超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)摘要：超聲波測(cè)距是一種不同于傳統(tǒng)的測(cè)量方法，它不需要和被測(cè)物體發(fā)生接觸。由于其具有一系列光學(xué)測(cè)距、紅外測(cè)距等非接觸式測(cè)量方式所不具有的優(yōu)勢(shì)，因此研究超聲波測(cè)距儀對(duì)于現(xiàn)代測(cè)量、自動(dòng)控制等領(lǐng)域具有巨大的意義。超聲波測(cè)距技術(shù)在社會(huì)生活中己有廣泛的應(yīng)用，如汽車倒車?yán)走_(dá)，液位計(jì)等，但它們測(cè)距精度一般較低。目前對(duì)超聲波高精度測(cè)距系統(tǒng)的需求越來(lái)越大。本文以設(shè)計(jì)一個(gè)較高精度的超聲波測(cè)距儀為目標(biāo)，采用HC-RS04超聲波測(cè)距模塊為前端收發(fā)探頭。為了提高系統(tǒng)測(cè)量精度，在硬件上增加了溫濕度傳感器，對(duì)不同溫濕度條件下的聲速進(jìn)行修正，從而大大降低了溫度濕度變化對(duì)測(cè)距精度的影響；并且測(cè)距系統(tǒng)在軟件上采取了聲速預(yù)置和溫濕修正相結(jié)合的辦法，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本文還著重討論了系統(tǒng)可能產(chǎn)生的一些誤差及誤差的來(lái)源。關(guān)鍵詞：超聲波，超聲波測(cè)距，HC-RS04測(cè)距模塊，溫濕度校正The Design of Ultrasonic Distance measurementAbstract :Ultrasonic distance measurement is different from the traditional ways of measurement, which need to touch the target. Because of it have some important advantages that the other measurements dont have, so the ultrasonic measurement has great significance to modern measurement, automatic control and so on. Ultrasonic technology has widely been used in social life such as car reverse radar and so on, but t the ranging accuracy is generally low. At present, the need of precise ultrasonic system is fast rising. The purpose of the paper is to design a higher accuracy of ultrasonic rangefinder, with the HC-RS04 ultrasonic ranging module for the front end to send and receive the single. In order to improve the system measuring precision and stability of the system, DHT11 which is a temperature and humidity sensor is added to the system, which will greatly reduce the temperature and humidity effect on the system accuracy. In the software, to improve the stability of the system , the speed of the ultrasonic is write into the program in two ways .one way is fixed and the other is modified by DHT11. To further improve the measurement accuracy, the paper also discussed some of the error and the source of the error.Key words: Ultrasonic,Ultrasonic distance measurement ,HC-RS04 ranging module,Temperature and humidity adjust目錄1 緒論11.1研究背景和意義11.2國(guó)內(nèi)外研究狀況11.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu)22 超聲波測(cè)距技術(shù)32.1超聲波介紹32.1.1超聲波傳播的速度32.1.2超聲波的產(chǎn)生和使用頻率42.1.3超聲波的回波42.2測(cè)距原理52.3超聲波換能器63 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1 總體方案原理框圖93.2 超聲波發(fā)生接收模塊設(shè)計(jì)93.2.1 收發(fā)分立集成超聲波探頭HC-SR04103.2.2 HC-SR04總體性能分析113.2.3 HC-SR04的測(cè)量精度和穩(wěn)定性113.2.4 HC-SR04的測(cè)量距離123.3 以單片機(jī)C8051F330為核心的處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)123.3.1 單片機(jī)C8051F330的性能概述123.3.2 使用C8051F330的優(yōu)勢(shì)133.4 溫度濕度校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì)133.4.1 DHT11產(chǎn)品概述133.4.2傳感器性能說(shuō)明143.5 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)144 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)164.1 總體方案流程圖164.2 超聲波測(cè)距模塊HC-SR04驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)174.3 基于MAX7219的顯示子程序184.4 DHT11的通訊程序設(shè)計(jì)194.5 軟件設(shè)計(jì)小結(jié)255 電路板的設(shè)計(jì)和調(diào)試265.1 繪制電路原理圖265.3 調(diào)試結(jié)果分析266 超聲波測(cè)距系統(tǒng)誤差分析276.1 影響精度因素分析276.2 增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)276.3 改進(jìn)討論287 結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致謝31附錄 A321 緒論利用超聲波測(cè)量己知基準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法，稱為超聲波測(cè)距法。 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽(tīng)到的超聲波(20kHz以上的機(jī)械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。它在很多距離探測(cè)應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測(cè)量、過(guò)程檢測(cè)、機(jī)器人檢測(cè)和定位、以及流體液面高度測(cè)量等。1.1研究背景和意義日常的測(cè)距工具在一些特殊的場(chǎng)合是很不方便的，甚至無(wú)法進(jìn)行距離的測(cè)量，比如液位，井的深度，管道的長(zhǎng)度等等 近年來(lái)，隨著工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)和裝配過(guò)程中自動(dòng)識(shí)別的需要，特別是工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)測(cè)距的需要，出現(xiàn)了多種測(cè)距方法和原理，根據(jù)其信息載體的不同可歸納為光學(xué)方法和超聲波方法，光學(xué)方法在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法在這些方面具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn)：（1） 超聲波的傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，縱向分辨率較高；（2）超聲波對(duì)色彩 光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明半透明及漫反射性差的物體如玻璃拋光體；（3）對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗 有灰塵或煙霧電磁干擾強(qiáng)有毒等惡劣環(huán)境中；（4）超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，費(fèi)用低，信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化和集成化。在某些對(duì)精度要求較低的領(lǐng)域，使用電磁波測(cè)距儀成本較高，并不劃算，特別是在汽車倒車系統(tǒng)中和機(jī)器人導(dǎo)航測(cè)距中要用到多個(gè)測(cè)距模塊，使用激光、微波、紅外等高精度高成本的測(cè)距儀并不現(xiàn)實(shí)，而一些結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉的超聲波測(cè)距儀就相當(dāng)實(shí)用，近十年來(lái),國(guó)外用于工業(yè)自動(dòng)化和機(jī)人的超聲測(cè)距的各種研究開(kāi)展的十分廣泛,是實(shí)現(xiàn)非接觸、智能化測(cè)量的一個(gè)發(fā)展方向。1.2國(guó)內(nèi)外研究狀況 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年EGalton的氣哨實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)Galto。哨在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá)30KHz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。對(duì)超聲波測(cè)距的精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)距精度。目前相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來(lái)的方法是主要的降低探測(cè)傳輸不確定度的方法。廈門大學(xué)的童風(fēng)研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測(cè)距中通過(guò)兩次探測(cè)求取回波包絡(luò)曲線來(lái)得到回波的起點(diǎn)，通過(guò)這樣處理后超聲波的傳輸時(shí)間的精度得到了很大提高。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來(lái)獲得好的回波包絡(luò)，同時(shí)采用對(duì)環(huán)境的噪聲進(jìn)行估測(cè)，設(shè)置一定的回波開(kāi)門電平，且采用自動(dòng)增益的控制放大器，通過(guò)這些措施來(lái)提高超聲波的探測(cè)精度。另外也有大量的文獻(xiàn)研究采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和小波變換理論來(lái)提高傳輸時(shí)間的精度。這些處理方法都取得了較好的結(jié)果。由于超聲波傳播的物理特征，使得超聲波測(cè)距儀探測(cè)距離和精度提升的相對(duì)困難，因此光學(xué)和雷達(dá)波測(cè)距儀比超聲波測(cè)距儀發(fā)展相對(duì)較快。這些年來(lái)，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來(lái)越普及。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國(guó)外已經(jīng)形成產(chǎn)品的超聲測(cè)距傳感器及其系統(tǒng)主要有美國(guó)的PLARID、MASSA,德國(guó)的SIMENS,法國(guó)的ROBOSOFT 等公司。1.3論文內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 本課題以研制較高精度的超聲波測(cè)距儀為目標(biāo)，各章節(jié)內(nèi)容如下所示：第一章以論文的研究背景與現(xiàn)實(shí)意義為核心，介紹了超聲波測(cè)距儀相較于其他測(cè)距儀的優(yōu)勢(shì)，以及其發(fā)展的現(xiàn)狀和方向。第二章對(duì)超聲的聲學(xué)理論以及超聲波換能器及超聲波測(cè)距的原理進(jìn)行了分析。第三章根據(jù)本次設(shè)計(jì)的最終目的，首先進(jìn)行整體方案的設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并選用合適的器件來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊。第四章進(jìn)行了系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，編寫(xiě)了測(cè)量控制程序、數(shù)據(jù)處理程序、顯示子程序，以及相關(guān)器件的通訊接口程序。第五章繪制原理圖、焊制實(shí)驗(yàn)板、片上調(diào)試總程序。 第六章對(duì)調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題進(jìn)行分析，對(duì)如何進(jìn)一步提高測(cè)距儀的實(shí)用性進(jìn)行討論。 2 超聲波測(cè)距技術(shù)這一章主要是介紹超聲波的一些特性，以及在利用超聲波進(jìn)行測(cè)距的工作原理，為本論文后面章節(jié)的硬件設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。2.1超聲波介紹 超聲波簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是音頻超過(guò)了人類耳朵所能夠聽(tīng)到的范圍。一般而言是指聲音頻率超過(guò)了20KHz時(shí)稱之為超聲波。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。我們知道，電磁波的傳播速度為而超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里(如大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的 A=A(x)cos(wt+kx) （2-1）式(2-1)中，A(x)為振幅，A0為常數(shù)，w為圓頻率，t為時(shí)間，X為傳播距離，k=2/為波數(shù)，A為波長(zhǎng)，a為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為: =af (2-2) 式(2-2)中，為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻率。在空氣里，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40kHz(超聲波)代入式(1-2)，可得，即=31m:若f=30kHz，則=56m。它的物理意義是:在()長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)的e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗?？紤]實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率f=40kHz的超聲波。2.1.1超聲波傳播的速度 由于超聲波也是一種聲波，超聲波在媒質(zhì)中傳播的速度和媒質(zhì)的特性有關(guān)。理論上，在13的海水里聲音的傳播速度為1500m/s。在鹽度水平為35，深度為0m，溫度為0的環(huán)境下，聲波的速度為1449.3m/s。聲音在25空氣 中傳播速度的理論值為344m/s，這個(gè)速度在0時(shí)降為334m/s。聲波傳輸距離首先和大氣的吸收性有關(guān)，其次溫度、濕度、大氣壓也是其中的因素，這些因素對(duì)大氣中聲波衰減的效果比較明顯。溫度是決定空氣中聲音速度的第二因素?？諝庵械穆曀俸蜏囟鹊年P(guān)系可以用以下公式來(lái)表示:C=331.45+0.61T （2-3）式（2-3）中的C是聲音在空氣中傳播的速度，單位為（m/s），T為攝氏溫度，單位為。其次聲速還受空氣中濕度變化的影響, 水蒸汽分壓每上升133.322Pa, 聲速將提高0.0021m/ s。下表反映了溫度和水飽和蒸汽壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。表2-1 溫度與水飽和蒸汽壓對(duì)應(yīng)關(guān)系表溫度水飽和蒸汽壓(pa)-20103-1025606111012272023383042454073816019934100101325如表2-1所示，在溫度較低的情況下，空氣中的水飽和蒸汽壓是較低的，這時(shí)通過(guò)濕度對(duì)聲速進(jìn)行校準(zhǔn)是不具有現(xiàn)實(shí)意義的。但在溫度較高時(shí)，空氣中的水飽和蒸汽壓隨溫度的上升將發(fā)生較大的增幅，并且其絕對(duì)值也將變得較大，此時(shí)空氣中的濕度對(duì)聲速將有較大的影響，如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)濕度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?.1.2超聲波的產(chǎn)生和使用頻率要利用和研究超聲波，首先要設(shè)計(jì)和制作超聲波發(fā)生器2和檢測(cè)超聲波的探頭。總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類:一類使用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動(dòng)型等;機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波必須要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波功率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40KHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。2.1.3超聲波的回波 假設(shè)超聲波通過(guò)的媒質(zhì)是空氣，任何物體都能反射、吸收、折射一部分通過(guò)它自身的聲波，其比例依賴于物體自身的均衡度。反射波的振幅與目標(biāo)物體上能產(chǎn)生反射的表面成比例。表面尺寸、形狀、方位是影響反射波強(qiáng)度的主要因素。目標(biāo)物體的組成成份也是一個(gè)因素。一部分聲波發(fā)射到達(dá)物體表面后被反射，一部分則進(jìn)入物體，在物質(zhì)中傳輸，最終被遇到的物體界面反射。因此同樣可以接收到來(lái)自物體內(nèi)部的信號(hào)，不過(guò)它是很細(xì)微的，如圖2-1所示。圖2-1 超聲波發(fā)射、反射、接收?qǐng)D2.2測(cè)距原理超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限;聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響；對(duì)硬件的要求很高，不易實(shí)現(xiàn)。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為:檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波(假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體)，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測(cè)距離是聲波傳輸距離的一半，即：d=1/2vt在上式中，d為待測(cè)距離，v為超聲波的聲速，t為往返時(shí)間。超聲波測(cè)距原理圖如圖2-2所示。圖2-2 超聲波測(cè)距原理圖對(duì)于收發(fā)分立式測(cè)距儀器，當(dāng)dh時(shí)，sd。這就決定了收發(fā)分立超聲波測(cè)距儀并不適合近距離的測(cè)距，這時(shí)相對(duì)誤差極大。理論上可進(jìn)行的近距離計(jì)算校正，在權(quán)衡單片機(jī)的運(yùn)算能力相對(duì)不足和實(shí)際效果后并不宜進(jìn)行。2.3超聲波換能器超聲的發(fā)射和接收，需要一種電一聲之間的能量轉(zhuǎn)換裝置，這就是換能器。超聲傳感器，也即超聲換能器，是超聲波測(cè)距系統(tǒng)中的重要組成部分。通常所說(shuō)的超聲換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為聲能、又可以把聲能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為聲能:反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換為電能。超聲換能器通常都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。人們?yōu)檠芯亢蛻?yīng)用超聲波，己發(fā)明設(shè)計(jì)并制作了許多類型的換能器。最早的超聲換能器是1917年法國(guó)物理學(xué)家郎之萬(wàn)為水下探測(cè)設(shè)計(jì)的夾心式換能器。這個(gè)換能器是以X向切割的石英晶體為壓電激活材料，用兩塊鋼板在兩側(cè)加緊而制成的，其諧振頻率為17千赫和45千赫。1933年以后出現(xiàn)的疊片型磁致伸縮換能器，以沖孔鎳片為材料，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，功率容量大，這些優(yōu)點(diǎn)促使它迅速取代了當(dāng)時(shí)的郎之萬(wàn)換能器。1942年出現(xiàn)了鋁-鐵合金，降低了生產(chǎn)成本，因此被廣泛采用。到了上世紀(jì)50年代初，電致伸縮材料、欽酸鋇陶瓷材料的研究成功，它以介電損耗小、機(jī)電藕合系數(shù)比較大和足夠高的機(jī)械強(qiáng)度優(yōu)于石英晶體及其他合金材料，于是郎之萬(wàn)型超聲換能器再度被運(yùn)用，并成為當(dāng)時(shí)疊片型磁致伸縮換能器的有力競(jìng)爭(zhēng)者。五十年代中期又發(fā)明了鐵氧體磁致伸縮材料，它的特點(diǎn)是渦流損耗小，電聲效率達(dá)到百分之八十以上，并且具有鎳和其他合金材料做成的磁致伸縮換能器的一些特有的優(yōu)點(diǎn)，例如強(qiáng)度比較高等。所以直到現(xiàn)在，鐵氧體換能器仍為廣大設(shè)計(jì)者所歡迎，并廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。從六十年代，新型的錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷的應(yīng)用在壓電材料史上揭開(kāi)了新的一頁(yè)。錯(cuò)欽酸鉛與欽酸鋇相比，具有機(jī)電禍合系數(shù)大，居里點(diǎn)高，以及通過(guò)各種成分的變更在很大范圍內(nèi)調(diào)整性能，以滿足多種不同需要等優(yōu)點(diǎn)，因此錯(cuò)欽酸鉛系陶瓷得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。具有顯著電致伸縮效應(yīng)的電介質(zhì)材料，例:欽酸鋇、錯(cuò)欽酸鉛、妮酸銼等，為了使獲得的形變與電場(chǎng)的大小成線性關(guān)系，必須把這些材料在強(qiáng)直流電場(chǎng)下進(jìn)行極化，經(jīng)極化處理以后，介電材料便具有和壓電晶體一樣的壓電效應(yīng)，因此就叫做壓電陶瓷。目前使用較多的是電氣類中的壓電型超聲波發(fā)生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復(fù)合的，如石英單晶體，欽酸鋇壓電陶瓷、錯(cuò)欽酸鉛壓電陶瓷復(fù)合晶體(PZT)、PVDF等。近年來(lái)，新型的PVDF壓電薄膜材料得到了發(fā)展和應(yīng)用，它除有良好的物理性能外，在厚度、面積上有很大的選擇余地，而且有易于加工和頻率范圍寬的特點(diǎn)，常用來(lái)制成40KI通Z-300KHz的超聲換能器，如德國(guó)Flowline公司LU30系列產(chǎn)品。因此，目前壓電材料呈現(xiàn)石英晶體、壓電陶瓷多晶體及新型壓電材料三方鼎立的局面。壓電型超聲換能器是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即晶體的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。其結(jié)構(gòu)原理如圖2-3所示:圖2-3 壓電型超聲換能器結(jié)構(gòu)原理圖超聲波發(fā)生器是一個(gè)超聲頻電子振蕩器，當(dāng)把振蕩器產(chǎn)生的超聲頻電壓加到超聲換能器的壓電晶體上時(shí)，壓電晶體組件就在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生縱運(yùn)動(dòng)。壓電組件振蕩時(shí)，仿佛是一個(gè)小活塞，其振幅很小，約為(l10)um，但這種振動(dòng)的加速度很大，約g，這樣就可以把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)能量，若這種能量沿一定方向傳播出去，就形成超聲波。在圖2-3中，相鄰兩片的壓電晶體的極化方向相反，兩晶片之間、晶片與金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片(厚度小于0.lmm)，作為焊接電極引線用;晶片，電極銅片用強(qiáng)力膠(例如環(huán)氧樹(shù)脂)膠合。在壓電組件的中央部分與錐狀諧振子連成一體，錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減震器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。在電一聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對(duì)應(yīng)與圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開(kāi)口，使超聲波波束指向尖銳。吸聲片吸收多余的反射聲波。當(dāng)在超聲換能器的兩電極施加脈沖信號(hào)時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)諧振子振動(dòng)，并推動(dòng)周圍介質(zhì)振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，由逆壓電效應(yīng)，將壓迫兩壓電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。在一般工業(yè)領(lǐng)域，超聲波的發(fā)送和接收在同一個(gè)傳感器中完成，這樣不僅可以降低成本，而且在一定程度上減小了測(cè)量誤差。壓電換能器中除壓電組件用壓電材料以外，吸聲片一般選用性能較好的吸聲材料，如一丁基橡膠復(fù)合材料;包覆層一般選用透聲效果好的材料，如RTV硅橡膠;換能器的外殼一般采用PVC、PVCtenon或noryl加以封裝，使其具有良好的密封性和耐腐蝕性。市售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波。兼用型就是接收一體，只一個(gè)傳感器頭，具有發(fā)送和接收超聲波的雙重作用。市售超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等幾種。諧振頻率越高，距離分辨率也越高，但由于聲衰減，測(cè)距范圍將降低。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 總體方案原理框圖根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，進(jìn)行總體方案的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示：超聲波發(fā)射接收模塊顯示模塊單片機(jī)溫度、濕度測(cè)量模塊圖3-1 總體方案設(shè)計(jì)框圖如圖3-1所示，整個(gè)超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)被分為四個(gè)模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，超聲波發(fā)射接收模塊將通過(guò)發(fā)射和接收由被測(cè)物反射回來(lái)的超聲波確定超聲波的往返時(shí)間。溫濕度測(cè)量模塊將通過(guò)測(cè)量所在環(huán)境中的溫度和濕度來(lái)對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校準(zhǔn)。單片機(jī)系統(tǒng)模塊是系統(tǒng)的核心，其將控制單片機(jī)系統(tǒng)的正常工作，并實(shí)現(xiàn)預(yù)定的一系列控制、計(jì)時(shí)、運(yùn)算等功能。顯示模塊將顯示測(cè)量到的溫度和濕度以及測(cè)量的距離。3.2 超聲波發(fā)生接收模塊設(shè)計(jì)根據(jù)超聲波測(cè)距原理，超聲波收發(fā)設(shè)備應(yīng)該完成超聲波脈沖的發(fā)射以及回波首波的精確檢測(cè)。從結(jié)構(gòu)上可以將收發(fā)設(shè)備分為收發(fā)一體換能器和收發(fā)分立換能器，這兩種形式各自有優(yōu)缺點(diǎn)。收發(fā)一體超聲波換能器由于超聲波發(fā)射和接收在一個(gè)口，因此其不存在近距離形成所謂的三角關(guān)系，因此其近距離的測(cè)量精度高。但是也由于收發(fā)共用端口的原因，導(dǎo)致了在發(fā)射完成脈沖序列之前不能夠開(kāi)始接收，這就導(dǎo)致了盲區(qū)的存在，這在原理是是不能消除的。收發(fā)分立超聲波換能器雖然在近距離上可以進(jìn)行測(cè)量，近乎沒(méi)有盲區(qū)的存在，但是在近距離上一定會(huì)形成一個(gè)三角關(guān)系，從而導(dǎo)致其近距離上的測(cè)量相對(duì)誤差極大。而在電路上，由于收發(fā)一體的超聲波換能器的發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路和接收極的接收檢測(cè)電路彼此相連，導(dǎo)致了電路的相互干擾，增加了抗干擾設(shè)計(jì)工作。雖然收發(fā)分立形式也存在串?dāng)_的缺點(diǎn)，但其是可以通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)消除的。從總體上來(lái)說(shuō)，收發(fā)分立在應(yīng)用上更加簡(jiǎn)單、可靠，本次設(shè)計(jì)采用收發(fā)分立形式換能器。3.2.1 收發(fā)分立集成超聲波探頭HC-SR04 產(chǎn)品特點(diǎn)：HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。HC-SR04實(shí)物圖和總體參數(shù)分別如圖3-2和表3-1所示。HC-SR04電路原理圖如圖3-3所示。圖3-2 HC-SR04實(shí)物圖如圖表3-1 HC-SR04總體參數(shù)圖3-3 HC-SR04電路原理圖HC-SR04基本工作原理：(1) 采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給最少10us的高電平信號(hào)。(2) 模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3) 有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2;3.2.2 HC-SR04總體性能分析根據(jù)HC-SR04的原理圖，HC-SR04測(cè)距模塊時(shí)一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的系統(tǒng)。采用的電源芯片MAX232為超聲波換能器提供了合適的電壓，驅(qū)動(dòng)換能器正常工作。它采用了單片機(jī)EM78P135作為控制器，完成了對(duì)外部觸發(fā)信號(hào)的檢測(cè)、產(chǎn)生脈沖信號(hào)、檢測(cè)回波首波信號(hào)等工作。與此同時(shí)其還肩負(fù)著控制電路的開(kāi)啟，處理超聲波換能器的橫向干擾，并且消除電路固定延時(shí)影響等工作。對(duì)于本次設(shè)計(jì)，選用這種測(cè)距模塊將極大減少設(shè)計(jì)的工作，降低設(shè)計(jì)的成本。3.2.3 HC-SR04的測(cè)量精度和穩(wěn)定性由于HC-SRO4在設(shè)計(jì)上的較為周全的考慮，使得其的精度較高。但是由于其基于性價(jià)比優(yōu)先的設(shè)計(jì)思路，其采用了應(yīng)用廣泛、性價(jià)比較高的經(jīng)典設(shè)計(jì)，即在回波接收處理電路中采用了放大、濾波、放大、過(guò)零檢測(cè)的方法。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于集成化、小型化，但是由于回波信號(hào)隨著測(cè)量距離的變化將發(fā)生劇烈變化，這將極大增加系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，過(guò)零檢測(cè)電路的參考電壓的設(shè)置將極為困難。(l) 由于空氣氣流的起伏、目標(biāo)的形狀和粗糙度不同、傳感器的響應(yīng)特性較差等原因，使得傳感器的回波信號(hào)不是一個(gè)規(guī)則信號(hào)，有較大的不確定性，給觸發(fā)閥值的設(shè)置帶來(lái)難度，從而使首波的檢測(cè)發(fā)生錯(cuò)誤。從而帶來(lái)了測(cè)距的不確定性。(2) 由于測(cè)量距離、超聲的入射角度、反射介質(zhì)等方面的不同，使得接收換能器所獲得的回波幅度相差很大。使用單一電平閾值時(shí)，若設(shè)置的閉值過(guò)高，則可能使較微弱回波漏觸發(fā)，出現(xiàn)測(cè)量錯(cuò)誤;若閾值過(guò)低，則可能出現(xiàn)的測(cè)量相位誤差如圖3-4所示：圖3-4 閾值過(guò)低時(shí)可能出現(xiàn)的測(cè)量相位誤差3.2.4 HC-SR04的測(cè)量距離由于測(cè)距模塊的集成化、小型化的設(shè)計(jì)需求，所以選用的是低壓、小型換能器，其發(fā)射功率較小，這就直接決定了它的測(cè)量距離的不足。再加上換能器的發(fā)射角較大，能量不夠集中，這更是減小了其探測(cè)范圍。測(cè)距能力的不足，一定程度上意味著對(duì)較近距離的小體積物體探測(cè)能力的不足。3.3 以單片機(jī)C8051F330為核心的處理控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)中單片機(jī)處于核心地位，其肩負(fù)著對(duì)測(cè)量的控制，對(duì)時(shí)間的測(cè)量，對(duì)數(shù)據(jù)的處理等重大任務(wù)，為了增加系統(tǒng)測(cè)量的精確性，應(yīng)該選用處理速度較高的單片機(jī)。本次設(shè)計(jì)采用的是高性能的C8051F系列單片機(jī)。單片機(jī)的功能框圖如圖3-5所示圖3-5 單片機(jī)功能框圖3.3.1 單片機(jī)C8051F330的性能概述（1） 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51 內(nèi)核（可達(dá)25MIPS） （2） 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） （3） 真正10位200 ksps 的16通道單端/ 差分ADC，帶模擬多路器 （4） 10位電流輸出DAC （5） 高精度可編程的25MH z 內(nèi)部振蕩器 （6） 8KB 可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器 （7） 768 字節(jié)片內(nèi)RAM （8） 硬件實(shí)現(xiàn)的SMBus/ I2C 、增強(qiáng)型UART 和增強(qiáng)型SPI串行接口 （9） 4個(gè)通用的16位定時(shí)器 （10） 具有3個(gè)捕捉/ 比較模塊和看門狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器/ 定時(shí)器陣列（PCA ） （11） 片內(nèi)上電復(fù)位、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器 （12） 片內(nèi)電壓比較器 （13） 17個(gè)端口I/O（容許5V輸入）3.3.2 使用C8051F330的優(yōu)勢(shì)由于C8051F330采用了高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核（可達(dá)25MIPS），使得其執(zhí)行指令的速度較傳統(tǒng)的51單片機(jī)大大提高，這就減少了系統(tǒng)中由于單片機(jī)執(zhí)行指令而產(chǎn)生的誤差。特別是對(duì)中斷的快速響應(yīng)將極大提高時(shí)間上的測(cè)量精度。而單片機(jī)集成的豐富功將大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并且為系統(tǒng)的改進(jìn)升級(jí)預(yù)留下空間。本測(cè)距系統(tǒng)要進(jìn)行計(jì)時(shí)，但由于單片機(jī)內(nèi)部集成的RC時(shí)鐘對(duì)溫度比較敏感且其精度不是很高，為了增加系統(tǒng)的定時(shí)器準(zhǔn)確度，本系統(tǒng)添加了外部晶振。外部晶振還將為系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)提供硬件準(zhǔn)備。3.4 溫度濕度校準(zhǔn)模塊設(shè)計(jì) 溫濕度校準(zhǔn)將提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確性，將不會(huì)因?yàn)闇囟燃皾穸鹊妮^大變化而產(chǎn)生測(cè)量不準(zhǔn)確的現(xiàn)象。由于本系統(tǒng)的溫濕度測(cè)量只是用于對(duì)聲速進(jìn)行校準(zhǔn)，且對(duì)溫度的精確度不是特別高，而通常情況下空氣中的溫度和濕度短時(shí)間內(nèi)是不會(huì)發(fā)生很大變化的，因此對(duì)溫濕傳感器的精度和靈敏度要求較低，本系統(tǒng)選用了DHT11。3.4.1 DHT11產(chǎn)品概述DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20米以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選則。3.4.2傳感器性能說(shuō)明DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的主要性能指標(biāo)如表3-5所示：表3-2 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器的主要性能指標(biāo)通過(guò)對(duì)DHT11參數(shù)的分析，其溫度和濕度的測(cè)量精度其是能夠滿足系統(tǒng)的需要的。3.5 顯示模塊硬件設(shè)計(jì)顯示模塊本次設(shè)計(jì)采用4位的七段數(shù)碼管，由于本次設(shè)計(jì)的精度是厘米級(jí)，四位已經(jīng)擁有足夠的顯示寬度。對(duì)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)可以通過(guò)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)和專用芯片驅(qū)動(dòng)兩種方法，但考慮到C8051F330的管腳較少，如果對(duì)其進(jìn)行擴(kuò)展也相對(duì)麻煩，這里直接采用MAX7219對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而完成系統(tǒng)的顯示功能。顯示模塊如圖3-5所示MAX7219/MAX7221是一種集成化的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器,它連接微處理器與8位數(shù)字的7段數(shù)字LED顯示，也可以連接條線圖顯示器或者64個(gè)獨(dú)立的LED。其上包括一個(gè)片上的B型BCD編碼器、多路掃描回路，段字驅(qū)動(dòng)器，而且還有一個(gè)8*8的靜態(tài)RAM用來(lái)存儲(chǔ)每一個(gè)數(shù)據(jù)。只有一個(gè)外部寄存器用來(lái)設(shè)置各個(gè)LED的段電流。MAX7221與SPI、QSPI以及 MICROWIRE相兼容，同時(shí)它限制回轉(zhuǎn)電流的段驅(qū)動(dòng)來(lái)減少EMI（電磁干擾）。一個(gè)方便的四線串行接口可以聯(lián)接所有通用的微處理器。每個(gè)數(shù)據(jù)可以尋址在更新時(shí)不需要改寫(xiě)所有的顯示。MAX7219/MAX7221同樣允許用戶對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)選擇編碼或者不編碼。整個(gè)設(shè)備包含一個(gè)150A的低功耗關(guān)閉模式，模擬和數(shù)字亮度控制，一個(gè)掃描限制寄存器允許用戶顯示1-8位數(shù)據(jù)，還有一個(gè)讓所有LED發(fā)光的檢測(cè)模式。圖3-5 以MAX7219為核心的顯示系4 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)根據(jù)超聲波測(cè)距的原理，結(jié)合各模塊的功能進(jìn)行測(cè)距方案的設(shè)計(jì)。4.1 總體方案流程圖調(diào)用單片機(jī)配置文件，對(duì)單片機(jī)初始化開(kāi)始對(duì)MAX7219初始化S2是否按下?發(fā)射模塊結(jié)束NY將數(shù)據(jù)送入顯示模塊調(diào)用適應(yīng)顯示調(diào)整子程序調(diào)用讀取溫度濕度數(shù)據(jù)調(diào)用中斷子程序，完成計(jì)時(shí)、運(yùn)算、十進(jìn)制轉(zhuǎn)換和適應(yīng)顯示調(diào)整等操作外部中斷將數(shù)據(jù)送入顯示模塊返回S1是否按下?S3是否按下?YNN輸入室溫下固定的聲速值Y用溫濕度對(duì)速度校正圖4-1 總體方案流程圖在主程序的設(shè)計(jì)中，采用了預(yù)置聲速和溫濕度傳感器修正聲速兩種獨(dú)立的方法，即使溫濕傳感器出現(xiàn)故障也可保證系統(tǒng)的較低精度測(cè)量。4.2 超聲波測(cè)距模塊HC-SR04驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)要編寫(xiě)超聲波測(cè)距模塊的驅(qū)動(dòng)程序，首先要了解其工作時(shí)序，其時(shí)序圖如圖4-2所示。圖4-2 工作時(shí)序根據(jù)測(cè)距模塊HC-SR04的時(shí)序圖，編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序流程：將觸發(fā)輸入信號(hào)端Trig拉高延時(shí)20us等待回響信號(hào)端Echo端高電平，對(duì)高電平計(jì)時(shí)將觸發(fā)輸入信號(hào)端Trig拉低圖4-3 測(cè)距模塊工作流程圖P1.3與HC-SR04的觸發(fā)端Trig相連,根據(jù)模塊的測(cè)距范圍，這里設(shè)計(jì)超聲波脈沖60ms發(fā)送一次，防止連續(xù)測(cè)量時(shí)前后信號(hào)的相互干擾。SETB P1.3 LCALL Delay_10us LCALL Delay_10us CLR P1.3LCALL DLAY_60ms4.3 基于MAX7219的顯示子程序MAX7219時(shí)序圖如圖4-2所示。圖4-4 MAX7219時(shí)序圖根據(jù)MAX7219時(shí)序圖，編寫(xiě)其操作子程序。操作子程序程序框圖如圖4-3所示：置寫(xiě)入狀態(tài)開(kāi)始數(shù)據(jù)位數(shù)為八寫(xiě)一位數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)是否寫(xiě)完？清寫(xiě)入狀態(tài)結(jié)束YN圖4-5 操作子程序程序框圖操作子程序如下所示：tran: mov r2,#08h loop11: rlc a mov din,C clr clk setb clk djnz r2,loop11 mov a,r4 mov r2,#08h loop22: rlc a mov din,c clr clk setb clk djnz r2,loop22 clr load setb load ret4.4 DHT11的通訊程序設(shè)計(jì)DHT11的程序需根據(jù)時(shí)序圖設(shè)計(jì)編寫(xiě)，DHT11時(shí)序圖如圖4-6所示：（a） 時(shí)序圖1（b） 時(shí)序圖2（c） 時(shí)序圖中數(shù)字0信號(hào)表示方法（d） 時(shí)序圖中數(shù)字1信號(hào)表示方法圖4-6 DHT11時(shí)序圖根據(jù)DHT11的時(shí)序圖和其各信號(hào)的表示方式編寫(xiě)通訊子程序，通訊子程序程序框圖如圖4-7所示：拉低總線，再拉高總線延時(shí)等待40us接受數(shù)據(jù)開(kāi)始返回是否為低電平？接收是否完成200us內(nèi)是否有低電平產(chǎn)生？200us內(nèi)是否有高電平產(chǎn)生？YNYNYNN圖4-7 通訊子程序程序框圖根據(jù)通訊子程序程序框圖編寫(xiě)子程序如下：;-濕度讀取子程序 -;-;-以下變量均為全局變量-;-溫度高8位= U8T_data_H-;-溫度低8位= U8T_data_L-;-濕度高8位= U8RH_data_H-;-濕度低8位= U8RH_data_L-;-校驗(yàn) 8位 = U8checkdata-;-調(diào)用相關(guān)子程序如下-;- Read,Delay_10us , Delay ;-RH: /主機(jī)拉低總線,延時(shí)約200ms CLR P1.6 MOV A, #36H LCALL Delay SETB P1.6 /延時(shí)40us LCALL Delay_10us LCALL Delay_10us LCALL Delay_10us LCALL Delay_10us /檢測(cè)從機(jī)是否響應(yīng)，無(wú)響應(yīng)則跳出 JB P1.6, RH_END MOV FLAG, #0LOOP1: INC FLAG MOV A, FLAG JB P1.6,LOOP1_END /為高電平則跳出 NOP NOP NOP CJNE A, #0,LOOP1 LJMP RH_ENDLOOP1_END: MOV FLAG, #0LOOP2: INC FLAG MOV A, FLAG NOP NOP NOP JNB P1.6,LOOP2_END /為低電平則跳出 CJNE A, #0, LOOP2 LJMP RH_ENDLOOP2_END: /進(jìn)入數(shù)據(jù)接收階段 LCALL Read MOV U8RH_data_H, U8comdata; LCALL Read MOV U8RH_data_L, U8comdata; LCALL Read MOV U8T_data_H,U8comdata; LCALL Read MOV U8T_data_L, U8comdata; LCALL Read MOV U8checkdata, U8comdata; SETB P1.6 ;- ;-注意：本程序沒(méi)有加校驗(yàn)程序 如果用戶需要校驗(yàn)請(qǐng)安以下說(shuō)明編寫(xiě)校驗(yàn)程序- ;-RH_END: RET;-;-讀數(shù)子程序-;-Read: MOV temp, #8 MOV U8comdata, #0LOOP_COM: /判斷低電平是否結(jié)束 MOV FLAG, #0LOOP3: INC FLAG MOV A, FLAG JB P1.6,LOOP3_END /為高電平則跳出 NOP NOP NOP CJNE A, #0, LOOP3 LJMP COM_ENDLOOP3_END: ;- ;CLR P2.1;SETB P2.1 ;- LCALL Delay_10us LCALL Delay_10us LCALL Delay_10us ;- MOV U8temp, #0 JNB P1.6, HIGH_END MOV U8temp, #1HIGH_END: MOV FLAG, #0LOOP4: INC FLAG MOV A, FLAG JNB P1.6,LOOP4_END /為低電平則跳出 NOP NOP NOPCJNE A, #0, LOOP4 LJMP COM_ENDLOOP4_END: MOV A, FLAG CJNE A, #0,NO_FLAG LJMP COM_ENDNO_FLAG: MOV A, U8comdata RL A ORL A, U8temp MOV U8comdata, A /判斷高電平是否結(jié)束 DJNZ temp, LOOP_COMCOM_END: RET4.5 軟件設(shè)計(jì)小結(jié)本章通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊的編程操作，并將各個(gè)模塊通過(guò)調(diào)用等方式組合到一起，逐漸構(gòu)建了完整的程序。這里就不詳細(xì)敘述處理程序的編輯過(guò)程。完整的程序見(jiàn)附錄A。5 電路板的設(shè)計(jì)和調(diào)試完成了設(shè)計(jì)工作后，用實(shí)物實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，并通過(guò)調(diào)試從實(shí)踐中驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性和正確性。5.1 繪制電路原理圖總體方案確定后，選用合適的元器件繪制系統(tǒng)原理圖如圖6-3所示圖5-1 系統(tǒng)原理圖5.3 調(diào)試結(jié)果分析 經(jīng)過(guò)一系列的軟硬件調(diào)試，基本實(shí)現(xiàn)了測(cè)距的功能，但在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)手持測(cè)距時(shí)測(cè)量的結(jié)果不穩(wěn)定。經(jīng)分析，這是由于測(cè)距儀測(cè)量的精度較高，手持測(cè)量時(shí)，由于手的抖動(dòng)導(dǎo)致了測(cè)量距離的變化。還有一個(gè)現(xiàn)象是，當(dāng)目標(biāo)較為復(fù)雜時(shí)，測(cè)距容易產(chǎn)生很大的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)分析，可能是由于超聲波換能器的發(fā)射探頭的發(fā)射角較大，從而使測(cè)得的目標(biāo)較難識(shí)別，無(wú)法確定是哪個(gè)目標(biāo)。也有可能是由于測(cè)距模塊由于各種擾動(dòng)，沒(méi)能有效識(shí)別首波，產(chǎn)生了較大的誤差。6 超聲波測(cè)距系統(tǒng)誤差分析6.1 影響精度因素分析本文所討論的超聲波測(cè)距方法是所謂的時(shí)間差法，根據(jù)其測(cè)量原理：產(chǎn)生誤差有兩方面的因素，一個(gè)是聲速的不準(zhǔn)確，一個(gè)是記錄時(shí)間的不準(zhǔn)確。對(duì)時(shí)間的測(cè)量，是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)最關(guān)鍵也是最難的一個(gè)環(huán)節(jié)?？赡軐?dǎo)致時(shí)間的不準(zhǔn)確因素主要集中在以下幾個(gè)方面：（1） 電路有一定的響應(yīng)時(shí)間，超聲換能器的反應(yīng)有一定的時(shí)間延遲，超聲波換能器中的晶振距離換能器前端口有一段距離，這都將導(dǎo)致時(shí)間的不準(zhǔn)確。雖然，這些因素可以進(jìn)行校準(zhǔn)，如本文所使用的HC-SR04，但是，隨著器件的老化，其響應(yīng)特性將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致校準(zhǔn)失效，這時(shí)如果不進(jìn)行再次校準(zhǔn)，