【正文】 在 納米材料的制備中，超聲波技術(shù) 擁有 著極大的潛力。通過(guò)超聲波方法制備納米材料，達(dá)到了目前采用激光、紫外線照射和熱電作用 等方法 所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，具有很好的前景。 超聲波測(cè)距，是利用其指向性強(qiáng)﹑ 能量消耗緩慢 并 且在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)等 特性進(jìn)行距離測(cè)量 ， 其 經(jīng)常用于測(cè)量物體的距離 、 厚度 、 液位。它主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)﹑測(cè)距儀﹑物位測(cè)量?jī)x﹑移動(dòng)機(jī)器人研制﹑ 海洋水聲 ﹑建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離﹑井深﹑液位﹑管道長(zhǎng)度﹑流速等場(chǎng)合。 目前，大多數(shù)超聲波測(cè)距儀都是采用 發(fā)射 40KHz 超聲波的方案。 40KHz 的超聲波 具 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 有 在空氣中衰減較小，測(cè)量距離 較 遠(yuǎn)，同時(shí)測(cè)量精度可以達(dá)到厘米級(jí)別 等優(yōu)點(diǎn) 。 超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬 電路 或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路 所 構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性 較 差，所以 目前 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。通過(guò)簡(jiǎn)單 的外圍電路 實(shí)現(xiàn)產(chǎn) 生和接收超聲波 的功能 ，單片機(jī)通過(guò)采樣 測(cè) 取 得 到超聲波 的 的傳播時(shí)間，用軟件來(lái)計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)距補(bǔ)償，其測(cè)量電路 具有精 巧，精度高，反映速度快，可靠性好 等優(yōu)點(diǎn) 。 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 歷史上使用超聲波來(lái)測(cè)量距離是從聲納技術(shù)的發(fā)展開始。聲納是一種利用聲波在水下測(cè)定目標(biāo)距離和運(yùn)動(dòng)速度的儀器，其技術(shù)至今已有一百 多 年的歷史，它是 1906 年由英國(guó)海軍的劉易斯?尼克森所發(fā)明。他發(fā)明的第一部聲納儀是一種被動(dòng)式的聆聽裝置，主要 是 用來(lái)偵測(cè)冰山。在第一次世界大戰(zhàn)中聲納技術(shù)被應(yīng)用到戰(zhàn)場(chǎng)上的，用來(lái) 偵查 潛伏在水底潛艇。 自此以后 ，聲納 技術(shù) 是各國(guó)海軍進(jìn)行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)，用于對(duì)水下目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)﹑分類﹑定位和跟蹤。聲納技術(shù)還廣泛用于魚雷制導(dǎo)﹑水雷引信，以及魚群探測(cè)﹑海洋石油勘探﹑船舶導(dǎo)航﹑水下作業(yè)﹑水文測(cè)量和海底地質(zhì)地貌的勘測(cè)等 方面 。 隨著機(jī)器人技術(shù)在其誕生幾十年后得到迅猛的發(fā)展，機(jī)器人的應(yīng)用范圍也逐步從軍事行業(yè)走向工業(yè)成產(chǎn)以及人們的生活。 由于工業(yè)機(jī)器人的自動(dòng)測(cè)距、機(jī)械加工自動(dòng)化等方面的需求， 機(jī)器人通過(guò)感知系統(tǒng)察覺(jué)前方障礙物以及周圍環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)繞障﹑自動(dòng)尋線﹑測(cè)距等功能的需要，這使得超聲波測(cè)距方面的技術(shù) 得到很大的發(fā)展。而雷達(dá)技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)和 導(dǎo)航系統(tǒng) 的發(fā)展，更使得超聲波技術(shù)不斷得到完善并趨于成熟。 目前，發(fā)達(dá)國(guó)家在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研制方面處于領(lǐng)先水平。澳大利亞JEHAWK 公司 的 HpAWK 系列產(chǎn)品使超聲波測(cè)距技術(shù)有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合（適用 于 極惡劣的工作環(huán)境），而且使用智能調(diào)節(jié)技術(shù)，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標(biāo)，讓用戶使用無(wú)后顧之憂。HpAWK 產(chǎn)品以它尖端的技術(shù)穩(wěn)定可靠的工作質(zhì)量，在化工、電力、冶金、煤礦、碼頭、水處理、輕工及食品衛(wèi)生等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 與 發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)所研制出的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。 近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)科研人員在超聲波回波信號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對(duì)超聲測(cè)距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施。這使得我國(guó)在超聲波測(cè)距系統(tǒng)的性能以及精度等方面都有很大的提高。隨著超聲波回波信號(hào)處理方法的不斷完善，如何研發(fā)新型、高性能超聲波換能器以進(jìn)一步拓寬超聲波測(cè)距的應(yīng)用空間，作為解決超聲波測(cè)距系統(tǒng)不足的根本手 段，越來(lái)越受到國(guó)內(nèi)學(xué)者關(guān)注。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)超聲波回波信號(hào)處理算法的研究已經(jīng)日漸成熟，但其作為超聲波探測(cè)定位的關(guān)鍵技術(shù)，仍將是一個(gè)重要的研究方向。 研究?jī)?nèi)容與方法 制作超聲波測(cè)距系統(tǒng)，并外加溫度補(bǔ)償使測(cè)距更精確。系統(tǒng) 在測(cè)距的時(shí)候采用的是兩個(gè)超聲波探頭分別進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收來(lái)進(jìn)行距離的測(cè)量的， 經(jīng)過(guò)調(diào)試正常可用后，編寫相應(yīng)的超聲波程序，完成對(duì)于整個(gè)測(cè)距系統(tǒng)的控制。 設(shè)計(jì)的最終結(jié)果是使超聲波測(cè)距系統(tǒng)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，以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離 。若距離在設(shè)定范圍以內(nèi)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出警報(bào)進(jìn)行提醒。 論文內(nèi)容說(shuō)明 本課題的研究?jī)?nèi)容是基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)完成的主要功能是測(cè)量距離并將其顯示，根據(jù)距離長(zhǎng)度進(jìn)行報(bào)警。 論文構(gòu)成分為五章，每一章的主要內(nèi)容如下： 第 1 章 緒論。包括課題的背景， 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 ，研究?jī)?nèi)容與方法，論文內(nèi)容說(shuō)明等。 第 2 章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。對(duì)超聲波測(cè)距原理和溫度補(bǔ)償進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹 ,并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)出對(duì)測(cè)距系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，對(duì)各模塊進(jìn)行討論。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。對(duì)超聲波 測(cè)距系統(tǒng)的控制模塊進(jìn)行介紹， 并 具體討論了超聲波測(cè)距模塊中的超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路的硬件設(shè)計(jì)，最后介 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 紹了顯示模塊電路 、溫度采集模塊、電源模塊 和蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)。 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。 在軟件設(shè)計(jì)中采用不模塊化編程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，本設(shè)計(jì)分別對(duì)系統(tǒng)的主程序、 系統(tǒng)初始化子程序 、溫度測(cè)量模塊 、判斷報(bào)警模塊 和液晶顯示模塊的各個(gè)程序進(jìn)行了設(shè)計(jì)。 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 ,對(duì)硬件與軟件調(diào)試進(jìn)行分析 以及對(duì)誤差進(jìn)行分析。 第 6 章 總結(jié)與展望。 對(duì)這個(gè)課題設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié) ,并對(duì)設(shè)計(jì)發(fā)展前 景展望 。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 第 2 章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距原理概述 超聲波測(cè)距 ， 指的是利用超聲波的反射特性進(jìn)行距離測(cè)量 ， 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)， 超聲波會(huì)發(fā)生反射，利用此原理進(jìn)行距離測(cè)量。 超聲波測(cè)距的方法有多種：如 脈沖回波 法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。本設(shè)計(jì)采用 脈沖回波 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(lái)，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)。測(cè)試傳輸 時(shí)間可以得出距離。 超聲波發(fā)射器以與水平方向成θ角度對(duì)外發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到返回波就立即停止計(jì)時(shí)。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 v，計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 H，如圖 21所示。 圖 21 超聲波測(cè)距原理 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 圖 21中被測(cè)距離為 H，兩探頭中心距離的一半用 M表示，超聲波單程所走過(guò)的距離用 L 表示，由圖可得 ?cosLH? (21) ? ?HMarctan?? (22) 將式 (22)帶入式 (21)得 ? ?? ?HMLH a r ct a nc o s? (23) 在整個(gè)傳播過(guò)程中，超聲波所走過(guò)的距離為 vtL?2 (24) 式中： v 為超聲波的傳播速度， t 為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。將式 (24)帶入式 (23)可得 ? ?? ?HMvtH a r c ta nc o ? (25) 當(dāng)被測(cè)距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M時(shí)，式 (25)變?yōu)? vtH ? (26) 這就是所謂的 脈沖回波法 。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物 后 返回 的 過(guò)程中所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到 2倍的超聲波 發(fā)射 源與障礙物之間的距離。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾 。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。 相位差法與脈沖回波法的不同，主要體現(xiàn)在對(duì)回波的處理方式上，由超聲波換能器的接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相位完全相同的電信號(hào)，此電信號(hào)放大后與聲源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較，測(cè)得兩個(gè)正弦電壓的相位差，根據(jù)所測(cè)相位差就可算得所測(cè)距離。 采用相位比較法時(shí)，測(cè)距精確度有了很大的提高，但這種方法本身存在明顯的缺陷。由于相位測(cè)量存在以 2n 為周期的多值解，從而容 易造成解的不確定性。為了消除多解，常常需要引入包絡(luò)檢測(cè)和采用發(fā)射多種不同頻率波的方式減小不確定度，這就使得該方法的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化。因此，大多數(shù)情況下都采用 脈沖回波 測(cè) 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 距法。 溫度補(bǔ)償 在常溫下，超聲波的傳播速度 約 為 340m/s，但其傳播速度 v容 易受到空氣中的溫度、濕度、壓強(qiáng)等 環(huán)境 因素的影響。超聲波在空氣中的傳播速度為 TC G ??? 3 1 (27) 由此可見，超聲波的速度和溫度 有 密切關(guān)系。一般 情況下 溫度 每升高 1℃， 超聲波波度 增加約為 ，表 21 為超聲波在不同溫度下的波速值。 表 21 不同溫度下的超聲波波速 溫度 T/℃ 30 20 10 0 10 20 30 聲速 v/ms1 313 319 322 331 337 344 350 所以， 本次 設(shè)計(jì) 我們考慮 到 溫度補(bǔ)償，以使我們的設(shè)計(jì)更加精確。 當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)， 能夠 根據(jù) 溫度采集 模塊 所采集的溫度數(shù)據(jù)來(lái)修正 測(cè)距系統(tǒng) 中 的聲速 。 方案的總體設(shè)計(jì) 為方便檢修和維護(hù)硬件電路，設(shè)計(jì)時(shí)常常采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。硬件的設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，則既 要滿足模塊本身功能又要能夠和整個(gè)系統(tǒng)兼容。本設(shè)計(jì)主要采用 HCSR04 超聲波測(cè)距模塊，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送和接收，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波測(cè)距的方法測(cè)量物體之間的距離。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)以單片機(jī)控制模塊為核心，外圍電路由測(cè)溫模塊、超聲波測(cè)距模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、電源模塊共 5 個(gè)模塊組成。超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件框圖如圖 22所示。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 控 制 模 塊S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2超 聲 波 發(fā) 射 電 路超 聲 波 接 收 電 路溫 度 測(cè) 量 模 塊顯 示 模 塊報(bào) 警 模 塊圖 22 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件框圖 本設(shè)計(jì)由 Keil 編程軟件對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程 ，單片機(jī)在執(zhí)行程序后由 I/O 口產(chǎn)生 40kHz 的脈沖信號(hào)通過(guò) 74LS04 電路進(jìn)行放大并送到到超聲波發(fā)射探頭，產(chǎn)生超聲波。 由超聲波測(cè)距時(shí)序圖可以看出，超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射端在 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)。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，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，并由單片機(jī)控制顯示出來(lái) 。 圖 23 超聲波測(cè)距時(shí)序圖 方案論證 控制模塊 論證 控制模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其功能是能接收溫度模塊、時(shí)鐘模塊發(fā)送的信息，并將該信息進(jìn)行分析處理后發(fā)出控制指令控制顯示模塊的顯示內(nèi)容。 單片機(jī)是集成了 CPU， ROM， RAM和 I/O 口的微型計(jì)算機(jī)。它有很強(qiáng)的接口性能和位尋址運(yùn)算功能，非常適合于控制應(yīng)用的場(chǎng)合，因此又叫微控制器（ MCU）。 西安工程大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 單片機(jī)具有控制功能強(qiáng)、低功耗、高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，并且開發(fā)成本低。所以單片機(jī)非常適合作為該操作系統(tǒng)的控制器所使用。 同時(shí)，單片機(jī)的選擇也至關(guān)重要。目前，市面上的單片機(jī)的種類繁多，并且他們?cè)诠δ芊矫嬉彩歉髯杂懈髯缘奶攸c(diǎn)。在一般的情 況下來(lái)講，在選擇單片機(jī)時(shí)要需要考慮的幾個(gè)方面有： （ 1）單片機(jī)最基本性能參數(shù)指標(biāo)。例如：執(zhí)行一條指令的速度、程序存儲(chǔ)器的容量， I/O 口的 引腳數(shù)量等。 （ 2）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。例如：對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，最好選用的是 Flash的 存儲(chǔ)器。 （ 3）單片機(jī)的封裝形式。封裝的形式多種多樣，例如：雙列直插封裝、 PLCC