超声波测距系统设计现代测控技术课程设计

超声波测距系统设计现代测控技术课程设计内容摘要：

能力将决定最小的可测距离。 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。 由于超声波属于声波范围，其波速 C与温度 有关。 系统软件的设计 超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。 我们知道 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且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精细计算程序运行时间（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。 超声波测距的原理为超声波发生器 T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器 R所接收到。 这样只要计算 出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。 距离的计算公式为： d=s/2=(ct)/2 其中， d为被测物与测距仪的距离， s为声波的来回的路程， c为声速， t为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器 T0，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。 当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在 INT0或 INT1端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。 １３ 软件分为两部分，主程序和中断服务程序。 主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成三 个 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。 程序流程图如图 ， (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。 (a) (b) (c) 图 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() { for(a=0。 a200。 a++) //产生 100 个 40KHz 的方波 有 无 定时初使化 发射超声波 停止发射 清中断 发射 完否 是是 否 读取时间值 计算距 离 保存结 果 清中 断 初使化 定时中断子程序 有回波否 外部中断子程序 定时中断入口 外部中断入口 等待 返回 返回 １４ { 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+TL0。 num= (344*COUNT)/20200。 //计算距离 bwei=num/100。 //取百位 gwei=(numbwei*100)/10。 //取十位 shwei=num%10。 //取个位 P1=tab[bwei]。 //输出百位 P0=tab[shwei]。 //输出十位 P2=tab[gwei]。 //输出个位 TH0=0。 TL0=0。 } １５ 本设计的 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： uchar data tab[10]={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。 5 系统电路的调试与误差分析 电路的调试 通过多次实验，对电路各部分进行了测量、调试和分析。 首先测试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 的方波信号，峰 峰 值为。 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，所以接收到的波形幅值较低，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方波由单片机编程产生，方波的周期为 1/40ms，即 25181。 s，半周期为。 每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生 40kHz方波。 由于 12M 晶振的单片机的时间分辨率是 1181。 s， 所以只能产生半周期为 12181。 s或 13181。 s 的方波信号，频率分别为 和。 本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约 的方波。 系统的误差分析 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 １６ 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 2Ec „„„„ „„„„„„„„„„„ ② 式②中 E为媒质的弹性模量，单位 kg/mm2； ρ 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。