【正文】 ........................21 長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 編譯、連接 ..................................................................................................23 系統(tǒng)仿真環(huán)境 —— Proteus ....................................................................................23 系統(tǒng)仿真 ................................................................................................................24 Proteus 工作界面 .........................................................................................24 Proteus 原理圖的繪制 .................................................................................25 仿真 ..............................................................................................................25 誤差及特性分析 ....................................................................................................27 結(jié) 論 ................................................................................................................................28 參考文獻 ...........................................................................................................................29 致 謝 ................................................................................................................................31 附錄 1 整體電路圖 .....................................................................................................32 附錄 2 程序清單 ..........................................................................................................33 附錄 3 外文復(fù)印件 .....................................................................................................41 附錄 4 外文譯文 ..........................................................................................................44 實習(xí)報告 ...........................................................................................................................41 長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題研究的背景 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)計研制箱涵排水疏通移動機器人的自動控制系統(tǒng) ，保證機器人在箱涵中自由排污疏通，是箱涵排污疏通機器人的設(shè)計研制的核心部分?？刂葡到y(tǒng)核心部分就是超聲波測距儀的研制 。 隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(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傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(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，超聲波傳感器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)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動測距聲納，以滿足水中武 器實施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實現(xiàn)超遠程的被動探測和識別；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)識別問題。毋庸置疑，未來的超聲波傳感器將與自動化智能化接軌，與其他的傳感器集成和融合，形成多傳感器。隨著傳感器的技術(shù)進步，傳感器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。 課題研究的意義 在現(xiàn)實生活中，一些傳統(tǒng)的距離測量方式在某些特殊場合存在不可克服的缺陷，例如，液面測量就是一個距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電 或脈沖檢測液面，電極長期浸泡在水中或其它液體中，極易被腐蝕、電解，從而失去靈敏性。而利用超聲波測量距離可以很好地解決這一問題。目前市面上常見的超聲波測距系統(tǒng)不僅價格昂貴，體積過大而且精度也不高等種種因素，使得在一些中小規(guī)模的應(yīng)用領(lǐng)域中難以得到廣泛的應(yīng)用。為解決這一系列難題，本文設(shè)計了一款基于 AT89C51單片機的低成本、高精度、微型化的超聲波測距儀。 長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 論文結(jié)構(gòu) 論文首先對課題的背景和意義進行闡述，并概述了論文結(jié)構(gòu)。 第 2 章先就超聲波測距的原理進行介紹，并提出了提高測距的精度的方案 —— 溫度補償，且描 述了其具體補償方式。 第 3 章針對本文采用的設(shè)計方案進行了可行性的論證，并得出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。 第 4 章介紹了設(shè)計中需要用到的主要器件，且因其在本設(shè)計的作用不同而詳盡程序亦不同。 第 5 章從整體硬件設(shè)計出發(fā)，對各部分電路進行了詳細說明。 第 6 章先給出了軟件設(shè)計的整體流程圖，并且對關(guān)鍵部分軟件設(shè)計做了進一步的解釋。 程序編譯及系統(tǒng)仿真也是本文的一個要點，所以特別分出一章來詳細介紹了程序編譯的環(huán)境和編譯的步驟以及仿真的環(huán)境和部分仿真的效果圖。 長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 第 2 章 超聲波測距原理 超聲波簡介 我們知道，當(dāng)物體振動時 會發(fā)出聲音。科學(xué)家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為 20～ 20200 赫茲。當(dāng)聲波的振動頻率大于 20200 赫茲或小于 20 赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20200 赫茲的聲波稱為 “ 超聲波 ”。 通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為 1～ 5 兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點?？捎糜跍y距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學(xué) ， 軍事 ， 工業(yè) ， 農(nóng)業(yè)上有明顯的作用 。 理論研究表明 ， 在振幅相同的條件下 ， 一個物體振動的能量與振動頻率成正 比 ，超聲波在介質(zhì)中傳播時 ， 介質(zhì)質(zhì)點振動的頻率很高 ， 因而能量很大 。 在我國北方干燥的冬季 ， 如果把超聲波通入水罐中 ， 劇烈的振動會使罐中的水破碎成許多小霧滴 ， 再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi) ， 就可以增加室內(nèi)空氣濕度 。 這就是超聲波加濕器的原理 。對于咽喉炎 、 氣管炎等疾病 ， 藥品很難血流到打患病的部位 。 利用加濕器的原理 ， 把藥液霧化 ， 讓病人吸入 ， 能夠療效 。 利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動而破碎 。 超聲波測距原理 超聲波是利用反射的原理測量距離的，被測距離一端為超聲波傳感器，另一端必須有能反射超聲波的 物體。測量距離時，將超聲波傳感器對準(zhǔn)反射物發(fā)射超聲波，并開始計時，超聲波在空氣中傳播到達障礙物后被反射回來，傳感器接收到反射脈沖后立即停止計時，然后根據(jù)超聲波的傳播速度和計時時間就能計算出兩端的距離。測量距離 D 為 ctD 21? （ ） 式中 c—— 超聲波的傳播速度； t21 —— 超聲波發(fā)射到接收所需時間的一半，也就是單程傳播時間。 由上式可風(fēng)， 距離的測量精度主要取決于計時精度和傳播速度兩方面。計時精度長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 由單片機定時器決定，定時時間為機器周期與計數(shù)次數(shù)的乘積，可選用 12MHz 的晶振，使機器周期為精確的 1181。s,不會產(chǎn)生累積誤差，使定時間達到 1181。s。超聲波的傳播速度 c并不是固定不變的，傳播速度受空氣密度、溫度和氣體分子成分的影響，關(guān)系式為 KTcMRTc 27310 ??? ? （ ） 式中 γ —— 氣體定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 。 R— — 氣體普適常數(shù)，為 。 T—— 氣體勢力學(xué)溫度，與攝氏溫度的關(guān)系是 T=273K+t。 M—— 氣體相對分子質(zhì)量，空氣為 103kg/mol。 c0—— 0℃時的聲波速度，為 。 由上式可見，超聲波在空氣中傳播時，受溫度影響最大，由表達式可計算出波速與溫度的關(guān)系，如表 所示。溫度越高，傳播速度越快，而且不同溫度下傳播速度差別非常大，例如 0℃時的速度為 332m/s， 30℃時的速度為 350m/s，相差 18m/s。因此，需要較高的測量精度時，進行溫度補償是最有效的措施。對測 量精度要求不高時，可認(rèn)為超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s。 表 超聲波傳播速度與溫度關(guān)系表 項目 數(shù)值 溫度 30 20 10 0 10 20 30 40 50 60 100 聲速 /( m?s) 313 319 325 332 338 344 350 356 361 367 388 長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 3 章 方案論證 設(shè)計思路 測量距離方法有很多種，短距離可以用尺，遠距離有激光測距等，超聲波測距適用于高精度中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中傳播速度為 米 /秒，由單片機負(fù)責(zé) 計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)測量精度理論上可以達到毫米級。 目前比較普遍的測距的原理：通過發(fā)射具有特征頻率的超聲波對被攝目標(biāo)的探測，通過發(fā)射出特征頻率的超聲波和反射回接受到特征頻率的超聲波所用的時間，換算出距離，如超聲波液位物位傳感器，超聲波探頭，適合需要非接觸測量場合，超聲波測厚，超聲波汽車測距告警裝置等。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠，因而超聲波可以用于距離測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到要求。由于超聲波易于 定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時間差到微秒級，以及用溫度傳感器進行聲波傳播速度的補償后，我們設(shè)計的高精度超聲波測距儀能達到毫米級的測量精度。 目前超聲波測距已得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距原理設(shè)計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機為核心的測距儀器可 以實現(xiàn)預(yù)置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定、可靠。以 8051 為內(nèi)核的單片機系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件齊全、功能強等特點。尤其值得一提的是，出 8 位 CPU外，還具備一個很強的位處理器，它實際上是一個完整的位微計算機，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM（ EPROM），位尋址寄存器、 I/O 口和指令集。所以， 8051 是雙 CPU的單片機。位處理在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程測控等方面極為有效；而 8 位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有明顯長處。 根據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素， 可以采用 AT89C51 單片機作為主控制器，它控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開始時間及脈寬，響應(yīng)回波時刻并測量、計數(shù)發(fā)射至往返的時間差。利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 生超聲