基于单片机的超声测距系统设计方案

1 基于单片机的超声测距系统设计方案 第 1 章 绪论 题背景及重要意义 近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在 20属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于 人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。 由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、 饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。 内超声检测发展综述 在基 于传统的测力距离存在不可克服的缺陷。例如，液面测量就是一种距离测量，传统的电极法是采用差位分布电极，通过给电或脉冲来检测液面，电极长期浸泡于水中或其他液体中，极易被腐蚀、电解，失去灵敏性。由于超声波具有强度大，方向性好等特点，利用超声波测量距离就可以解决这些问题，因此超声波测量距离技术在工业控制、勘探测量、机器人定位和安全防范等领域得到了广泛的应用。 2 超声波测距电路可以由传统的模拟或者数字电路构建，但是基于这些传统电路构建的系统往往可靠性差，调试困难，可扩展性差，所以基于单片机的超声波测距系统被广泛的应用。 通过简单的外围电路发生和接收超声波，单片机通过采样获取到超声波的传播时间，用软件来计算出距离，并且可以采集环境温度进行测距补偿，其测量电路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。 声波测距存在的问题与课题的意义 我就影响超声测距误差的几个因素做了分析，并为本系统选择了比较适合的传感器，即由一支发射探头 一支接收探头 收发分体式传感器。本节在此基础上就如何具体设计本系统进行详细分析。系统计划在实验室内实现小范围测距，测试距离约为 3m 米，系统整体结构如图所示。 图 1发射电路采用单片机 口编程输出 40右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器 于单片机端口输出功率很弱，为使测量距离满足要求，驱动超声传感器射超声波距离足够远，故在此电路上加功率放大电路。 从接收传感器探头 来的超声回波很微弱 (几十个 )，又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑的。本系统设计此部分电路时采用一级放大和带通滤波电路，中心频率 4右，放大滤波电路均采用 了高速精密运算放大器 出信号大约在 5V 左右。 由于放大电路输出的信号是连续的正弦波叠加信号，而单片机所能接受的中断响应信号常为下降沿脉冲信号，故信号在放大电路后通过 成的比较电路，将正弦信号转换成方波信号，用方波的负跳变作单片机的中断输入，使得单片机知道已接收到超声信号，内部计数器停止计时。 显示电路采用动态扫描显示，主要是处于节省硬件的考虑。通过单片机编程将内部 3 计数得到的时间数据转换为距离信息，通过 3 位 码管显示，数据 位 语音播报部分就是将所测得的距离实时地，以 模拟真人发音的形式报出来，例如“现在距离目标物还有 “现在所测得距离为 这样可以在视觉有限或不宜用眼观察的情况下发挥更大的用处，或近距离配合视觉系统会此测距仪的优点或方便之处得到最大程度的发挥，使用起来非常的灵活方便。本系统采用一种长时间非易失性语音芯片 采用模拟存储技术，音质好，录放音方便，且可以方便地进行任意语音元素的组合。 文主要研究内容 本系统硬件部分由 制器、超声波发射电路及接收电路、温度测量电路、声音报警电路和 示电路组成。汽车 行进时 示环境温度，当倒车时，发射和接收电路工作，经过 据处理将距离也显示到 ，如果距离小于设定值时，报警电路会鸣叫，提醒司机注意车距。超声波测距器的系统框图如下图所示： 图 1由单片机 程产生 10上的高电平，由指定引脚输出，就可以在指定接收口等待高电平输出。一旦有高电平输出，即在模块中经过放大电路，驱动超声波发射探头发射超声波。发射出去的超声波经障碍物反射回来后，由超声波接收头接收到信号，通过接收电路的处理，指定接收口即变为 低电平，读取单片机中定时器的值。单片机利用声波的传播速度和发射脉冲到接收反射脉冲的时间间隔计算出障碍物的距离，并由单片机控制显示出来。 由时序图可以看出，超声波测距模块的发射端在 刻发射方波，同时启动定时器开始计时，当收到回波后，产生一负跳变到单片机中断口，单片机响应中断程序，定时器停止计数。计算时间差，即可得到超声波在媒介中传播的时间 t，由此便可计算出距离。 发射电路 接收电路 警电路 4 图 1 5 第 2 章 超声波测距原理与方法 声波简介 超声 波技术是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都可使用的通用技术之一。超声波技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。因此，我国对超声波的研究特别活跃。 声波的三种形式 超声波在介质中可以产生三种形式的振荡波：横波，质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波，质点振动方向与传播方向一致的波；表面波，质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵 波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。 声波的物理性质 (1) 超声波的反射和折射 当超声波传播到两种特性阻抗不同介质的平面分界面上时，一部分超声波被反射；另一部分透射过界面，在相邻介质内部继续传播。这样的两种情况称之为超声波的反射和折射。 (2)超声波的衰减 超声波在一种介质中传播，其声压和声强按指数函数规律衰减。 (3)超声波的干涉 如果在一种介质中传播几个声波，于是产生波的干涉现象。由于超声波的干涉，在辐射器的周围形 成一个包括最大最小的扬声场。 声波对声场产生的作用 (1) 机械作用 超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大，有时足以达到破坏介质的程度。 (2) 空化作用 6 在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。 (3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 声波传感器介绍 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。他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，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，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。超声波传感器结构如下： 图 2 图 2 声波测距原理及结构 电能或机械能转换成声能，接收端则反之。本次设计超声波传感器 采用电气方式中的压电式 超声波传感器分机械方式和电气方式两类，它实际上是一种换能器，在发射端它把超声波换能器，它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。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波 7 接收器。在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发 射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。其原理是超声波传感器发射一定频率的超声波，借助空气媒质传播，到达测量目标或障碍物后反射回来，经反射后由超声波接收器接收脉冲，其所经历的时间即往返时间，往返时间与超声波传播的路程的远近有关。测试传输时间可以得出距离。 假定 s 为被测物体到测距仪之间的距离，测得的时间为 t s，超声波传播速度为 v m s 1 表示，则有关系式 (2s=2 (2在精度要求较高的情况下，需要考虑温度对超声波传播速度的影响，按式 (2超声波传播速度加以修正，以减小误差。 v=331 4+0 607T (2式中， T 为实际温度单位为， v 为超声波在介质中的传播速度单位为 m s。 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制成超声波传感器。它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两大类 ，即电声型与流体动力型。电声型主要有 :体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类 。属于晶体的如石英，妮酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性 :把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变 ;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。 传感器的主要组成部分是压电晶片，当压电晶片发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发 射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向 8 在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械 波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 图 2压电晶片示意图 双压电晶片如图 2示，当在 施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。 图 2压电晶片的等效电路图 双压电晶片的等效电路如图 2示， 静电电容， R 为陶瓷材料介电 损耗 ,并联电阻 机械共振回路的电容和电感， 损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 o。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率，利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。 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。 A 压电晶片 B 9 声波传感器选择 超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头 (接收纵波 )、斜探头 (接收横波 )、表面波探头 (接收表面波 )、收发一体式探头、收发分体式双探头等。 超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波 ;收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。 在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多 ;频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。本文中选用的探头是 4收发分体式超声传感器，由一支发射传感器 一支接收传感器 成，其特性参数如表 2示。 表 2型号 构 开放式 开放式 使用方式 发射 接收 中心频率 频带宽 灵敏度 声压 )n (1 1 5 m P )10m 0 ub 指向角 容量 52500 52500 声波测距的原理 超声波测距方法主要有三种： 1）相位检测法：精度高，但检测范围有限； 2）声波幅值检测法：易受反射波的影响； 3）渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超 声波经气体介质传播到接收传感器的时间 t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离 l。设 l 为测量距离， t 为往返时间差，超声波的传播速度为 c，则有 l=。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。 10 图 2测距原理 由于超声波也是一种声波，其声速 c 与空气温度有关，一般来说，温度每升高 1 摄氏度，声速增加 秒。表 2出了几种温度下的声速： 表 2 声速与温度的关系表 温度（摄氏度） 30 20 10 0 10 20 30 100 声速（米秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速 c 是基本不变的，计算时取 c 为 340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。 在本系统中利用 的定时器测量超声波传播时间，利用 量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为： )/( 3 1 (2声速确定后，只要测得超声波往返的时间， 即可求得距离： L=1/2(t。 （系统中应用该式进行温度补偿） 如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的设计： 2 2 2s l h 。 （系统中应用该式进行角度补偿） 射脉冲宽度 发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量 盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了 25s(l 个 40波脉冲 )， 100s(4 个 40波脉冲 )， 200s(8 个 40波脉冲 )， 800s(32 个 40波脉冲 )的发射脉冲宽度，作为发射信号后的接收信号。最终采用短距离 (2m 内 )发射 200s(8个 40波脉冲 )发射脉冲宽度 ;长距离 (2m 外 )发射 800s(32 个 40冲方波 )的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方 11 面来衡量比较适中，并且接收准确 响应速度快。 量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下 : 图 2图 如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振 (由于机械惯性作用 )。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪 比，接收信号幅值需达到规定的阈值 即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图 2 b 点以后，接收的信号低于闽值，相当于测距的远限。另外，从图中 A 点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从 c 点以后，发射信号低出阈值 收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把 段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此， 可测距范围 ;b 点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。 12 章小 结 本章首先介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减 ;通过详细分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计中所用超声传感器的特性参数 ;分析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、工作频率、环境温度、发射脉冲宽度和测量盲区对超声测距精度的影响。 13 第 3 章 系统硬件设计 系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。 随着超声波 测量技术 的 不断提高，用超声波测量 任何目标物体 ，都存在着超声波的发射和接收问题。不论超声 波 传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都有是一样的 （ 都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声波 ）， 要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点 所在 。 发射电路采用单片机 口编程输出 40右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器 于单片机端口输出功率很弱，在此电路上加功率放大电路使测量距离满足要求，驱动超声传感器 射超声波距离足够远。 由于 从接收传感器探头 来的超声 波 回波很微弱（几十个 ），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑。这里使用 0106受 到的信号进行放大、滤波 ，信号经过 口送入单片机中进行处理 。为节省硬件考虑 ， 显示电路采用动态扫描显示。通过单片机编程将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过 三 位 码管显示。 射电路设计 超声波发射部分是为了让超声波发射换能器 16T 能向外界发出 40 右的方波脉冲信号。 40 右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由 555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机 口输出40 右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够， 40 波脉冲信号分成两路，送给一个由 74成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器 16T 以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图 3示。图中输出端上拉电阻 方面可以提高反向器 74出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。 14 射电路设计方案 一、发射电路输出波形分析 为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性 ;此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时可采用 带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。 由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波形”应与晶片振动规律相同。发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。 通常发射电路按发射方式分为 :单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动。此方法测试距离太近 ;本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。 及功率 传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失 ;另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为 20及单片机正常工作输出最大电压 5V，传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近，所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。 射电路常用方案 由上面的分析，我们知道发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及图 3 超声波发射电路框图 15 其功率。本系统用单片机 射一组方波脉冲信号， 其输出波形稳定可靠，但输出电流和输出功率很低，不能够推动发射传感器发出足够强度的超声信号，所以在此间加入一个单电源乙类互补对 称功率放大电路，如图 3示。 C 1. 0图 3声波发射电路 声波发射器的注意事项 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，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约为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离 (s)，即为： s=340t/2， 这就是所谓的时间差测距法。 存在 4 个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。 测距误差主要来源于以下几个方面： （ 1） 超声波波束对探测目标的入射角 的影响 ； （ 2） 超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发； （ 3） 超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、 压力、密度对声速都将产生直接的影响，因此需对声速加以修正。 （ 4） 由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射和反射之间的夹角，其大小为 2 ，当 很小的时候，可直接按式 2S C t V 进行距离的计算；当夹角很大的时候，必须进行距离的修正，修正的公式为： (3 16 实际的调试过程中，要十分注意发射和接收探头在电路板上的安装位置，这是因为每一种超声波发射、接收头都有一个有效测量夹角，这里用到的发射、接收头有效测量夹角为 45。 接收换能器对超声波脉冲的直接接收能力将决定该系统最小的可测距离。为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法。 收电路设计 接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。因压电效应晶片两面出 现交变的等量异号电荷，电荷量很少，只能提供微小交变的电压信号，而不能提供电流信号。所以需要一个前置放大电路将这一微小交变电压信号充分放大，同时考虑可能出现干扰信号，放大有用信号的同时加入滤波电路，驱动后面的比较器输出电位跳变，作为确定接收到的时刻。 前置放大电路单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利于后续电路的设计。 L S 2U C M 4 02314111T L 0 8 2 C 电路如图 3示，考虑到超声换能器的输出电阻比较大 (一般数百兆欧姆以上 )，因此前置放大器必须有足够大的输入阻抗 (;同时，换能器的输出电压很小(数十毫伏 )，这就要求前置放大电路有很高的精度、很小的输入偏置电压 (前置放大电路是由一个高精度、高输入阻抗放大器 电阻 3R 和R 构成，组成反向比例放大电路，这样可以减小地线噪声的影响。 由电路的基本知识，可列出 : 17 （ 3 (3根据放大器理想化的两个重要概念 : 通常接近于零，即 U=U O，若把它理想化，则有 U=0，但不是短路，故常称为虚短。 净输入电流 I 0，如把它理想化，则有 0I ，但不是断开，故常称为虚断。 故可知本电路中 :U 0,0 且 I 所以有 (3上式表明，输出电压与输入电压成比例运算关系，式中的负号表示 U 与 相。电路的电压放大倍数为 : 23 (3利用反相比例放大器可实现对交直流输入信号的放大，且电路结构简单，只需要调节 2R 和 3R 阻值即可实现调节电压放大倍数。图中运放的同相输入端接有电阻 参数选择时应使两输入端外接直流通路等效电阻平衡，即 32 / ，静态时使输入级偏置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等的压降，以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响，故 称为平衡电阻。 根据本设计系统需要，接收传感器输出电压很小 (数十毫伏 )，故分别取 2 ; 003 ; ，即放大电路将输入信号放大 200 倍。 片机显示电路设计 显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而己。最简单的显示器可以使 出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是 视器或者屏幕较大的 显示的距离范围在 4 米之内，选用 3 位 ，表示距离的值。液晶 屏。综合课题的实际要求由数码管，通过单片机编程实现显示，表示距离的 值。 码管显示与单片机接口通常涉及以下几个问题 : 码管显示用共阴极管还是共阳极管 18 问题 1 采用共阴极数码管还是共阳极数码管没有太明显的优缺点。如图 3a）所示数码管，每个数码管内部，由 8 个发光二极管组成，其中七个组成 8 字形的七段笔划，分别编号为 a、 b、 c、 d、 e、 f、 g，还有一个为小数点，标为 发光二极管导通时，相应的 一段笔划或点就发亮，控制不同二极管导通就能显示出不同符号。发光二极管的阴极连在一起的称为共阴极数码管，如图 3b）所示；发光二极管的阳极连在一起的称为共阳，如图 3c）所示。两种数码管仅在单片机编程时数码对应的笔划信息码不同。 图 3码管结构图 问题 2 软件译码是将各数码的笔划信息构成一个表格预储于内存，以后根据要显示的每一数码执行一段查表程序，查得相应笔划信息再送数码管显示 ;硬件译码则采用74747474 七段锁存、译码、驱动芯 片直接译出笔划信息。 问题 3 动态扫描显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一。其接口电路是把所有显示器的 8 个笔划段 a h 同名端连在一起，而每一个显示器的公共极 。 字段输出口送出字形码时，所有显示器接收到相同的字形码，但究竟是那个显示器亮，则取决于 ，而这一端是由 I/O 控制的，所以我们就可以自行决定何时显示哪一位了。而所谓动态扫描就是指我们采用分时的方法，轮流控制各个显示器的 ，使各个显示器轮流点亮。在轮流点亮扫描过程中，每位显示器的点亮时间是极为短暂 的 (约 1但由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位显示器并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感。采用静态扫描方式控制点亮 码管无位选信号，各数码管是同时点亮的 ;每数码管应显示数码的笔划信息也分路同时送给。其原 19 理比较简单。静态扫描显示编程容易，显示比较清晰，亮度一般较高 ;但要求占用很多 I/本较高。因此，动态扫描用得更多。 P 1. 0/ T 21P 1. 1/ T 2E . 2/ E C . 3/ C E X 04P 1. 4/ C E X 15P 1. 5/ C E X 26P 1. 6/ C E X 37P 1. 7/ C E X 48R S . 0/ R . 1/ T . 2/ I N T 012P 3. 3/ I N T 113P 3. 4/ T 014P 3. 5/ T 115P 3. 6/ W . 7/ R A L 218X T A L 119V S . 0/ A 8P 2. 1/ A 9P 2. 2/ A 10P 2. 3/ A 11P 2. 4/ A 12P 2. 5/ A 13P 2. 6/ A 14P 2. 7/ A 15P S E E / P R O / V P . 7/ A D 732P 0. 6/ A D 633P 0. 5/ A D 534P 0. 4/ A D 435P 0. 3/ A D 336P 0. 2/ A D 237P 0. 1/ A D 138P 0. 0/ A D 039V C 89 S 51I N 11I N 22I N 33I N 44I N 55I N 66I N 77O U T 116O U T 314O U T 413O U T 512O U T 611O U T 710O U T 215C O N 20 03 C Q 57 4P A R e R e R e e s P a c k 4V C 2 示部分电路图 20 针对以上 3 个问题，实际考虑节约单片机的接口资源以及减 少硬件芯片成本投入，本单元电路设计如图 3示，采用 3 位共阴极数码显示管，显示字符由单片机 送至锁存器 74存，再经显示驱动芯片 动数码管显示， 别控制每一位的动态显示。 74三态输出 D 型上升沿触发器，图 3其引脚图，在输入使能端 效时，当时钟脉冲 上升沿跳变，触发器发生翻转，将锁存的 8 路输入数据 (即单片机 送出的字符数据 )送出显示。其功能表，如表 3示。 1 20 1B 1 16 1C 1D 2 19 1Q 2B 2 15 2C 2D 3 18 2Q 3B 3 14 3C 3D 4 17 3Q 4B 4 13 4C 4D 5 16 4Q 5B 5 12 5C 5D 6 15 5Q 6B 6 11 6C 6D 7 14 6Q 7B 7 10 7C 7D 8 13 7Q 8B 8 9 8D 9 12 8Q 9D 10 11 34 图 3脚图 表 34Q D L H L L L H X H X X H L 显示驱动芯片，抬升单片机的输出电流，提高 负载驱动能力。其引脚如图 3示，其内部含七对达林顿放大管，其主要功能 :当输入为高电平时，输出为低电平 ;输入为低电平时，输出为高电平。本课题让单片机 此芯片提升驱动能力从而控制数码管的位选，实现数据动态扫描输出。 由于声音的速度在不同的温度下有所不同，为提高系统的精度，采用了温度补偿功能。这里采用的主要元器件是是美国 导体公司生产的单总线数字温度传感器具有精度高、智能化、体积小、线路简单等特点。将 据线与单片机的 相连，就可以实现温度测 量，如图 3示。 21 示部分 本设计显示部分采用字符型 晶显示所测距离值。 示的容量为 2行 16 个字。液晶显示屏有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，与数码管相比，显得更专业、美观。使用时，可将 数据线相连， 控制线相连，如图所示 。 其中， 4 脚 寄存器选择，第 5 脚 读写信号线，第 6 脚 E 为使能端。第 7 14 脚： 8 位双向数据线。这里要注意的是，为了布线方便，单片机端的 接到 602 的 好相反，因此在编写软件时需要做处理，使读取正确。 图 3 度测量电路 图 3 晶显示电路 22 警部分 采用一个蜂鸣器，由 出一定频率的信号，在连接到蜂鸣器之前，经过一个三极管 9012 的放大。报警部分的连线，如图 3示 。 图 3警电路 章小结 本章主要介绍了基于单片机的超声测距系统的具体硬件设计电路。对其中主要硬件单元 :发射电路、接收电路、检测电路以及显示电路的设计给出原理图并进行了分析计算 。 23 第 4 章 软件设计和测量结果分析 统软件设计 系统程序结构： (1)为初始化程序、写入命令以及读取子程序等部分； (2)基于 显示模块，分为初始化子程序、写入子程序以及显示子程序； (3)温度补偿与距离计算模块、分为超声波发送控制程序、接收处理程序、温度补偿子程序等； (4)本次设计使用 C 语言编写程序， C 语言相比汇编有许多的优势；编译器使用 行程序编译， 能强 大使用方便。 主程序，分为系统初始化、按键处理以及各个子程序的调度管理等部分。 如图 4示描述了各个模块的关系： 图 4统软件方框图 系统主程序： 24 本设计主程序的思想如下： (1)温度为两位显示，距离为四位显示单位为 (2)温度每隔 900样一次， 2位精度下转换周期为 750故 900足该速度要求；超声波每隔 60送一次。 (3)按键 S 为测量启动键； (4)系统采用 12 (5)没有使用看门狗功能； (6)超声波发送 一定时间后才开始启动检测，避免直达信号造成误判。所以系统最小测量约为 112 系统主程序如下： i,j; i=0;c=c+1; /若温度小于 0, c=4;