要包括计算机技术、 通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传 感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感 器、红外线传感器、压力传感器等等，其中超声波传感器在测量方面有着广泛、普 遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到 实时控制，并且测量精度较高。 超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、

5、机器人自动避障行走、建筑施工 工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距 系统的原理有着很大的现实意义。对本课题的研究与设计，还能进一步提高自己的 电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。 1.21.2 课题主要内容课题主要内容 通过上节介绍我们知道，以单片机为核心的超声波测距系统设计简单、方便， 而且测精度能达到工业要求。本课题研究的测距系统就是用单片机控制的。通过超 声波发射器向某一方向发射超声波，单片机在发射时刻同时开始计时，超声波在空 气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波就立即停止 计时。超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记

6、录的时间t，就可以计算出发 射点距障碍物的距离。 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 4 页 共 24 页 本系统利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。 电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波，在启动发射电 路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间 和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变， 在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求执 行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离,结果输出给LED显示。 2 2 系统概述系统概

7、述 2.12.1 超声波测距仪的原理超声波测距仪的原理 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在 空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止 计时。超声波在空 气中的传播速度为 v，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出 发射点距障碍物的距离(s)，即： S=vt/2 这就是所谓的时间差测距法。由于超声波 发球声波范围，其波速c 与温度有关，表2-1 列出了几种不同温度下的波速。 表2-1 声速与温度的关系 温度（）302010 0102030100 声速(m/s) 313319325323338344349386 波速确定后，只要测得

8、超声波往返的时间t，即可求得距离S。其系统原理框图 如图2-1 所示。 超声波接收 单片机 控制器 超声波发送 LED 显示 扫描驱动 图 2-1 超声波测距器系统设计框图 由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率 和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件， 只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干 扰。经分析和大量实验表明，频率为 40KHz 左右的超声波在空气中传播效果最佳，同 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 5 页 共 24 页 时为了处理方便，发射的超声波

9、被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。 2.22.2 两种常用的超声波测距方法两种常用的超声波测距方法 2.2.1 基于单片机的超声波测距系统 基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz 的方波， 经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波波经反 射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中 断口。其系统框图如图2-1 所示。 图2-1 基于单片机的超声波测距系统框图 这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收 到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 单片机的外

10、部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执 行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED 显示利用单片机 准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都 采用这种设计方法。 2.2.2 基于CPLD 的超声波测距系统 这种测距系统采用CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，运用 HDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)编写 程序，使用MAX+plusII 软件进行软硬件设计的仿真和调试，最终实现

11、测距功能。 CPLD 器件内部的宏单元是其最基本的模块，能独立地编程为D 触发器、T触发 器、RS 触发器或JK 触发器工作方式或组合逻辑工作方式。它的这种特性非常适用 于本系统，可将本系统所需要的分频功能、计数功能、振荡器、七段码显示全部由 MAX 来实现，而只需在外部配上适当的超声波传感器、接收和发送电路，即可组成 一个测量精度高、性能稳定、响应速度快且具有显示功能的超声波测距仪。 2.32.3 超声波的介绍超声波的介绍 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 6 页 共 24 页 2.3.1 超声波的应用 超声波是频率高于 20000 赫兹的声波,它方向性好,

12、穿透能力强,易于获 得较集 中的声音,在水中传播距离远,可用于测距,测速,清洗,焊接,碎石, 杀菌消毒等.在医 学,军事,工业,农业上有很多的应用. 1.超声检验.超声波的波长比一般声波要短,具有较好的方向性,而且 能透过不透明 物质,这一特性已被广泛用于超声波探伤,测厚,测距,遥控 和超声波成像技术.超声 成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 . 把从换能器发出的超声波经声透 镜聚焦在不透明试样上,从试样透出的超声 波携带了被照部位的信息(如对声波的反 射,吸收和散射的能力) ,经声透镜汇聚在压电接收器上,所得电信号输入放大器,利 用扫描系统可把不透明 试样的形象显示在荧光屏上. 2.

13、超声处理.利用超声的机械作用,空化作用,热效应和化学效应,可 进行超声焊接, 钻孔,固体的粉碎,乳化 ,脱气,除尘,去锅垢,清洗, 灭菌,促进化学反应和进行生物 学研究等,在工矿业,农业,医疗等各个部 门获得了广泛应用. 3.基础研究.超声波作 用于介质后,在介质中产生声弛豫过程,声弛豫 过程伴随着能量在分子各自电度间的 输运过程,并在宏观上表现出对声波的吸收 2.3.2 超声波的发展 一、国际方面: 自 19 世纪末到 20 世纪初, 在物理学上发现了压电效应与反压电 效应之 后,人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法,从此迅速揭开了发展与 推广超声技术的历史篇章. 1922 年,德国出现

14、了首例超声波治疗的发明专利. 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效果的文献报道. 40 年代末期超声治疗在欧美兴 起,直到 1949 年召开的第一次国际医学 超声波学术会议上,才有了超声治疗方面的 论文交流,为超声治疗学的发展 奠定了基础.1956 年第二届国际超声医学学术会议 上已有许多论文发表, 超声治疗进入了实用成熟阶段. 二、国内方面: 国内在超声治疗领域起步稍晚, 20 世纪 50 年代初才只有少数医院 开 于 展超声治疗工作,从 1950 年首先在北京开始用 800KHz 频率的超声治疗机 治 疗多种疾病,至 50 年代开始逐步推广,并有了国产仪器.公开的文献报 道始见于 1

15、957 年.到了 70 年代有了各型国产超声治疗仪,超声疗法普及到 全国各大型医院. 40 多年来, 全国各大医院已积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经 验.特别是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科,是 结石症治疗史上的 重大突破.如今已在国际范围内推广应用.高强度聚焦超 声无创外科,已使超声治疗 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 7 页 共 24 页 在当代医疗技术中占据重要位置.而在 21 世纪 (HIFU)超声聚焦外科已被誉为是 21 世纪治疗肿瘤的最新技术. 2.42.4 超声波传感器超声波传感器 为了研究和利用超声波，人

16、们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲， 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式 产生超声波。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和 气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也 各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶 片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的因有振荡频率 时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极 间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振

17、动，将机械能转换为 电信号，这时它就成为超声波接收器了。 在设计超声波测距系统之前，我们首先来了解一下有关超声波传感器方面的知 识。在本章里，将介绍超声波传感器的原理和特性，检测方式以及超声波传感系统 的构成。 2.4.1 超声波传感器的原理 人们可以听到的声音频率为20Hz20kHz，即为可听声波，超出此频率范围的声 音，即20Hz 以下的声音称为低频声波，20kHz 以上的声音称为超声波，一般说话的 频率范围为100Hz8kHz。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利 用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。另外，超声波在空气中传播的速度 较慢，约为330

18、m/s，这就使得超声波传感器使用变得非常简单。 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收 声波的双重作用，即为可逆元件。一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用 型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送 器和接收器为一体传感器，即可发送超声波，又可接收超声波。超声波传感器的谐 振频率(中心频率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。谐振频率变高， 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 8 页 共 24 页 则检测距离变短，分解力也变高。 超声波传感器是利用压电效应的原理，

19、压电效应有逆效应和顺效应，超声波传 感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图 2-2 所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图a所示的已极 化的压电陶瓷上施加如图b 所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷 相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方 向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图c 所示那样，压电陶 瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。 图2-2 压电逆效应 超声波传感器采用双晶振子，即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起，在 长度方向上，一片伸长，另一片就缩短。在双晶振子的两面

20、涂敷薄膜电极，其上面 用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端，下面用引线直接接到另一个电极端。 双晶振子为正方形，正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。这两处的支点就 成为振子振动的节点。金属板的中心有圆锥形振子。发送超声波时，圆锥形振子有 较强的方向性，因而能高效率地发送超声波；接收超声波时，超声波的振动集中于 振子的中心，所以，能产生高效率的高频电压。 采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施 加40kHz 的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就 能发送40kHz 频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超

21、 声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就 发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声 波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频 电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。 2.4.2 超声波传感器的特性 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 9 页 共 24 页 现以MA40S2R 接收器和MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表 2-2示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz，这是压电元 件的中心频率，实际上发送超声波时是

22、串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时 各自使用并联谐振频率。 表2-2 超声波传感器MA40S2R/S 的特性 种类特性MA40S2R接收MA40S2S 发送 标称频率 40kHz 灵敏度74dB 以上100dB 以上 带宽6kHz 以上(80dB)7kHz 以上(90dB) 电容 1600pF1600pF 绝缘电阻100M以上 温度特性20+60范围内灵敏度变化在10dB 以内 超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施 扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐 振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调

23、整 和阻抗匹配。 MA40S2R/S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为 此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。 图2-2 表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵 敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来 说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行 温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 10 页 共 24 页 图2-2 传感器的方向性 2.4.3 超声波传感器的检测方式 1.穿透式超声波传感器的检测方式

24、 当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判 断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用 100mm100mm 的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。 2.限定距离式超声波传感器的检测方式 当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方 式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可 检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测 物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检 测到被测物体。 3.限定范围式超声波传感器的检测方式 在距

25、离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反 射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体 通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。 4.回归反射式超声波传感器的检测方式 回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发 送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 11 页 共 24 页 声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波 传感器。 这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传

26、感器的光，因此，可检测 透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体 反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器 2.4.4 超声波传感器系统的构成 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成，如图2-3 所示。发送器常使用直径为15mm左右的陶瓷振子，将陶瓷振子的电振动能量转换为 超声波能量并向空中辐射。除穿透式超声波传感器外，用作发送器的陶瓷振子也可 用作接收器，陶瓷振子接收到超声波产生机械振动，将其变换为电能量，作为传感 器接收器的输出，从而对发送的超声波进行检测。 图2-3 超声波传感器系统的构成 控制部分判断接收器的

27、接收信号的大小或有无，作为超声波传感器的控制输出。 对于限定范围式超声波传感器，通过控制距离调整回路的门信号，可以接收到任意 距离的反射波。另外，通过改变门信号的时间或宽度，可以自由改变检测物体的范 围。超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压范围为 1224V10%，再经传感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。超声波传感器 系统中关键电路是超声波发生电路和超声波接收电路。可有多种方法产生超声波， 其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不 能持久的，也是不可取的。为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计

28、计说说明明书书 （论论文文） 第 12 页 共 24 页 目的的不同来选用其振荡电路 2.52.5 本章小结本章小结 本章我们详细介绍了超声波测距仪的原理，两种常用的超声波测距方法，超声 波的应用以及发展，超声波传感器的原理及其特性，超声波发送器就是利用压电逆 效应的原理产生超声波的。 超声波传感器有四种检测方式，分别为穿透式超声波传感器的检测方式、限定 距离式超声波传感器的检测方式、限定范围式超声波传感器的检测方式和回归反射 式超声波传感器的检测方式。 超声波传感器系统由发送器、接收器、控制部分以及电源部分构成。 3 3 系统设计系统设计 3.13.1 系统组成系统组成 3.1.1 硬件部分

29、 主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分 组成。采用AT89S51来实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块 的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检 测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计 数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之 间的距离。 3.1.2 软件部分 主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。 3.23.2 超声波测距仪硬件设计超声波测距仪硬件设计 3.2.1 单片机系统及显示电路

30、单片机采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以获得较稳定 时钟频率，减小测量误差。单片机用 P1.0 端口输出超声波换能器所需的 40kHz 的方 波信号，利用外中断 0 口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单 实用的 4 位共阳 LED 数码管，段码用 74LS244 驱动，位码用 PNP 三极管 8550 驱动。 单片机系统及显示电路如图 3-1 所示 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 13 页 共 24 页 3.2.2 超声波发射电路 超声波发射电路原理图如图 3-2 所示。发射电路主要由反向器 74LS04

31、和超声 波发射换能器 T 组成，单片机 P1.0 端口输出的 40 KHz 方波信号一路经反向器后送 到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波华能器的另一个电 极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强 度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻人 R10,R11 一方面 可以提高反向器 74LS04 输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的 阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。 图3-2 超声波发射电路原理图 压电超声波转换器的功能： 利用压电晶体谐振工作。内部结构上图所示，它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲

32、信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会 发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一超声波发生器；如没加电 压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电振荡器作振动，将机械能转换为电信号， 这时它就成为超声波接受转换器。超声波发射转换器与接受转换器其结构稍有不同。 3.2.3 超声波检测接收电路 采用集成电路 CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机 红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 38KHz 与测距超声波频率 40KHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明其具有很高的灵敏度和较强 的抗干扰能力。适当改变 C4 的大小，可改变

33、接受电路的灵敏度和抗干扰能力。检测 接收电路如图 3-3 所示 3.33.3 超声波测距仪软件设计超声波测距仪软件设计 超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 14 页 共 24 页 程序及显示子程序组成，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则 具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的时间，而超声波测距器的程序既有较 复杂的计算（计算距离时） ，又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时） ，所以 控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。下面对主程序，超声波发生子程序和超 声波接收中断

34、程序逐一介绍。 3.3.1 主程序 主程序首先对系统环境初始化，设置定时器 T0 工作模式为 16 位的定时计数器 模式，置位总中断允许位 EA 并给显示端 P0 和 P2 清 0。然后调用超声波发生子程序 送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发， 需延迟 0.1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)后，才打开外中断 0 接 收返回的超声波信号。由于采用 12MHz 的晶振，机器周期为 1us,当主程序检测到接 收成功的标志位后，将计数器 T0 中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即 可测得被测物体与测距仪之间的距离,设计时取 20时的声速为

35、344 m/s 则有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中 T0 为计数器 T0 的计数值） 测出距离后结果 将以十进制 BCD 码方式 LED,然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结 构化和容易计算出距离，主程序采用 C 语言编写。主程序框图如图 3-4 所示 ： 图 3-4 主程序框图 开始 系统初始化 发送超声波脉冲 等待发射超声波 计算距离 显示结果 0.5S 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 15 页 共 24 页 3.3.2 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送2个左右的

36、超声波信号频率约 40KHz的方波，脉冲宽度为12us左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器 主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（INT0引脚出 现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将 测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器 T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。程 序流程图如图3-8，(a)为主程序流程图，(b)为定时中断子程序流程图，(c)为外部 中断子程序流程图。 初始化 定时中断子程序 有回波否 外部中断子程序 等待 无 有 定时中断入口

37、定时器初始化 发射超超声波 发射完否 停止发射 清中断 返回 是 否 外部中断入口 读取时间值 计算距离 保存结果 清中断 返回 (a) (b) (c) 图3-8 程序流程图 用单片机编程产生40kHz 方波，可用延时程序和循环语句实现。先定义一个延 时函数delays()，然后可用for 语句循环，并且循环一次同时改变方波输出口的电 平高低，从而产生方波。部分程序如下： void delays() /延时函数 void main() 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 16 页 共 24 页 for(a=0；a200；a+) /产生100 个40KHz 的方波

38、 P36=!P36； /每循环一次，输出引脚取反 delays() ； 单片机每隔一段时间产生一串40kHz 方波，同时定时器开始计时，当收到回波， 产生中断信号后，单片机执行中断程序。在中断程序中，先让定时器停止计数，然 后读取时间，通过时间计算出所测距离，输出结果。 中断程序如下： void intersvro(void) interrupt 0 using 1 /INTO 中断服务程序 uint bwei,shwei,gwei； uchar DH,DL； ulong COUNT； ulong num； TR0=0 ； /停止计数 DH=TH0； DL=TL0； COUNT=TH0*256

39、+TL0； num= (344*COUNT)/20000； /计算距离 bwei=num/100； /取百位 gwei=(num-bwei*100)/10； /取十位 shwei=num%10； /取个位 P1=tabbwei； /输出百位 P0=tabshwei； /输出十位 P2=tabgwei； /输出个位 TH0=0； TL0=0； 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 17 页 共 24 页 本系统的LED 显示采用了静态显示方式，并用单片机内部软件译码。这样简单 方便，省去了复杂的外部译码电路。软件译码只需要定义一个数组便可，程序语句 如下： ucha

40、r data tab10=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90； 这是共阳LED显示从0到9的字形码。 3.43.4 本章小结本章小结 本章是该课题的重点，全面介绍了超声波测距系统的原理和设计思路，给出了 硬件电路和软件的设计。在硬件电路的设计中，分别详细介绍了发射电路，接收电 路及显示模块的设计方法。软件编程部分，给出了整个程序的思路以及程序流程图。 4 4 系统调试系统调试 4.14.1 软硬件的调试软硬件的调试 超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器 TCT40-10F1（T发射）和TCT40-1

41、0S1（R接收），中心频率为40kHz，安装时应保持两 换能器中心轴线平行并相距48cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路 用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与 接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。 硬件电路制作完成并调整好以后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根 据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间， 以适应不同距离的测量要求。 4.24.2 仪器精度分析及如何提高超声测距精度仪器精度分析及如何提高超声测距精度 4.2.1 声速引起的误差 声波是媒质中传播的质点的位置、压强

42、和密度对相应静止值的扰动。高于20kHz 时的机械波称为超声波，媒质包括气体、液体和固体。流体中的声波常称为压缩波 或压强波，对一般流体媒质而言，声波是一种纵波，传播速度为 C = ( E /)2 （式4-1） 淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书 （论论文文） 第 18 页 共 24 页 式4-1中,E为媒质的弹性模量，单位kg/mm2；为媒质的密度，单位kg/mm3；E为 复数，其虚数部分代表损耗； c 也是复数，其实数部分代表传播速度，虚数部分则 与衰减常数(每单位距离强度或幅度的衰减)有关，测量后者可求得媒质中的损耗。 声波的传播与媒质的弹性模量密度、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等) 有关。 从式(4-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速 测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会 引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会引起密度 变化，固