【正文】 ............................. 19 超聲波傳感器的介紹 ................................................................................................... 20 第四章 軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................................. 21 匯編語(yǔ)言簡(jiǎn)介 ............................................................................................................... 21 匯編語(yǔ)言的編程環(huán)境 ................................................................................................... 22 軟件流程圖 ................................................................................................................... 24 主程序的設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 24 子程序的設(shè)計(jì) ........................................................................................................ 26 第五章 系統(tǒng)調(diào)試 ................................................................................................................. 29 仿真軟件簡(jiǎn)介 ............................................................................................................... 29 硬件仿真 ....................................................................................................................... 30 系統(tǒng)調(diào)試 ....................................................................................................................... 32 第六章 誤差分析 ................................................................................................................. 34 溫度誤差 ....................................................................................................................... 34 6 串?dāng)_問(wèn)題 ....................................................................................................................... 35 總 結(jié) ..................................................................................................................................... 36 附 圖：超聲波測(cè)距電路原理圖 ....................................................................................... 38 參考文獻(xiàn) ................................................................................................................................. 39 致 謝 ....................................................................................................................................... 40 外文原文 ................................................................................................................................. 41 中文翻譯 ................................................................................................................................. 46 1 第一章 引 言 該課題的背景意義 超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車 、 雷達(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng) ， 例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對(duì)單片機(jī)的理解和應(yīng)用。 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一。信息技術(shù)包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的 神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、壓力傳感器等等，其中，超聲波傳感器在測(cè)量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。利用單片機(jī)控制超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度較高。 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(jiàn)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(kāi)挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來(lái)改造排水系統(tǒng)的現(xiàn)象。 城市污水給人們帶來(lái)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?？刂葡到y(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。 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(lái)越廣。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，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(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來(lái)，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(wèn)題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無(wú)庸 2 置疑，未來(lái)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 [1]。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。 任務(wù)書 本次 設(shè)計(jì)的 設(shè)計(jì)任務(wù) 是 綜合運(yùn)用有關(guān)課程的知識(shí)，了解超聲波測(cè)距原理，掌握有關(guān)超聲波測(cè)距方面的知識(shí)，樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想。根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路，培養(yǎng)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，掌握簡(jiǎn)單的一般設(shè)計(jì)方法和步驟。 設(shè)計(jì)要求 為 ： 設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)電路。 設(shè)計(jì)硬件電路，能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距 離。 要求采用 MCS51 單片機(jī)作為主控 CPU，能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)和顯示距離值。 編寫系統(tǒng)軟件，并進(jìn)行整體調(diào)試。 要求可以進(jìn)行實(shí)物演示。 設(shè)計(jì)目標(biāo) 是 形成一個(gè)完整模型，并能夠?qū)崿F(xiàn)各種控制要求，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)演示。 學(xué)生應(yīng)交出的設(shè)計(jì)文件（論文） ： 畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書一本（包括電子文檔）； 軟件流程圖； 3 軟件程序（電子文檔）； 主要參考文獻(xiàn)（資料）： 1 單片機(jī)原理與應(yīng)用 一些芯片的參考資料 相關(guān)論文 對(duì)選題學(xué)生的基本要求 是 系統(tǒng)的學(xué)習(xí)過(guò)單片機(jī)課程，具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力。 本文目標(biāo) 及設(shè)計(jì)內(nèi)容 本課題的目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一種以單片機(jī)為核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、方便，而且測(cè)精度能達(dá)到日常測(cè)量要求。本文的目標(biāo)是通過(guò)通過(guò)此說(shuō)明這種測(cè)距系統(tǒng)的原理，硬件電路及軟件流程圖，使讀者對(duì)這種系統(tǒng)有一個(gè)全面的理解。 通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲 3 波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 V，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。 本文的第一章為引言部分，總體上介紹本次設(shè)計(jì)的任務(wù) 、本課題的一些簡(jiǎn)單的背景知識(shí)。第二章為本次設(shè)計(jì)的一些方案以及一些方案論證。在第三章里詳細(xì)介紹了本次設(shè)計(jì)的硬件電路圖及其原理。第四章為軟件部分，介紹了程序的流程圖。第五章為系統(tǒng)調(diào)試部分，介紹了仿真軟件以及原理圖在仿真軟件中的仿真過(guò)程。第六章是對(duì)本系統(tǒng)的一些補(bǔ)充說(shuō)明，主要是誤差 問(wèn)題。 4 第二章 方案分析 超聲波測(cè)距的原理 單片機(jī)超聲波測(cè)距是通過(guò)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 t，然后求出距離 2ctS? (21) 式 (21)中的 c 為超聲波在空氣中傳播的速度。 限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在四個(gè)因素：超聲波的幅度、反射物的質(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可測(cè)距離。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍，減少測(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。由于超聲波發(fā)球聲波范圍，其波速 c與溫度有 關(guān) [2]，表 21 列出了幾種不 同溫度下的波速。 表 21 聲速和溫度的關(guān)系 溫度 (℃ ) 30 20 10 0 10 20 30 100 波速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 波速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間 t，即可求得距離 S。其系統(tǒng)原理框圖如 圖21所示 。 圖 21 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖 單片機(jī)發(fā)出短暫的 40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過(guò)超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間 t，再由 系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至 LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 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 5 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 。 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(lái)工作的 [3]。 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本時(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)，就成為超聲波接收器。在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。超聲測(cè)距大致有以下方法： ① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測(cè)量電壓即可測(cè)得距離； ② 測(cè)量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超 聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔 t