【正文】 起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計(jì)的理念的變革。單片機(jī)也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波 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)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 超聲波發(fā)生器 　　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。 超聲波測(cè)距的基本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。 課題研究意義由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點(diǎn)。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。2 課題研究背景與意義 課題研究背景超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1 概 述 從技術(shù)上看，超聲波測(cè)距系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)70年代已經(jīng)實(shí)用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測(cè)量已成可能。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。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)生超聲波。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 　　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工作的。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(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，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如圖31所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ超聲波接收?qǐng)D31 超聲波的測(cè)距原理 （31） （32）式中:L兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 33)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片（芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在Robert Noyce的領(lǐng)導(dǎo)下，科研小組發(fā)明集成電路后開始出現(xiàn)的一個(gè)名稱），而是把一個(gè)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中我選用的是AT89S52單片機(jī)。此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。C儲(chǔ)存溫度范圍65～+150176。圖35 人的聽覺范圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。對(duì)于一個(gè)頻率一定的聲波，在氣體中傳播時(shí)吸收尤為歷害，在液體中傳播時(shí)吸收就比較弱，在固體中傳播時(shí)吸收是最小的。物資分子由于振動(dòng)所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動(dòng)速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。 超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭?！　〕曁筋^的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。我們選用壓電式超聲波傳感器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：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)生超聲波。 共振板gon 壓電晶片 電極 電極圖36超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 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工作的。如圖44所示。電子線路CAD的基本含義是使用計(jì)算機(jī)來完成電子線路的設(shè)計(jì)過程，包含電路原理圖的編輯，電路功能的仿真，工作環(huán)境的模擬，印制板的設(shè)計(jì)（自動(dòng)布局，自動(dòng)布線）與檢測(cè)等等。Protel99SE是澳大利亞Protel Technology公司于2000年推出的一款基于Windows 95/98以上環(huán)境下的全32位EDA（Electronic Design Automation 電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化）道路設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，是一個(gè)客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序。 整體電路設(shè)計(jì)整體電路的控制核心為單片機(jī)AT89S52。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機(jī)電路,顯示電路與溫度測(cè)量電路等幾部分模塊組成。圖41超聲波測(cè)距原理圖單片機(jī)發(fā)出40kHZ的信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送LED顯示。測(cè)距誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：（1）超聲波波束對(duì)探測(cè)目標(biāo)的入射角的影響；（2）超聲波回波聲強(qiáng)與待測(cè)距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系，所以實(shí)際測(cè)量時(shí)，不一定是第一個(gè)回波的過零點(diǎn)觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對(duì)測(cè)距的影響。接收換能器對(duì)超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測(cè)距離。超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，電路力求簡(jiǎn)單實(shí)用。T4016是反饋耦合元件，對(duì)于電路來說又是輸出換能器。發(fā)射超聲波信號(hào)大于8m。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T4016，其諧振頻率為40kHZ177。本電路適應(yīng)電壓較寬（3~12V），且頻率不變。 圖44 40khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅(qū)動(dòng)功能，通過超聲換能器T4016輻射出超聲波去控制接收機(jī)。電路中YF1~YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，該電路特點(diǎn)是輸出驅(qū)動(dòng)電流大（大于15mA），效率高等。電路簡(jiǎn)單易制。 經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，再經(jīng)過整形放大后來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。555芯片8腳接到高電平開始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當(dāng)接到單片機(jī)的低電平信號(hào)后振蕩器開始工作。如圖46所示。信號(hào)由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。加入這個(gè)電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時(shí)候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。電路如圖49所示。如圖411所示電路有三級(jí)放大：前兩級(jí)種放大100倍，采用高速精密放大器LM318， 其帶寬為15MHz，放大倍數(shù)為100倍時(shí)，能充分滿足要求；第三級(jí)采用LF353運(yùn)算放大器，帶寬為4MHz，對(duì)于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件。再加上設(shè)計(jì)中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會(huì)出現(xiàn)一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)，即電位低于地電位。電阻R5起一個(gè)上拉電阻的作用，因?yàn)榛夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過濾波后很可能會(huì)衰減的很嚴(yán)重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機(jī)更好的檢測(cè)回波信號(hào)。圖413超聲波回波信號(hào)整形電路 圖414 40KHz超聲波接收電路 顯示電路設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。需要幾個(gè)數(shù)碼管就擴(kuò)展幾個(gè)并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機(jī)通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。圖415 數(shù)碼管顯示電路 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來驅(qū)動(dòng)，所以我制作了一個(gè)穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來設(shè)計(jì)。另一方面，頻率越低，波長越長，測(cè)量的絕對(duì)誤差就越大。這種在時(shí)域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。如圖417所示：圖417 雙頻超聲波測(cè)距工作時(shí)序圖 t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時(shí)間，tt3為高、低超聲波回波到達(dá)的時(shí)間，所測(cè)得的距離分別為：D1=c(t2t0)/2 (41) D2=c(t3t1)/2 (42) 經(jīng)試驗(yàn)可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達(dá)到25m。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。 （2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時(shí)，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮?。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。機(jī)械振動(dòng)或沖擊會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。信道干擾。因此，在微機(jī)系統(tǒng)中，供電系統(tǒng)與v0通道的干擾是問題的主要方面。它會(huì)影響測(cè)量裝置的正常工作。它主要產(chǎn)生于感性用電器(如電機(jī))在開關(guān)機(jī)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。② 隔離穩(wěn)壓器。它可濾去大于50Hz市電基波的高頻干擾。接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)測(cè)量裝置中的地線是所有電路公共的零電平參考點(diǎn)。這就可能產(chǎn)生公共地電阻的禍合干擾。V = 331．4 + 0．607T 　　式中，T為實(shí)際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。而且程序的設(shè)計(jì)也是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。它直接利用機(jī)器提供的指令系統(tǒng)編寫程序，該類程序的可執(zhí)行指令是與機(jī)器語言程序的指令一一對(duì)應(yīng)的。匯編語言的缺點(diǎn)是程序的通用性和可移植性差；程序比較繁瑣，調(diào)試?yán)щy；目標(biāo)程序比較龐大，運(yùn)行速度慢。C語言的模塊化程序結(jié)構(gòu)可以使程序模塊實(shí)現(xiàn)共享。C語言的缺點(diǎn)是生成目標(biāo)代碼比較大，但隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，片內(nèi)ROM的空間做到16/32 KB的已經(jīng)很多，所以代碼較大已經(jīng)不是重要的問題了。再加上本人對(duì)C語言程序更加熟悉一點(diǎn)，所以最終決定使用C語言為本次設(shè)計(jì)的編程語言。 //先置位溫度正負(fù)標(biāo)示為正if(r) { write(0xCC)。 //讀完兩個(gè)字節(jié)后復(fù)位 write(0xCC)。} //若溫度小于0,tu=1 c=4。 y=Read_Temperature()。 //溫度為負(fù)則聲速 } }else speed=。 cm=7610。} 主函數(shù)的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容void main(void) //主函數(shù){ uchar w。w) //啟動(dòng)顯示9~0，H~A，{ LED_Data=LED0[w]。 time(400)。 bell=1。 //關(guān)總中斷 TR1=0。 show(25)。 show(25)。 show(25)。 }while(show_temperature==1)。 //外部中斷下降沿觸發(fā)方式 w=0。 //發(fā)送測(cè)量方波 time_11uS(6)。} while(flag==0amp。w=0。 if(dis=8||dis=996){temp[0]=0xF7。 LED_temp(dis)。 show(10)。本畢業(yè)設(shè)計(jì)以AT89S52為核心，靈活的運(yùn)用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測(cè)距原理、硬件電路實(shí)現(xiàn)和軟件設(shè)計(jì)方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測(cè)距的設(shè)計(jì)要求。在此向老師們表示深深的感謝和崇高的敬意。 參 考 文 獻(xiàn)[1] [M].北京：高等教育出版社，.[2] [M].北京：高等教育出版社，.[3] . 北京：清華大學(xué)出版社,.[4] 紀(jì)良文，蔣靜坪．機(jī)器人超聲測(cè)距數(shù)據(jù)的采集與處理．電子技術(shù)應(yīng)用，. [5] 瞿金輝, 周蓉生. 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[ J ]. 中國儀器儀表, 2007 .8.[6] 袁佑新, 吳妍, 劉蘇敏, 等. 可視汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[ J ]. 微計(jì)算機(jī)信