河北經貿大學畢業論文 i 摘要摘要 超聲波具有指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠等優點，所以， 在利用傳感器技術和自動控制技術相結合的測距方案中，超聲波測距是目 前應用最普遍的一種，它廣泛應用于防盜、倒車雷達、水位測量、建筑施 工工地以及一些工業現場。 本課題詳細介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 atmel 公司的 at89c51 單片機的性能和特點，并在分析了超聲波測距的原理的基礎上， 指出了設計測距系統的思路和所需考慮的問題，給出了以 at89c51 單片 機為核心的低成本、高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路和 軟件設計方法。整個電路采用模塊化設計，由主程序、預置子程序、發射 子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。各探頭的信號經單片機綜 合分析處理，實現超聲波測距儀的各種功能。在此基礎上設計了系統的總 體方案，最后通過硬件和軟件實現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電 路圖、程序流程圖。 經實驗證明，這套系統軟硬件設計合理、抗干擾能力強、實時性良好， 經過系統擴展和升級，可以有效地解決汽車倒車、建筑施工工地以及一些 工業現場的位置監控。 關鍵詞 at89c51；超聲波；測距 河北經貿大學畢業論文 ii abstract ultrasonic wave has strong pointing to nature ,slowly energy consumption ,propagating distance farther ,so, in utilizing the scheme of distance finding that sensor technology and automatic control technology combine together ,ultrasonic wave finds range to use the most general one at present ,it applies to guard against theft , move backward the radar , water level measuring,building construction site and some industrial scenes extensively. this subject has introduced principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail ,and the performance and characteristic of one-chip computer at89c51 of atmel company ,and on the basis of analyzing principle that ultrasonic wave finds range ,the systematic thinking and questions needed to consider that have pointed out that designs and finds range ,provide low cost , the hardware circuit of high accuracy , ultrasonic range finder of miniature digital display and software design method taking at89c51 as the core. modular design of the whole circuit from the main program, pre subroutine fired subroutine receive subroutine. display subroutine modules form. scm comprehensive analysis of the probe signal processing, and the ultrasonic range finder function. on the basis of the overall system design, hardware and software by the end of each module. the research has led to the discovery that the software and hardware designing is justified, the anti-disturbance competence is powerful and the real- time capability is satisfactory and by extension and upgrade, this system can resolve the problem of the car availably, building construction the position of the workplace and some industries spot supervision. key words at89c51; ultrasonic wave; measure distance 河北經貿大學畢業論文 i 目錄目錄 1 緒論.1 1.1 超聲波測距儀的設計思路.1 1.2 方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀.1 1.3 方案二：基于 at89c51 單片機的超聲波測距儀.2 2 理論分析與計算.4 2.1 測量與控制方法.4 2.2 理論計算.4 3 系統的硬件結構設計.6 3.1 51 系列單片機的功能特點及測距原理6 3.1.1 51 系列單片機的功能特點6 3.1.2 單片機實現測距原理.7 3.2 超聲波發射電路.7 3.3 超聲波檢測接收電路.8 3.4 超聲波測距系統的硬件電路設計.9 4 系統軟件的設計.11 4.1 超聲波測距儀的算法設計.11 4.2 主程序流程圖.12 4.3 超聲波發生子程序和超聲波接收中斷程序.13 4.4 系統的軟硬件的調試.14 4.4.1 超聲波測距誤差分析15 4.4.2 提高精度的方案及系統設計16 總結.17 致謝.18 附錄.19 參考文獻.26 河北經貿大學畢業論文 1 簡易超聲波測距儀的設計 1 緒論 1.1 超聲波測距儀的設計思路 超聲波傳感器及其測距原理 超聲波是指頻率高于 20khz 的機械波。為了以超聲波作為檢測手段， 必須產生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器， 習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發送器和接收器， 但一個超聲波傳感器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器 是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候， 將電能轉換，發射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電 信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 tof（time of flight）。 首先測出超聲波從發射到遇到障礙物返回所經歷的時間，再乘以超聲 波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠，因而超 聲波可以用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處 理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。 超聲波發生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是 用機械方式產生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式 超聲波換能器來實現。 1.2 方案一：利用分立模塊的超聲波測距儀 系統包括超聲波測距模組、led 數碼顯示模組、驅動模組、控制模組 及電源五部分。 超聲波測距模塊主要由發射部分和接收部分組成，超聲波的發射受主 控制器控制（如圖 1-1 所示）；超聲波換能器諧振在 40khz 的頻率，模塊 上帶有 40khz 方波產生電路。 河北經貿大學畢業論文 2 顯示模塊是一個 8 位段數碼顯示的 led；測量結果用兩位數字段碼顯 示數據的個數。 電源采用 9v 的 dc 電源輸入，經穩壓管后得出 5v 以及 3.3v 的電源 供系統各部分電路使用。 系統結構 圖 1-1 超聲波測距模塊組硬件框圖 優點：具有歷史數據存儲功能、出錯管理功能。 缺點：能測的最小距離比較長，不能實現雙向測距，電路復雜性能穩 定性不高。 1.3 方案二：基于 at89c51 單片機的超聲波測距儀 超聲波測距儀主要以單片機 at89c51 為核心，其發射器是利用壓電 晶體的諧振帶動周圍空氣振動來工作的。超聲波發射器向某一方向發射超 聲波，在發射的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就 立即返回來，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計時。一般情況下， 超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據計時器記錄的時間 t，就可以 計算出發射點距障礙物的距離 s，即 s=340t/2，這就是常用的時差法測距。 在測距計數電路設計中，采用了相關計數法，其主要原理是：測量時 單片機系統先給發射電路提供脈沖信號，單片機計數器處于等待狀態，不 計數；當信號發射一段時間后，由單片機發出信號使系統關閉發射信號， 計數器開始計數，實現起始時的同步；當接收信號的最后一個脈沖到來后， 超聲波發射調理電路 超聲波回波接收處理電路 超聲波發射頭 超聲波接受頭 模塊接口 河北經貿大學畢業論文 3 計數器停止計數。 雙向超聲波測距儀的系統主要有幾下部分組成（如圖 1-2 所示）： led 顯示模塊，at89c51 芯片，超聲波發射模塊，超聲波接收模塊，電 源模塊等五大模塊組成。 圖 1-2 系統設計總體框圖 優點：雙向測距，精度高，功耗低； 在電路中我們采用 pic 芯片它的優點是：精簡指令使其執行效率大為 提高； 徹底的保密性； 其引腳具有防瞬態能力，通過限流電阻可以接至 220v 交流電源，可 直接與繼電器控制電路相連，無須光電耦合器隔離，給應用帶來極大方便。 基于上述兩種方案的比較，方案一，測量盲區較長，結構復雜且穩定 性不高。方案二，能進行雙向測距，精度高，功耗低，模塊簡單，穩定性 高。所以選用方案二。 555 電路 超聲波 接收模塊 at89c51 顯示模塊 超聲波 發射模塊 電源模塊 河北經貿大學畢業論文 4 2 理論分析與計算 2.1 測量與控制方法 聲波在其傳播介質中被定義為縱波。當聲波受到尺寸大于其波長的目 標物體阻擋時就會發生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質中傳播的 速度是已知的，而且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時間可以測量得 到，從聲波到目標的距離就可以精確地計算出來。這就是本系統的測量原 理。超聲波傳感器的結構如圖 2-1 所示。 圖 2-1 超聲波傳感器結構 由于此超聲波測距儀可以實現雙向測距，所以需進行測距選擇，而這 個測距選擇就以自動選擇功能來實現。 2.2 理論計算 圖 2-2 測距的原理 如圖 2-2 所示為反射時間法，是利用檢測聲波發出到接收到被測物反 射回波的時間來測量距離其原理如圖所示，對于距離較短和要求不高的場 合我們可認為空氣中的聲速為常數，我們通過測量回波時間 t 利用公式 電極 共振板 壓電晶片 河北經貿大學畢業論文 5 s=c*(t/2)其中，s 為被測距離、v 為空氣中聲速、t 為回波時間 （t=t1+t2），可以計算出路程，這種方法不受聲波強度的影響，直接耦 合信號的影響也可以通過設置“時間門”來加以克服。這樣可以求出距離： s=c*(t1+t2)/2 河北經貿大學畢業論文 6 3 系統的硬件結構設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲波發射電路和 超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 at89c51 或其兼容系列。采用 12mhz 高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 p1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40khz 的方波信號，利用外中斷 0 口監 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 2 位共陽 led 數碼管，段碼用 74ls164 驅動。 3.1 51 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 5l 系列單片機中典型芯片(at89c51)采用 40 引腳雙列直插封裝(dip) 形式，內部由 cpu，4kb 的 rom，256 b 的 ram，2 個 16b 的定時計 數器 to 和 t1，4 個 8 b 的 io 端 i：p0，p1，p2，p3，一個全雙工串行 通信口等組成。特別是該系列單片機片內的 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中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖 3-1 所示。 圖 3-1 51 系列單片機封裝圖 河北經貿大學畢業論文 7 5l 系列單片機提供以下功能：4 kb 存儲器；256b ram；32 條 i/o 線；2 個 16bite 定時/計數器；5 個 2 級中斷源；1 個全雙向的串行口以及時鐘電 路。 空閑方式：cpu 停止工作，而讓 ram、定時/計數器、串行口和中斷系統 繼續工作。 掉電方式：保存 ram 的內容，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 他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距 系統。 3.1.2 單片機實現測距原理 單片機發出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反 射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差 tr，然后求出距離 sct/2， 式中的 c 為超聲波波速。 限制該系統的最大可測距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質 地、反射和入射聲波之間的夾角以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。為了增加所測量的覆蓋 范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發射/ 接收的設計方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 c 與溫度有關。 3.2 超聲波發射電路 超聲波發射電路原理圖如圖 3-2 所示。發射電路主要由反相器 74ls04 和超聲波發射換能器 t 構成，單片機 p1.0 端口輸出的 40khz 的方波信號 一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器 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射強度。輸出端采兩個反向器并聯， 用以提高驅動能力。上位電阻 r10、r11 一方面可以提高反向器 74ls04 輸出高電平的驅動能力，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 河北經貿大學畢業論文 8 內部有兩個壓電晶片和一個換能板。當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，壓電晶片會發生共振，并帶動共振板振動 產生超聲波，這時它就是一個超聲波發生器；反之，如果兩電極問未外加 電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換 為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發射換能器與接收換 能器在結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。 圖 3-2 超聲波發射電路原理圖 3.3 超聲波檢測接收電路 圖3-3 超聲波檢測接收電路 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 河北經貿大學畢業論文 9 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(如圖3-3)。 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。 3.4 超聲波測距系統的硬件電路設計 本系統的特點是利用單片機控制超聲波的發射和對超聲波自發射至接 收往返時間的計時，單片機選用 at89c51，經濟易用，且片內有 4k 的 rom，便于編程。電路原理圖如圖 3-4 所示。 超聲波測距儀硬件電路的設計主要包括單片機系統及顯示電路、超聲 波發射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 at89c51 或其兼 容系列。采用 12mhz 高精度的晶振，以獲得較穩定時鐘頻率，減小測量 誤差。單片機用 p1.0 端口輸出超聲波換能器所需的 40khz 的方波信號， 利用外中斷 0 口監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 2 位共陽 led 數碼管，段碼用 74ls164 驅動。 河北經貿大學畢業論文 10 圖 3-4 超聲波測距電路原理圖 1 2 5 3 8 7 6 4 * lm358 2 7 6 8 5 4 3 1 * lm567 4 3 2 1 5 6 7 8 * 24c02 * 10k 10k10k xtal1 19 p3.o 10 p3.1 11 p3.4 14 p3.5 15 p2.0 21 vcc 40 p2.3 24 p3.2 12 xtal2 18 gnd 20 p2.2 23 at89c51 1k r? res2 220k 22k 2.2k 10k 2.2k 30pf 30pf 104104 104 2.2uf 152 1uf 1uf 3 4 5 6 10 11 12 13 14 9 7 1 2 8 * 74ls164 4.7k 1k100 1 2 4 5 6 7 9 10 3 8 * 2七led七七七七七 vcc vcc vcc 20k * 七七七七七七七七 * 七七七七七七七七 河北經貿大學畢業論文 11 4 系統軟件的設計 超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、超聲波發生子程序、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較復雜 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 引腳出現低電平） ，立即進入中斷程 序。進入中斷后就立即關閉計時器 t0 停止計時，并將測距成功標志字賦 值 1。如果當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 關閉，并將測距成功標志字賦值 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 優先級為先右后左。 4.1 超聲波測距儀的算法設計 超聲波測距的原理為超聲波發生器 t 在某一時刻發出一個超聲波信號， 當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 出超聲波發生器與反射物體的距離。距離的計算公式為： d=s/2=(ct)/2 （1） 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。在啟動發射電路的同時啟動單片機內部的定時器 t0，利用定時器的計數功能記錄超聲波發射的時間和收到反射波的時間。 當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產生一個負跳變，在 int0 或 int1 端產生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執行外部中 斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。其部分源程序如下： 河北經貿大學畢業論文 12 receive0：push psw push acc clr ex0 ；關外部中斷 0 mov r7, th0 ；讀取時間值 mov r6, tl0 clr c mov a, r6 subb a, #0bbh；計算時間差 mov 31h, a ；存儲結果 mov a, r7 subb a, #3ch mov 30h, a setb ex0 ；開外部中斷 0 pop acc pop psw reti 4.2 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務程序，如圖 4-1（a）（b） (c) 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發射和接收順序的控制。 定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發射，外部中斷服務子 程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。 河北經貿大學畢業論文 13 主程序首先是對系統環境初始化，設置定時器 t0 工作模式為 16 位定 時計數器模式。置位總中斷允許位 ea 并給顯示端口 p0 和 p1 清 0。然后 調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖，為了避免超聲波從發射器直 接傳送到接收器引起的直射波觸發，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）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，計數器每計一個數就是 1s， 當主程序檢測到接收成功的標志位后，將計數器 t0 中的數（即超聲波來 回所用的時間）按式（2）計算，即可得被測物體與測距儀之間的距離， 設計時取 20時的聲速為 344 m/s 則有： d=(ct)/2=172t0/10000cm (2) 其中，t0 為計數器 t0 的計算值。 測出距離后結果將以十進制 bcd 碼方式送往 led 顯示約 0.5s，然后 再發超聲波脈沖重復測量過程。為了有利于程序結構化和容易計算出距離， 主程序采用 c 語言編寫。 4.3 超聲波發生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發生子程序的作用是通過 p1.0 端口發送 2 個左右超聲波脈沖信 圖 4-1 超聲波測距系統的軟件設計 河北經貿大學畢業論文 14 號（頻率約 40khz 的方波） ，脈沖寬度為 12s 左右，同時把計數器 t0 打 開進行計時。超聲波發生子程序較簡單，但要求程序運行準確，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 引腳出現低電平） ，立即進入中斷程序。進入中 斷后就立即關閉計時器 t0 停止計時，并將測距成功標志字賦值 1。如果當 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 關閉，并將測距成功標志字賦值 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，中斷優先級為先 右后左。部分源程序如下： receive1：push psw push acc clr ex1 ；關外部中斷 1 jnb p1.1, right ；p1.1 引腳為 0,轉至右測距電路中斷服務程序 jnb p1.2, left ；p1.2 引腳為 0,轉至左測距電路中斷服務程序 return：setb ex1；開外部中斷 1 pop acc pop psw reti right： . ；右測距電路中斷服務程序入口 ajmp return left：. ；左測距電路中斷服務程序入口 ajmp return 4.4 系統的軟硬件的調試 超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，其中超聲波發射和接收采用 15 的超聲波換能器 tct40-10f1（t 發射）和 tct40-10s1（r 接收） ，中 心頻率為 40khz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距 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 河北經貿大學畢業論文 15 高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調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試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運 行。根據實際情況可以修改超聲波發生子程序每次發送的脈沖寬度和兩次 測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和 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 統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統 使其達到實際使用的測量要求。 4.4.1 超聲波測距誤差分析 1、發射接收時間對測量精度的影響分析 采用 tr40 壓電超聲波傳感器，脈沖發射由單片機控制，發射頻率 40khz ，忽略脈沖電路硬件產生的延時，可知由軟件生成的起始時間對 于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質的傳 播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數規律。 設測量設備基準面距被測物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動方 程為： k ht +ktet +kt 2 0 aacosacos 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高， 衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波 信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準確的接受時間， 必須對收到的信號進行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超 聲波測量精度產生影響。 2、當地聲速對測量精度的影響分析 當地聲速對超聲波測距測量精度的影響遠遠要比收發時間的影響嚴重。 超聲波在大氣中傳播的速度受介質氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影 響，即： s rt c m 由上式知，在空氣中，當地聲速只決定于氣體的溫度，因此獲得準確 的當地氣溫可以有效的提高超聲波測距時的測量精度。工程上常用的由氣 河北經貿大學畢業論文 16 溫估算當地聲速的公式如下： 0 cc1 t 273 式中 c0=331.4m/s；t 為絕對溫度，單位 k。 此公式一般能為聲速的換算提供較為準確的結果。實際情況下，溫度 每上升或者下降 1oc，聲速將增加或者減少 0.607m /s，這個影響對于較高 精度的測量是相當嚴重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得 準確的當地聲速。 4.4.2 提高精度的方案及系統設計 （1）溫度校正的方法提高測距精度 由上述的誤差分析知，如果能夠知道當地溫度，則可根據公式求出當 地聲速，從而能夠獲得較高的測量精度。而問題的關鍵在于獲得溫度數據 的方法。采用熱敏電阻、熱電耦、集成溫度傳感器都可以獲得較為準確的 溫度值。 （2）標桿校正的方法提高測距精度 在復雜環境下，如果難于獲得環境溫度，或者不便獲得環境溫度時， 如果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標桿校正的方法實現超聲波 測距精度的校正。標桿校正的示意圖如圖 4-2 所示。 圖 4-2 標桿校正的示意圖 超聲波測距裝置首先測量距離已知為 h 的基平面（標桿）聲波往返所 用的時間，而后由測得的時間和距離 h 求出當地聲速。通過這樣的方法， 我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。 因此，只用為測距設備設定“標定”和“測量”兩種狀態，即能夠實現溫 度校正所能實現的高精度測距功能。 河北經貿大學畢業論文 17 總結 設計的最終結果是使超聲波測距儀能夠產生超聲波，實現超聲波的發 送與接收，從而實現利用超聲波方法測量物體間的距離。以數字的形式顯 示測量距離。 對所設計的電路進行測量、校準發現其測量范圍 15cm300cm 內的平 面物體做了多次測量發現，其最大誤差為 3cm，顯示最小分辨率為 0.01 m，測量盲區小于 0.15 米，且重復性好。 該測距儀具有準雙向測距功能，穩定性比較高、靈敏度比較高，盲區 范圍小，分辨率小于 0.01m，被測目標不需要垂直于超聲波測距儀角度保 持在正負 30 度，被測目標表面不需要平坦；但是在檢測過程中會有一些 不便的地方： 1.測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體，由于發 射功率有限，測距儀無法測量 5m 外的物體。 2.因為實現雙向測距所以電路的電流相對比較大。 3.不能夠實現不同溫度下的測距功能。 4.因為超聲波是將空氣作為媒介所以受電磁干擾比較大。 盡管采取了多種方法以減小測距誤差，但仍存在各種主客觀的偏差： 對 t 的計數誤差；傳感器的反應速度；對回波信號處理需要時間；聲速誤 差,當前條件下的實傳播速度與程序中設置間的差別；數據處理中整數與小 數的相乘等等。經多次測量發現對誤差影響因素最大的是溫度的變化，因 此，該儀器有待進一步改進和升級：如采用溫度傳感器補償聲速等，從而 使測量更精確。 本課題所設計的超聲波測距系統在許多工業現場和自動控制場合，都 有很重要的作用。但由于經驗不足，電路硬件、軟件部分都有不夠完善的 地方，在今后的學習中會進一步改進。 河北經貿大學畢業論文 18 致謝 四年的讀書生活在這個季節即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是 一個逗號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學生涯在師長、親友的 大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千， 心情久久不能平靜。 在本次論文設計過程中，劉力軍老師對該論文從選題，構思到最后定 稿的各個環節給予細心指引與教導,使我得以最終完成畢業論文設計。在 學習中,老師嚴謹的治學態度、豐富淵博的知識、敏銳的學術思維、精益 求精的工作態度以及侮人不倦的師者風范是我終生學習的楷模，導師們的 高深精湛的造詣與嚴謹求實的治學精神，將永遠激勵著我。這四年中還得 到眾多老師的關心支持和幫助。在此，謹向老師們致以衷心的感謝和崇高 的敬意！ 最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議和參與本人論文 答辯的各位老師表示感謝。 河北經貿大學畢業論文 19 附錄 程序清單 #include #define k1 p3_4 #define csbout p3_5 /超聲波發送 #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;/顯示標識 unsigned char convert10=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6 f;/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 void scanled(); /顯示函數 void timetobuffer(); /顯示轉換函數 void keyscan(); /健盤處理函數 void k1cl(); void k2cl(); void k3cl(); void k4cl(); void offmsd(); /延時子程序 void main() /主函數 ea=1; /開中斷 河北經貿大學畢業論文 20 tmod=0x11; /設定時器 0 為計數，設定時器 1 定時 et0=1; /定時器 0 中斷允許 et1=1; /定時器 1 中斷允許 th0=0x00; tl0=0x00; th1=0x9e; /定時器 t1 置為 25ms tl1=0x57; csb ds=0; csb int=1; /p3.2 置位 csb out=1; /p2.7 置位 cl=0; pto=0xff; jpjs=0; sj1=45; sj2=200; sj3=400; k4cl(); tr1=1; while(1) keyscan(); if(jpjssj3) buffer2=0x76; buffer1=0x76; buffer0=0x76; else if(s=1; /循環右移 1 位 void timetobuffer() /轉換段碼功能模塊 xm0=s/100; 河北經貿大學畢業論文 22 xm1=(s-100*xm0)/10; xm2=s-100*xm0-10*xm1; buffer2=convertxm2; buffer1=convertxm1; buffer0=convertxm0; void delay(i) while(-i); void timer1int (void) interrupt 3 using 2 th1=0x9e; tl1=0x57; csbds+; if(csbds=40) csbds=0; cl=1; void csbcj() if(cl=1) tr1=0; th0=0x00; tl0=0x00; i=10; while(i-) csbout=!csbout; 河北經貿大學畢業論文 23 tr0=1; i=mqs; /盲區 while(i-) i=0; while(csbint) i+; if(i=245