【正文】 。16附 錄 一 超聲波測(cè)距電路原理圖 18附 錄 二 超聲波測(cè)距電路版圖 19附 錄 三 程序清單 20 緒 論Ⅰ.1 課題設(shè)計(jì)目的及意義Ⅰ. 設(shè)計(jì)的目的隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來越廣。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求，如聲納的發(fā)展趨勢(shì)基本為：研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波測(cè)距儀將與自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距儀。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。Ⅰ. 設(shè)計(jì)的意義隨著科技的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。但是，由于歷史原因合成時(shí)間住的許多不可預(yù)見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往落后于城市建設(shè)。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。城市污水給人們帶來了困擾，因此箱涵的排污疏通對(duì)大城市給排水系統(tǒng)污水處理，人們生活舒適顯得非常重要。而設(shè)計(jì)研制箱涵排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制的核心部分。控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距儀的研制。因此，設(shè)計(jì)好的超聲波測(cè)距儀就顯得非常重要了。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的意義。Ⅰ.2 超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)思路Ⅰ. 超聲波測(cè)距原理[1，2]發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 υ 在空氣中傳播，在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測(cè)物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)，下表列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。?11 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（m／s）313 319 325 323 338 344 349 386Ⅰ. 超聲波測(cè)距儀原理框圖如下圖單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。圖 11 超聲波測(cè)距儀原理框圖1 課程的方案設(shè)計(jì)與論證 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計(jì)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。利用超聲波檢測(cè)距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡(jiǎn)單，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動(dòng)化的使用要求。 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、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。目前在近距離測(cè)量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C51 單片機(jī)作為控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器。 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。實(shí)用的測(cè)距方法有兩種，一種是在被測(cè)距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計(jì)；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測(cè)距儀。此次設(shè)計(jì)采用反射波方式。 測(cè)距儀的分辨率取決于對(duì)超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時(shí)會(huì)有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測(cè)量時(shí)應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測(cè)量時(shí)應(yīng)用低頻率的傳感器。2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由單片機(jī) AT89C51 編程產(chǎn)生 40kHz 的方波，由 口輸出，再經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號(hào)，通過接收電路的檢波放大、積分整形及一系列處理,送至單片機(jī)。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時(shí)間間隔計(jì)算出障礙物的距離,并由單片機(jī)控制顯示出來。該測(cè)距裝置是由超聲波傳感器、單片機(jī)、發(fā)射/接收電路和 LED 顯示器組成。傳感器輸入端與發(fā)射接收電路相連,接收電路輸出端與單片機(jī)相連接,單片機(jī)的輸出端與顯示電路輸入端相連接。其時(shí)序圖如圖 12 所示。圖 12 時(shí)序圖單片機(jī)在 T0時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。計(jì)算時(shí)間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時(shí)間 t，由此便可計(jì)算出距離。 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理[3~6] 51 系列單片機(jī)的功能特點(diǎn) 5l 系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 TO 和T1，4 個(gè) 8 b 的工／O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器(E~PROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 21 所示。 5l 系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB 存儲(chǔ)器；256 BRAM；32 條工／O 線；2 個(gè)16b 定時(shí)／計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 S＝Ct／2，式中的 C 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的特點(diǎn)是利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對(duì)超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)，單片機(jī)選用 AT89C51，經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 4K 的 ROM，便于編程。電路原理圖如圖 24 所示。 圖 24 超聲波測(cè)距電路原理圖3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。我們知道 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)） ，又要求精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)） ，所以控制程序可采用 C 語言和匯編語言混合編程。 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì) [10] 超聲波測(cè)距的原理為超聲波發(fā)生器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為： d=s/2=(ct)/2 （1） 其中，d 為被測(cè)物與測(cè)距儀的距離，s 為聲波的來回的路程， c 為聲速，t 為聲波來回所用的時(shí)間。 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在 INT0 或 INT1 端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。其部分源程序如下： TMOD=0X01。 //T0 計(jì)數(shù)，方式 1TH0=0。 //計(jì)數(shù)初值TL0=0。 //計(jì)數(shù)初值IT0=1。 //INT0 負(fù)脈沖觸發(fā)EA=1。 //開總中斷EX0=1。 //開外部 INT0 中斷AGAIN=1。WHILE(1){UCHAR X。IF(ON==0) //啟動(dòng)鍵處理{DELAY1MS(5)。 //按鍵消抖IF(ON==0){ONOFF=1。 //啟動(dòng)WHILE(ON)。 //等待按鍵釋放}}IF(OFF==0) //停止鍵處理{DELAY1MS(5)。 //按鍵消抖IF(OFF==0){ONOFF=0。 //停止WHILE(OFF)。 //等待按鍵釋放}}IF(ONOFF){OUT=0。 //產(chǎn)生方波,輸出低電平 模擬發(fā)射DELAYS()。 //延時(shí) 產(chǎn)生幾個(gè)微秒的低電平,讓模擬反射的單片機(jī)能正確接收信號(hào)OUT=1。 //恢復(fù)高電平,停止模擬發(fā)射TH0=0。TL0=0。AGAIN=0。 //TR0=1。 //T0 開始計(jì)數(shù)FOR(X=0。X20。X++)DISPLAY()。 //數(shù)碼管顯示IF(AGAIN==0){BWEI=SHWEI=GWEI=0。}}ELSE{BWEI=SHWEI=GWEI=10。}}} VOID INT0(VOID) INTERRUPT 0 USING 1 //INTO 中斷服務(wù)程序 { FLOAT COUNT。 ULONG NUM。 TR0=0 。 //停止計(jì)數(shù) COUNT=(TH0*256+TL0)/2。 NUM= (COUNT/10000)*344。//計(jì)算超聲波來回距離 // NUM= NUM/2。 //總距離除 2 等于實(shí)際距離 主程序流程圖 軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，如圖 31 所示。主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。 定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。 主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器 T0 工作模式為 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式。置位總中斷允許位 EA 并給顯示端口 P0 和 P1 清 0。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約 ms（這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因）后，才打開外中斷 0 接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12 MHz 的晶 振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 1μs，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（2）計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃時(shí)的聲速為 344 m/s 則有： d=(ct)/2=172T0/10000cm (2) 其中，T0 為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)算值。 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式送往 LED 顯示約 ，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用 C 語言編寫。 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過 端口發(fā)送 2 個(gè)左右超聲波脈沖信號(hào)（頻率約 40kHz 的方波） ，脈沖寬度為 12μs左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波發(fā)生子程序較簡(jiǎn)單，但要求程序運(yùn)行準(zhǔn)確，所以采用匯編語言編程。 超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷 0 檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即 INT0 引腳出現(xiàn)低電平） ，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器 T0 停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T0 溢出中斷將外中斷 0 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 2 以表示此次測(cè)距不成功。 前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī) INT0 端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門 IC3A 的輸出接單片機(jī) INT1 端口，同時(shí)單片機(jī) 和 接到 IC3A 的輸入端，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左