【正文】 統(tǒng)設(shè)計(jì)的問(wèn)題與特點(diǎn)。“三人行，必有我?guī)熝伞?，本次設(shè)計(jì)中，在老師和同學(xué)們身上學(xué)到很多可貴的東西，我認(rèn)識(shí)到交流的重要性，學(xué)習(xí)更需要交流。本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距 與避障系統(tǒng) ，可以對(duì)不同距離進(jìn)行測(cè)試，并可以進(jìn)行 躲避障礙物 。此時(shí)對(duì)單次測(cè)距影響不大，在采用中斷方式響應(yīng)檢測(cè)信號(hào)時(shí)，側(cè)到第一個(gè)脈沖下降沿就關(guān)閉中斷，不再響應(yīng)后續(xù)進(jìn)入的信號(hào)。 32 圖 主程序流程圖 圖 內(nèi)部定時(shí)器 0中斷服務(wù)程序流程圖 單片機(jī)初始化 發(fā)射超聲波 有回波嗎？ 讀取計(jì)算 S值 開(kāi)始 否 是 避障 算法 D/A轉(zhuǎn)換 返回 定時(shí)器 0中斷入口 關(guān)閉中斷允許位 EA 定時(shí)器初始化 打開(kāi)中斷允許位 EA 延時(shí) 65微秒 選通端置 0停止發(fā)送方波 返回 S=∞ 33 主程序完成初始化工作，超聲波發(fā)射的控制。通過(guò)分時(shí)輪流控制各個(gè)數(shù)碼管的的 COM 端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。常使用的小電容為 的瓷片電容，當(dāng)頻率更高時(shí)，還可并聯(lián)更小的電容，例如幾pF，幾百 pF 的。 3 腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 。 CX20206A 也有不少用于超聲波測(cè)試。 STC12 系列是從 引 腳到內(nèi)核及指令上都完全兼容 8051 的單片機(jī) 。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值。噪聲有兩類(lèi)，一類(lèi)電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，另一類(lèi) 為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對(duì)液介式超聲測(cè)距儀，工作頻率較高，可以避開(kāi)工業(yè)噪聲頻譜段。當(dāng)開(kāi)始計(jì)時(shí)，測(cè)量超聲波在空氣中的傳播時(shí)間才有效。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。超聲波在理想氣體中傳播速度為? ?1rv RT ?? 式中μ為氣體摩爾質(zhì)量 。 由 圖 知 ， f0 為中心頻率 ，曲線(xiàn)在 f0 處最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，信號(hào) f0 處接收靈敏度最高。 圖 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 7 壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。 超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。頻率高于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限頻率 (約 20200Hz)的聲波，稱(chēng)為超聲波，或稱(chēng)超聲。公英制單位轉(zhuǎn)換。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn) 。因此設(shè)計(jì)好的超聲測(cè)距儀就顯得非常重要了。Silent Wave。 本領(lǐng)域的研究歷史與現(xiàn)狀 目前國(guó)內(nèi)超聲波測(cè)距儀的發(fā)展主要采用引進(jìn)加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國(guó)外相應(yīng)產(chǎn)品。 課題研究方案是根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用單片機(jī)作為主控制器，控制超聲波的接收和發(fā)射，并用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成因?yàn)椴煌某暡òl(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，本設(shè)計(jì)要進(jìn)行近距離測(cè) 量，所以選用利用電氣方式產(chǎn)生超 聲波的超聲波發(fā)生器 — 壓電式超聲波換能器。 聲速與介質(zhì)的許多特性有關(guān)，有的關(guān)系非常直接，可有精確的理論公式，有的關(guān)系比較間接而復(fù)雜，但在特定條件下，也可建立一些經(jīng)驗(yàn)公式，例如介質(zhì)的成分、混合物的比例、溶液的濃度、某些液體的比重等，都可以與聲速建立一定關(guān)系，這樣就可以通過(guò)聲速來(lái)測(cè)定這些特性參數(shù)。其最佳工作頻率 75 kHz， 適于中程范圍測(cè)量 ， 最大量程 10 m ， 盲區(qū) 20 cm， 脈沖觸發(fā)模式工作。 正壓電效應(yīng)是指當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。下圖 24 就是超聲波傳感器的指向圖。θ為攝氏溫度 。 在使用一個(gè)探頭同時(shí)充當(dāng)發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強(qiáng)達(dá)幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號(hào)只維持一個(gè)極短的時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅 電路，引起探頭振動(dòng)，不能進(jìn)行正確的測(cè)量，同時(shí)，探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近處的液面反射信號(hào)也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。通過(guò)對(duì)溫度修正來(lái)校正聲速的方法，即用測(cè)溫元件測(cè)量實(shí)際環(huán)境。 電源電路 16 圖 電源電路原理圖 本系統(tǒng)中使用到的電源包括 +5V 和 +12V，其中 +12V 電壓由直流穩(wěn)壓電源提供，通過(guò)電源接頭提供給電路板。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。 22 E、 在系統(tǒng)可編程 ,無(wú)需編程器 ,可遠(yuǎn)程升級(jí) F、 內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路，原復(fù)位電路可以保留，也可 以不用，不用時(shí)reset 腳直接短到地 。 缺點(diǎn)：必須保證接收到的信號(hào)為 40KHz，否則無(wú)法解調(diào)出。 26 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22kΩ ，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 圖 七段數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖 在圖 中，只要使不同段的發(fā)光二極管，即可改變所顯示的數(shù)字和字母， LED 七段數(shù)碼管根據(jù)內(nèi)部 LED 的連接方法不同，有共陰極和共陽(yáng)極兩種接法，在共陽(yáng)極接法中，當(dāng)某一段發(fā)光二極管輸入為低電平時(shí)，該發(fā)光二極管亮，反之則熄滅。 (2)單片機(jī)連續(xù)發(fā)射 40KHZ 的脈沖波，立即啟動(dòng) INT0，系統(tǒng)進(jìn)入中斷后激活系統(tǒng)，等待 計(jì)數(shù)值滿(mǎn)產(chǎn)生中斷，開(kāi)始啟動(dòng)接收程序。在開(kāi)始發(fā)射超聲波的時(shí)刻 T0 開(kāi)始計(jì)時(shí)，等待 INT1 中斷，在 INT0 中斷時(shí)停止計(jì)時(shí)，在中斷程序讀出 TH0、 TL0 的值。 測(cè)量距離與信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系 38 將超聲波接收器的信號(hào)引入示波器，測(cè)得接收到信號(hào)的強(qiáng)弱與障礙物距超聲波發(fā)射 接收器的 距離成反比。 (2) 障礙物的材質(zhì)對(duì)超聲波避障系統(tǒng)的影響不大，但障礙物表面形狀對(duì)避障辨識(shí)影響較大，故應(yīng)該對(duì)機(jī)器人的辨識(shí)能力加以提高。 41 參考文獻(xiàn) [1]劉君華，湯小軍 .控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南 [M].北京： 電子工業(yè)出版社 ， 2020 [2]韓立群 .智能控制理論及應(yīng)用 [M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2020 [3]侯媛彬 ， 智能控制技術(shù) [M].北京： 北京工業(yè)大學(xué)出版 ， 2020 [4]陳杰 ， 黃鴻 .傳感器與檢測(cè)技術(shù) [M].北京： 高等教育出版社 ， 2020 [5]胡瑞，周錫青 .基于超聲波傳感器的測(cè)距報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].科技信息 ， 2020,29(2):2631 [6]松井邦彥 .傳感器應(yīng)用技巧 [M].北京： 科學(xué)出版社 ， 2020 [7]劉亮 .先進(jìn)傳感器及應(yīng)用 [M].北京： 北京化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020 [8]許力 .智能控制與智能系統(tǒng) [M].北京： 機(jī)械工業(yè)出版社 ， 2020 [9]徐科軍 .傳感器與檢測(cè)技術(shù) [M].西安： 電子工業(yè)出版社 ， 2020 [10]高國(guó)富，謝少榮，羅均 .機(jī)器人傳感器及其應(yīng)用 [M].北京： 化學(xué)工業(yè)出版社 ， 2020 [11] 趙占林，劉洪梅 .超聲測(cè)距系統(tǒng)誤差分析及修正 [J].科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì) ，2020,27(3):3745 [12] 李光飛 ， 李良兒 ， 樓然苗 .單片機(jī) C程序設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo) [M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020 [13] 杜樹(shù)春 編著 .單片機(jī) C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程實(shí)例詳解 [M].北京： 北京航空航天大學(xué)出版社 ， 2020 [14]張毅剛，彭喜 元 .新編 MCS51 單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì) .第一版， 哈爾濱： 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社 ， 2020 [15] 王毅 .單片機(jī)器件應(yīng)用手冊(cè) [M].北京：人民郵電出版社， 1995 42 致 謝 本論文是在老師王海副教授的悉心指導(dǎo)下完成的。當(dāng)超聲波發(fā)射器與接收器互成 120176。超聲波發(fā)射中要發(fā)射一串脈沖，實(shí) 驗(yàn)證明， 8～ 10 個(gè)脈沖最佳。 (4)單片機(jī)捕獲計(jì)數(shù)值，調(diào)用及計(jì)算程序 。 數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)段碼，從而顯示出我們要的數(shù)字，因此根據(jù)數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類(lèi) 。 8腳：電源正極， ～ 5V。 圖 CX20206 引腳圖 25 圖 中，引腳從上至下依次為 8 。 圖 發(fā)射電路 在超聲探測(cè)電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時(shí)間間隔，被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。對(duì)外接電容 C C2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫 19 度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，建議電容使用 30pF177。L7805CV 的外形如圖 3— 3所示。 (2)采用自動(dòng)距離增益控制 14 采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小，相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。同時(shí)，接收信號(hào)的衰減程度總是要比發(fā)射信號(hào)余振的衰減慢得多。 在 25 ℃時(shí) , ? ?0 .1 7 3 1 4 2 5 1 5s N m m? ? ?為本儀器的距離計(jì)算公式。超聲波傳感器的指向角一般為 40 度～ 80 度 [5]。 超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。為測(cè)量更精確 ， 鑒于聲速受溫度影響最大 ,測(cè)距數(shù)據(jù)處理過(guò)程采用了溫度補(bǔ)償。在聲速已知的介質(zhì)中，可以利用身波傳播距離 L 和傳播時(shí)間 t 的關(guān)系L=vt，進(jìn)行超聲測(cè)距，超聲液位計(jì)和超聲測(cè)厚計(jì)就是這方面的典型應(yīng)用。在科學(xué)史上，聲學(xué)是發(fā)展最早的學(xué)科之一。 深圳長(zhǎng)泉機(jī)電 Camp。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。 在社會(huì)生活 中 超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)功能中的應(yīng)用 已 很廣泛 ，如汽車(chē)倒車(chē)?yán)走_(dá)、測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此超聲裝置在移動(dòng)機(jī)器人探測(cè)功能等方面有廣泛應(yīng)用?？勺鬟B續(xù)測(cè)距和單次測(cè)距 。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和