超聲波測距實(shí)驗(yàn)報(bào)告

./目錄1、課題設(shè)計(jì)的目的和意義…………32、課題要求…………32.1、基本功能要求…………………32.2、提高要求………43、重要器件功能介紹………………43.1、CX20106A紅外線發(fā)射接收專用芯片…………43.2、AT89C51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)……………53.3、ISD1700優(yōu)質(zhì)語音錄放電路…………………64、超聲波測距原理…………………84．1、超聲波測距原理圖…………84.2、超聲波測距的基本原理………95、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………105.1、超聲波發(fā)射單元………………105.2、超聲波接收單元……………115.3、顯示單元…………115.4、語音單元…………125.5、硬件設(shè)計(jì)中遇到的難題：………126、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)………147、調(diào)試與分析…………157.1調(diào)試…………………157.2誤差分析……………158、總結(jié)…………………169、附件…………………179.1、總電路…………………...179.2、主要程序…………………1810、參考文獻(xiàn)……………221課題設(shè)計(jì)的目的及意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,超聲波在測距儀中的應(yīng)用越來越廣,但就目前技術(shù)水平而言,人們可以利用的測距技術(shù)還十分有限,因此,這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來,超聲波測距作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間,它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展,以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。如聲納的發(fā)展趨勢：研究具體的高定位精度的被動(dòng)測距聲納,以滿足軍事和漁業(yè)等的發(fā)展需求,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測和識(shí)別。毋庸置疑,未來的超聲波測距儀將與自動(dòng)化智能化接軌,與其他的測距儀集成和融合,形成多測距儀。超聲波測距在某些場合有著顯著的優(yōu)點(diǎn),因?yàn)檫@種方法是利用計(jì)算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的,因此它是一種非接觸式的測量,所以他就能夠在某些場合或環(huán)境比較惡劣的環(huán)境下使用。比如測有毒或者有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或者高速公路上快速行駛汽車之間的距離。隨著測距儀的技術(shù)進(jìn)步,測距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能,最注重發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的時(shí)代,測距儀將發(fā)揮更大的作用。2課題要求以單片機(jī)AT89C51為中心控制單元,配以超聲波發(fā)射、接收裝置,實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射及接收其遇到障礙物發(fā)生反射形成的回波信號(hào),并根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及超聲波從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間,計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離,設(shè)計(jì)出一套基于單片機(jī)的脈沖反射式超聲波測距系統(tǒng),利用單片機(jī)進(jìn)行操作控制,用數(shù)碼管作輸出顯示,設(shè)計(jì)發(fā)射、接收、檢測、顯示硬件電路和測距系統(tǒng)軟件。2.1、基本功能要求：〔1、能實(shí)現(xiàn)測距操作；〔2、能清晰穩(wěn)定地顯示測量結(jié)果,具有測量完成提示；〔3、能正確實(shí)現(xiàn)單次測量；〔4、測量圍在0.5——2m；〔5、測量精確度2cm。2.2、提高要求：〔6、能實(shí)現(xiàn)單次測量和連續(xù)測量兩種測量方式；〔7、測量結(jié)果能夠用語音播報(bào)；〔8、測量圍在0.24——3.5m；〔9、測量精確度1cm。備注：采用AT89C51單片機(jī)；采用CX20106超聲波接收芯片。3、重要器件功能介紹3.1CX20106A紅外線發(fā)射接收專用芯片CX20106A紅外線遙控接收前置放大電路,多適用于電視機(jī)。部電路由前置放大器,自動(dòng)偏置電平控制電路〔ABLC、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和波形整形電路等組成。CX20106A是CX20106的改進(jìn)型,二者之間的主要差別在于電參數(shù)略有不同。CX20106A也同樣適用于超聲波測試,主要頻率在38KHZ~41KHZ,在超聲波應(yīng)用常選取40KHZ。1腳：超聲信號(hào)輸入端,該腳的輸入阻抗約為40kΩ。2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò),它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分,改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大,放大倍數(shù)下降,反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會(huì)影響到頻率特性,一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng),推薦選用參數(shù)為R1=4.7Ω,C1=1μF。3腳：該腳與地之間連接檢波電容,電容量大為平均值檢波,瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小,則為峰值檢波,瞬間相應(yīng)靈敏度高,但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大,易造成誤動(dòng)作,推薦參數(shù)為3.3μf。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻,用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0,阻值越大,中心頻率越低。例如,取R=200kΩ時(shí),f0≈42kHz,若取R=220kΩ,則中心頻率f0≈38kHz。6腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容,標(biāo)準(zhǔn)值為330pF,如果該電容取得太大,會(huì)使探測距離變短。7腳：遙控命令輸出端,它是集電極開路輸出方式,因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端,推薦阻值為22kΩ,沒有接受信號(hào)是該端輸出為高電平,有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。8腳：電源正4.5～5.5V極,3.2AT89C51系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)51系列單片機(jī)中典型芯片AT89C51采用40引腳爽直插封裝〔DIP形式,部有CPU、4kb的ROM、256B的RAM、2個(gè)16B的定時(shí)/計(jì)數(shù)器T0和T1/4個(gè)8B的I/O端：P0,P1,P2,P3,一個(gè)全雙工串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)的Flash可編程、可擦出制度存儲(chǔ)器,使其在實(shí)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一起和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖51單片機(jī)提供以下功能：4kb存儲(chǔ)器、256BRAM、32條I/O線、2個(gè)16b定時(shí)、計(jì)數(shù)器、5個(gè)2級中斷源、1個(gè)全雙向德串口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU停止工作,而讓RAM、串行口和終端系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存RAM的容,振蕩器停振,禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。51單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決方法,充分利用部資源,即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。3.3、ISD1700語音錄放芯片ISD1700的功能特點(diǎn)：1、可錄、放音十萬次,存儲(chǔ)容可以斷電保留一百年2、按鍵模式和MCU串行控制模式<SPI協(xié)議>3、MIC和ANAIN兩種錄音模式4、PWM和AUD/AUX三種放音輸出方式5、可處理多達(dá)255段以上信息6、有豐富多樣的工作狀態(tài)提示7、多種采樣頻率對應(yīng)多種錄放時(shí)間8、音質(zhì)好,電壓圍寬,應(yīng)用靈活I(lǐng)SD1700的電特性1、工作電壓：DC2.4V～5.5V,,最高不能超過6V2、靜態(tài)電流：0.5～1ua3、工作電流：20mAISD1700的工作模式〔按鍵模式和SPI串行工作模式〔1獨(dú)立按鍵工作模式ISD1730的獨(dú)立按鍵工作模式錄放電路非常簡單,而且功能強(qiáng)大。不僅有錄、放功能,還有快進(jìn)、擦除、音量控制、直通放音和復(fù)位等功能。這些功能僅僅通過按鍵就可完成?！?SPI協(xié)議串行工作模式下圖是串行模式〔SPI協(xié)議典型電路：SPI協(xié)議總述ISD1700系列的SPI串行接口操作遵照以下協(xié)議：1、一個(gè)SPI處理開始于/SS管腳的下降沿。2、在一個(gè)完整的SPI指令傳輸周期,/SS管腳必須保持低電平。3、數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿鎖存在芯片的MOSI管腳,在SCLK的下降沿從MISO管腳輸出,并且首先移出低位。4、SPI指令操作碼包括命令字節(jié),數(shù)據(jù)字節(jié)和地址字節(jié),這決定于1700的指令類型5、當(dāng)命令字及地址數(shù)據(jù)輸入到MOSI管腳時(shí),同時(shí)狀態(tài)寄存器和當(dāng)前行地址信息從MISO管腳移出。6、一個(gè)SPI處理在/SS變高后啟動(dòng)。7、在完成一個(gè)SPI命令的操作后,會(huì)啟動(dòng)一個(gè)中斷信息,并且持續(xù)保持為低,直到芯片收到CLR_INT命令或者芯片復(fù)位。4、超聲波測距原理4．1、超聲波測距原理圖：4.2、超聲波測距的基本原理超聲波是指頻率在2000赫茲以上,不能引起正常人聽覺反映的機(jī)械振動(dòng)波,是物體的機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播所形成的機(jī)械振動(dòng)聲波具有非常短的波長,可以集聚成狹小的發(fā)射線束狀直線播散,故傳播具有一定的方向性。超聲波測距的方法有多種,如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間檢測法等。相位檢測法雖然精度高,但檢測圍有限;聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波脈沖反射檢測法。其原理為:檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波,經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間唯獨(dú)約時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體中的聲速相乘,就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波,并在顯示器上顯示距離。超聲波在相同的煤質(zhì)里傳播速度相同,及在相當(dāng)大的頻率圍聲速不隨頻率變化,但其頻率越高,衰減的越厲害,傳播的距離也越短?？紤]實(shí)際工程測量要求,再設(shè)計(jì)超聲波測距儀時(shí),選用頻率為40KHz的超聲波。根據(jù)超聲波測距原理,設(shè)計(jì)了以51單片機(jī)為核心的低成本呢、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距系統(tǒng),考慮到單片機(jī)測量精度受到部主振頻率或參考頻率的限制,從硬件電路設(shè)計(jì)角度出發(fā),采用一種單片機(jī)外部硬件擴(kuò)展計(jì)數(shù)電路,通過升高計(jì)數(shù)參考頻率來提高測距系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度,以最終提高系統(tǒng)的計(jì)時(shí)精度。采取一系列的改進(jìn)方法有效消除其他影響,提高超聲波往返時(shí)間的測量可靠性。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s,根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s,即s=340×t/2,這就是常用的時(shí)差法測距。5、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1、超聲波發(fā)射單元這個(gè)單元利用了74LS04非門和MAX232芯片。首先利用74LS04非門通過推挽的方式使電壓VPP達(dá)到10V左右,再利用MAX232芯片進(jìn)一步提高電壓,因?yàn)镸AX232芯片是專為RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,可以將±5V的電壓升壓到±12V左右,且不影響方波波形,這里很適用。5.2、超聲波接收單元這里用到CX20106芯片,前面已經(jīng)介紹,當(dāng)該芯片接到40KHZ左右的方波信號(hào)時(shí),其7腳輸出低點(diǎn)平,可用于單片機(jī)的中斷。要到達(dá)良好的接受效果,這里的電路焊接與處理非常重要,我將在后面的"問題處理"處說明。5.3、顯示單元這里用到了1602LCD液晶顯示,用這個(gè)來做顯示有兩個(gè)好處：好處1：線路較LED簡單,能美觀電路板。好處2：1602LCD液晶不僅能顯示數(shù)字,也能顯示英文字母和一些常用符號(hào),這樣可以更準(zhǔn)確的表達(dá)設(shè)計(jì)者的思想。5.4、語音單元語音部分用到ISD1760語音芯片。當(dāng)20腳Rsoc接80K電阻時(shí)采樣率為8kHz,最多能夠錄音60s。完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。5.5、硬件設(shè)計(jì)中遇到的難題：5.5.1、接收電路中的問題我在焊好板子實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)接受電路很容易受到干擾。一開始總是找不到問題,后來我發(fā)覺可能是超聲波接收探頭的濾波電容過小〔當(dāng)時(shí)使用的是471pf。于是,我更換了一個(gè)104的電容〔即0.1uf,測試時(shí)發(fā)現(xiàn)中斷一直產(chǎn)生。當(dāng)時(shí)我非常沮喪,甚至有了放棄的念頭。但后來我想到是不是電容過大產(chǎn)生了電容放電,反而影響了電路。于是,我又更換了一個(gè)102的電容〔即1000pf。這次的更換得到的結(jié)果讓我欣喜若狂,電路不能抗干擾能力加強(qiáng)且電路穩(wěn)定。真真切切是"過大、過小都不好呀"。5.5.2、發(fā)射電路中的問題：發(fā)射電路的設(shè)計(jì),我先后利用了74LS04以及MAX232來提升電壓。最后得到了很高的電壓增益。這個(gè)一開始看是很好的結(jié)果最后卻引發(fā)了一個(gè)問題,就是無法測量較短的距離〔最后是0.5m以都無法測量。原因可由下圖來解釋：上圖表示的是發(fā)生探頭的拖尾現(xiàn)象。在發(fā)送完方波后由于電氣特性,它會(huì)產(chǎn)生拖尾。由于我的驅(qū)動(dòng)電壓較大,所以這個(gè)拖尾是很嚴(yán)重的,這就使得我必須用更大的時(shí)延去屏蔽掉這個(gè)拖尾,這就導(dǎo)致了電路無法測量較短的距離。所以,驅(qū)動(dòng)電壓太大也不完全是處。但這并不是說驅(qū)動(dòng)電壓是越小越好。驅(qū)動(dòng)電壓過小的話會(huì)導(dǎo)致長距離的測量中由于功率不夠而無法測量。所以,設(shè)計(jì)時(shí)要注意選擇一個(gè)始終的驅(qū)動(dòng)電壓。不要過大,不要過小。6、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1.程序過程圖："模式開關(guān)"用于選擇單次和多次測量。上圖中左側(cè)為單次測量,右側(cè)為多次測量。6.2.程序過程中的難題：6.2.1、選擇中斷屏蔽延時(shí)時(shí)長：這是程序設(shè)計(jì)中最大的難題。由于超聲波發(fā)射頭的方向性不可能很好,所以接受探頭有可能接收到由發(fā)射頭直接傳來的40kHz超聲波。而這是我們要極力避免的,這就需要通過延時(shí)來屏蔽掉。但延時(shí)時(shí)間的選擇是很不容易的,太小不能起到屏蔽的作用,而太大會(huì)增大所能測量的最小距離。所以,選擇一個(gè)合適的延時(shí)時(shí)間是很重要的,我最后選擇的延時(shí)時(shí)間為50us左右。6.2.2、語音芯片的語音分段：由于要到達(dá)報(bào)數(shù)的需要,需要錄制"0”到"9本次軟件設(shè)計(jì)中還遇到一些小問題,最后都通過調(diào)時(shí)解決。7調(diào)試與分析7.1調(diào)試設(shè)計(jì)中采用MAX232對電路進(jìn)行升壓,提高了超聲換能器的輸出能力,從而提高了測距的距離。采用了紅外接收芯片CX20106A,減少了電路之間的相互干擾,提高了接收信號(hào)的靈敏度：,中心頻率為40KHz,安裝時(shí)應(yīng)保持發(fā)射端和接收端平行相距5-8cm,硬件電路完成后,將可編譯程序下載到AT89C51單片機(jī)上運(yùn)行,觀察LCD讀數(shù),便為所測距離?？筛鶕?jù)實(shí)際情況對超聲波子程序進(jìn)行修改,以適應(yīng)不同的距離測量需要。性能指標(biāo)：根據(jù)文中參數(shù)和程序,測距儀可測圍為0.5-2m。試驗(yàn)中對測量圍為0.5-2m的障礙物進(jìn)行多次測量,測距儀的最大誤差不超過1cm,重復(fù)性良好。7.2誤差分析：限制該系統(tǒng)最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)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。測距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：1超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；2超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系；3超聲波在不同環(huán)境中傳播速度的差異對測距有影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件,傳播媒質(zhì)的特性,如溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生影響8總結(jié)在歷時(shí)幾個(gè)星期的設(shè)計(jì)過程中,我們能夠?qū)W以致用,運(yùn)用了許多知識(shí),如單片機(jī)、c語言、電工學(xué)等。在電路設(shè)計(jì)和編寫程序的過程中,出現(xiàn)了許多意想不到的問題和錯(cuò)誤,經(jīng)過小組成員的討論、反復(fù)實(shí)驗(yàn)和修改最終使問題得以解決。在焊接電路板的時(shí)候組長帶領(lǐng)我們精心布線,以保證電路板的美觀和實(shí)用性,并細(xì)心檢查焊點(diǎn)是否短路、虛焊,實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電路的完整功能。同時(shí)這些問題也使我們懂得任何的研究、實(shí)驗(yàn)都要非常細(xì)心,嚴(yán)肅對待,每一個(gè)環(huán)節(jié)都要細(xì)心把握,而一味的盲目追求結(jié)果,不注重過程和細(xì)節(jié)會(huì)使我們走許多彎路,甚至達(dá)不到最終的目的,或者導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的失敗。理論離不開實(shí)踐,理論與實(shí)踐的完美結(jié)合也使我們對所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步深入理解,只有在掌握理論的基礎(chǔ)上在去動(dòng)手實(shí)踐才能真正鍛煉自身的能力,本次設(shè)計(jì)本組成員認(rèn)真負(fù)責(zé),收獲很大。9.附件9.1、總電路圖9.2主要程序主程序：voidmain<>{ led_init<>; ISD_Init<>; //初始化語音芯片 while<1> { EX0=0; if<key==0> { delay<5>; if<key==0> { if<kai==0> { timer_init<>; led_finished<>; fasong<2>; TR0=1;//計(jì)時(shí)器0開始計(jì)數(shù)計(jì)算距離* delay<3>; EX0=1;//開外部中斷0 while<1>; } elseif<kai==1> { while<1> { timer_init<>; led_traning<>; fasong<2>; TR0=1;//計(jì)時(shí)器0開始計(jì)數(shù)計(jì)算距離* delay<3>; EX0=1;//開外部中斷0 delay<1000>; } } } } }}語音定點(diǎn)播放程序：voidISD1730_Set_Play<unsignedcharVOICE_NUM>{unsignedintAdd_ST,Add_ED;unsignedcharAdd_ST_H,Add_ST_L,Add_ED_H,Add_ED_L; do { RdStatus<>; }while<<SR0_L&0x01>||<!<SR1&0x01>>>;//if<SR0_L^0==1>{systemErr}<CMD_Err==1> ClrInt<>;GetToneAdd<VOICE_NUM,&Add_ST,&Add_ED>;//取出當(dāng)前語音的首末地址Add_ST_L=<unsignedchar><Add_ST&0x00ff>;Add_ST_H=<unsignedchar><<Add_ST>>8>&0x00ff>;Add_ED_L=<unsignedchar><Add_ED&0x00ff>;Add_ED_H=<unsignedchar><<Add_ED>>8>&0x00ff>;//SPI初始條件DISENISD1730_SS;ISD1730_SCLK_H;ISD1730_MOSI_L;ENISD1730_SS; //發(fā)送命令 SET_PLAY //從起始地址<S10:S0>放音到結(jié)束地址<E10:E0>結(jié)束 ISD1730_Spio<SET_PLAY>;//發(fā)送命令字節(jié)ISD1730_Spio<0x00>;//發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)1 ISD1730_Spio<Add_ST_L>;//發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)2,放音起始地址低8位<S7:S0> ISD1730_Spio<Add_ST_H>;//發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)3,放音起始地址高3位<S10:S8>,ISD1730不用 ISD1730_Spio<Add_ED_L>;//發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)4,放音結(jié)束地址低8位<E7:E0> ISD1730_Spio<Add_ED_H>;//發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)5,放音結(jié)束地址低8位<E10:E8>,ISD1730不用 ISD1730_Spio<0x00>;//發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)6 DISENISD1730_SS; do { RdStatus<>; }while<<SR0_L&0x01>||<<SR1&0x04>>>;//if<SR0_L^0==1>{systemErr}<CMD_Err==1>}方波發(fā)送程序：voidfasong<intnum>{ while<num--> { fa=0; nop<>;nop<>;nop<>;nop<>; nop<>;nop<>;nop<>;nop<>; nop<>;nop<>;nop<>;nop<>; fa=1; nop<>;nop<>;nop<>;nop<>; nop<>;nop<>;nop<>;nop<>; n