【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(jī)的脈沖反射式超聲波測(cè)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(cè)量待測(cè)距離。論文概述了超聲檢測(cè)的發(fā)展及基本原理，介紹超聲波傳感器的原理及特性。對(duì)于測(cè)距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論。并且在介紹超聲測(cè)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(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)的功能，且 針對(duì)測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測(cè)、顯示部分、 數(shù)據(jù)保存 的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證。進(jìn)一步介紹了單片機(jī) 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(shí)現(xiàn) ， 最后利用測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明 ： 各主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)有限范圍的距離測(cè)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行完善 。 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 第一章 超聲波測(cè)距 概述 第一節(jié) 超聲 波 檢測(cè)的發(fā)展 隨著機(jī)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(duì)機(jī)器人的了解顯得尤為重要。機(jī)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(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋 線、測(cè)距等功能。超聲波測(cè)距相對(duì)其他測(cè)距技術(shù)而言成本低廉 ,測(cè)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。超聲波由于指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、測(cè)距儀、物位測(cè)量儀、移動(dòng)機(jī)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場(chǎng)合。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)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(shí)用和有商業(yè)價(jià)值的。 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上 也得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。超聲波測(cè)距系統(tǒng)，就是為機(jī)器人了解其前方、左側(cè)和右側(cè)的環(huán)境而提供一個(gè)運(yùn)動(dòng)距離信息。 為了研究和利用超聲波 ，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，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(jī)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(dòng)型等；機(jī)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(cè)距 特性 一、 超聲波用于距離測(cè)量的優(yōu)勢(shì) 由于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，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(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界 面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，因而 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量。超聲波有兩個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是能量大，一個(gè)是沿直線傳播，它的應(yīng)用就是按照這兩個(gè)特點(diǎn)展開的。超聲波與一般聲波比較，它的振動(dòng)頻率高，而且波長短，因而具有束射特性，方向性強(qiáng)，可以定向傳播，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(cè)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(cè)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(jī)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(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)非聲學(xué)量（如密度、濃度、強(qiáng)度、彈性、硬度、粘度、溫度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的測(cè)定。它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)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(shí)，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應(yīng)變化，測(cè)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(diǎn)：在不破壞媒質(zhì)特性的情況下實(shí)現(xiàn)非接觸性測(cè)量，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第二章 超聲波測(cè)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(hào)。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(diǎn)是可以不嚴(yán)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(hào)發(fā)生器來產(chǎn)生一個(gè)特定頻率的信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以是正弦信號(hào)，也可以是脈沖信號(hào)，這個(gè)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(jī)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(dòng)型 等；機(jī)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(shí)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(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波 時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換 為電信號(hào)，這時(shí)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(jì) 5 第三節(jié) 超聲波測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測(cè)法測(cè)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(dá)測(cè)量目標(biāo)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(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。 假定 s 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)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(duì)超聲波傳播速度的影響，按式 (2)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 v=+ (2) 式中， T 為實(shí)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(jì) 6 第三章 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件設(shè)計(jì) 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(cè)距模塊，此模塊的特點(diǎn)是可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可高達(dá) 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(biāo)依據(jù) HCSR04系列超聲波測(cè)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(cè)功能，超出測(cè)量范圍液晶 1602 顯示 Err，測(cè)距精度可高達(dá) 3mm，但是本系統(tǒng)最小的顯示單位是 1cm，所以測(cè)量的最小精度是 1cm。 系統(tǒng)可提供 M1M9 總共 9個(gè)數(shù)據(jù)保存， key2 鍵是上翻 M1M9， key3 鍵是下翻 M1M9，key1 鍵是測(cè)距鍵，每當(dāng)按下 key1 鍵，系統(tǒng)測(cè)距一次，測(cè)距后的數(shù)據(jù)保存在當(dāng)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(jī)后總共的測(cè)距次數(shù)，本系統(tǒng)還提供了開機(jī)或復(fù)位后，系統(tǒng)自動(dòng)的跳轉(zhuǎn)到關(guān)機(jī)前狀態(tài)。 超聲波測(cè)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(bǔ)償電路）。 圖 31 超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)圖 本系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路，存儲(chǔ)電路、超聲波測(cè)距模塊四部分組成。軟件部分主要有主程序、超聲波測(cè)距程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等部分。 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 第二節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一、 單片機(jī)電路及主程序 系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路，存儲(chǔ)電路、超聲波測(cè)距模塊四部分組成。采用AT89S52 來實(shí)現(xiàn)對(duì) HCSR04 系列超聲波測(cè)距模塊、 24c0 1602 的控制。單片機(jī)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(jī)通過 INT0 引腳不停的檢測(cè)模塊的 Echo 引腳，當(dāng) INT0 引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng) 返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)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(cè)試數(shù)據(jù)，用 1602 顯示測(cè)試數(shù)據(jù)和測(cè)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(jì) 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(cè)距程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序等部分。程序流程圖 如圖 34所示。 開始 按鍵檢測(cè) 測(cè)距函數(shù) 顯示和存儲(chǔ)測(cè)試結(jié)果 系統(tǒng)初始化 河南工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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)。