設計一個路程檢測裝置

❶ 如何用試驗的方法測量出單個車輪與地面的摩擦力如果要設計一個這種測力裝置的話，測試原理是什麼

回答：車輪與地面的摩擦為滾動摩擦，這是因為車輪與地面接觸部分沒有專相對運動屬。所以要測量單個車輪的摩擦力，只能在車輪正常工作的條件下，用測力計測量整個系統的滾動摩擦力，然後根據是幾個輪子在工作，把測量值除以輪子個數來大致得出單個輪子的摩擦力。
如果不是在輪子工作狀態，就不能得出輪子工作時的摩擦力值。滾動摩擦受影響因素很多，比如，承載的壓力，輪胎形變大小，接觸面形變大小等。所以目前初級物理研究階段，滾動摩擦都是實驗測量而不是計算。

❷ 求基於AT89C52超聲波測距簡易設計的源程序，要求用3個LED管顯示其測距，精確到小數點後2位如，X.XX米。

目前國內超聲波測距器的設計大多採用匯編語言設計。由於單片機應用系統的日趨復雜，要求所寫
的代碼規范化，模塊化，並便於多人以軟體工程的形式進行協同開發，匯編語言作為傳統的單片機應用系
統的編程語言，已經不能滿足這樣的實際需要了，而C語言以其結構化和能產生高效代碼滿足了這樣的需
求，成為電子工程師進行單片機系統編程時的首先編程語言。在本設計中，由於C語言程序有利於實現較
復雜的演算法，匯編語言程序具有較高的效率並且容易精確計算程序運行的時間，而超聲波測距器的程序既
有較復雜的距離計算又要求精確計算超聲波測距時程序運行的時間，所以本設計採用C語言和匯編語言
混合編程來實現。本文論述的是一種基於AT89C52單片機的超聲波測距器，可用於汽車倒車等場合⋯。
1設計要求
設計一個超聲波測距器，可以應用於汽車倒車、建築施工工地以及一些工業現場的位置監控，也可用
於如液位、井深、管道長度的測量等場合。要求測量范圍在0．10—5．00 m，測量精度lem，測量時與被測物
體無直接接觸，能夠清晰穩定地顯示測量結果。
2設計思路
2．1超聲波及其測距原理
超聲波是指頻率高於20KHz的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。
完成這種功能的裝置就是超聲波感測器，習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波感測器有發送
器和接收器，但一個超聲波感測器也可具有發送和接收聲波的雙重作用。超聲波感測器是利用壓電效應
的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發射超聲波的時候，將電能轉換為超聲波，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採用渡越時間法TOt(time of fliight)。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。測量距離的方法有很多
種，短距離的可以用尺，遠距離的有激光測距等，超聲波測距適用於高精度的中長距離測量。因為超聲波
收稿日期：2008-04-08
作者簡介：周功明(1963一)，男，副教授，主要研究方向：電子信息科學技術。
·50· 綿陽師范學院學報(自然科學版) 第27卷
在標准空氣中的傳播速度為331．45粑秒，由單片機負責計時，單片機使用12．0M晶振，所以此系統的測
量精度理論上可以達到毫米級。由於超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播距離遠，因而超聲波
可以用於距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，並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
屬於近距離測量，可以採用常用的壓電式超聲波換能器來實現【7】。
2．2超聲波測距器的系統框圖
根據設計要求並綜合各方面因素，可以採用AT89C52單片機作為主控制器，用動態掃描法實現LED
數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統框圖如下圖l所示¨2|：
3系統組成
3．1硬體部分
主要由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組成。採用AT89C52來
實現對CX20106A紅外接收晶元和TCT40—10系列超
聲波轉換模塊的控制。單片機通過P1．0引腳經反相
＼
超聲波接收E ：， LED顯示單片機r
／＼
Z ∑
超聲波發送高控制器
：> 掃描驅動
圖1 超聲波測距器系統設計框圖
Fig．1 Ultrasonic eLangi．g system design diagram
器來控制超聲波的發送，然後單片機不停的檢測INT0引腳，當INTO引腳的電平由高電平變為低電平時就
認為超聲波已經返回。計數器所計的數據就是超聲波所經歷的時間，通過換算就可以得到感測器與障礙
物之間的距離¨≈J。
3．2軟體部分
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等部分。
4系統硬體電路設計
4．1單片機系統及顯示電路
單片機採用AT89C52或其兼容系列。採用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩定的時鍾頻率，減小測
量誤差。單片機用P1．0埠輸出超聲波轉化器所需的40KHz方波信號，利用外中斷0口檢測超聲波接收
電路輸出的返回信號。顯示電路採用簡單實用的4位共陽LED數碼管，段碼用74LS244驅動，位碼用PNP
三極體驅動。單片機系統及顯示電路如下圖2所示『1。31。
圖2單片機及顯示電路原理圖
Fig．2 MCU and display circuit schematics
第8期周功明等：基於AT89C52單片機的超聲波測距器設計·51．
4．2超聲波發射電路原理圖
壓電超聲波轉換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。內部結構如圖3『3Ⅲ1所示，它有兩個壓電晶片和
一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻
率等於壓電晶片的固有振盪頻率時，壓電晶片PI．O
將會發生共振，並帶動共振板振動產生超聲波，
這時它就是一超聲波發生器；如沒加電壓，當共
振板接收到超聲波時，將壓迫壓電振盪器作振
動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲
波接收轉換器。超聲波發射轉換器與接收轉換
器其結構稍有不同。
4．3超聲波檢測接收電路圖3發射電路原理圖
參考紅外轉化接收電路，本設計採用集成
F『g·3 U1『ms。nie劬啪mi『婦c『咖1『∞hem蚯c
電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用晶元，常用於電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控
常用的載波頻率38KHz與測距超聲波頻率
40KHz較為接近，可以利用它作為超聲波檢測
電路。如圖4【3 J[71超聲波檢測接收電路原理圖
所示，適當改變C4的大小，可改變接收電路的
靈敏度和抗干擾能力。⋯． J。j-二
5系統程序設計
超聲波測距軟體設計主要由主程序，超聲
波發射子程序，超聲波接收中斷程序及顯示子
程序組成。下面對超聲波測距器的演算法，主程
序，超聲波發射子程序和超聲波接收中斷程序
逐一介紹。
5．1超聲波測距器的演算法設計
GND
圖4超聲波檢測接收電路原理圖
Fig．4 Ultrasonic receiver and detection circuit schematic
圖5【_列示意了超聲波測距的原理，即超聲
波發生器T在某一時刻發出的一個超聲波信號，當超聲波遇到被測物
體後反射回來，就被超聲波接收器R所接受。這樣只要計算出發生信
號到接收返回信號所用的時問，就可算出超聲波發生器與反射物體的
距離。
距離計算公式：d=s／2=(c木t)／2，其中d為被測物與測距器的距
離，s為聲波的來迴路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。
圖5超聲波測距原理圖
Fig．5 Ultrasonic Ranging schematic
聲速c與溫度有關(見表1)，如溫度變化不大，則可認為聲速是基
本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。聲速確定後，只要測得超聲波往
返時間，即可求得距離。在系統加入溫度感測器來監測環境溫度，可進行溫度補償。這里可以用DSl8820
測量環境溫度，根據不同的環境溫度確定一聲速提高測距的穩定性。為了增強系統的可靠性，可在軟硬體
上採用抗干擾措施。
表1不同溫度下的超聲波速表
Table I Under different temperatures ultrasonic velocity Table
·52· 綿陽師范學院學報(自然科學版) 第27卷
5．2主程序
主程序首先對系統環境初始化，設置定時器1D工作模式為16位的定時計數器模式，置位總中斷允許
位EA並給顯示端Po和P2清0。然後調用超聲波發生子程序送出一個超聲波脈沖，為避免超聲波從發射
器直接傳送到接收器引起的直接波觸發，需延遲0．1ms(這也就是測距器會有一個最小可測距離的原因)
後，才打開外中斷0接收返回的超聲波信號。由於採用12MHz的晶振，機器周期為lus，當主程序檢測到接
收成功的標志位後，將計數器喲中的數(即超聲波來回所用的時
間)按下式計算即可測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=(C木TO)／2=172T0／10000cm
(其中，ID為計數器，ID的計數值)。
測出距離後結果將以十進制BCD碼方式LED，然後再發超聲
波脈沖重復測量過程。主程序框圖如圖6所示。
5．3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PI．0埠發送2個左右的
超聲波信號頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為12 US左右，同時把
計數器，ID打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢
測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號(INT0引腳出現
低電平)，立即進入中斷程序。進入該中斷後就立即關閉計時器
，ID停止計時，並將測距成功標志字賦值l。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rID溢出中斷將外中斷0關
閉，並將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功H旬J。
5．4超聲波測距器的部分程序清單
／宰超聲波測距器彈片機c程序使用Keil C51 ver 7．09
。
木／
#include<re951．h>
#define uchar unsigned int
#define uint unsigned int
#define ulong unsigned long
Extem void ca_t(void)；
Extem void delay(uint)；
Extem void display(unchar)；
Data unehar testtok；
／木超聲波測距器主程序術／
Void main(void)
{data unchar dispram[5]；
data uint i；
data ulong time；
p0=0xff；
pl=0xff；
TMOD=0X11：
IE=0x80；
While(1)
{．「}
開始
系統初始化
發送超聲波脈沖
等待發射超聲波
計算距離
顯示結果0．5s
圖6主程序框圖
diagram of the main program
第8期周功明等：基於AT89C52單片機的超聲波測距器設計·53·
6軟硬體調試
超聲波測距儀的製作和調試，其中超聲波發射和接收採用中15的超聲波換能器TCT40一IOFl(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並相距4—8 cm，
其餘元件無特殊要求。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並接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。
硬體電路製作完成並調試好後，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∞】【71。
7 結束語
本文設計的是基於AT89C52單片機的超聲波測距器，可應用於汽車倒車等場合，提醒駕駛員倒車時有
效的避開可能對倒車造成危害的障礙物和行人，從而有效避免由於倒車造成的汽車碰撞或擦傷經濟損失
和人身安全問題。具有較強的實用性。
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❸ 某同學設計了一個測量長距離電動扶梯加速度的實驗，實驗裝置如圖1所示．將一電子健康秤置於水平的扶梯台

（1）對運動員受力分析，畫出示意圖如右圖：
（2）3-6s電梯勻速運動，實驗版員受力平衡512=0.42m/s²
答：（1）畫出加速過程中實驗員的受力示意圖如圖；
（2）該次測量中實驗員的質量m為60kg；
（3）該次測量中電動扶梯加速過程的加速度大小a₁為0.56m/s²，減速過程的加速度大小a₂為0.42m/s²．