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1、基于单片机的超声波测距系统的设计摘要：本文在超声波测距原理的基础上，设计基于AT89S52单片机与超声波传感器为核心的超声测距系统。该系统由单片机控制时间计数、控制超声波的发射和接收，同时为了提高系统的精度，采取了温度补偿等一系列措施。整个电路采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、温度补偿子程序等模块组成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。相关部分附有硬件电路图、程序流程图。针对系统的发射、接收、检测、显示进行了论证，对试验结果进行了误差分析。试验证明这套软硬件设计合理，实时性良好。关键词：超声波；单片机；温度补偿；测距Design of Ultraso
2、nic Distance Measurement Systembased on SCMAbstract ：This paper discussed ultrasonic distance ranging and designed a kind of the ultrasonic distance system based on AT89S52 MCU and ultrasonic sensors. The MCU is employed to achieve the function of controlling time counting and transmit or receive of
3、 ultrasonic. At the same time, in order to raise the devices precision, it makes measures such as temperature compensation and so on. Modular design of the whole circuit from the main program, display subroutine modules form. SCM comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultraso
4、nic range finder function. According to the transmissions receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out and analyzes the experimental result. The research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competenc
5、e is powerful.Key Words：Ultrasonic; Micro Control Unit; Temperature compensation; Measuring distance第1章 绪论1.1 研究背景与课题来源单片机技术作为计算机技术的一个分支，广泛应用于各个领域。单片机可以构成各种工业控制系统、数据采集系统，如数控机床、自动生产线控制、电机控制、温度控制等。一些仪器仪表如智能仪器、医疗器械、数字示波器等也用到单片机。计算机外部设备与智能接口如图形终端机、传真机、复印机、打印机、绘图仪、磁盘/磁带机、智能终端机，商用产品如自动售货机，电子收款机，电子称，家用电器如微
6、波炉、电视机、空调、洗衣机、录像机、音响设备等都离不开单片机。单片机在控制领域中，具有很多优点，它体积小，成本低，运用灵活，易于产品化，它能方便的组成各种智能化的控制设备；面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务。因而能获得最佳的性能价格比；它抗干扰能力器，适用范围宽，在各种恶劣的环境下都能可靠地工作，这是其他类型的计算机无法比拟的；此外，可以方便的实现多机和分布式控制，使整个控制系统的效率和可靠性大为提。在国内，单片机以其及其优越的优点受到人们的高度重视，并取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有光控的发展前景。近几年来，超大规模集成电路的出现，促
7、成计算机朝三个方向发展：单片机、高性能微型计算机及专用微型计算机。单片机在微型计算机领域占据着十分重要的地位。如今，单片机的发展越来越迅速，国内外先进技术不断涌现。目前，嵌入式数字信号处理器发展度很快，和控制器MCU 结合在一起的最近期的点偏激发展的一个方向。嵌入式系统一般指把单片机嵌入有某种功能并有独立形态的系统中作为智能控制核心。它是计算，通信与消费结合的产品，主要用于信号处理和控制，应用最多的是智能家用电器，是智能家电产品的核心。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波，借助空气媒介质传播，由待捕捉的猎物或障碍
8、物反射回来的时间间隔长短与反射的超声波的强弱判断猎物的性质或障碍位置的方法。距离是在不同的场合和控制中需要检测的一个参数，所以测距就成为数据采集中要解决的一个问题。尽管测距有多种方式，比如：激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等。但是，超声波测距不失为一种简单可行的方法。超声波测距仪有造价底，省力，操作方便的优点。虽然超声波测距电路多种多样,甚至已有专用超声波测距集成电路。但是，有的电路复杂，技术难度大，有的调试困难，有的元件不易购买。本文介绍的电路，成本低廉，性能可靠，所用元件易购，并且利用测距原理，结合单片机的数据处理，使测量精度提高，电路实现容易，无须调试，工作稳定可靠。1.2 课
9、题研究的意义和目的MCS-51 系列单片机是INTEL 公司继MCS-48 系列后推出的8 位高档微型计算机系列，其性能，指令功能，运行速度远远超出一般的通用处理器。国内外计算机应用部门竞相用这种单片机构成各种智能仪表，智能控制器，智能接口，通用测控单元，医疗器械等，标志着单片机正式登上了计算机世界的舞台。单片机的应用为越来越多的科技人员所注目。在工业生产中，电流，电压，温度，压力，流量，流速，流速和开关量是常用的主要被控参数。目前利用MCS-51 单片机控制超声波测距系统的设计越来越多了，该系统也得到广泛的应用，如智能化汽车倒车系统，机器人的障碍行走，物位测量，医疗，通讯，家电及其他方面都有
10、广泛的应用。因此有必要研究出性能更能好精确度更高的应用性超声波测距系统。在现实生活中，在一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷，例如，液面测量就是一个距离测量，传统的电极法采用差位分布电极，通过给电或脉冲检测液面，电极长期浸泡在水中或其它液体中，极易被腐蚀、电解，从而失去灵敏性。而利用超声波测量距离可以很好地解决这一问题。目前市面上常见的超声波测距系统因价格昂贵，体积过大而且精度不高等种种因素，使得在一些中小规模领域中难以得到广泛的应用。为解决这一系列难题，本文设计了一款基于STC89C52 单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距系统。1.3 课题研究的可行性采用超声波测量
11、大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，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，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。超声测距仪在先进的机器人技术上也有应用，把超声波源安装在机器人身上，由它不断向周围发射超声波并且同时接收由障碍物反射回波来确定机器人的自身位置，用它作为传感器控制机器人的电脑等等。由于超声波易于定向发射，方向性好，强度好控制，它的应用价值己
12、被普遍重视。如此广泛的应用使得提高人们对机器人的了解显得尤为重要。机器人通过其感知系统察觉前方障碍物距离和周围环境来实现绕障、自动寻线、测距等功能。超声波测距相对其他测距技术而言成本低廉,测量精度较高,不受环境的限制,应用方便，将它与红外、灰度传感器等结合共同实现机器人寻线和绕障功能。超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用
13、的要求，因此得到了广泛的应用。本课题的研究是非常有实用和有商业价值的。从设计要求可知，本课题研究的是利用超声波传感器来测量距离。要考虑其是否可行，首先必须了解超声波具有哪些特性。所谓超声波就是指频率高于20kHz 的机械波，一般由压电效应或磁致伸缩效应产生；沿直线传播，当频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强；强度大、方向性好等特点。因此，利用超声波的这些特性就可制成超声波传感器。又由于超声波在空气中的传播速度较慢，一般为340m/s 左右，这使得超声波传感器的应用变得非常简单，因此利用超声波传感器测量距离就不再困难了，由此可见，基于STC89C52 的超声波测距系统的研究设计是可行的。总之，
14、由以上分析可看出:利用超声波测距，在许多方面有很多优势。因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。1.4 课题设计的功能简介该测距系统由+5V 稳压电源提供驱动，利用超声波在空气中传播遇障碍物反射的原理，以超声波探头为接口部件，应用单片机技术计算超声波在空气中传播的时间（超声波的速度为声速）并处理成相应的距离，然后再通过四位七段数码管显示实测距离的数字仪表。其主要功能如下：1） 测距范围为 6m；2） 显示方式为数码管显示；3） 具有较强的抗干扰能力，安装简单；4） 体积小、功耗低，能嵌入其它系统。第2章 总体方案2.1 超声波测距的原理超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各
15、行各业都要使用的通用技术之一。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。超声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。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。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，如图2-1所示。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的
16、时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即： （2-1）图2-1 超声波测距原理图这就是所谓的时间差测距法7，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，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。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(2-2)对超声波传播速度加以修正，以减小误差。v=33
17、1.4+0.607T （2-2）式中，T 为实际温度单位为C，v 为超声波在介质中的传播速度单位为ms。表2-1 温度对声速的影响2.2 总体方案确定本设计是在超声波原理的基础上，完成了基于时差测距原理的一种超声波测距系统设计。测距仪以AT89S52芯片为核心，74LS04组成的超声波发射电路、并由超声波处理模块CX20106A、LED显示模块等器件组成，包括单片机系统、超声波发射电路、超声波接收电路、LED显示电路。依据实际的测量精度要求添加温度补偿电路，避免了环境误差，能够清晰稳定的显示结果。由单片机发出40kHz的方波信号进入超声波发射电路，经功率放大芯片放大后进入超声波发射头。超声波发
18、射头发射的超声波在空气中传播一段时间后经前方被检测物体反射回来，由超声波接收头接收，超声波电路中的接收芯片对信号放大整形，超声波接收电路接收回波后发出一个下拉电平使单片机进入中断程序，在中断程序中，单片机从温度检测电路读取数值并换算成当前温度下的声速，应用时差法计算所检测的距离，最后所有的数据都在LED显示电路上显示。结构图如图2-2所示。图2-2 系统结构图第3章 硬件电路设计3.1 单片机及显示电路设计硬件电路的设计主要包括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。单片机采用STC89C52 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
19、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74LS245 驱动，位码用PNP 三极管驱动。LED数码管结构简单，价格便宜。图3-1示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。图3-1(a)为八段共阴极数码显示管结构图，图3-1(b)是它的原理图，图3-1(c)为八段共阳LED显示管原理图。八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。图3-1 LED结构图3.2 超声波发射电路超声波发生器包括超声波产生电路和超声
20、波发射控制电路两个部分，超声波探头的型号选用CSB40T（其中心频率为40KHz）。可以采用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经过动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但是需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专用发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动超声波换能器产生超声波。这种方法的特点是无需驱动电路，但缺乏灵活性。本次我们采用第一种方法产生超声波，非门可以选用74LS04，具体电路如图3-2所示。图3-2 发射电路图从图中可知，当输入的信号为高电平时，上面经过两级反向CSB40T的1引脚为高电
21、平，下面经过一级反向后为低电平；当输入信号为低电平时，正好相反，实现了振荡的信号驱动CSB40T，只要控制信号接近40KHz，就能产生超声波。3.2.1 40kHz 脉冲信号的产生与超声波发射测距系统中的超声波发生器采用UCM40 的压电陶瓷传感器，它的工作电压是40kHz 的脉冲信号，这个信号可由单片机的P1.0 端口来产生，其40kHz 的脉冲信号产生程序如下： for(i=0;i=200)|flag=1) SPEAK=0; delay1(200); flag=0; disbuff0=10; /显示“-” disbuff1=10; /显示“-” disbuff2=10; /显示“-” el
22、se disbuff0=S%1000/100; disbuff1=S%1000%100/10; disbuff2=S%1000%10 %10; Display(); 3.4 RS232 串口通信电路设计RS232 是单片机间，或单片机与上位机间通讯联络用。MAX232 作为RS232 的电平转换芯片，完成TTL 电平到RS232 电平的转换。MAX232 是一种双组驱动器接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V 电源供电时提供EIATIA-232-电平。典型的RS-232 信号在正负电平之间摆动，在发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5+15V，负电平在-5-15V 电平。当无数据传
23、输时，线上为TTL，从开始传送数据到结束，线上电平从TTL 电平到RS-232 电平再返回TTL 电平。电容可以取0.1uF 到10uF之间的电容，有极性无极性均可，但是使用有极性的电容一定注意正负方向。据查阅资料：由RS-232C 标准规定在码元畸变小于4的情况下，传输电缆长度应为15m，在实际应用中。约有99的用户是按码元畸变10-20的范围工作的，所以实际使用中最大距离会远超过15m，一般能满足个人和近距离设备的需要。为了能将编译后的程序文件下载到单片机中，用到了MAX232 芯片。在最简单的RS-232 直接传送通信系统中，只要发送和接收双方同时准备好，仅用信号发送端(TXD) ，信号
24、接收端(RXD) 和信号地(GND)3 根线即可进行通信。在89C52 单片机系统中，分别从P3.0 和P3.1 引出串口线RXD 和TXD 转换成RS-232 接口标准的电平，这样，二者之间就可以通过RS-232 接口进行数字信号的传送，其电路图如下图3-4 所示。3.4.1 PC机与单片机的硬件连接串口是PC机上一种非常通用的设备通信协议。多数PC机提供两个9针或25针的RS232标准串行口，简称为COM1和COM2。大多数计算机应用系统与智能单元之间只要使用3到5根信号线即可工作，需使用IXD(发送数据)、RXD(接收数据)、GND(地线)等信号线，但有时还需使用RTS(发送数据请求)、
25、CTS(清除发送)、DTR(数据终端就绪)、DSR(数据发送就绪)等信号线。3.4.2 串口通信的实现单片机硬件系统是一个典型的信号采集系统，PC机控制端先给单片机发送“开始指令”和有关系统测量参数，单片机接收到后硬件系统开始工作，进行数据采集，采集到的信号经放大和A/D变换后送入单片机，单片机把处理后的数据按每个180个字节为一帧整理成帧，然后通过RS232接口传到计算机18。计算机首先对单片机发过来的每一帧数据进行正确的接收，并对数据进行实时显示，然后再进行必要的处理，以达到实时监控的目的。PC机也可以随时向单片机发送指令，使单片机根据指令的要求执行相应的动作。图3-4 TTL转RS232
26、接口电路3.5 电源电路电源电路提供系统运行的能量，所以在进行电源电路设计保证原理正确的前提下，考虑电源容量并保证一定的余量。为获得一个标准设计的电源电路，可通过降压，整流，稳压，滤波四个环节得到5V的直流稳压电源：1） 降压：可通过变压器将市电转变后，选择输出电压为79 伏之间电源。2）整流：将变压后的电源通过四个整流二极管4007 组成的整流桥，将交流电转变成直流电，因此即使粗心电源接反单片机也不会烧掉，而电路也是正常工作的。3）稳压：通过三端正稳压电路7805 稳压成5 伏直流电源提供给单片机系统使用。4）滤波：7805 左边两个是降压后的电源滤波电容，大电容旁边并联一个小电容的目的是降
27、低高频内阻，因为大的电解电容一般采用卷绕工艺制造,所以等效电感较大,小电容可以提供一个小内阻的高频通道,降低电源全频带内阻。7805 右边两个电容是5 伏电源的滤波电容。通过以上四个环节即得到5V 的直流稳压电源。整个电源电路都是围绕这种7805稳压芯片进行设计的，是一种串联的稳压电路，这样就可以为单片机提供安全且稳定的电源了，最后再并接一个高亮发光二极管来指示单片机的工作状态。单片机系统的总电源电路图如3-5：图3-5 电源电路图3.6 单片机复位电路设计复位是单片机初始化操作，其作用是使CPU 和系统中的其他部分都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。复位输入端管脚RST 通过一个
28、施密特触发器与复位电路相连，主要是用来抑制噪声。图3-6 为按钮复位电路。在实际应用系统中，为了防止干扰窜入复位端，引起内部某些寄存器错误复位，可在RST 端管脚上可接一个去藕电容。图3-6 单片机复位电路图3.7 声光报警显示电路的设计此模块主要为声光显示功能，以提示是否进入或退出调整电子时钟界面，更具有人性化。当系统正常工作时，P1 口的8 个发光二极管（除了P1.4）全部点亮；当进入时间调整的时候，P1 口的8 个发光二极管只有高四位点亮，且蜂鸣器发出两声急促响声，此时即可开始调时；调时完毕后，蜂鸣器再次发出两声急促的响声，然后8 位发光二极管回到正常工作时的点亮状态。发光二极管电路中采
29、用共阳法，即当单片机I/O 口输出低电平时，发光二极管亮；在蜂鸣器电路中，采用了PNP 三极管9012 来驱动，当单片机该端口输出低电平时，蜂鸣器发出响声，其电路图如下图3-6，图3-7： 图3-7 P1 口二极管发光电路 图3-8 蜂鸣器电路3.8 键盘电路的设计如何以最少的器件、最小的功耗、最省的花费实现键盘功能，是人机接口设计的关键。可选择的方案有以下两种：方案一：采用行列式键盘方式输入。用较少的I/O 口就能够连接很多按键，适宜于硬件资源紧张的情况。方案二：采用独立按键方式输入。该方式的优点是在软件上对按键输入的处理比较简单、方便；在硬件上占用的I/O 口数比较多。由于本设计中所需I/
30、O 口不是很多，且I/O 资源很充裕因此选择了方案二。本模块电路占用了单片机的P3.23.5 四个I/O 口，主要是完成时钟调整功能，单片机系统初始化后，I/O 端口输出高电平，由于按键的另一端都接公共地，因此可根据这几个I/O 口是否为低电平中可检测是否有按键按下，是哪个键被按下，然后转向该按键所指向的功能。其电路图如下图3-9 所示：图3-9 单片机与按键的接口电路第4章 系统软件设计4.1 系统主程序设计超声波测距系统软件设计采用模块化设计，主要包括主程序设计、T1 中断服务子程序、INT0 外部中断服务子程序、测温子程序、距离计算子程序、显示子程序、延时子程序和报警子程序设计等。系统软
31、件编制时应考虑相关硬件的连线，同时还要进行存储空间、寄存器以及定时器和外部中断引脚的分配和使用。主程序首先对系统环境初始化，设定定时器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，并给西安市端口清零，然后调用超声波发生子程序发出一个超声波脉冲，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（这也是测距器会有一个最小可测距离的原因）后，再打开外部中断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）按下式计算即可得到被测物体与测距仪之间的距离，当然，我们
32、计算的时候还要考虑温度对声速的影响。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。主程序框图如下：开始系统初始化温度检测子程序测距子程序结合温度计算结果显示结束图4-1 主程序框图主程序流程图：开始系统初始化位置回波接收标志位发射超声波脉冲开定时器延时0.1mS开外部中断计算距离显示回波标志位是否为1YN 图4-2 主程序流程图4.2 系统中断程序设计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
33、返回超声波信号（INT0 引脚出现低电平)，立即进入中断程序11。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0 以表示此次测距不成功。定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取，距离计算，结果的输出等工作。定时中断入口定时器初始化发射超声波停止发射返回三方发射完否YN图4-3 定时中断服务子程序4.2.1超声波测距子程序设计超声波发射子程序在P3.7口产生40kHZ方波脉冲宽度约12us，作为超声波发射器的输出信号。一旦接
34、收到超声波返回信号后，就立即进入中断程序。进入中断程序后就立即关闭定时器，T0停止计时，并将接收到的标志位为1,，然后在主函数里调用计算距离公式，在显示出来，流程图如图4-4所示。开始发生超声波停止发射，启动计数器开始计数外部0是否有中断计数器停止计算检测结果结束YN图4-4 超声波测距流程图4.3超声波温度补偿子程序设计温度补偿流程图如图4-5所示。开始启动温度检测电路得出对应的温度值返回图4-5 温度补偿流程图第5 章系统电路调试及误差分析5.1 系统电路的调试通过多次的实验，对电路各部分进行了测量，调试和分析。首先测量发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个40kHz 真
35、的方波信号，峰峰值为3.8V。经过发射电路后，其信号峰峰值放大到10V 左右。40kHz 的方波驱动超声波发射头发射超声波，经反射后由超声波接收头接收到40kHz 的正弦波，由于声波在空气中传播时衰减，所以接收到的波形复制较低，经接收电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。该测距电路的40kHz 方波由单片机的编程产生，方波的周期为1/40ms，即25s，半周期为12.5s。每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生半周期为12s或13s 的方波信号，频率分别为41.67kHz 和38.67kHz。超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采
36、用15 的超声波换能器TCT40-10F1（T 发射）和TCT40-10S1（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试好后，便可将单片机试运行15。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需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范围为小于6m，测距仪最大误差不超过1cm。系统调试完后应对
37、测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。5.2 系统的误差分析5.2.1 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/) （5-1）式（5-1）中E 为媒质的弹性模量，单位为kg/mm；为媒质的密度，单位为kg/mm；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
38、播和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（5-1）可知，声波传播速度与媒质的弹性模量和密度有关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速的影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度的变化，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的变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度影响最大。声速受温度的影响为：C=C01+（/273） （5-2）图5-1 根据上式测量的温度-声速图图5-1 空气中温度-声速图由式（5-2）和图5-1 可见，当温度从040C
39、 变化时，将会产生7%的声速变化，因此，为了提高测量的准确性，计算式必须根据温度进行声速的修正。工业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即C=331+0.6 （5-3）5.2.2 单片机时间分辨率的影响不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为12MHz 时，时间分辨率为1s。随即误差由于测量过程中的随机误差是按统计的规律变化的，为了让减少其影响，可在同一位置处多次重复测量X，然后取平均值x 作为测量的真值。5.3 提高测量精度的方法上节分析了超声波测距系统误
40、差产生的一些原因，如何提高测量精度是超声波测距的关键技术，其提高测距精度的措施如下：1）合理选择超波工作频率、脉宽和脉冲发射周期。据经验，超声波测距的工作频率选择40kHz 较为合适；发射脉宽一般应大于填充波周期的10 倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，熟读快，脉冲发射周期可选短些。2）在超声波接收回路中串入增益调节（AGC）及增益负反馈控制环节。因超声波接收的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用AGC 电路放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器的波形的幅值不随测量距离的变化的大幅度的变化，采用电
41、流负反馈环节能使接收波形更加稳定。3）提高计时精度，减少时间量化误差如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计数器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率6MHz时，计数频率为0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率课直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小。4）补偿温度。超声波在介质中的传播速度和温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。温度传感器DS18B20 的温度测试分辨率为0.0625C，-10C 至+85C 准确度为1.0C，IC 总线接口。用ST
42、C89C52 的通用I/O 端口能很容易的模拟IC 总线的读写时序，DS18B20 高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。由于DS18B20 温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距仪应用在各种高精度测距场合，如自动气象站中水汽日蒸发量的测试，自动任意形状物体密度测试仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，它的开发与应用前景广泛。5.4 系统性能改善和增大测量距离讨论接收放大电路，可加入带通滤波或锁相放大（LM567）以尽可能减少干扰信号引起误触发，另外为防止发射信号直接进入接收端所以设置一定的延时。锁相应用电路，调整在40KHZ 上，但要考虑加入后对接收处理的延时，用软件调整。另一方面可采用自动增益补偿技术,随着时间的增加, AGC 的放大倍数呈指数规律变化,从而保证了超声波接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅变化,使得每次在同一个波头触发计时电路,提高了系统测量准确度。电路可以采用如下图所示或者采用单片AD603 实现，在这里不具体讨论。发射驱动电路，为放大驱动脉冲可以再加入一级三极管放大电路，三极管要选用高频的如9018 以减
