【正文】 47 頁 桂林電子科技大學畢業(yè)設(shè)計(論文)報告 第 摘 要機器人通過其感知系統(tǒng)覺察前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋線、測距等功能。超聲波測距相對其他測距技術(shù)而言成本低廉，測量精度較高，不受環(huán)境的限制，應(yīng)用方便，將它與紅外傳感器等結(jié)合共同實現(xiàn)機器人尋線和繞障功能。本文介紹了基于STC89C51的超聲波測距系統(tǒng)，闡述了超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計、軟件設(shè)計及其工作原理。該設(shè)計主要由單片機控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊、DS18B20溫度補償模塊以及聲光報警模塊等構(gòu)成。利用超聲波的反射原理，計算超聲波在空氣中的傳播時間的一半再乘以經(jīng)過溫度補償修正后的速度就可以得出障礙物到傳感器之間的距離，并在數(shù)碼管顯示出來。同時，該系統(tǒng)在測量距離小于10cm時能進行聲光報警。該系統(tǒng)具有硬件電路簡單、成本低、工作可靠、功耗低、體積小、誤差小、有良好的測量精度等優(yōu)點。目前，超聲波清洗技術(shù)、雷達技術(shù)等在醫(yī)學、軍事上占據(jù)著重要地位，因此研究超聲波技術(shù)具有一定的研究意義。本設(shè)計作品基本滿足設(shè)計的要求，有一定的推廣性，同時針對不足，如測量距離過小等，文章在最后提出了一些改進性能的可行性方案。關(guān)鍵字：單片機；傳感器；超聲波測距；溫度補償Abstractrobot through its perception system to detect obstacles that in front of the road and the surrounding environment to achieve the distance around the barrier, auto hunt, range and other Ranging in terms to other ranging technology is lowcost, high accuracy, without environmental constraints, and convenient, it will be bined together with infrared sensors achieve robot hunt around the barrier function.This article describes the ultrasonic ranging system based on STC89C51,which elaborate ultrasonic Ranging System hardware design, software design and its working design is mainly controlled by the microcontroller module,LED display module, DS18B20 temperature pensation module, as well as sound and light alarm module the principle of reflection of the ultrasonic wave,Calculate the ultrasonic propagation time in the air in half and then multiplied by the speed after the correction of the temperature pensation that can be drawn between the obstacle to the sensor distance,And digital , the sound and light alarm when the system measuring distance less than 10cm .The system has an Advantage of Simple hardware circuit, low cost, reliable, low power consumption, small size, the error is small, have a good measurement accuracy, etc..At present, the ultrasonic cleaning technology, radar technology in medicine, the military occupies an important position,so the research ultrasound technology has a certain significance. This design works basically meet the design requirements, there are certain promotional, while for deficiencies, such as measuring the distance is too small, etc., the article concludes with a number of improvements in the performance of the feasibility of the program.KeyWords:MCU。Sensor。Ultrasonic Ranging。Temperature pensation目 錄摘 要 1Abstract 2第一章 緒論 5 課題的研究背景 5 超聲波在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 6 研究目的和意義 7 研究內(nèi)容 7 論文結(jié)構(gòu) 8第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計 9 設(shè)計要求 9 9第三章 硬件設(shè)計 11 AT89C51單片機簡介 11 AT89C51各引腳的含義和功能 11 系統(tǒng)硬件設(shè)計組成部分 14 AT89C51單片機最小系統(tǒng) 14 數(shù)碼管顯示模塊 14 超聲波發(fā)射接收模塊 15 聲光報警模塊 21 復(fù)位電路 21 DS18B20溫度補償電路 22 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測溫原理 23 DS18B20的封裝形式及引腳功能 25 DS18B20的供電方式 25 +5V電源模塊 27第四章 軟件設(shè)計 28 28 系統(tǒng)主要模塊程序設(shè)計 29 29 DS18B20訪問程序 29第五章 調(diào)試與檢測 31 硬件測試 31 軟件測試 32 結(jié)果分析 32 誤差來源 32 解決方案 33 本設(shè)計所做工作 33總結(jié)與展望 35謝 詞 36參考文獻 37附 錄1 電路原理圖及PCB圖 38附 錄2 程序清單 40第一章 緒 論超聲波以其指向性好、穿透能力強、能量消耗緩慢、環(huán)境污染小等優(yōu)點，因而超聲波常用于距離測量。利用超聲波檢測往往比較方便、迅速、計算簡單、易于做到實時控制，且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。其中，超聲波技術(shù)首先在歐美興起并日趨成熟，我國在超聲波技術(shù)的研究上相對遲緩，但近十年在超聲波上的成就也有很大的突破。本章主要介紹超聲波測距的研究背景、超聲波技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、研究目的和意義以及本章的研究內(nèi)容，最后在本章末尾還介紹了本論文的章節(jié)安排。 課題的研究背景超聲波是頻率高于20KHZ的聲波，它的方向性好，穿透能力強，容易獲得較集中的聲能，在水中傳播的距離遠，因而超聲波常用于距離測量，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用。例如：立體超聲顯象、雷達、工業(yè)自動化控制、超聲的空化作用等。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計超聲波測距儀，但是專用集成電路的成本高，并且沒有顯示，操作使用不方便。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾等優(yōu)點，是通過計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸時間來測量距離的，對被測目標無損害，而且超聲波的傳播速度在相當大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。超聲波的這些獨特優(yōu)點逐漸受到人們的重視。超聲波傳感器根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同可以分為壓電式、電磁式、磁致伸縮式等，超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。超聲波是指頻率高于20kHz的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。在戶外使用傳感器的設(shè)備中，如果要求精度較高，則需要超聲波技術(shù)有良好的抑制噪音的能力，能區(qū)別噪音和反射信號。如果多個超聲波傳感器同時工作，則要同時兼顧計算機處理速度和防止傳感器之間的干擾。采用模式編碼聲吶[12]就能很好地解決這個問題。由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度的影響，速度隨溫度的變化而變化，溫度每變化一度，近似公式為：C = C0 + T，式中：，T為實際溫度(℃)：[2]。在使用過程中，如果精度要求不高，則可以認為傳播速度不變。但如果要求精度高，則需要增加溫度補償電路，以達到所需精度要求。 不同溫度下超聲波聲速表[2]溫度(℃)3020100102030100速度(m/s)313319325323338344349386一般情況下，為了適應(yīng)不同溫度下的工作要求，用軟件進行溫度補償?shù)墓綖? C=+ (1)其中C為校正后的速度，T為當時檢測的溫度。，校正后的速度最大誤差不超過5%。 補償后聲速與溫度的關(guān)系[2]溫度/℃3020100102030100聲速/（m/s）313319325331337343349381超聲波的特點：①超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同；②超聲波通過兩種或兩種以上的介質(zhì)時會產(chǎn)生反射和折射的現(xiàn)象；③超聲波在空氣中的傳播有較大的衰減，尤其是頻率較大時衰減更大，因此在空氣中傳播時采用頻率較低的超聲波，一般采用頻率為幾十千赫茲的超聲波，典型應(yīng)用頻率為40KHZ；④超聲波的頻率比音頻高，所以超聲波不易被環(huán)境中的噪音所干擾。本課題要求利用單片機設(shè)計一個低成本、高精度、微型化的數(shù)字顯示聲光報警的超聲波測距儀，本文所述的超聲波測距系統(tǒng)主要由聲波發(fā)射模塊，回波接收模塊、基于AT89C51的控制模塊、溫度檢測模塊、報警模塊以及顯示模塊。具有靈活性強，可靠性高，計算簡單，易于做到實時控制等優(yōu)點。 超聲波在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀從19世紀末到20世紀初，人類在物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們終于解決了利用電子學技術(shù)產(chǎn)生超聲波的方法，從此迅速推動了超聲波技術(shù)的發(fā)展。1922年，首例超聲波治療的發(fā)明專利出現(xiàn)在德國。1939年發(fā)表了關(guān)于超聲波治療在臨床取得效果的文獻報道。40年代末期超聲治療在歐美興起，直到1949年召開的第一次國際醫(yī)學超聲波學術(shù)會議上，才有了有關(guān)超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學的發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在1956年第二屆國際超聲醫(yī)學學術(shù)會議上已有許多關(guān)于超聲波的論文發(fā)表，超聲治療進入實用成熟階段。國內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步比歐美晚，到20世紀50年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療的工作，從1950年北京首先開始用800KHZ頻率的超聲治療機治療多種疾病，到50年代開始逐漸推廣，并有了國產(chǎn)儀器。公開的文獻報道始見于1957年，到70年代有了各型國產(chǎn)超聲治療儀，超聲治療法普及到全國各大型醫(yī)院。40多年來，全國各大醫(yī)院已積累了相當豐厚的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗。特別是在20世紀