基于單片機的倒車?yán)走_設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目： 基于單片機的倒車?yán)走_設(shè)計 系（院）： 工業(yè)與信息化學(xué)院 專業(yè)： 電氣自動化技術(shù) 姓 名： 學(xué)號： 校內(nèi)指導(dǎo)教師： 職稱： 講 師 摘摘 要要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量大幅攀升。交通擁擠狀況也日益嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人生傷亡和經(jīng)濟損失，針對這種情況，設(shè)計一種響應(yīng)快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢在必行， 超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，本文介紹的就是利用超聲波測距法設(shè)計的一種倒車防撞報警系統(tǒng)。控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制。因此，設(shè)計好的超聲波測距儀就顯得非常重要了。本設(shè)計采用以 AT89C51 單片機

2、為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設(shè)計方法。整個電路采用模塊化設(shè)計，由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理，實現(xiàn)超聲波測距儀的各種功能。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和軟件實現(xiàn)了各個功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。設(shè)計通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計方案比較，得出了最佳設(shè)計方案，并對系統(tǒng)各個單元的原理進行了介紹。對組成系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過對系統(tǒng)的誤差分析，給出了較完善的方案。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞

3、單片機 倒車?yán)走_ 超聲波 目目 錄錄第 1 章 課題設(shè)計 .1 1.1 課題設(shè)計的目的及意義.1 1.1.1 設(shè)計的目的.1 1.1.2 設(shè)計的意義.1 1.2 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計思路.1 1.2.1 超聲波測距原理.1 1.2.2 超聲波測距原理框圖.2 第 2 章 課題的方案設(shè)計與論證 .3 2.1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計.3 2.2 系統(tǒng)整體方案的論證 .3 第 3 章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 .4 3.1 51 系列單片機的功能特點及測距原理 .4 3.1.1 51 系列單片機的功能特點.4 3.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理 .5 3.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計 .6 3.3 超聲波接收電路的設(shè)

4、計.7 3.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 .8 第 4 章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計 .9 4.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計 .9 4.2 主程序流程圖 .9 4.3 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序.11 4.4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試 .11 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析 .12 5.1 調(diào)試步驟.12 5.1.1 我的錯誤與糾正.12 5.1.2 調(diào)試準(zhǔn)備.12 5.2 調(diào)試現(xiàn)象 .16 5.3 誤差分析 .18 5.3.1 性能分析 .18 5.3.2 誤差分析 .19 第 6 章 結(jié) 論 .21 致 謝 .23 參考文獻 .24 附 錄 .25 - 1 -第第 1 1 章章 課題設(shè)計思路課

5、題設(shè)計思路1.1 課題設(shè)計的目的及意義課題設(shè)計的目的及意義1.1.1 設(shè)計的目的設(shè)計的目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以利用的測距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具，在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需要，如倒車?yán)走_，工地及工業(yè)現(xiàn)場，聲納探測等方面都有其廣泛的應(yīng)用，經(jīng)濟，軍事，文化方面都有重要的應(yīng)用價值。毋庸置疑，未來的超聲波測距儀將于自動化智能化接軌，與其他的測距儀集成和融合，形成多測距儀。

6、隨著測距儀的技術(shù)進步，測距儀從具有單純判斷動能，發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大的作用。1.1.2 設(shè)計的意義設(shè)計的意義隨著社會飛速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，汽車愈來愈成為人們不可缺少的最常用的交通工具，交通安全問題變的日益嚴(yán)重。而通過研究汽車倒車?yán)走_系統(tǒng)，可以達到很高的采集速率和精度。汽車倒車時可以檢測車輛后面的障礙物、并顯示其距離，至危險區(qū)域后會自動報警。本設(shè)計綜合了電子技術(shù)、計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)等知識，設(shè)計利用單片機控制的汽車倒車?yán)走_超聲波測距系統(tǒng)，實現(xiàn)汽車倒車的安全保障，這就是我設(shè)計的意義。1.2 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計思路超聲波

7、測距系統(tǒng)的設(shè)計思路1.2.1 超聲波測距原理超聲波測距原理超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF(timeTOF(time ofof filght)filght)。它通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所發(fā)射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 T T，然后求出距離 S S。一般采用渡越時間發(fā)：即 S=CT/2S=CT/2，其中 S S 為測量點與被測物體之間的距離，C C 為聲波在介質(zhì)（此處指空氣）中的傳播速度，T T 為超聲波發(fā)射到返回的時間間隔 。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1 攝氏度，聲速增加 0.6 米/秒。下表列出了幾種溫度下的聲速關(guān)

8、系： - 2 -表 1-1 超聲波波速與溫度的關(guān)系表在進行計算時，如果溫度變化不大，則可認為聲速 C C 是基本不變的，計算時取C C 為 340M M/S S。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償?shù)姆椒ɑ蛘咴谟布娐坊静蛔兊那闆r下，通過軟件改進算法的方法來加以校正。如果環(huán)境溫度變化顯著，則必須考慮溫度補償問題。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。 1.2.2 超聲波測距原理框圖超聲波測距原理框圖超聲波發(fā)射器放大電路超聲波接收器放大電路鎖相環(huán)檢波電路定時器單片機控制顯示器 圖 1-1 超聲波測距儀原理框圖單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射

9、器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。溫度（）-30-20-100102030100聲速（m/s）313319325323338344349386 - 3 -第第 2 2 章章 課題的方案設(shè)計與論證課題的方案設(shè)計與論證2.1 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計系統(tǒng)整體方案的設(shè)計由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，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

10、機械方式產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。利用超聲波測距原理，測量汽車倒車時的安全距離，當(dāng)車輛與后方車輛的距離小于安全距離時，發(fā)出聲光報警，并顯示車輛與后方車輛的距離，提醒駕駛員及時采取減速、制動等措施，從而達到避免車輛與后方車輛的碰撞等事故。整個系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收、51 單片機控制系統(tǒng)、距離顯示等設(shè)備組成。 2.2 系統(tǒng)整體方案的論證系統(tǒng)整體方案的論證超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的

11、反射波方式，適用于測距儀。本設(shè)計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對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，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(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，故短距離測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。 - 4 -第第 3 3 章章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 單片機。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P1.0 端口輸出超聲

12、波換能器所需的 40kHz的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 8550驅(qū)動。3.1 51 系列單片機的功能特點及測距原理系列單片機的功能特點及測距原理3.1.1 51 系列單片機的功能特點系列單片機的功能特點 51 系列單片機中典型芯片(AT89C31)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個 16b 的定時計數(shù)器 TO 和 T1，4 個 8 b的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個全

13、雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲器(EPROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。5l 系列單片機提供以下功能：4 kB 存儲器；256 BRAM；32 條工O 線；2 個16b 定時計數(shù)器；5 個 2 級中斷源；1 個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即

14、可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)該系列單片機引腳與封裝如圖 3-1 所示。 - 5 -圖 3-1 51 系列單片機封裝圖5l 系列單片機提供以下功能：4 kB 存儲器；256 BRAM；32 條工O 線；2 個16b 定時計數(shù)器；5 個 2 級中斷源；1 個全雙向的串行口以及時鐘電路?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波

15、測距系統(tǒng)。3.1.2 單片機實現(xiàn)測距原理單片機實現(xiàn)測距原理單片機發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 t t，然后求出距離 SCt t2，(C C 為超聲波波速)。限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。 - 6 -3.2 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計超聲波發(fā)射電路的設(shè)計超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 3-2 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T

16、構(gòu)成，單片機 P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換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)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R1O、R11一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波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。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，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動

17、產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。圖 3-2 超聲波發(fā)射電路原理圖 - 7 -3.3 超聲波接收電路的設(shè)計超聲波接收電路的設(shè)計 集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，因為當(dāng)CX20106A接受到40KHZ的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，這個信號可以接到單片

18、機的外部中斷引腳作為中斷信號輸入，可以利用它制作超聲波接收電路(如圖2-3)。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖3-3 超聲波接收電路 - 8 -3.4 超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計本系統(tǒng)的特點是利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時，單片機選用 AT89C51，經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。XTAL1P3.0P3.2P3.4P3.5P2.0VCCP2.3P2.2GNDXTAL2P3.2A0A1A2G

19、NDSDASDLWPVCC24C02VCCQ6Q5Q4Q3Q2Q1Q0ABCLKGND VCCMRVCCQ7AT89C51 OUTRTINOFI1Lfi1GNDCtV+OUT1IN(-)IN(+)IN2(+)OUT2IN2(-) GNDVCCD?LED R?RES2 20k 152 104k VCC 10K LM358LM567 1uF2.2k 220K 10K 22K 1uF 2.2K分 分分 分 30pf 30pf R?1KR?1K分 分分 分R?4K7abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp abfcgdeDPY1234567abcdefg8dpdp 765421431

20、4791281011152140242312432156788531276761253191448超聲波測距電路原理圖 - 9 -第第 4 4 章章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計系統(tǒng)軟件的設(shè)計超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、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。C 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，在超聲波測距儀的程序設(shè)計中,計算距離時較為復(fù)雜，程序運行時間的計算又較為精細，控制程序的編程只使用一種語言編寫并不理想,所以該程序采用 C 語言和匯編語言混合編程。 4.1 超聲波測距儀的算法設(shè)計超聲波測距儀的算法設(shè)計 超聲波測距的原理為

21、超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 其中，d 為被測物與測距儀的距離，s 為聲波的來回的路程，c 為聲速，t 為聲波來回所用的時間。 在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外

22、部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。 4.2 主程序流程圖主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 4-1（a）（b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。 圖 4-1 超聲波測距系統(tǒng)的的軟件設(shè)計主程序首先是對系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時器 T0 工作模式為 16 位定時計數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直

23、射波觸發(fā)，需要延時約 0.1 ms（這也就是超聲波測距儀會有一個最小可測距離的原因） - 10 -后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號。由于采用的是 12 MHz 的晶 振，計數(shù)器每計一個數(shù)就是 1s，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時間）按式計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離，設(shè)計時取 20時的聲速為 344 m/s 則有： d=(ct)/2=172T0/10000cm 其中，T0 為計數(shù)器 T0 的計算值。 測出距離后結(jié)果將以十進制 BCD 碼方式送往 LED 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

24、計算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 4.3 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 P1.0 端口發(fā)送 2 個左右超聲波脈沖信號（頻率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 12s 左右，同時把計數(shù)器 T0 打開進行計時。超聲波發(fā)生子程序較簡單，但要求程序運行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號

25、，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時單片機 P1.3 和P1.4 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。4.4 系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試系統(tǒng)的軟硬件的調(diào)試超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，其中超聲波發(fā)射和接收采用 15 的超聲波換能器 TCT40-10F1（T 發(fā)射）和 TCT40-10S1（R 接收） ，中心頻率為 40kHz，安裝時應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行

26、并相距 48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同， - 11 -可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容 C0 的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 硬件電路制作完成并調(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據(jù)實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間，以適應(yīng)不同距離的測量需要。根據(jù)所設(shè)計的電路參數(shù)和程序，測距儀能測的范圍為0.075.5m，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)一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達到實際使用的測量要求。第第 5 5 章章 系統(tǒng)

27、調(diào)試與誤差分析系統(tǒng)調(diào)試與誤差分析5.1 調(diào)試步驟調(diào)試步驟我的步驟是先焊接各個模塊，焊接完每個模塊以后，再進行模塊的單獨測試，以確保在整個系統(tǒng)焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，將寫好程序的 AT89S51機裝到測距板上，通電后將測距板的超聲波頭對著墻面往復(fù)移動，看數(shù)碼管的顯示結(jié)果會不會變化，在測量范圍內(nèi)能否正常顯示。如果一直顯示“- - -” ，則需將下限值增大。本測距板 1s 測量 4-5 次，超聲波發(fā)送功率較大時，測量距離遠，則相應(yīng)的下限值（盲區(qū)）應(yīng)設(shè)置為高值。試驗板中的聲速沒有進行溫度補償，聲速值為340m/s，該值為 15時的超聲波值。注：注：由于條件原因調(diào)試時無法提供 6V 交流電與

28、 5V 雙 USB 接口線，所以由 4.5V干電池與 5V 實驗室穩(wěn)壓電源代替。5.1.1 我的錯誤與糾正我的錯誤與糾正當(dāng)我焊接好元器件，檢查無短路后，我接通了電源。當(dāng)時的現(xiàn)象是：接通電源瞬間顯示“- - -”伴隨蜂鳴器一聲“滴”蜂鳴，接著 LED 顯示三個“C C C”,并伴隨間斷蜂鳴，此為超出最大探測范圍。調(diào)節(jié)下限值 - 12 -無變化。錯誤 1：斷電后我重新按照原理圖對各個元器件焊腳進行對照。發(fā)現(xiàn)除了 BG1外其它元器件焊腳焊接正確，BG1 的“E”腳和“C”腳焊接錯誤。糾正：拆下 BG1 檢查未被擊穿后重新按照正確的焊腳分部焊接。錯誤 2：接通電源重新調(diào)試卻發(fā)現(xiàn)任就是之前的現(xiàn)象。斷電后

29、我重新按照原理圖進行排故。因為錯誤 1 的緣故元器件已經(jīng)檢查過焊腳無錯誤，所以我按照原理圖檢查元器件的名稱標(biāo)識，發(fā)現(xiàn) BG2、BG9 兩個三極管分別是 9013 和 9012，而焊接是卻焊接成了 9012 和 9013.糾正：拆下 BG2、BG9 檢查未被擊穿后重新按照正確名稱標(biāo)識焊接。接通電源能正常工作.5.1.2 調(diào)試準(zhǔn)備調(diào)試準(zhǔn)備調(diào)試時由于沒有皮尺和米尺所以本人以白紙粘貼起來做成 55cm 的簡易倒車帶如下圖所示： - 13 - 在簡易倒車帶最前方有 0.8cm 的空白區(qū)域 - 14 -將簡易倒車帶最前方放于障礙物前（墻角） - 15 - - 16 -5.2 調(diào)試現(xiàn)象調(diào)試現(xiàn)象本設(shè)計為汽車倒

30、車?yán)走_因此將雷達至于小車上模擬汽車倒車。1、在 50cm 以上時無報警 圖 5-1 在 50cm 以上時無報警2、小于 50cm 時蜂鳴器報警 - 17 - 圖 5-2 小于 50cm 時蜂鳴器報警 3、小于 40cm 時顯示“- - -”即盲區(qū) - 18 - 圖 5-3 小于 40cm 時顯示“- - -”即盲區(qū)5.3 誤差分析誤差分析雖然在簡易倒車帶最前端有 0.8cm 的空白距離，但是雷達在 50cm（50.8cm）時顯示的是 51cm，在 45cm（45.8cm）不到處卻顯示 45cm。如圖 5-1、5-2。因此本雷達存在誤差。5.3.1 性能分析性能分析從實物測試的總體來說本測距板基

31、本上達到了要求，理想上超聲波測距能達到500 到 700cm 左右，而我所能實現(xiàn)的最大距離只有 664cm 左右，測量結(jié)果受環(huán)境溫度影響。分析原因如下：1. 超聲波發(fā)射部份由電阻 R1、三極管 BG1、超聲波脈沖變壓器 B 及超聲波發(fā)送頭 T40 構(gòu)成，以提高超聲波的發(fā)射功率，從面提高測量距離。這種方式，加大的超聲波了送頭的余振時間，造成超聲波測距盲區(qū)值較大（本系統(tǒng)盲區(qū)值為 40 厘米） 。2.本測距板沒有設(shè)計溫度補償對測量結(jié)果進行修正。但在硬件的 PCB 上預(yù)留的位置。 - 19 -5.3.2 誤差分析誤差分析超聲波測距由于其再使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之其結(jié)構(gòu)簡單成本低

32、，在機器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。在原理上將，超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲波傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，在已知超聲波聲速的前提下，可計算被測物的距離 H，即：H=vt/2。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。（1）溫度對超聲波波速的影響空氣中傳播的超聲波是由機械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反

33、抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響。其中溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響，當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。（2）超聲波回波聲強影響超聲波回波聲強與被測物得距離有由直接的關(guān)系，實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。這種誤差不能從根本上消除，但是可以通過根據(jù)測量距離調(diào)整脈沖群的脈沖個數(shù)以及動態(tài)調(diào)整比較電壓來減小這種誤差。（3）電路本身影響電路硬件和軟件本身存在一定的缺陷，因此會造成測量誤差，主要表現(xiàn)為：啟動發(fā)射和啟動計時之間的偏差。這是源于單片機一次只能處理一件事，所以啟動發(fā)射和啟動計時實際上不

34、能同時完成，是先后完成的，存在時差。但只要指令速度足夠快，其偏差可以忽略。收到回波到被檢測出的滯后。這是源于檢測電路的靈敏度和判斷偏差，從收到實際回波到電路確認并輸出相應(yīng)信號肯定存在滯后，這和回波信號強弱、檢測電路原理以及判斷電路的敏感性相關(guān)，也是超聲波測距的核心。收到中斷到中斷響應(yīng)停止計時之間的滯后。這是源于單片機的中斷機制。收到中斷信號后，單片機不可能立刻響應(yīng)，至少要完成當(dāng)前的指令，有時還要等待其它中斷服務(wù)結(jié)束，所以這個滯后時間也不確定，從而導(dǎo)致測量結(jié)果的變化。但這個因素可以通過提高單片機速度，使用高優(yōu)先級中斷。計時器本身的誤差。這是源于計時器本身。由于目前多數(shù)使用晶體振蕩器，其穩(wěn)定度和準(zhǔn)

35、確度為 20-50 PPM 級別，對于音速而言，其帶來的誤差在 mm 級。為 - 20 -減小此項誤差，應(yīng)該提高計時的最小單位，即是選擇頻率高的晶振，從而降低量化誤差。同時選用質(zhì)量好的晶振。（4）超聲波波速入射角影響超聲波波束入射角也會對測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響，由于系統(tǒng)是用來測量點和面的距離，則被測物表面，超聲波發(fā)射探頭和接收探頭三者之間存在一個幾何角度，即發(fā)射波入射到接收探頭的角度，如果這個角度不是 0 度，系統(tǒng)測量到的距離是被測物與接收探頭之間的距離而不是和測量參考面之間的距離，這就會造成測量誤差。（5）超聲波傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響制作超聲波傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材

36、料兩種。超聲波測距常用壓電材料制作的傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時，其應(yīng)變 S 與外加電場強度 E 的關(guān)系為： S=dE 其中 d 為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波的回波幅值。所以，為了提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。 - 21 -第第 6 6 章章 結(jié)結(jié) 論論由于時間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計沒有做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)

37、超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括 AT80C51 單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分。單片機采用 AT89C51 其兼容系列。采用12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 P1.0 端口輸出超聲波換能

38、器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動。超聲波發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機P1.0 端口輸出的 40kHz 的方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推換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)射強度。輸出端采兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上位電阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04

39、 輸出高電平的驅(qū)動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。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，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波檢測接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片

40、，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 - 22 -超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、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。我們知道 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程序運行的時間，而超聲波測距儀的程序既有較復(fù)雜的計算（計算距離時） ，又要求精細計算程序運行時間（超聲波測

41、距時） ，所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中斷 0 檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關(guān)閉計時器 T0 停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測距不成功。 前方測距電路的輸出端接單片機 INT0 端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機 INT1 端口，同時單片機 P1.3 和 P1.4 接到 IC3A 的輸入端，

42、中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。在元件及調(diào)制方面，由于采用

43、的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試應(yīng)該不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會正常工作。電路中除集成電路外，對各電子元件也無特別要求。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C0的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 - 23 -致致 謝謝首先，我要感謝我的導(dǎo)師王愷老師在畢業(yè)設(shè)計中對我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，同時也要感謝學(xué)校其他老師在我畢業(yè)設(shè)計中給我的幫助和支持。在我畢業(yè)論文設(shè)計期間，各位老師在無論是在生活還是專業(yè)知識上都給我提供了很大的幫助。在你們的幫助和關(guān)懷，我才得以順利的完成我的畢業(yè)設(shè)計，借此機會，向各位老師表示由衷的感謝。其次，我還要感

44、謝畢業(yè)小組的各位成員。在畢業(yè)設(shè)計的短短幾月里，你們無私的向我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助，在此也衷心的謝謝你們。最后我要感謝我親愛的家人，是他們默默的支持我，鼓勵我，在我成長和求學(xué)的道路上為我指明前進的方向，在生活和學(xué)習(xí)上給予我無私的愛，是我有信心面對一切，走出大學(xué)的校園，踏上社會的征途。 在此，對于給予我?guī)椭娜?，我無法一一列舉，在此一并對你們表示真心的謝意。 - 24 -參考文獻參考文獻1.單片機原理及其接口，胡漢才，北京，清華大學(xué)出版社，2004.2（第 2 版）2.基于 DSP 的多超聲測距數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。葉濤，陳紅軍，楊國勝，侯增廣，譚民，電子技術(shù)應(yīng)用，2004；12:283

45、.李華.MCU-51 系列單片機實用接口技術(shù).北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1993. 64.陳光東.單片機微型計算機原理與接口技術(shù)(第二版).武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.45.蘇長贊.紅外線與超聲波遙控.北京：人民郵電出版社，1993.76.梁立編.程序設(shè)計基礎(chǔ)與 C 語言.陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，19987李瀚蓀.電路分析基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，20068楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，20049華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社，200610鄭郁正.單片機原理及應(yīng)用M.成都：四川大學(xué)出版社，2008 - 25 -附附 錄錄程序清單#I

46、NCLUDE #DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT P3_5 /超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT P3_7 /超聲波接收#DEFINE CSBC=0.034#DEFINE BG P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/顯示標(biāo)識UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09段碼UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL; VOID CSBCJ();VOID DELAY(J); /延時函數(shù)VOID SCANLED(); /顯示函數(shù)VOID TIMETOBUFFER(); /顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();V