【正文】 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 2 超聲波的介紹及超聲波測(cè)距的原理 超聲波的介紹 什么是超聲波 聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。以 8051 為內(nèi)核的單片機(jī)系列，其硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件齊全、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。更重要的是超聲波檢測(cè)降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下 (高、低溫，高、低壓，強(qiáng)輻射，有毒氣、液體環(huán)境等 )受到傷害，還大大提高了測(cè)量精度，可靠性高 。因此超聲波作為非接觸測(cè)量手段，己越來越引起人們的重視。 鄭俊瑯：基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 2 課題的提出及研究意義 課題的提出 測(cè)距的原理和方法有很多，根據(jù)其信息載體的不同可歸納為光學(xué)方法、無線 電方法和超聲波方法?？傮w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。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。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)器人的研制、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等，例如：距離、液位、井深、管道長(zhǎng)度、流速等場(chǎng)合。如此廣泛的應(yīng)用使得提高人們對(duì)機(jī)器人的了解顯得尤為重要。 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。 Ultrasonic wave。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測(cè)距準(zhǔn)確度高、可 讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。 整個(gè) 硬件 電路由超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、電源電路、顯示電路等模塊組成。由于超聲波傳播不易受干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。為此，深入研究超聲波的產(chǎn)生與傳播規(guī)律、開發(fā)高性能超聲波換能器及其收發(fā)電路，對(duì)于超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。各探頭的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)綜合分析處理，實(shí)現(xiàn) 超聲波測(cè)距儀 的各種功能。實(shí)現(xiàn)后的作品可用于需要測(cè)量距離參數(shù)的各種應(yīng)用場(chǎng)合。 Measure distance。 近年來，隨著電子測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波精確測(cè)量已成可能。機(jī)器人通過其感知系統(tǒng)察覺前 方障礙物距離和周圍環(huán)境來實(shí)現(xiàn)繞障、自動(dòng)尋線、測(cè)距等功能。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便，且計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要 求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。前兩者在某些地方有局限性，相比之下，超聲波方法具有突出的優(yōu)點(diǎn)，首先，超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于測(cè)量透明及漫反射性差的物體 (如玻璃、拋光體 )。 本課題設(shè)計(jì)為基于超聲波的測(cè)距。另外，超聲波測(cè)距還可以應(yīng)用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機(jī)器人避障系統(tǒng)、移動(dòng)機(jī)器人避障的超聲測(cè)距系統(tǒng)、智能機(jī)器人管家和簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車自動(dòng)避障系統(tǒng)、車載系統(tǒng)、自動(dòng)泊車系統(tǒng)、自動(dòng)剎車系統(tǒng)和倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，超聲波測(cè)距也有其重要的應(yīng)用。尤其值得一提的是，出 8 位 CPU 外，還具備一個(gè)很強(qiáng)的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的位微計(jì)算機(jī)，即包含完整的位 CPU，位 RAM、 ROM（ EPROM），位尋址寄存器、I/O 口和指令集。所謂振動(dòng)是指物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在其平衡位置附近進(jìn)行的往返運(yùn)動(dòng)形式。 超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽聲波的規(guī)律沒 有本質(zhì)上的區(qū)別。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。 10 千赫茲的聲波。 2 超聲波可傳遞很強(qiáng)的能量。 聲波是物體機(jī)械振動(dòng)狀態(tài)（或能量）的傳播形式。 超聲波的特點(diǎn) 鄭俊瑯：基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 4 1 超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 超聲波的應(yīng)用 超聲波在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有極其廣泛的應(yīng)用。超聲波清洗 是一種高效率的方法，已經(jīng)用于尖端和精密工業(yè)。此外超聲波的液體處理和凈化可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中，例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用用作測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 。 測(cè)距的公式表示為： L=C179。在精密的液位測(cè)量中需要達(dá)到毫米級(jí)的測(cè)量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測(cè)距專用集成電路都是只有厘米級(jí)的測(cè)量精度。 1） 時(shí)間誤差 當(dāng)要求測(cè)距誤差小于 1mm 時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度 C=344m/s (20℃室溫 )，忽略聲速的傳播誤差。 2） 超聲波傳播速度誤差 超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系 。 103kg178。 對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到 1mm 時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨 和氣流旋笛等。 限制該系統(tǒng)的最大可測(cè)距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 3 系統(tǒng) 硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì) 整體電路的控制核心為單片機(jī) AT89C51。整體結(jié) 構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路 、超聲波接收電路 、放大電路、比較震蕩電路、 單片機(jī)電路 、鍵盤輸入電路、電源電路、復(fù)位電路、 顯示電路 、 溫度測(cè)量電路 及溫度補(bǔ)償電路 等幾部分模塊組成。 超聲波 接收電路 放大 電路 超聲波 發(fā)射電路 放大 電路 比較 電路 震蕩 電路 單片機(jī) AT89C51 鍵盤 輸入 復(fù)位 電路 溫度傳感器 DS18B20 電源 電路 4 位 LED 顯示器 R40 超聲波傳感器 T40 超聲波傳感器 鄭俊瑯：基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 8 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51 單片機(jī)的功能 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲(chǔ)器（ FPEROM— Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡(jiǎn)版本。 8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5 個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè)I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 AT89C51 管腳說明 VCC：供電電壓。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為低八位地址接收。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并 用作輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。另 外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。熱敏元件品種教多，市場(chǎng)上銷售的有雙金屬片、 銅熱電阻、鉑熱電阻、熱電偶及半導(dǎo)體熱敏電阻等。DS18B20 是采用專門設(shè)計(jì)的不銹鋼外殼，僅有 的壁厚，具有很小的蓄熱量，采用導(dǎo)熱 性高的密封膠，保證了溫度傳感器的高靈敏性，極小的溫度延遲。 C 范圍內(nèi) ,精度為177。 DS18B20 采用 3 腳 PR35 封裝； DS18B20 數(shù)字化溫度傳感器的主要性能如下： 1) 適用電壓為 3V～ 5V； 2) 9～ 12 位分辨率可調(diào)，對(duì)應(yīng)的可編程溫度分別為 ℃、 ℃、 ℃、 ℃； 3) TO9 SOIC 及 CSP 封裝可選； 4) 測(cè)溫范圍： 55℃～ 125℃； 5) 精度： 10℃～ 85℃范圍內(nèi)177。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。 超聲波傳感器的 主要應(yīng)用 超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的 A型方法。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。 超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用 超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 超聲波傳感器的工作原理 超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十 KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。這類傳 感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。 鄭俊瑯：基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 14 LM7805 端穩(wěn)壓集成電路 LM7805 介紹 用 lm78/lm79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。 當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出 以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為 N 個(gè) ，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。 LM567 的功能敘述 ①、②腳通常分別通過一電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。 ⑤、⑥腳外接的電阻和電容決定了內(nèi)部壓控振蕩器的中心頻率 f2， f2≈ 1/。 C to +70176。上位電阻 R R2 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。鎖相環(huán)電路接收到頻率符合要求的信號(hào)后向單片機(jī)發(fā)出中斷請(qǐng)求。 Lfil2IN3V+4OUT8END7Ct6Rt5Ofil1U0LM5673 214 11U2ALM3243 214 11U1ALM324R40R1R21MR322KR41MR51MC1680PC31ufC4C21ufR?RES4VCCp3.3 圖 超聲波接收電路 鄭俊瑯：基于單片機(jī)控制超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì) 18 顯示電路 顯示電路如圖 ，四位 LED 組成動(dòng)態(tài)掃描電路，由 AT89C51 的 P0 口輸出 要顯示的數(shù)值對(duì)應(yīng)的 8 位二進(jìn)制數(shù)碼（數(shù)碼管顯示值“ 1” =P0 口輸出“ 11111001”） 。 EA/VPP31X119X218RESET9RD/P3717WR/P3616P32/INT012P33/INT113P34/T014P35/T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/PRDG30P31/TXD11