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第五章 调试与检测
第3、4章介绍了本设计的硬件设计与软件设计，因此本章节主要讲述本系统设计后的成品检测与调试，包括软硬件测试、误差分析、误差来源、解决方案等。 5.1 硬件测试
调试时使用到的仪器设备和软件如表5.1所示：
表5.1 仪器设备与软件
名称 数字万用表 示波器 计算机 STC_ISP_V480下载器 Keil uVision4 Altium Designer 数量 1台 1台 1台 1 1 1 备注 用于检测电阻阻值、三极管的好坏以及线路的通断等 检测输出脉冲是否为方波、频率是否为40KHZ 做毕业设计的平台 把编好的程序写进单片机，以对系统进行调试 编译程序 画电路原理图与PCB图 硬件测试主要是测试STC89C51的P1.0引脚能否发出40KHz方波、超声波的发射接收、数码管显示以及蜂鸣器、LED发光等模块电路的测试，硬件电路测试结果如表5.2所示：
表5.2 硬件电路测试结果
测试单元 超声波的发射接收电路 数码管显示电路 蜂鸣器 P1.0引脚 DS18B20
测试结果 能发射接收信号 4位数码管能正常显示距离 功能正常 功能正常 功能正常
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发光LED 能正常亮灭 通过以上结果可知，本设计系统可以正常工作。
系统检测距离与实际距离对照表5.3所示：（当前测试时的环境温度为27℃）
表5.3 系统检测距离与实际距离对比
数码管显示距离（cm） 实际距离(cm) 误差(cm) 19 30 39 49 57 69 77 88 97 108 118 127 138 20 31 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1 1 1 1 3 1 3 2 3 2 2 3 2 从表5.3可以看出，当检测距离小于70cm时，系统误差相对距离大于70cm的小。系统测试时，发现当测试距离超过90cm时，数码管显示的数字比较暗，可能是因为超声波发射越远，需要的能量就越大，所以在测量距离大时，数码管显示的数据有所变暗。其次，数码管显示的数据有点闪烁，经过延时调试仍未能得到解决。 5.2 软件测试
软件测试主要是检测程序是否正确以能触发HC-SR04发出脉冲、DS18B20能否正常初始化、数据能否正常发送给P0口显示等。
（1）LED1绿灯正常亮，说明HC-SR04能接收到回波信号，触发程序正确； （2）当所测距离小于10cm(预置值)时，LED2红灯亮、蜂鸣器发出声音实现声光报警提示，数码管显示程序正确；
（3）DS18B20能正常工作，正确显示当前环境温度。 5.3 结果分析
通过对系统硬件及软件的不断测试，系统现已可以实时显示测试的距离，并可以根据温度对超声波的速度进行温度补偿，从而进一步提高测量距离的精确度。当量程小于10cm有声光报警，距离大于200cm时数码管显示CCC，温度大于90℃时蜂鸣器报警。本设计系统功能虽然不是非常完善，部分问题尚未能解决，但是基本达到选题要求。产品可以方便使用，而且成本低廉，在矿井探测和倒车测距等方面本系统具有很高的应用价值。
5.4 误差来源
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1）晶振和两个电容离单片机过远，影响系统误差。实际中应该要使晶振离单片机越近越好，两个电容离晶振越近越好，这样可以使系统误差尽可能减小。但由于做好板子后，上网查到相关信息才发现自己在布板方面存在的问题，由于经费和避免资源浪费，发现后就不重新再做板子了；
2）温度是影响测量误差的关键。超声波在不同温度下的传播速度不同，因此测量时候进行温度补偿是解决此问题的好方法，但温度补偿仍然存在一定的微小误差； 3）湿度也是影响系统误差的一个重要因素，干燥空气的声速为：
C=C01?t/T0 （2）
其中，正常情况下，标准状况下干燥空气中的声速为C0=331.45m/s，而在室温t℃时，T0=273.15K。
而实际空气并不完全是干燥的，总会含有一些水蒸气，经过对空气平均摩尔质量和比热比此γ的修正。修正后的声速公式为：
C=331.45(1?pt)?(1?0.3192?w) （3） T0p式中：pw为水蒸气的分压强，取p=1.01325×105Pa； T0为273.15K；t为测量的空气温度； C为经补偿后的声速。
由此可见，由于本设计未采取湿度补偿，由此由于湿度等因素，系统存在一些误差。 5.5 解决方案
本设计中系统的误差有计数误差和系统误差。计数误差一般存在量化误差、时基误差和触发误差；而系统误差主要由温度和湿度引起的，这是因为距离S=V×T，超声波的在空气中的传播速度因温度和湿度的不同而不同。为了提高测量精度，解决的方案有中值滤波发，如文献[4]所示；采用温度、湿度双补偿方法可以进一步提高系统测量精度，如文献[5]所示，由于技术限制，本设计只采用温度补偿，但测量误差在允许范围内；采用延时技术可以解决超声波发射极和接收极距离太近所造成的串扰问题，如文献[6]所示；采用变阀值鉴幅固定补偿法，如文献[7]所示，可以减少误差，提高测距精度；同时，文献[8]-[11]中还提出了其它一些提高测量精度的方法。 5.6 本设计所做工作
1）为完成本系统的设计，查阅了大量的网络资料和重要文献，较为全面地了解超
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声波发射与接收原理，进一步了解单片机的开发与应用。此外，还掌握了数码管、DS18B20和蜂鸣器的应用。
2）硬件设计方面，详细了解各模块具体的设计方案。在熟悉各功能模块的基础上，自己绘电路原理图和PCB布线，做好了超声波发射和接收的硬件模块，虽然发射和接收模块是前期所做的失败品，后期改用HC-SR04模块，但在这一阶段我了解了CX20106A的工作原理与应用。在整个系统调试过程中多次用到示波器等仪器，现已较熟练地掌握了示波器等仪器的使用。
3）软件设计方面，超声波发射程序最初是采用单片机内部的定时器/计数器0定时中断产生40KHz的脉冲，但由于经示波器调试很久后，都未见有合适的脉冲输出，故后期改为用HC-SR04模块来发射接收超声波。同时，由于DS18B20对时间延时要求比较高，如果延时不够精确，则将会使DS18B20初始化失败。为此，我通过网上查找资料，学会了用软件精确延时的方法来确定延时的时间。
4）软硬件调试方面，通过对每个模块和功能的不断测试和修改完善，最终得出成品。
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总结与展望
本设计的超声波测距系统具有结构简单、操作灵活、功耗低、小成本的特点，它具有良好的人机界面，能方便实时显示测量的距离。在实际制作中添加了DS18B20温度补偿电路来减小测量误差。本系统能进行声光报警提示和实时显示测量距离，能很好应用于汽车行进或倒车中，对汽车前后方的障碍物进行检测，及时显示障碍物的距离及声光报警处理。该系统比较适合应用于倒车及夜间行驶等情况下。
虽然系统最终得以完成，但仍存在部分缺陷，仍有一些功能需要提高：
1、此系统测试距离比较近，如果能设计一个具有较强驱动能力的超声波发射电路与接收电路，系统测得距离会更远；
2、单片机系统板的DS18B20跟蜂鸣器距离有点近，这也是本设计的一个缺陷，当蜂鸣器响导通时会发热，影响温度补偿的精度，布PCB图时应把DS18b20与发热器件隔开；
3、本系统还欠缺语音实时播报功能以及湿度补偿功能。