【正文】 都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波 檢測 往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時 控制 ，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動測量和微機技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光芒、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機單片機畢業(yè)論文械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。 特殊是應(yīng)用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波 信號 中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu) 信息 很輕易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波 傳感器 具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設(shè)計也是利用超聲波來測量距離。 超聲波是指頻率高于 20KHz 的機械波。為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在 收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight）。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。 本設(shè)計主要是基于 AT89S51 芯片為核心的超聲波測距儀， 74LS04 組成的超聲波發(fā)射電路、 并有超聲波處理模塊 CX20216A、 液晶 顯示等器件組成，包括單片機系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接 收電路、單片機復(fù)位電路、 LCD 顯示電路 語音播報電路。主要實現(xiàn)超聲波測距并指示功能。依據(jù)實際的測量精度要 求添加溫度補償電路。本系統(tǒng)成本低廉，功能實用。 4 第二章 系統(tǒng)方案論證 超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 v 在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體是被反射返回，由接受器接受，其往返時間為 t，有 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。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，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)該通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 2— 1 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） 313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波測距儀原理框圖 單片機發(fā)出 40khz 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接受器將接受到得超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行辨別、計算，得出距離數(shù)并送 LCD 顯示并送語音播報模塊播報。 課題設(shè)計的要求 設(shè)計一個超聲波測距儀， 要求 ： 1) 具有超聲波測距功能，測量距離 ~ 測距精度177。 1 ㎝。 2) 具有測量距離數(shù)值無線傳輸功能。 3) 實時顯示測量的距離，顯示格式為： 。 4) 漢字提醒顯示：距離在 ~，顯示“危險距離”并用紅色 LED 燈指示；距離在 ~，顯示“保持距離”，并用黃書 LED 燈指示；距離在 以上，顯示“安全距離”并用綠色 LED 燈指示。 5) 具有實時語音播報功能，實時播報測量距離數(shù)值，格式： ,實時播報時間間隔≤ 10s，實時播報聲音清晰明亮、無明顯失真，在 1m 距離處人耳能準(zhǔn)確分辨。語音播報要與顯示同步。 超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight） 。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離 。 5 測量距離的方法有很多種，短距離的可以用尺，遠(yuǎn)距離的有激光測距等，超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 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)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。 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(yuǎn)，因而超聲波可以用于距離的測量。 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(dá)到要求。 根據(jù)設(shè)計任務(wù)、控制對象和現(xiàn)有條件 本系統(tǒng)硬件電路 采用 由單片機最小系統(tǒng)、溫度補償電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路 無線通信電路以及語音播報電路 構(gòu)成。本超聲波測距儀的具體工作過程如下， 單片機控制的振蕩源產(chǎn)生 40kHz的頻率信號來驅(qū)動超聲傳感器 。 每次發(fā)射包含 6個脈沖左右 ,當(dāng)?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后 ,計數(shù)器開始計數(shù) ,在檢測到第一個回波脈沖的瞬間 ,計數(shù)器停止計數(shù) ， 得到從發(fā)射到接收的時間 t 后 ,單片機讀取溫度值補償聲速 ,利用測 距公式可計算出被測距離 ， 同時由無線通信模塊將測量數(shù)據(jù)傳到下位機進行顯示和語音播報。系統(tǒng)總體框圖如圖所示 。 超 聲 波 接 收放 大 電 路鎖 相 環(huán) 檢波 電 路定 時 器 單 片 機 控 制 無 線 發(fā) 射 器超 聲 波 發(fā) 射 器 放 大 電 路 圖 21 發(fā)射模塊 無 線接 收單 片 機 控 制液 晶顯 示語 音播 報 圖 22 接收模塊 6 選擇 超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳 播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對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，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當(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，故短距離測量時應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。 超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外 套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括： 工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 靈敏度 。主要取決于制造晶片本身。 機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏 度低。 因此 超聲波接受傳感器應(yīng)該應(yīng)用 集成電路 CX20216A， CX20216A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率 40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路 (如圖 23)。實驗證明用 CX20216A接收超聲波 (無信號時輸出高電平 )，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容 CS的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上 顯示單元是計 算機系統(tǒng)開發(fā)時使用的主要設(shè)備之一，它可將計算機的運算結(jié)果、中間結(jié)果、存儲器地址以及存儲器、寄存器中的內(nèi)容顯示出來，從而實現(xiàn)人機對話。可以做顯示器的有： LED,LCD,CRT 等。 CRT 就是常見的顯像管式的顯示器。優(yōu)點是顏色視覺效果好，視角寬，可靠性高，便宜；缺點是體積大耗電多，有微量的 X 射7 線輻射。 LED 就是發(fā)光二極管。 LED 一般適合做大屏幕的顯示設(shè)備，最突出的有點那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如顯色性、對比度等都不如 CRT 顯示器。 但是考慮到本設(shè)計需要 顯示測量距離，補償溫度以及危險，保持 ，安全等警告信號。所以選擇采用 128*64 液晶模塊。 語音播報 語音 芯片有很多種，例如 WT1380、 WT588D等。 WT1380具有多種報警功能，定時器功能，時鐘輸出功能，中斷輸出功能以及語音播報功能。它的語音功能和萬年歷功能可以同時工作，主頻采用 RC振蕩，副頻采用 ?？梢杂嬎隳辍⒃?、日、時、分、秒等信息，并可以將時間信息反饋給主控單片機。因而， WT1380是一款性價比極高的語音時鐘芯片。 但是本設(shè)計不要求芯片有 可以計算年、月、日、時、分、秒等信息 的復(fù)雜功能。所 以 播報電路采用 WT588D系列的集單片機和語音電路于一體的可編輯語音芯片。 WT588D系列語音單片機是廣州唯創(chuàng)科技有限公司聯(lián)合臺灣華邦共同研發(fā)出來的集單片機和語音電路于一體的可編輯語音芯片。功能多音質(zhì)好應(yīng)用范圍廣性能穩(wěn)定是WT588D系列語音單片機的特長，彌補了以往各類語音芯片應(yīng)用領(lǐng)域狹小的缺陷， MP3控制模式、按鍵控制模式、按鍵組合控制模式、并口控制模式、一線串口控制模式、三線串口控制模式以及三線串口控制 I/O口擴展輸出模式，讓應(yīng)用人員能將產(chǎn)品投放在幾乎可以想象得到的場所。 WT588D是一款功能強大的可 重復(fù)擦除燒寫的語音單片機芯片。 WT588D讓語音芯片不再為控制方式而尋找合適的外圍單片機電路，高度集成的單片機技術(shù)足于取代復(fù)雜的外圍控制電路。配套 WTAPP上位機操作軟件可隨意更換WT588D語音單片機芯片的任何一種控制模式，把信息下載到 SPIFlash上即可。軟件操作方式簡潔易懂，撮合了語音組合技術(shù)，大大減少了語音編輯的時間。 大家知道，聲音在不 同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償?shù)膯栴}。 溫度傳感器有很多種， 例如 溫度傳感器 AD590。 AD590是美國模擬器 件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（ mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù) 。 AD590的測溫范圍為 55℃ ～ +150℃ 。 AD590的電源電壓范圍為 4V～ 30V。電源電壓可在 4V6V范圍變化，電流變化 1mA，相當(dāng)于溫度變化 1K。 AD590可以承受 44V正向電壓和 20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為 710WM。 它的 精度高。 AD590共有 I、 J、 K、 L、 M五檔，其中 M檔精度最高，在 55℃ ～ +150℃ 范圍內(nèi)，非線性誤差為 177。 ℃ 。 但是考慮到成本問題 我選用 TS18B20數(shù)字溫度傳感器 。 該產(chǎn)品采用美國 DALLAS8 公司生 產(chǎn)的 DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為 至 無需備用電源測量 。 溫度范圍為 55176。C 至 +125℃ 。 10176。C 至 +85176。C 范圍內(nèi)精度為 177。176。C 溫度傳感器可編程的分辨率為 9~12 位溫度轉(zhuǎn)換為 12 位數(shù)字格式最大值為 750毫秒用戶 可定義的非易失性溫度報警設(shè)置應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng) 。 9 第三章 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、 語音播報電路、溫度補償電路、無線傳輸、 超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接受電路 五 部分。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40KHz 的方波信號，利用外部中斷 1 口檢測超聲波接受電路輸出的返回信號。 顯示單元部分采用 12864 液晶模塊 。 AT89S51單片機的功能及特點 AT89S51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8 位單片機，片內(nèi)含有 4K bytes 的課反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（ PEROM）和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司的高密度。非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS— 51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大 AT89S51 單片機可以為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù) ? 與 MCS— 51 產(chǎn)品指 令系統(tǒng)完全兼容。 ? 4K 字節(jié)可以重復(fù)擦寫 Flash 閃速存儲器。 ? 1000 吃擦寫周期。 ? 全靜態(tài)操作： 0Hz— 24Hz。 ? 三級加密程序存儲器。 ? 128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM。 ? 32 個可編程 I/O 口線。 ? 6 個中斷源。 ? 可編程串行 UART 通道。 ? 低功耗空閑和掉電模式。 功能特性概述 AT89S51 提供以下功能： ? 4k