五电路调试及误差分析5.1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3.8V。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25μs，半周期为12.5μs。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1μs，所以只能产生半周期为12μs或13μs的方波信号，频率分别为41.67kHz和38.46kHz。本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。
5.2系统的误差分析
5.2.1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
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(5-1)式(5-1)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、内耗以及形状大小(产生折射、反射、衍射等)有关。
从式(5-1)可知，声波传输速度与媒介的弹性模量和密度相关，因此，利用声速测量距离，就要考虑这些因素对声速影响。在气体中，压强、温度、湿度等因素会引起密度变化，气体中声速主要受密度影响，液体的深度、温度等因素会
26引起密度变化，固体中弹性模量对声速影响较密度影响更大，一般超声波在固体中传播速度最快，液体次之，在气体中的传播速度最慢。气体中声速受温度的影响最大。
声速受温度的影响为
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(5-2)图5-1根据上式测量的温度-声速图。
图5-1空气中温度-声速图由式(5-2)和图5-1可见，当温度θ从0～40℃变化时，将会产生7%的声速变化，因此，为了提高测量准确度，计算时必须根据温度进行声速修正。工业测量中，一般用公式计算超声波在空气中的传播速度，即
c??331?0.6?(5-3)5.2.2单片机时间分辨率的影响
不管是查询发射波与回波，还是由其触发单片机中断再通过软件启停定时器，都需要一定的时候，中断的方式误差相对要小一些。
相对而言，单片机的时间分辨率还是不太高，如晶振频率为12MHz时，时间分辨率为1μs。
随机误差
由于测量过程中的随机误差是按统计规律变化的，为了减少其影响，可在同一位置处多次重复测量xi，然后取平均值x作为测量的真值提高测距精度的方法
上节分析了超声波测距系统误差产生的一些原因，如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施如下：
1.合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期。
据经验，超声测距的工作频率选择40kHz较为合适；发射脉宽一般应大于填
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。
充波周期的10倍以上，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度快，脉冲发射周期可选短些。
2.在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节。因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用AGC电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。
3.提高计时精度，减少时间量化误差。
如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率6MHz时，计数频率为0.5MHz，此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小[11]。
4.补偿温度对传播声速的影响。超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。
温度传感器LM92的温度测试分辨率为0.0625℃，－10℃至+85℃准确度为±1.0℃，IC总线接口。用AT89C51的通用I/O端口能很容易的模拟IC总线的读写时序，LM92高精度温度测量能很好的补偿超声波在不同温度的传播速度。
由LM92温度传感器和单片机组成的高精度超声波测距已应用在各种高精度测距的场合，如自动气象站中水气日蒸发量的测试、自动任意形状物体密度测试仪等，它具有测试速度快，能达到毫米级的测量精度等优点，在工程上的开发与应用前景广阔[12]。
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5.4本章小结
在本章里，对设计的电路进行了调试和分析。对于测距系统来说，误差是不可避免的。如何减小系统的误差，是设计测距系统必需要考虑的问题。本章分析了各种产生测量误差的原因以及解决办法，以更进一步提高超声波测距系统的测量精度。
28结论本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。给出了硬件和软件的设计方案。
超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。只有深入地了解超声波传感器的工作原理，才能更好的设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司生产的AT89C51芯片。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74HC04六反向器，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用的是LM741，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片机响应中断程序。本系统的LED显示部分采用的是静态扫描方式，并用单片机软件译码。单片机内部采用C语言编程，方波信号的产生、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码都由单片机编程完成。
本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距范围从20cm到200cm，测量精度在±10cm内。测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。
总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。
29致谢首先感谢我的专业老师张永亮，在张老师的耐心指导、帮助下，我才能顺利完成毕业设计。从电路的设计到调试整个过程中，我都从张老师那里学会了很多专业方面的知识。
还要感谢老师和渣鸿山老师，在我的毕业设计中给单片机烧录程序，两位老师为我提供单片机编程器以及对我的细心指导，衷心感谢他们。
感谢主楼六楼实验室的各位老师和领导为我提供单片机仿真器和示波器等实验仪器，没有他们的支持和帮助，我的毕设也不能顺利进行。
感谢在毕设中帮助过我的所有同学和师兄师姐们。最后感谢我的家人、朋友对我的支持。
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基于51单片机的超声波测距毕业论文 非常详细
