【正文】 的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。 本文介紹了一種基于單片機的脈沖反射式超聲波測距模塊。該模塊以空氣中超聲波的傳播速度為確定 條件，利用反射超聲波測量待測距離。論文概述了超聲檢測的發(fā)展及基本原理，介紹超聲波傳感器的原理及特性。對于測距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論。并且在介紹超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成 ，并且提供了用 E2prom 存儲測量數(shù)據(jù)的功能，且 針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分、 數(shù)據(jù)保存 的總體設(shè)計方案進行了論證。進一步介紹了單片機 AT89S52 在系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析了系統(tǒng)各部分的硬件及軟件實現(xiàn) ， 最后利用測距系統(tǒng)進行驗證。實驗表明 ： 各主要技術(shù)指標均達到設(shè)計要求。該系統(tǒng)對室內(nèi)有限范圍的距離測量具有較高的精度和可 靠性，最后文中分析了誤差產(chǎn)生的原因及如何對系統(tǒng)進行完善 。 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 2 第一章 超聲波測距 概述 第一節(jié) 超聲 波 檢測的發(fā)展 隨著機器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展 ,它的應(yīng)用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。如此廣泛的應(yīng)用使得提高人們對機器人的了解顯得尤為重要。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋 線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術(shù)而言成本低廉 ,測量精度較高 ,不受環(huán)境的限制 ,應(yīng)用方便，將它與紅外、灰度傳感器等結(jié)合共同實現(xiàn)機器人尋線和繞障功能。超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。它主要應(yīng)用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。本課題的研究是 非常有實用和有商業(yè)價值的。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上 也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。超聲波測距系統(tǒng)，就是為機器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個運動距離信息。 為了研究和利用超聲波 ，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 第二節(jié) 超聲波測距 特性 一、 超聲波用于距離測量的優(yōu)勢 由于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強，指向性強，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，遇到雜質(zhì)或分界 面時會產(chǎn)生反射波，因而 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 3 超聲波經(jīng)常用于距離的測量。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播，它的應(yīng)用就是按照這兩個特點展開的。超聲波與一般聲波比較，它的振動頻率高，而且波長短，因而具有束射特性，方向性強，可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。 二、 超聲波檢測技術(shù) 超聲波是指超過人的聽覺范圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三十年 ， 特別是近十年來，由于電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展，使超聲檢測技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機械、及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù) 之一。超聲技術(shù)是通過超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過程而完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。 超聲檢測技術(shù)是利用超聲波在媒質(zhì)中的傳播特性（聲速、衰減、反射、聲阻抗等）來實現(xiàn)對非聲學(xué)量（如密度、濃度、強度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測定。它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時遇到不同的界面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的聲時，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應(yīng)變化，測定這些規(guī)律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況。與傳統(tǒng)超聲技術(shù)完全不同，新的 超聲技術(shù)具有以下特點：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實現(xiàn)非接觸性測量，環(huán)境適應(yīng)能力強，可實現(xiàn)在線測量。 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 4 第二章 超聲波測距原理 第 一 節(jié) 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器，通常稱為超聲波發(fā)生源，超聲波電源。它的作用是把我們的市電（ 220V或 380V， 50 或 60Hz）轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。從放大電路形式，可以采用線性放大電路和開關(guān)電源電路，大功率超聲波電源從轉(zhuǎn)換效率方面考慮一般采用開關(guān)電源的電路形式。線性電 源也有它特有的應(yīng)用范圍，它的優(yōu)點是可以不嚴格要求電路匹配，允許工作頻率連續(xù)快速變化。從目前超聲業(yè)界的情況看，超聲波主要分為自激式和它激式電源 。 發(fā)生器的原理是首先由信號發(fā)生器來產(chǎn)生一個特定頻率的信號，這個信號可以是正弦信號，也可以是脈沖信號，這個特定頻率就是換能器的頻率，一般應(yīng)用在超聲波設(shè)備中的超聲波頻率為 20KHz、 25KHz、 28KHz、 33KHz、 40KHz、 60KHz?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型 等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 第二節(jié) 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如 圖 21 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，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波 時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換 為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 圖 21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 第三節(jié) 超聲波測距原理 超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關(guān)。 假定 s 為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為 t，超聲波傳播速度為 v 表示，則有關(guān)系式 (1) s=vt／ 2 (1) 在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式 (2)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 v=+ (2) 式中， T 為實際溫度單位為 ℃ ， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s 。 表 21 不同 溫度下的聲速 溫 度℃ 30 20 10 0 10 20 30 聲速 m/s 313 319 322 331 337 344 350 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計 第一節(jié) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射和接收電路采用 HCSR04 系列超聲波測距模塊，此模塊的特點是可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達 3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 系統(tǒng)的性能指標依據(jù) HCSR04系列超聲波測距模塊的 電氣參數(shù)，系統(tǒng)可提供 2cm200cm的非接觸式距離感測功能，超出測量范圍液晶 1602 顯示 Err，測距精度可高達 3mm，但是本系統(tǒng)最小的顯示單位是 1cm，所以測量的最小精度是 1cm。 系統(tǒng)可提供 M1M9 總共 9個數(shù)據(jù)保存， key2 鍵是上翻 M1M9， key3 鍵是下翻 M1M9，key1 鍵是測距鍵，每當按下 key1 鍵，系統(tǒng)測距一次，測距后的數(shù)據(jù)保存在當前液晶顯示的 M單元（上下鍵選擇）中，系統(tǒng)可以顯示用戶開機后總共的測距次數(shù)，本系統(tǒng)還提供了開機或復(fù)位后，系統(tǒng)自動的跳轉(zhuǎn)到關(guān)機前狀態(tài)。 超聲波測距系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖 31所示。 （本系統(tǒng)要求不是很精確，所以舍去了溫度補償電路）。 圖 31 超聲波測距系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路，存儲電路、超聲波測距模塊四部分組成。軟件部分主要有主程序、超聲波測距程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲程序等部分。 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 第二節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計 一、 單片機電路及主程序 系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路，存儲電路、超聲波測距模塊四部分組成。采用AT89S52 來實現(xiàn)對 HCSR04 系列超聲波測距模塊、 24c0 1602 的控制。單片機通過 （ T0）引腳連接模塊的 Trig 引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機通過 INT0 引腳不停的檢測模塊的 Echo 引腳，當 INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經(jīng) 返回。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。然后系統(tǒng)提供用 24c02 保存測試數(shù)據(jù)，用 1602 顯示測試數(shù)據(jù)和測試次數(shù)。 系統(tǒng)原理圖如圖 32 所示 。 圖 32 系統(tǒng)原理圖 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 系統(tǒng) PCB 圖如圖 33 所示 。 圖 33 系統(tǒng) PCB 圖 軟件部分主要有主程序、超聲波測距程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲程序等部分。程序流程圖 如圖 34所示。 開始 按鍵檢測 測距函數(shù) 顯示和存儲測試結(jié)果 系統(tǒng)初始化 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 圖 34 程序流程圖 系統(tǒng)主程序 ///////////////////////////////////主函數(shù) /////////////////////// void main() { delay(20210)。 begin1_display()。 for(c=0。c5。c++)delay(50000)。