【正文】 47 頁(yè) 桂林電子科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)報(bào)告 第 摘 要機(jī)器人通過(guò)其感知系統(tǒng)覺察前方障礙物距離和周圍環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋線、測(cè)距等功能。超聲波測(cè)距相對(duì)其他測(cè)距技術(shù)而言成本低廉，測(cè)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(shí)現(xiàn)機(jī)器人尋線和繞障功能。本文介紹了基于STC89C51的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，闡述了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)及其工作原理。該設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)控制模塊、數(shù)碼管顯示模塊、DS18B20溫度補(bǔ)償模塊以及聲光報(bào)警模塊等構(gòu)成。利用超聲波的反射原理，計(jì)算超聲波在空氣中的傳播時(shí)間的一半再乘以經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)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(lái)。同時(shí)，該系統(tǒng)在測(cè)量距離小于10cm時(shí)能進(jìn)行聲光報(bào)警。該系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低、工作可靠、功耗低、體積小、誤差小、有良好的測(cè)量精度等優(yōu)點(diǎn)。目前，超聲波清洗技術(shù)、雷達(dá)技術(shù)等在醫(yī)學(xué)、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(jì)作品基本滿足設(shè)計(jì)的要求，有一定的推廣性，同時(shí)針對(duì)不足，如測(cè)量距離過(guò)小等，文章在最后提出了一些改進(jìn)性能的可行性方案。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感器；超聲波測(cè)距；溫度補(bǔ)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(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀 6 研究目的和意義 7 研究?jī)?nèi)容 7 論文結(jié)構(gòu) 8第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 9 設(shè)計(jì)要求 9 9第三章 硬件設(shè)計(jì) 11 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 11 AT89C51各引腳的含義和功能 11 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)組成部分 14 AT89C51單片機(jī)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(bào)警模塊 21 復(fù)位電路 21 DS18B20溫度補(bǔ)償電路 22 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)及測(cè)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(jì) 28 28 系統(tǒng)主要模塊程序設(shè)計(jì) 29 29 DS18B20訪問(wèn)程序 29第五章 調(diào)試與檢測(cè) 31 硬件測(cè)試 31 軟件測(cè)試 32 結(jié)果分析 32 誤差來(lái)源 32 解決方案 33 本設(shè)計(jì)所做工作 33總結(jié)與展望 35謝 詞 36參考文獻(xiàn) 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(qiáng)、能量消耗緩慢、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，因而超聲波常用于距離測(cè)量。利用超聲波檢測(cè)往往比較方便、迅速、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)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(guó)在超聲波技術(shù)的研究上相對(duì)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(cè)距的研究背景、超聲波技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、研究目的和意義以及本章的研究?jī)?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(qiáng)，容易獲得較集中的聲能，在水中傳播的距離遠(yuǎn)，因而超聲波常用于距離測(cè)量，在醫(yī)學(xué)、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(dá)、工業(yè)自動(dòng)化控制、超聲的空化作用等。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、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。目前國(guó)內(nèi)一般使用專用集成電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀，但是專用集成電路的成本高，并且沒(méi)有顯示，操作使用不方便。超聲波可用于非接觸測(cè)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(diǎn)，是通過(guò)計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的，對(duì)被測(cè)目標(biāo)無(wú)損害，而且超聲波的傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)。超聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)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(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。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(hào)。如果多個(gè)超聲波傳感器同時(shí)工作，則要同時(shí)兼顧計(jì)算機(jī)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(gè)問(wèn)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(shí)際溫度(℃)：[2]。在使用過(guò)程中，如果精度要求不高，則可以認(rèn)為傳播速度不變。但如果要求精度高，則需要增加溫度補(bǔ)償電路，以達(dá)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(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)墓綖? C=+ (1)其中C為校正后的速度，T為當(dāng)時(shí)檢測(cè)的溫度。，校正后的速度最大誤差不超過(guò)5%。 補(bǔ)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(diǎn)：①超聲波在不同介質(zhì)中的傳播速度不同；②超聲波通過(guò)兩種或兩種以上的介質(zhì)時(shí)會(huì)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(shí)衰減更大，因此在空氣中傳播時(shí)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(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)低成本、高精度、微型化的數(shù)字顯示聲光報(bào)警的超聲波測(cè)距儀，本文所述的超聲波測(cè)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(cè)模塊、報(bào)警模塊以及顯示模塊。具有靈活性強(qiáng)，可靠性高，計(jì)算簡(jiǎn)單，易于做到實(shí)時(shí)控制等優(yōu)點(diǎn)。 超聲波在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀從19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，人類在物理學(xué)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(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的方法，從此迅速推動(dòng)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(guó)。1939年發(fā)表了關(guān)于超聲波治療在臨床取得效果的文獻(xiàn)報(bào)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(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)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(xué)的發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。在1956年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多關(guān)于超聲波的論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入實(shí)用成熟階段。國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步比歐美晚，到20世紀(jì)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(jī)治療多種疾病，到50年代開始逐漸推廣，并有了國(guó)產(chǎn)儀器。公開的文獻(xiàn)報(bào)道始見于1957年，到70年代有了各型國(guó)產(chǎn)超聲治療儀，超聲治療法普及到全國(guó)各大型醫(yī)院。40多年來(lái)，全國(guó)各大醫(yī)院已積累了相當(dāng)豐厚的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗(yàn)。特別是在20世紀(jì)