超聲波測距畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲技術是一門以物理、電子、機械及材料學為基礎的通用技術，主要涉及超聲波的產(chǎn)生、傳播與接收技術。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超聲檢測技術則使用靈敏度高但功率不大能夠產(chǎn)生和接收各種波形的超聲波換能器，常要求避免產(chǎn)生強烈的超聲效應，著重于一些描述媒質(zhì)超聲波特性的物理量（如聲速、衰減、聲阻抗等）的測定。</p>

2、;<p>　　根據(jù)聲波在空氣中傳播反射原理, 以超聲波換能器為接口部件, 應用單片機技術對超聲波在空氣中的傳播時間進行測量,從而設計了一套超聲波檢測系統(tǒng)。根據(jù)儀器設計時超聲波傳感器的選擇、計數(shù)頻率的確定及盲區(qū)對測量的影響,提高測量準確度的途徑,重點利用軟件修正誤差的方法,使儀器達到了設計指標,滿足了工業(yè)測量的實際需要。</p><p>　　關鍵詞：超聲波；測距；單片機</p><

3、;p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The ultrasonic wave technology is a take physics, the electron, the machinery and the material study as the foundation general technology, mainly involves the ult

4、rasonic wave the production, the dissemination and the receive technology. The supersonic processing processing technology often the emphatically application high efficiency continual ultrasonic wave transmitting transdu

5、cer, uses some kind of supersonic effect, takes some description sound field strong and the weak the physical quantity</p><p>　　In this paper, according to the principle of ultrasonic transmission in the air

6、, a suit of practical ultrasonic measuring system is designed by u sing the technique of Single Chip Microco(SCM ) and the ultrasonic transducer. The reason of measure in error is analyzed. When instrument is designed ,

7、the selection of ultrasonic sensor ,the ascertainment of frequency count and the influence of blind area on measurement are expounded , the approach of improving measuring accuracy is pointed out , the</p><p&g

8、t;　　Keywords : ultrasonic; measuring distance; Single Chip Microco (SCM )</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p&g

9、t;<b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1超聲波測距原理及特性1</p><p>　　1.2超聲波測距應用1</p><p>　　1.3超聲波發(fā)射頭研究2</p><p>　　1.4超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換和波速2</p><p>　　1.5 超聲波的反射和折射3<

10、/p><p>　　1.6 聲波的衰減4</p><p><b>　　2總體方案論證5</b></p><p>　　2.1 設計方案論證5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)方案6</p><p>　　3 AVR單片機及超聲波測距原理8</p><p>　　3.1 A

11、VR單片機的簡介8</p><p>　　3.2 AVR單片機的主要特點9</p><p>　　3.3 AVR單片機的系統(tǒng)結構10</p><p>　　3.4 ATmega16單片機簡介12</p><p>　　3.5 超聲波傳感器測距原理19</p><p>　　4模塊軟件程序21</p>&

12、lt;p>　　4.1溫度補償子程序21</p><p>　　4.2超聲波發(fā)送子程序23</p><p>　　4.3超聲波速度計算子程序23</p><p>　　4.4外部信號接受子程序24</p><p><b>　　4.5主程序25</b></p><p><b>　　

13、5誤差分析27</b></p><p>　　5.1 超聲波回波的聲強的影響27</p><p>　　5.2 超聲波波束入射角的影響27</p><p><b>　　結論30</b></p><p><b>　　致謝31</b></p><p><b

14、>　　參考文獻32</b></p><p><b>　　附錄33</b></p><p><b>　　1緒 論</b></p><p>　　根據(jù)聲波在空氣中傳播反射原理,以超聲波換能器為接口部件, 應用單片機技術對超聲波在空氣中的傳播時間進行測量,從而設計了一套超聲波檢測系統(tǒng)。對系統(tǒng)硬件組成、檢測原理

15、、方法以及系統(tǒng)軟件結構作了詳細介紹,對產(chǎn)生測量誤差的原因進行了分析,并提出了解決的途徑和方法。</p><p>　　1.1超聲波測距原理及特性</p><p>　　振動在彈性媒質(zhì)內(nèi)的傳播稱為波。頻率在20~20000Hz之間的機械波能為人耳所聞，稱為聲波；低于20Hz的機械波稱為次聲波；高于20000Hz的機械波稱為超聲波。</p><p>　　超聲波在液體、固體中

16、的衰減很少，滲透能力強，特別是對不透光的固體，超聲波能穿透幾十米的厚度。當超聲波從一種介質(zhì)射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中的傳播速度不同，在介質(zhì)界面上會產(chǎn)生反射、折射和波形轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。超聲波在介質(zhì)中傳播時與介質(zhì)作用會產(chǎn)生機械效應、空化效應和熱效應等等。超聲波的這些特性使其在檢測技術中獲得廣泛應用，如超聲波無損探傷、厚度測量、流速（流量）測量、超聲波顯微鏡及超生成相等。</p><p>　　1.2超聲波測距應用&

17、lt;/p><p>　　⑴ 超聲波流量計：測量水的流速，這是因為超聲波是一種機械波，依靠介質(zhì)才能傳播，其傳播方向受介質(zhì)運動影響，因此，水可以改變傳播方向。進而可以做出超聲波流量計，可應以自來水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進行測量。還適用于下水道、農(nóng)業(yè)灌渠、河流等流速的測量。</p><p>　　⑵ 超聲波測距儀：用以測量液位、井深、管道長度、建筑測量、厚度測量等。</p><p&

18、gt;　?、?報警器：盲人探路器、防盜報警等</p><p>　　⑷ 定位系統(tǒng)：用以探測超聲波發(fā)射源位置，在生活中有重要意義，如人說話、呼吸的時候不光產(chǎn)生聲波，同樣也會產(chǎn)生部分超聲波，呼出的氣體分子與空氣分子碰撞就產(chǎn)生超聲波。氣管漏氣，輪胎漏氣，閥門泄漏、閥門氣蝕、齒輪運行、電暈放電等都會產(chǎn)生超聲波。通過接收器看以看出哪里有漏洞。</p><p>　　1.3超聲波發(fā)射頭研究</p&g

19、t;<p>　　保持vi不隨f變化，測量數(shù)據(jù)如下：（頻率單位：khz，輸出電壓為峰峰值，單位 V）</p><p>　　表1-1. Vo隨f變化表</p><p>　　圖1-1 超聲波發(fā)送原理</p><p>　　從圖中可以得出結論：超聲波發(fā)射的串聯(lián)諧振頻率有兩個，一個是40khz，一個是51khz；其對應的阻抗分別為：1.27kΩ和381Ω</

20、p><p>　　1.4超聲波的波形及其轉(zhuǎn)換和波速</p><p>　　由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波在介質(zhì)中傳播時有三種主要波形?？v波，質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致，它能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播。橫波，質(zhì)點振動方向垂直于波的傳播方向，它只能在固體介質(zhì)中傳播。表面波，質(zhì)點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減；表面波質(zhì)點振動的軌跡是橢圓

21、形，質(zhì)點位移的長軸垂直于傳播方向，質(zhì)點位移的短軸平行于傳播方向；表面波只能在固體表面?zhèn)鞑ァ?lt;/p><p>　　當縱波以某一角度入射到第二介質(zhì)（固體）的界面上時，除有縱波的反射、折射外，還會有橫波的反射和折射，如圖所示。在一定條件下還能產(chǎn)生表面波。各種波形都符合波的反射定律和折射定律。</p><p>　　圖1-2 L－入射縱波；L1－反射縱波；L2－折射縱波；S1－反射橫波；S2－折射橫

22、波</p><p>　　超聲波的傳播速度，取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)及介質(zhì)的密度，即。</p><p>　　由于氣體和液體的剪切彈性模量為零，所以超聲波在氣體和液體中沒有橫波，只能傳播縱波。其波速為</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p>　　式中，K—介質(zhì)的體積彈性模量，它是體積（絕熱的）壓縮性的倒數(shù)

23、；—介質(zhì)的密度。</p><p>　　在固體介質(zhì)中，縱波、橫波、表面波三者的聲速分別為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　

24、式中，E－固體介質(zhì)的楊氏模量；μ－固體介質(zhì)的泊松比；G－固體介質(zhì)的剪切彈性模量；－介質(zhì)密度。對于固體介質(zhì)，μ介于0～0.5之間，因此一般可認為。</p><p>　　1.5 超聲波的反射和折射</p><p>　　當超聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時，在兩介質(zhì)的分界面上將發(fā)生反射和折射，如下圖。超聲波的反射和折射滿足波的反射定律和折射定律，即</p><p><

25、;b>　　（1-5）</b></p><p>　　圖1-3 超聲波的反射與折射</p><p><b>　　1.6 聲波的衰減</b></p><p>　　超聲波在一種介質(zhì)中傳播的時候，隨著距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強的衰減規(guī)律為：</p><p><b>　?。?-6）</b

26、></p><p><b>　?。?-7）</b></p><p>　　式中，、－聲波在距離聲源處的聲壓和聲強；P、I－聲波在距離聲源處的聲壓和聲強；－衰減系數(shù)。</p><p>　　超聲波在介質(zhì)中傳播時，能量的衰減決定于聲波的擴散、散射和吸收。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來之于聲波的擴散，就是隨著聲波傳播距離的增加，在單位面積波面內(nèi)聲能量

27、將會減弱。散射衰減是聲波在固體介質(zhì)中顆粒界面上的散射，或在流體介質(zhì)中有懸浮粒子時使超聲波散射。而聲波的吸收是由于介質(zhì)的導熱性、黏滯性及彈性滯后造成的。介質(zhì)吸收聲能并轉(zhuǎn)化為熱能。吸收隨聲波頻率升高而增加。吸收系數(shù)因介質(zhì)材料性質(zhì)而異，但晶粒越粗，聲波頻率越高，則衰減愈大。最大探測厚度往往收衰減系數(shù)限制。所以，工件的厚度、球墨鑄鐵的球化程度、泥漿的濃度等量都可以利用這種原理進行測量。</p><p>　　經(jīng)常以dB/c

28、m或dB/mm為單位來表示衰減系數(shù)。在一般探測頻率上材料的衰減系數(shù)在1到幾百之間。若衰減系數(shù)為1dB/mm，聲波穿透1mm時，則衰減1dB,即衰減10％；聲波穿透20mm，則衰減20dB，即衰減90％。</p><p><b>　　2總體方案論證</b></p><p>　　本章從系統(tǒng)方案等一些方面來進行論證。本設計主要是進行距離的測量和報警，設計中涉及到的內(nèi)容較多，

29、主要是將單片機控制模塊、超聲波測距模塊、蜂鳴器報警模塊、4位數(shù)碼管顯示模塊這幾個模塊結合起來。而本設計的核心是超聲波測距模塊，其他相關模塊都是在測距的基礎上拓展起來的，測距模塊是利用超聲波傳感器，之后選擇合適單片機芯片，以下就是從相關方面來論述的。</p><p>　　2.1 設計方案論證</p><p><b>　　⑴激光測距傳感器</b></p>

30、<p>　　激光傳感器利用激光的方向性強和傳光性好的特點，它工作時先由激光傳感器對準障礙物發(fā)射激光脈沖，經(jīng)障礙物反射后向各個方向散射，部分散射光返回到接受傳感器，能接受其微弱的光信號，從而記錄并處理光脈沖發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時間即可測定距離，即用往返時間的一半乘以光速就能得到距離。其優(yōu)點是測量的距離遠、速度快、測量精確度高、量程范圍大，缺點是對人體存在安全問題，而且制作的難度大成本也比較高。</p><p&g

31、t;<b>　?、萍t外線測距傳感器</b></p><p>　　紅外線測距傳感器利用的就是紅外線信號在遇到障礙物其距離的不同則其反射的強度也不同，根據(jù)這個特點從而對障礙物的距離的遠近進行測量的。其優(yōu)點是成本低廉，使用安全，制作簡單，缺點就是測量精度低，方向性也差，測量距離近。</p><p><b>　?、浅暡▊鞲衅?lt;/b></p>

32、<p>　　超聲波是一種超出人類聽覺極限的聲波即其振動頻率高于20 kHz的機械波。超聲波傳感器在工作的時候就是將電壓和超聲波之間的互相轉(zhuǎn)換，當超聲波傳感器發(fā)射超聲波時，發(fā)射超聲波的探頭將電壓轉(zhuǎn)化的超聲波發(fā)射出去，當接收超聲波時，超聲波接收探頭將超聲波轉(zhuǎn)化的電壓回送到單片機控制芯片。超聲波具有振動頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小而且方向性好還能夠為反射線定向傳播等優(yōu)點，而且超聲波傳感器的能量消耗緩慢有利于測距。在中、長距離測量時

33、，超聲波傳感器的精度和方向性都要大大優(yōu)于紅外線傳感器，但價格也稍貴。從安全性，成本、方向性等方面綜合考慮，超聲波傳感器更適合設計要求。</p><p>　　根據(jù)對以上三種傳感器性能的比較，雖然能明顯看出來激光傳感器是比較理想的選擇，但是它的價格卻比較高，而且安全度不夠高。而且汽車在行駛的過程中超聲波傳感器測距時應具有較強的抗干擾能力和較短的響應時間，因此選用超聲波傳感器作為此設計方案的傳感器探頭。</p&g

34、t;<p><b>　　2.2 系統(tǒng)方案</b></p><p>　　此方案選擇51單片機作為控制核心，所測得的距離數(shù)值由4位共陽極數(shù)碼管顯示，與障礙物之間的不同距離利用蜂鳴器頻率的不同報警聲提示，超聲波發(fā)射信號由51單片機的P0.1口送出到超聲波發(fā)射電路，將超聲波發(fā)送出去，超聲波接收電路由CX20106A芯片和超聲波接收探頭組成的電路構成，報警系統(tǒng)由蜂鳴器電路構成。本設計中

35、將收發(fā)超聲波的探頭分離這樣不會使收發(fā)信號混疊，從而能避免干擾，可以很好的提高系統(tǒng)的可靠性。本設計的汽車防撞裝置的系統(tǒng)框圖如圖2.1所示。</p><p>　　圖2.1 汽車防撞裝置的系統(tǒng)框圖</p><p>　　本設計由Keil編程軟件對51單片機進行編程，51單片機在執(zhí)行程序后由P0.1端口產(chǎn)生40kHz的脈沖信號通過74LS04電路進行放大并送到到超聲波發(fā)射探頭，產(chǎn)生超聲波。在超聲波

36、發(fā)射電路啟動的同時單片機啟動中斷定時器，利用其計數(shù)的功能記錄超聲波發(fā)射超聲波到接收到超聲波回波的時間。當接收回射的超聲波時，接收電路的輸出端產(chǎn)生負跳變輸出到單片機產(chǎn)生中斷申請，執(zhí)行外部中斷子程序計算距離。</p><p>　　結合各方面的因素考慮，依據(jù)設計的要求，查閱相關數(shù)據(jù)資料，選擇了超聲波測距傳感器TR40-16Q（其中T表示超聲波發(fā)射探頭，R表示超聲波接收探頭），綜合考慮設計的要求出于簡便角度，選用了HC-

37、SR04超聲波集成模塊。此超聲波模塊的最大探測距離為5 m，精度可以達到0.3 cm，盲區(qū)為2 cm，而且發(fā)射擴散角不大于15°，更有利于測距的準確性。而且，此模塊的工作頻率范圍為39 kHz～41 kHz左右，完全能在40 kHz工作頻率工作。</p><p>　　由于超聲波的發(fā)射和接收是分開發(fā)送和接收的，所以發(fā)射探頭和接收探頭必須在同一條水平行直線上，這樣才能準確地接收反射的回波。而由于測量的距離不

38、同和發(fā)射擴散角所引起的誤差以及超聲波信號在空氣中傳播的過程中的超聲波衰減問題，發(fā)射探頭和接收探頭距離不可以太遠，而且還要避免發(fā)射探頭對接收探頭在接收信號時產(chǎn)生的干擾，所以二者又不能靠得太近。根據(jù)對相關資料查閱，將兩探頭之間的距離定在5 cm～8 cm最為合適。本設計所用的HC-SR04模塊的超聲波探頭之間的距離大約在6 cm左右。</p><p>　　3 AVR單片機及超聲波測距原理</p><

39、;p>　　3.1 AVR單片機的簡介</p><p>　　ATMEL公司是世界上有名的生產(chǎn)高性能、低功耗、非易失性存儲器和各種數(shù)字模擬IC芯片的半導體制造公司。在單片機微控制器方面，ATMEL公司有AT89、AT90和ARM三個系列單片機的產(chǎn)品。ATMEL公司在其單片機產(chǎn)品中，融入先進的E2PROM電可擦除和Flash ROM閃速存儲器技術，使得該公司的單片機具備了優(yōu)秀的品質(zhì)，在結構、性能和功能等方面都有明

40、顯的優(yōu)勢。</p><p>　　自1983年INTEL公司推出8051單片機系列至今已有20年，ATMEL公司把8051內(nèi)核與其擅長的Flash制造技術相結合，推出了片內(nèi)集成可重復擦寫10000次以上Flash程序存儲器、低功耗、8051內(nèi)核的AT89系列單片機。該系列的典型產(chǎn)品有AT84C51、AT84C52、AT89C1051、AT84C2051，在我國的單片機市場上占有相當大的份額，得到了廣泛的使用。<

41、;/p><p>　　由于8051本身結構的先天性不足和近年來各種采用新型結構和新技術的單片機不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)在的單片機市場是百花齊放。ATMEL在這種強大市場壓力下，發(fā)揮Flash存儲器的技術特長，與1997年研發(fā)并推出了全新配置的、采用精簡指令集RISC（Reduced Instruction Set CPU）結構的新型單片機，簡稱AVR單片機。</p><p>　　精簡指令集RISC結構是20

42、世紀90年代開發(fā)出來的，綜合了半導體集成技術和軟件性能的新結構。AVR單片機采用RISC結構，具有1MIPS/MHz的高速運行處理能力。</p><p>　　為了縮短產(chǎn)品進入市場的時間，簡化系統(tǒng)的維護和支持，對于有單片機組成的嵌入式系統(tǒng)來說，用高級語言編程已成為一種標準編程方法。AVR結構單片機的開發(fā)目的就在于能夠更好的采用高級語言（例如C語言、BASIC語言）來編寫嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)程序，從而能更高效地開發(fā)出目標

43、代碼。為了對目標代碼大小、性能及功能進行優(yōu)化，AVR單片機的結構中采用了大型快速存儲寄存器組和快速的單調(diào)周期指令系統(tǒng)。</p><p>　　傳統(tǒng)的基于累加器的結構單片機，如8051，需要大量的程序代碼，以實現(xiàn)在累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸。而在AVR單片機中，采用32個通用工作寄存器組，用32個通用工作寄存器代替了累加器，從而避免了在傳統(tǒng)結構中累加器和存儲器之間的數(shù)據(jù)傳送造成的瓶頸現(xiàn)象。</p>&

44、lt;p>　　AVR單片機運用Harvard結構，在前一條指令執(zhí)行的時候就取出現(xiàn)行的指令，然后以一個周期執(zhí)行指令。在其他的CISE以及類似的RISE結構的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統(tǒng)的內(nèi)部指令執(zhí)行周期，這種分頻最大達12倍（8051）。AVR單片機是用一個時鐘周期執(zhí)行一條指令的，它是在8位單片機中第一個真正的RISE結構的單片機。</p><p>　　由于AVR單片機采用了Harvard結構，

45、所以它的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是分開組織和尋址的。尋址空間分別為可直接訪問1~128K字節(jié)的程序存儲器和64K字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器。同時，由32個通用工作寄存器所構成的寄存器組被雙向映射，因此，可以采用讀寫寄存器和讀寫片內(nèi)快速SRAM存儲器兩種方式來訪問32個通用工作寄存器。</p><p>　　AVR單片機采用低功率、非揮發(fā)的COMS工藝制造，內(nèi)部分別集成Flash、E2PROM和SRAM三種不同性能和用途的存儲器

46、。除了可以通過SPI口和一般的編程器對AVR單片機的Flash程序存儲器和E2PROM數(shù)據(jù)存儲器進行編程外，絕大多數(shù)的AVR單片機還具有在線編程（ISP）的特點，這給學習和使用AVR單片機帶來了極大的方便。</p><p>　　3.2 AVR單片機的主要特點</p><p>　　AVR單片機吸取了PIC及8051單片機的有點，同時還做了一些重大改進，其主要的優(yōu)點如下：</p>

47、<p>　?、?片內(nèi)集成可擦10000次以上的Flash程序存儲器。由于AVR采用16位的指令，所以一個程序的存儲單元為16位，即XXXX*16（也可以理解為8位，即2*XXXX*8）。AVR的數(shù)據(jù)存儲器還是以8個Bit（位）為一個單元，因此AVR還是屬于8位單片機。</p><p>　?、?采用COMS工藝技術，高速度（50ns）、低功耗（μA）、具有SLEEP（休眠）功能。AVR單片機的指令執(zhí)行速

48、度可達50ns（20MHz），而耗電則在1μA~2.5mA之間（典型功耗，WDT關閉時為100nA）。AVR運用Harvard結構概念，具有欲取指令的特性，即對程序存儲和數(shù)據(jù)存取使用不同的存儲器和總線。當執(zhí)行某一指令時，下一指令被預先從程序存儲器中取出，這使得指令可以在每一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行。 </p><p>　?、?高度保密（LOCK）?？啥啻尾翆懙腇LASH具有多重密碼保護鎖死（LOCK）功能，因此可低成本高

49、速度地完成產(chǎn)品商品化，并且可多次更改程序（產(chǎn)品升級）而不必浪費IC或電路板，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量及競爭力。</p><p>　?、?工業(yè)級（WDT）產(chǎn)品。具有大電流（灌電流）10mA~20mA或40mA（單一輸出）的特點，可直接驅(qū)動SSR或繼電器。有看門狗定時器（WDT）安全保護，可防止程序飛走，提高產(chǎn)品的抗干擾能力。</p><p>　?、?超功能精簡指令。具有32個通用工作寄存器（相當

50、于8051中的32個累加器），克服了單一累加器數(shù)據(jù)處理造成的瓶頸現(xiàn)象，128~4K字節(jié)SRAM可靈活使用指令運算，并可用功能很強的C語言編程，易學、易寫、易移植。</p><p>　?、?程序?qū)懭肫骷梢圆⑿袑懭耄ㄓ镁幊唐鲗懭耄部梢允褂么性诰€編程（ISP）方法下載寫入，也就是說不必將單片機芯片從系統(tǒng)上拆下，拿到萬用編程器上燒寫，而可直接在電路板上進行程序的修改、燒寫等操作，方便產(chǎn)品升級，尤其是采用SMD封裝

51、，更利于產(chǎn)品微型化。</p><p>　?、?除了并行I/O口輸入/輸出特性與PIC的HI/LOW輸出及三態(tài)高阻抗HI-Z輸入相同外，還設定與8051系列內(nèi)部上有上拉電阻的輸入端功能相似的功能，以適應各種實際應用特性所需（多功能I/O口）。只有AVR才是真正的I/O口，能正確反應I/O口輸入/輸出的真實情況。</p><p>　　⑻ 單片機內(nèi)集成了模擬比較器，I/O口可作A/D轉(zhuǎn)換用，組成

52、廉價的A/D轉(zhuǎn)換器。</p><p>　　像8051一樣，AVR單片機有多個固定中斷向量入口地址，可快速響應中斷，而不會像PIC那樣，所有向量都在同一向量地址發(fā)生，需要由程序判別后才可響應，從而失去了控制的最佳機會。</p><p>　?、?同PIC一樣，AVR單片機可重新設置啟動復位。AVR也有內(nèi)部電源上電啟動計數(shù)器，可降低電平復位（RESET）直接接到VCC端。當系統(tǒng)上電時利用內(nèi)部的R

53、C看門狗定時器可延遲MCU啟動，執(zhí)行系統(tǒng)程序。這種延時可使I/O口穩(wěn)定后再執(zhí)行程序，提高了單片機的工作可靠性，同時也省略了外加的復位延時電路。</p><p>　?、?具有休眠省電功能（POWER DOWN）及閑置(IDLE)低功耗功能的工作方式。</p><p>　?、?AT90S1200等部分AVR器件具有內(nèi)部的RC振蕩器，提供1KHz~8KHz的工作⑿ 時鐘，使該類單片機無需外加晶振

54、等時鐘電路原件即可工作簡單方便。</p><p>　　有8位和16位的計數(shù)器/定時器（C/T），可作比較器、計數(shù)器、外部中斷和PWM（也可作D/A）用于控制輸出。</p><p>　?、?有串行異步通信UART硬件接口電路，采用單獨的波特率發(fā)生器，并不占用定時器。有SPI傳輸功能。因其高速，故可以在一般標準整數(shù)頻率下工作，而波特率可達576Kbps。</p><p>

55、;　?、?AT90S4414及AT90S8515具有可擴展外部存儲器達64KB的能力，它們的引腳排列及功能與8051相似，即可替代8051系列單片機（8751/8452）的應用系統(tǒng)。當然，在硬件、軟件上也帶來很多有點（WDT看門狗，模擬比較器作A/D，PWM作D/A等）。</p><p>　?、?工作電壓范圍為2.7V~6.0V，電源抗干擾能力強。</p><p>　?、?多通道的10位A

56、/D及實時時鐘（RTC）。具有8路10位A/D器件的有AT90S4434、⒄ AT90S8535，具有6路10位A/D器件的有AT90S2333、AT90S4433。</p><p>　?、?AVR單片機還在片內(nèi)集成了可擦寫100000次。</p><p>　　3.3 AVR單片機的系統(tǒng)結構</p><p>　　為了提高MCU并行處理的運行效率，AVR單片機采用了程

57、序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器使用不同的存儲空間和存儲總線的Harvard結構。算術邏輯單元（ALU）使用單級流水線操作方式對程序存儲器進行訪問，在執(zhí)行當前一條指令，也完成了從程序存儲器中取出下一條將要執(zhí)行指令的操作，因此執(zhí)行一條指令僅需要一個時鐘周期。圖為AVR單片機的系統(tǒng)結構圖。</p><p>　　圖3-1 AVR單片機的系統(tǒng)結構圖</p><p>　　在AVR的硬件內(nèi)核中，有一個有32個訪

58、問操作時間只需要一個時鐘周期的8位通用工作寄存器所組成的“快速訪問寄存器組”?！翱焖僭L問”意味著在一個時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一個完整的ALU操作。在一個標準的ALU操作中包含了三個過程：即從寄存器組中取出兩個操作數(shù)，操作數(shù)被執(zhí)行，將執(zhí)行結果寫入目的寄存器中。這三個過程是在一個時鐘周期內(nèi)完成的，構成一個完整的ALU操作。</p><p>　　在32個通用工作寄存器中，有6個寄存器可以合并成3個16位的，用于對數(shù)據(jù)存儲器空間

59、進行間接尋址的間接地址寄存器（存放地址指針），以實現(xiàn)高效的地址計算。這3個16位的間接地址寄存器稱為：X寄存器、Y寄存器和Z寄存器。其中Z寄存器還能作為間接尋址程序存儲器空間的地址存儲器，用于在Flash程序存儲器空間進行查表操作。</p><p>　　算術邏輯單元（ALU）支持存儲器之間，立即數(shù)與寄存器之間的算術與邏輯運算功能。ALU也執(zhí)行單一的16位格式，只有少數(shù)指令為32位格式。因此，AVR的程序存儲器單元

60、為16位，即每個地址單元存放一個單一16位指令字，而一條32位的指令則要占據(jù)2個程序存儲器單元。</p><p>　　在進入中斷和子程序調(diào)用過程時，程序計數(shù)器PC的返回地址將被存儲于堆棧中。堆棧空間將占用數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）中一段連續(xù)的地址，因此，堆?？臻g的大小僅受到系統(tǒng)總的數(shù)據(jù)存儲器（SARM）的大小以及系統(tǒng)程序?qū)RAM的使用量的限制。用戶程序應在系統(tǒng)上電復位后，對一個16位的堆棧指針寄存器SP進行初始化設

61、置（或在子程序和中斷程序被執(zhí)行之前）。可以使用對I/O寄存器空間進行讀寫訪問的指令對堆棧指針寄存器SP進行操作。</p><p>　　在AVR中，說有的存儲器空間都是線性的。數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）可以通過5種不同的尋址方式進行訪問。</p><p>　　AVR的中斷控制由I/O寄存器空間的中斷控制寄存器和狀態(tài)寄存器中的全局中斷使能位組成。每個中斷都分別對應一個中斷向量（中斷入口地址）。所有

62、的中斷向量構成了中斷向量表，該中斷向量表位于Flash程序存儲器空間的最前面。中斷的中斷向量地址越小，其中斷的優(yōu)先級越高。</p><p>　　I/O空間為連續(xù)的64個I/O寄存器空間，它們分別對應MCU各個外圍功能的控制和數(shù)據(jù)寄存器地址，如控制寄存器、定時器/計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器及其他的I/O功能等。I/O寄存器空間可使用I/O寄存器訪問指令直接訪問，也可將其映射為通用工作寄存器組后的數(shù)據(jù)存儲器空間，使用數(shù)據(jù)存

63、儲器訪問指令進行訪問。I/O寄存器空間在數(shù)據(jù)存儲器空間的映射地址為$0020~$005F。</p><p>　　3.4 ATmega16單片機簡介</p><p><b>　　產(chǎn)品特性：</b></p><p>　　高性能、低功耗的8位AVR微處理器</p><p>　　⑵ 先進的RISC結構</p>&l

64、t;p>　　– 131 條指令 – 大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期</p><p>　　– 32個8 位通用工作寄存器</p><p><b>　　– 全靜態(tài)工作</b></p><p>　　– 工作于16 MHz時性能高達16 MIPS</p><p>　　– 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器</p>

65、<p>　?、?非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器</p><p>　　– 16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash</p><p>　　擦寫壽命: 10,000次</p><p>　　– 具有獨立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)</p><p>　　通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程</p><p><b>　　真正

66、的同時讀寫操作</b></p><p>　　– 512 字節(jié)的EEPROM</p><p>　　擦寫壽命: 100,000次</p><p>　　– 1K字節(jié)的片內(nèi)SRAM</p><p>　　– 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)用戶程序的加密</p><p>　　圖3-2 單片機簡圖</p>&l

67、t;p>　?、?JTAG 接口(與IEEE 1149.1標準兼容)</p><p>　　– 符合JTAG標準的邊界掃描功能</p><p>　　– 支持擴展的片內(nèi)調(diào)試功能</p><p>　　– 通過JTAG接口實現(xiàn)對Flash、EEPROM、熔絲位和鎖定位的編程</p><p><b>　?、?外設特點：</b>

68、</p><p>　　– 兩個具有獨立預分頻器和比較器功能的8 位定時器/計數(shù)器</p><p>　　– 一個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/計數(shù)器</p><p>　　– 具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC</p><p><b>　　– 四通道PWM</b></p><p>　

69、　– 8路10位ADC</p><p><b>　　8個單端通道</b></p><p>　　TQFP封裝的7個差分通道</p><p>　　2個具有可編程增益（1x,10x,或200x）的差分通道</p><p>　　– 面向字節(jié)的兩線接口</p><p>　　– 兩個可編程的串行USART&l

70、t;/p><p>　　– 可工作于主機/從機模式的SPI串行接口</p><p>　　– 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器</p><p><b>　　– 片內(nèi)模擬比較器</b></p><p>　　⑹ 特殊的處理器特點：</p><p>　　– 上電復位以及可編程的掉電檢測</p>

71、<p>　　– 片內(nèi)經(jīng)過標定的RC振蕩器</p><p>　　– 片內(nèi)/ 片外中斷源</p><p>　　– 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及擴展的Standby模式</p><p><b>　?、?I/O和封裝</b></p><p>　　– 32

72、個可編程的I/O口</p><p>　　– 40引腳PDIP封裝, 44引腳TQFP封裝, 與44引腳MLF封裝</p><p><b>　?、?工作電壓：</b></p><p>　　– ATmega16L：2.7~5.5V</p><p>　　– ATmega16：4.5~5.5V</p><p&

73、gt;<b>　　⑼ 速度等級：</b></p><p>　　– 0~ 8 MHz ATmega16L</p><p>　　– 0~16 MHz ATmega16</p><p>　?、?ATmega16L在1MHz, 3V, 25°C時的功耗：</p><p>　　– 正常模式: 1.1mA</p>

74、;<p>　　– 空閑模式: 0.35mA</p><p>　　– 掉電模式: < 1μA</p><p><b>　?、?引腳說明：</b></p><p>　　1、四組I/O口說明：</p><p>　　端口A(PA7..PA0)：端口A作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有

75、可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A 處于高阻狀態(tài)。</p><p>　　端口B(PB7..PB0)：端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將

76、輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。</p><p><b>　　端口B的第二功能：</b></p><p>　　表3-1 端口功能表</p><p><b>　　2、引腳配置如下：</b></p><p>　?、?SCK—端口B, Bit 7</p>&

77、lt;p>　　SCK：SPI通道的主機時鐘輸出，從機時鐘輸入端口。工作于從機模式時，不論DDB7設置如何，這個引腳都將設置為輸入。工作于主機模式時，這個引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB7控制。設置為輸入后，上拉電阻由PORTB7控制。</p><p>　?、?MISO—端口B, Bit 6</p><p>　　MISO：SPI通道的主機數(shù)據(jù)輸入，從機數(shù)據(jù)輸出端口。工作于主機模式時，不論DDB6

78、設置如何，這個引腳都將設置為輸入。工作于從機模式時，這個引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB6控制。設置為輸入后，上拉電阻由PORTB6控制。</p><p>　?、?MOSI—端口B, Bit 5</p><p>　　MOSI：SPI 通道的主機數(shù)據(jù)輸出，從機數(shù)據(jù)輸入端口。工作于從機模式時，不論DDB5 設置如何，這個引腳都將設置為輸入。當工作于主機模式時，這個引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB5控制。設置為輸入

79、后，上拉電阻由PORTB5 控制。</p><p>　　⑷ SS—端口B, Bit 4</p><p>　　SS：從機選擇輸入。工作于從機模式時，不論DDB4設置如何，這個引腳都將設置為輸入。當此引腳為低時SPI被激活。工作于主機模式時，這個引腳的數(shù)據(jù)方向由DDB4控制。設置為輸入后，上拉電阻由PORTB4 控制。</p><p>　?、?AIN1/OC0—端口B,

80、 Bit 3</p><p>　　AIN1：模擬比較負輸入。配置該引腳為輸入時，切斷內(nèi)部上拉電阻，防止數(shù)字端口功能與模擬比較器功能相沖突。</p><p>　　OC0：輸出比較，匹配輸出：PB3引腳可作為T/C0比較匹配的外部輸出。實現(xiàn)該功能時，PB3引腳必須配置為輸出(設DDB3為1) 。在PWM模式的定時功能中，OC0引腳作為輸出。</p><p>　?、?AI

81、N0/INT2—端口B, Bit 2</p><p>　　AIN0，模擬比較正輸入。配置該引腳為輸入時，切斷內(nèi)部上拉電阻，防止數(shù)字端口功能與模擬比較器功能相沖突。</p><p>　　INT2，外部中斷源 2：PB2引腳作為MCU的外部中斷源。</p><p>　?、?T1—端口B, Bit 1</p><p>　　T1， T/C1計數(shù)器源。

82、</p><p>　?、蘐0/XCK—端口B, Bit 0</p><p>　　T0，T/C0計數(shù)器源。</p><p>　　XCK，USART外部時鐘。數(shù)據(jù)方向寄存器(DDB0) 控制時鐘為輸出(DDB0 置位) 還是輸入(DDB0 清零)。只有當USART 工作在同步模式時， XCK引腳激活。</p><p>　　SPIMSTR INPU

83、T 和SPI SLAVE OUTPUT構成了MISO信號，而MOSI可以分解為SPI MSTROUTPUT 和SPI SLAVE INPUT。</p><p>　　端口C(PC7..PC0) ：端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于高

84、阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，即使復位出現(xiàn)引腳PC5(TDI)、 PC3(TMS)與 PC2(TCK)的上拉電阻被激活。</p><p><b>　　端口C的第二功能：</b></p><p>　　表3-2 引腳功能表</p><p><b>　　第二功能配置如下：</b></p><p>　?、?

85、TOSC2 – 端口C, Bit 7</p><p>　　TOSC2，定時振蕩器引腳2：當寄存器ASSR的AS2位置1，使能T/C2的異步時鐘，引腳PC7與端口斷開，成為振蕩器放大器的反向輸出。在這種模式下，晶體振蕩器與該引腳相聯(lián)，該引腳不能作為I/O引腳。</p><p>　?、?TOSC1 – 端口C, Bit 6</p><p>　　TOSC1，定時振蕩器引腳

86、1：當寄存器ASSR的AS2位置1，使能T/C2的異步時鐘，引腳PC6與端口斷開，成為振蕩器放大器的反向輸出。在這種模式下，晶體振蕩器與該引腳相聯(lián)，該引腳不能作為I/O引腳。</p><p>　?、?TDI – 端口C, Bit 5</p><p>　　TDI，JTAG測試數(shù)據(jù)輸入：串行輸入數(shù)據(jù)移入指令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器(掃描鏈)。當JTAG接口使能，該引腳不能作為I/O引腳。</p

87、><p>　　⑷ TDO – 端口C, Bit 4</p><p>　　TDO，JTAG測試數(shù)據(jù)輸入：串行輸入數(shù)據(jù)移入指令寄存器或數(shù)據(jù)寄存器(掃描鏈)。當JTAG接口使能，該引腳不能作為I/O引腳。</p><p>　　TD0 引腳在除TAP 狀態(tài)情況外為三態(tài)，進入移出數(shù)據(jù)狀態(tài)。</p><p>　?、?TMS – 端口C, Bit 3</

88、p><p>　　TMS，JTAG測試模式選擇： 該引腳作為TAP控制器狀態(tài)工具的定位。當JTAG接口使能，該引腳不能作為I/O引腳。</p><p>　?、?TCK – 端口C, Bit 2</p><p>　　TCK，JTAG測試時鐘： JTAG工作在同步模式下。當JTAG接口使能，該引腳不能作為I/O引腳。</p><p>　?、?SDA –

89、 端口C, Bit 1</p><p>　　SDA，兩線串行接口數(shù)據(jù)：當寄存器TWCR的TWEN位置1使能兩線串行接口，引腳 PC1不與端口相聯(lián)，且成為兩線串行接口的串行數(shù)據(jù)I/O引腳。在該模式下，在引腳處使用窄帶濾波器抑制低于50 ns 的輸入信號，且該引腳由斜率限制的開漏驅(qū)動器驅(qū)動。當該引腳使用兩線串行接口，仍可由PORTC1位控制上拉。</p><p>　?、?SCL – 端口C,

90、Bit 0</p><p>　　SCL，兩線串行接口時鐘：當TWCR寄存器的TWEN位置1使能兩線串行接口，引腳 PC0未與端口連接，成為兩線串行接口的串行時鐘I/O引腳。在該模式下，在引腳處使用窄帶濾波器抑制低于50ns的輸入信號，且該引腳由斜率限制的開漏驅(qū)動器驅(qū)動。當該引腳使用兩線串行接口，仍可由PORTC0位控制上拉。</p><p>　　端口D(PD7..PD0) 端口D 為8 位

91、雙向I/O 口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D 處于高阻狀態(tài)。</p><p>　　端口D 的第二功能：</p><p>　　表3-3 引腳功能表</p><p><b>　　第二功能配置如下：&

92、lt;/b></p><p>　?、?OC2 – 端口 D, Bit7</p><p>　　OC2，T/C2輸出比較匹配輸出：PD7引腳作為T/C2輸出比較外部輸入。在該功能下引腳作為輸出(DDD7置1) 。在PWM模式的定時器功能中，OC2引腳作為輸出。</p><p>　?、?OC1A – 端口D, Bit5</p><p>　　O

93、C1A，T/C2輸出比較匹配A輸出 ：PD5引腳作為T/C1輸出比較A外部輸入。在該功能下引腳作為輸出(DDD5置1) 。在PWM模式的定時器功能中，OC1A引腳作為輸出。</p><p>　?、?OC1B – 端口D, Bit4</p><p>　　OC1B，T/C1輸出比較匹配B輸出 ：PD4引腳作為T/C1輸出比較B外部輸入。在該功能下引腳作為輸出(DDD4置1) 。在PWM模式的定

94、時器功能中，OC1B引腳作為輸出。</p><p>　　⑷ INT1 – 端口D, Bit3</p><p>　　INT1，外部中斷1。PD3引腳作為MCU的外部中斷源。</p><p>　?、?INT0 – 端口D, Bit2</p><p>　　INT0，外部中斷0。PD2引腳作為MCU的外部中斷源。</p><p&g

95、t;　?、?TXD – 端口D, Bit1</p><p>　　TXD是USART的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。當使能了USART的發(fā)送器后，這個引腳被強制設置為輸出，此時DDD1不起作用。</p><p>　?、?RXD – 端口D, Bit0</p><p>　　RXD是USART的數(shù)據(jù)接收引腳。當使能了USART的接收器后，這個引腳被強制設置為輸出，此時DDD0不起作用。但

96、是PORTD0仍然控制上拉電阻。</p><p><b>　　3、其他引腳說明</b></p><p>　　VCC 數(shù)字電路的電源</p><p><b>　　GND 地</b></p><p>　　RESET 復位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復位。門限時間見P36Table

97、 15。持續(xù)時間小于門限間的脈沖不能保證可靠復位。</p><p>　　XTAL1 反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘操作電路的輸入端。</p><p>　　XTAL2 反向振蕩放大器的輸出端。</p><p>　　AVCC 是端口A與A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應直接與連接。</p><p>　　3.5 超聲波傳感器測距原理</p

98、><p>　　為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。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。超聲波傳感器可以是超聲波的發(fā)射裝置，也可以是既能發(fā)射又能接收發(fā)射超聲回波的裝置。超聲波傳感器一般都能將聲信號轉(zhuǎn)換成電信號，屬于典型的雙向傳感器。</p><p>　　超聲波探頭按其結構可分為直探頭、斜探頭、雙探頭和液浸探頭；若按其工作原理又可分為壓電式、磁

99、致伸縮式、電磁式等。實際使用中最常見的是壓電式探頭。</p><p>　　圖3-3超聲波傳感器</p><p>　　壓電式探頭其結構如圖所示：一般它的內(nèi)部都有一個振子，所謂振子就是一塊金屬片上貼著壓電陶瓷，如果給壓電陶瓷上加電壓，它就會根據(jù)電壓的大小產(chǎn)生相應的機械變形，進而產(chǎn)生機械振動，就是所謂的壓電現(xiàn)象，從而發(fā)射出超聲波，當共振板接收到超聲波時,將壓迫壓電陶瓷作振動, 將機械能轉(zhuǎn)換為電信

100、號, 這時它就成為超聲波接收器了。</p><p>　　超聲測距原理是采用渡越時間法TOF（time of flight）。即通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波的時間,在已知超聲波聲速的前提下,可計算出距離。即,其中s為機器人與障礙物之間的距離,v為聲波在介質(zhì)中的傳播速度,t為超聲發(fā)射到返回的時間間隔。因此,只要知道超聲波在介質(zhì)中的速度V和超聲波被障礙物反射接收時刻與超聲波發(fā)出時刻差值t,就能夠計算出

101、機器人到障礙物的距離</p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　若sh 時,則d ≈ s。但是,超聲波在空氣中的傳播速度和溫度有關,根據(jù)文獻,空氣中的聲速為</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p>　　γ為定壓分子熱容量與定容分子熱容量的比值,R為氣

102、體常數(shù),T為絕對溫度,μ為氣體的分子量。因此為了獲得較精確的聲速, 必須引入溫度補償。</p><p><b>　　4模塊軟件程序</b></p><p><b>　　4.1主程序</b></p><p>　　主程序?qū)φ麄€單片機系統(tǒng)進行初始化后，先將超聲波的回波接收標志位置位并且使單片機P1.0端口輸出一個低電平用來啟動超

103、聲波發(fā)射電路，同時將定時器T0啟動，然后調(diào)用距離計算的子程序，再根據(jù)定時器T0記錄的時間計算出所需要測量的距離，然后再調(diào)用顯示子程序，再將測出的距離以十進制的形式送到數(shù)碼管顯示，同時調(diào)用聲音處理程序來控制蜂鳴器進行報警。最后主程序通過對回波信號的接收，完成后續(xù)的工作，假如標志位清零則說明接收到了回波信號，那么主程序就返回到初始端重新將回波接收標志位置位并且在單片機的P0.1端口上發(fā)送低電平到超聲波發(fā)射電路，就這樣，連續(xù)不斷地運行，循環(huán)不

104、斷地工作用來實現(xiàn)測距。 </p><p>　　整個系統(tǒng)的設計的關鍵是對距離進行測量的，然后通過單片機來處理測量數(shù)據(jù)是比較容易實現(xiàn)的，能精確的實現(xiàn)測距。在測距中，各種信號包括溫度對聲速的影響都將干擾到測距的準確性，其中超聲波的余波信號對整個設計中測距的精確度的干擾的影響比較大[7]。超聲波接收回路中的超聲波信號一共有兩種波信號：第一種波信號為余波信號就是當發(fā)射探頭發(fā)射出信號之后，超聲波接收探頭馬上就接收到的超聲波信

105、號，實際就是超聲波的發(fā)射信號[7]；另一種波信號就是有效信號，即經(jīng)過障礙物表面反射回來的超聲波回波信號[7]，也是所需要測量的距離數(shù)值。 </p><p>　　在進行超聲波測距時，實際上測距就是記錄從超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲波信號開始到接收到信號的聲波的往返時間差，然后通過數(shù)據(jù)計算出距離，對于回波信號需要進行檢測的有效信號是反射物體反射的回波信號，所以要盡量避免在檢測時候檢測到余波信號。余波就是在發(fā)射超聲波時超聲波

106、信號直接到達接受探頭的波信號，同時余波信號也是超聲波測量時存在測量盲區(qū)的最主要的原因。 </p><p>　　超聲波接收電路在接收到超聲波回波后，通過CX20106A電路進行檢波整形比較，并向單片機發(fā)出有效信號，單片機通過外部中斷的改變記錄回波信號的到達時間，中斷發(fā)生之后就是表示已經(jīng)接收到了回波信號，這個時候停止計時，并且讀取計數(shù)器中的數(shù)值，這個數(shù)值就是需要進行測量的時間差的數(shù)據(jù)。</p><

107、p>　　程序中對測距距離的計算方法是按S=17×N/1000=0.017×N(cm)進行計算的，其中，N為計數(shù)器的值，聲速的值取為340 m/s。 </p><p>　　綜合以上的分析可得到系統(tǒng)主程序流程圖，系統(tǒng)主程序的流程圖如圖4.1所示</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　4.2超聲波發(fā)送子程序</p&

108、gt;<p>　　ATmega16單片機有四個可產(chǎn)生相位、頻率可調(diào)的PWM脈寬調(diào)制輸出。通過PD5引腳，輸出頻率為超聲波發(fā)生器的諧振頻率，即40kHz的方波脈沖，脈沖寬度及持續(xù)時間均可以根據(jù)實際需要進行調(diào)整。超聲波發(fā)射頭在該周期性方波防撥信號的激勵下，向外界發(fā)射超聲波。</p><p>　　圖4-2 超聲波發(fā)送子程序流程圖</p><p>　　4.3超聲波速度計算子程序<

109、;/p><p>　　測量距離，其中為聲速，而環(huán)境中溫度對聲速均會產(chǎn)生影響，這對以聲速來計算測量結果的超聲波接近覺傳感器來說是一個主要的誤差來源，空氣中聲速的大小可以近似表示為</p><p><b>　　(4-1)</b></p><p>　　式中為時的聲速，為時的聲速，為溫度。所以為了比較精準地測量距離，我們需要對聲速進行溫度補償，溫度采集我們使

110、用DS18B20來實現(xiàn)。</p><p>　　圖4-3 超聲波聲速計算子程序流程圖</p><p>　　4.4距離計算子程序</p><p>　　圖4-4是超聲波測距具體計算模塊的基本結構。整個系統(tǒng)由ATmega16單片機來控制，啟動測量時，由單片機發(fā)送一個控制信號去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路起振，驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖（大約十幾個脈沖），同時啟動單片機

111、的計時器開始計時，也就是開始測量渡越時間。當這些脈沖到達被測目標時發(fā)生反射，經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器接收，再由放大電路進行放大。接收到的第一個脈沖去觸發(fā)單片機的計數(shù)器，使計數(shù)器停止。此時，計數(shù)器中的值即是所要檢測的渡越時間所對應的脈沖個數(shù)N，利用這個N就可以圖中公式計算出所測距離。</p><p>　　圖4-4 距離計算子程序流程圖</p><p>　　4.5溫度補償子程序</p&g

112、t;<p>　　DS18B20的測溫原理如下所示，低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量，從而達到溫度補償?shù)哪康摹?lt;/p><p>　　圖4-5 溫度補償子程