【正文】 要想通過測(cè)量超聲波傳播時(shí)間確定距離，聲速 C必須恒定，實(shí)際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。使小車工作于不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 超聲波測(cè)距顯示程序設(shè)計(jì) 21 動(dòng)態(tài)顯示是多個(gè)數(shù)碼管交替顯示，利用人的視覺暫留作用使人看到多個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。 Out4 2Y 2Y2 輸出端 本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的基于 L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如 圖 所示。模塊高精度， 盲區(qū)（ 2cm）超近 。 11 第四章 硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件系統(tǒng)主要有超聲波數(shù)據(jù)采集模塊、紅外遙控接收模塊、小車驅(qū)動(dòng)模塊、距離顯示模塊、報(bào)警模塊和主控器組成。采用四位共陽極數(shù)碼管，動(dòng)態(tài)掃描。 51 單片機(jī)是初學(xué)者首選的，具有指令多，編程易等優(yōu)點(diǎn)。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。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，因此在測(cè)控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。目前，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域。超聲波距離測(cè)量系統(tǒng)用的頻率為 40KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開使用的。隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。一般的超聲波測(cè)距儀可用于固定物位或液位 的測(cè)量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測(cè)量等。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲波檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用 ，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。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。 (2) 通過遙控器能夠?qū)π≤嚨那斑M(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加以控制。 方案三：使用 MPS430，凌陽 61 單片機(jī)等 16 位單片機(jī)或者 ARM 系列單片機(jī)。 方案二：采用集成電路 L298NH 橋電路。具體步驟如下： (1) 根據(jù)實(shí)際電路的要求，選擇要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 偽指令定義 12 其相應(yīng)的寄存器； (2) 初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時(shí)的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； (3) 根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口的方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。報(bào)警部分的連線，如圖 所示 1KR7LS3SpeakerQ69013VCCP31蜂鳴器 圖 超聲波測(cè)距報(bào)警模塊電路 小車驅(qū)動(dòng)模塊 為提高系統(tǒng)效率、降低功耗，功放驅(qū)動(dòng)電路采用基于雙極型 H 橋型脈寬調(diào)制方式（ PWM）的集成電路 L298N。 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。 超聲波數(shù)據(jù)采集電路軟件流程 主程序初始化后主要判斷是否發(fā)送超聲波，發(fā)送超聲波后，根據(jù)超聲波接收到的時(shí)間，按照公式計(jì)算出距離信息，同時(shí)將距離信息發(fā)送到相應(yīng)的顯示端口，使LED 顯示屏予以顯示當(dāng)前的距離信息。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，硬件系統(tǒng)主要有超聲波數(shù)據(jù)采集模塊、紅外遙控接受模塊、小車驅(qū)動(dòng)模塊、距離顯示模塊、報(bào)警 模塊和主控器組成。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。這樣可以使各部分明確分工，更好地提高工作效率。 當(dāng)一個(gè)鍵按下超過 36ms，振蕩器使芯片激活，將發(fā)射一組 108ms 的編碼脈沖 ,這 108ms 發(fā)射代碼由一個(gè)起始碼（ 9ms） ,一個(gè)結(jié)果碼（ ） ,低 8 位地址碼（ 9ms18ms） ,高 8位地址碼（ 9ms18ms） ,8 位數(shù)據(jù)碼（ 9ms18ms）和這 8 位數(shù)據(jù)的反碼（ 9ms18ms）組成。 (4) 數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用四位 LED 表示。 SenseB 電流監(jiān)測(cè)端，分別為兩個(gè) H 橋的電流反饋腳，不用時(shí)可以直接接地 2； 3 Out1。在片內(nèi)接至振蕩器的反相放大器輸出端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器輸 入端。 方案一：采用自制矩陣遙控器 采用矩陣鍵盤、主控器和光電二極管設(shè)計(jì)一個(gè)遙控器，電路設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，而且還得編程。 方案三：采用 NOKIA5110 LCD 液晶屏顯示 NOKIA5110 LCD 具有 84*48 點(diǎn)陣圖形顯示能力，可同時(shí)顯示 4行，每行 7個(gè)的12*12 漢字，或者顯示 6 行，每行 14 個(gè)的 6*8 ASCII 碼字符。 本系統(tǒng)超聲波數(shù)據(jù)采集和控制既可分開也可 融合 到一個(gè)系統(tǒng)里面，超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集距離信息，并根據(jù)不同的信息發(fā)出不同頻率的 聲音；控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制小車。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)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心 ，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。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，所以為了使移動(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）。同時(shí)更重要的是該設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)成本 , 并且由于是采用軟件編程技術(shù) , 所以其移植性能好 , 在設(shè)計(jì)電路時(shí)可以將其它更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去。 Collect, hair isolation makes receiving devices to avoid strong signal。 Receiving amplifier used to amplify the echo signal so that records,meanwhile in order to make it can accept certain band width of short pulses, receiving amplifier must have plenty of band width。硬件電路部分，單片機(jī)對(duì)外圍電路的適時(shí)控制 , 并提供給外圍電路各種所需的信號(hào) , 包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)和譯碼顯示信號(hào)等 , 大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度。因此，超聲波在特殊環(huán)境下有較廣泛的測(cè)距應(yīng)用。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，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)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到 反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距、數(shù)碼管顯示、報(bào)警、紅外遙控接收和電機(jī)驅(qū)動(dòng)是一個(gè)系統(tǒng)?？梢暶娣e大，但是價(jià)格昂貴，程序設(shè)計(jì)較為麻煩。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。 XTAL2：接外部晶振的一個(gè)引腳。 18 表 L298N 引腳功能說明 引腳 名稱 功能說明 1； 15 SenseA。在這個(gè)部分中，信號(hào)處理包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。0 和 1 的波形如圖 ： 圖 遙控器“ 0”和“ 1” 用戶碼和鍵數(shù)據(jù)碼的發(fā)送均是低位在前， 高位在后。超聲波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是采集距離信息，并根據(jù)不同的信息發(fā)出不同頻率的聲音；控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)控制小車，通過紅外遙控器向控制器發(fā)送控制命令，以達(dá)到手動(dòng)控制小車的目的。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)，現(xiàn)代電子技術(shù)，信號(hào)處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測(cè)的限制，進(jìn) 一步開拓了其適用范圍，超聲波測(cè)距技術(shù)將會(huì)有更大的發(fā)展。 AT89S52 單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。具體的程序流程圖如圖 所示 。根據(jù)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和所完成的功能，系統(tǒng)軟件 需要實(shí)現(xiàn)以下功能： (1) 信號(hào)控制 在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收電路、檢測(cè)電路、顯示電路、門限檢測(cè)的設(shè)計(jì)。 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含二個(gè) H 橋的高電壓大電 流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46 伏、 2 安培以下的電機(jī)，工作溫度范圍從－ 25度到 130 度。對(duì)于用作輸入的端口可以不考 慮方向初始化，因?yàn)? I/O 的復(fù)位缺省值為輸入； (4) 用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻； (5) 最后對(duì) I/O 端口進(jìn)行輸出 (寫數(shù)據(jù)輸出寄存器 )和輸入 (讀端口 )編程，完成對(duì)外圍電路的相應(yīng)功能。 L298N 是專用的驅(qū)動(dòng)集成電路，屬于 H橋集成電路，其輸出電流大，功率大，可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等特別是器輸入端可以與單片機(jī)之間相連，從而很方便地受單片機(jī)控制，可以之間驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 由于本系統(tǒng)控制功能簡(jiǎn)單，沒有必要為了提高性能而增加成本和開發(fā)難度。 (3) 采集系統(tǒng)采集距離信息 ,并根據(jù)不同的距離信息發(fā)出不同頻率的聲音。 6 圖 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 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。 壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。 壓電傳感器屬于超聲波傳感器中電聲型的一種。本設(shè)計(jì)采用 40kHz 超聲波發(fā)射模塊。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單片機(jī)的微處理功能。發(fā)射電路一般由振蕩和 功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號(hào)以便記錄，同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收、發(fā)隔離則使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄、控制部分啟動(dòng)或關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記。 Infrared remote control 1 引 言 高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，超聲波檢測(cè)技術(shù)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展和推廣的新技術(shù)，其具有高精度，無損，非接觸等優(yōu)點(diǎn)。 課題研究背景 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。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。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。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。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。 微處理器的選擇 方案一：使用 51 單片機(jī)。 10 綜合考慮：本系統(tǒng)采用數(shù)碼顯示，方便直接，性價(jià)比高，功耗低。 綜合考慮：本系統(tǒng)采用采用 9012 電視機(jī)遙控器，方便簡(jiǎn)單，而且市場(chǎng)上較多，價(jià)格便宜。能和國(guó)外的 SRF05,SRF02 等超聲波測(cè)距模塊相媲美。 Input4 2A 2A2 輸入端， TTL 電平兼容 13； 14 Out3。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序等幾個(gè)主要部分。 小車驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) 小車控制 流程：首先從單片機(jī)中讀出控制信息，向連接單片機(jī)六個(gè)端口寫入對(duì)應(yīng)的高或低電平。 本文所述的系統(tǒng)完成了預(yù)期要求的功能指標(biāo)，但由于時(shí)間緊迫，系統(tǒng)有些方面還需改進(jìn)，為了得到更好的性能，可以從以下幾方面來進(jìn)一步開展工作： （ 1） 可增加溫度補(bǔ)償單元。通過對(duì)溫度修正來校正聲速的方法，即用測(cè)溫元件測(cè)量實(shí)際環(huán)境，根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系計(jì)算出測(cè)量時(shí)實(shí)際環(huán)境中的聲速，再根據(jù)測(cè)距公式得到距離。端口電平與小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的 22 對(duì)應(yīng)關(guān)系表如表 。在編程時(shí)，需要輸出段選和位選信號(hào)，位選信號(hào)選中