【文章內(nèi)容簡介】 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第二章 超聲波測距的原理 超聲波介紹 所謂超聲波就是頻率超過 20KHz 人耳不能辨識的音波。如今超聲波被應(yīng)用到諸如工業(yè)、醫(yī)療、軍事等各種行業(yè)當中。 超聲波的特點： （ 1）超聲波傳播過程中，方向性很強，能量集中。 （ 2）超聲波的傳播適應(yīng)于各種不同媒質(zhì)，傳播距離夠遠。 （ 3）超聲波載體性很強，可作為載體進行治療操作。 （ 4）超聲波能夠在固、液、氣、固熔等介質(zhì)中傳播。 （ 5）超聲波傳遞的能量可以很強。 （ 6）超聲波具有反射的現(xiàn)象。這是其之所以能夠成為測量距離的重要方法之一的原因之一。 （ 7）超聲波不但是一種波動形式，可作為媒介如 B 超等進行醫(yī)療診斷；同時也是一種能量形式，可對患者進行治療。 超聲波傳感器的介紹 超聲波發(fā)生器可分為兩大類： 一是電氣方式產(chǎn)生超聲波； 二是機械方式產(chǎn)生超聲波。 而壓電式超聲波發(fā)生器是目前常用的。 超 聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下圖 和圖 。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 傳感器的選擇 本課題設(shè)計選用的是 HCSR04 超聲波模塊。 HCRS04 模塊不但性能比較穩(wěn)定、測度距離精確，而且該模塊的測量精度高，盲區(qū)小。 可用于機器人避障，物體測距，液位檢測，公共安全，停車場檢測。 電氣參數(shù)如下表 。 表 超聲波模塊 HCSR04 的電氣參數(shù) 電氣參數(shù) 超聲波模塊 HCSR04 工作電壓 DC5V 工作電流 15mA 工作頻率 40KHz 最遠射程 4m 最近射程 2cm 測量角度 15 度 輸入觸發(fā)信號 10uS 的 TTL 脈沖 輸出回響信號 輸出 TTL 電平信號，與射程成比例 規(guī)格尺寸 45*20*15mm 基本工作原理： 采用 I/O 口 TRIG 觸發(fā)測距。能夠給出至少 10us 的高電平信號。 該模塊將會自動向外界發(fā)送 8 個 40KHz 的方波。并且還能夠自動檢測是否有信號返回。當信號返回時， I/O 口對此作出響應(yīng)而輸出一個高電平。這個高電平所持續(xù)存在的時間就是超聲波往返的時間。 本模塊的使用方法非常簡單。通過控制口發(fā)一個 10181。s 以上的高電平 ,然后在接濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 收端等候高電平輸出。當高電平輸出時， 定時器 開始計時。這個端口的高電平經(jīng)過一段時間后會變?yōu)榈碗娖健Ｗ優(yōu)榈碗娖降囊凰查g我們所讀取定時器的值，就是這次測量距離的時間。這樣就可以算出距離。通過不斷的進行周期測量，就可以得出移動測量的值。 超聲波測距的原理 超聲波測距方法主要有三種： （ 1） 聲波幅值檢測法： 該方法雖然最廉價最簡單但容易受反射波的影響，精確度卻是最低，在此就不詳細介紹了。 （ 2）相位檢測法： 相位檢測法是利用發(fā)射波與反射波之間的相位差來實現(xiàn)超聲波測距。設(shè)起始時刻為 1t ，則發(fā)射波的強度為 ）（ 0111 UXts inAI ?? （實際測量時的發(fā)射波是方波，為了 方 便 計 算 說 明 所 以 在 此 用 正 弦 波 舉 例 ) 。 接 收 調(diào) 制 波 的 強 度 為）（ 0D2122 UXtXts inAI ??? ，則接收與發(fā)射時刻的相位差為 39。DD2 Pft2XtU ?? ，時間差為 39。D 2/Ut Pf? 。根據(jù)時間和相位的關(guān)系，待測距離 2/ctD D? 可以轉(zhuǎn)換為)2/$K / 2 ( ND PU?? 。其中 K 為波長， N 為整周期數(shù)， U$ 為非整周期的相位差值。N 可用計數(shù)器測出。該方法雖然測量精確度高精度高，但是檢測范圍有限。 （ 3） 渡越時間法： 首先通過檢測計數(shù)從超聲波傳感器的發(fā)射端發(fā)出聲波的時刻記為 t1，超聲波返回到傳感器接收端的時刻 t2，兩者的時間差 t=t2t1，這個時間差就是渡越時間。設(shè)L 為測量距離， t 為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，求距離 L。則有 L=ct/2。該方法簡單而直接，極易實現(xiàn)。雖然精度相對于相位檢測法差點，但好在測 量距離足夠遠。 綜合以上分析，本設(shè)計將采用渡越時間法。超聲波測距原理如圖 所示。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 定 時 器控 制計 算傳 輸調(diào) 制超 聲 波發(fā) 射4 0 K振 蕩計 時超 聲 波接 收增 益放 大障礙物 圖 超聲波測距原理圖 溫度補償 超聲波也是聲波，所以其聲速 c 仍然與空氣溫度有關(guān)。一般來說， c 隨著溫度每升高 1℃ ，就增加 。表 列出了幾種溫度下的聲速。 表 超聲波聲速隨溫度的變化 溫度（ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m/s） 313 319 325 323 338 334 349 386 測量時，若溫度變化不大，則聲速取值 c=340m/s。若要求高精度，則可通過溫度補償或者軟件改進提高精度。 在本設(shè)計中用 STC89C51 中的定時器來測量超聲波傳播時間，用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，達到提高測距精度的目的?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為： ）（ m/ 73 31c ???? 公式 2（ 1） 聲速確定后，只要得到超聲波往返的時間，就 可以求得距離： 0 . 6 T ) t+1 /2 ( 3 3 1 . 4=L 公式 2（ 2） 增加角度補償可使得測量數(shù)值更加的精確。 222 hls ? 公式 2（ 3） 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 測量盲區(qū) 我們都知道，超聲波模塊發(fā)射探頭和接收探頭是并排放置到銅板上的。而為了方便測量，再 加上測量會有一個夾角，夾角越小越精確，因此他們離著很近。顯而易見，發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波必然會先傳播到接收探頭。但該聲波信號并不是反射回來的信號，只要檢測到該信號，接收電路就會對其進行處理而產(chǎn)生中斷信號，單片機也會跟著做出響應(yīng)。但所測得值并不是我們要測的，是錯誤的操作。因此要等發(fā)送脈沖一段時間后才能讓單片機接收中斷信號。然而，該短時間內(nèi)所走過的長度我們是不能檢測到的，即為測量盲區(qū)?？捎孟聢D 表示。 圖 超聲波回波測距原理分析圖 本章小結(jié) 本章主要是介紹設(shè)計相關(guān)理論，對超聲波和 設(shè)計所用單片機作了簡要概述，并對 STC89C51 的性能特點、外部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組成做了相關(guān)闡述。超聲波傳感器的選擇也很重要。最重要的是超聲波測距的原理方法，這是根本，因此本章對此進行了相關(guān)介紹，并為對測量時產(chǎn)生的誤差進行減免措施。 濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件主要由以下六部分組成： （ 1）單片機系統(tǒng)。 （ 2）超聲波發(fā)射電路。 （ 3）超聲波檢測接收電路。 （ 4）溫度補償電路。 （ 5）顯示電路。 （ 6）報警電路。 其結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 系 統(tǒng) 硬 件 設(shè) 計單 片 機D S 1 8 B 2 0 溫 度 補償 電 路發(fā) 射 電 路接 收 電 路報 警 電 路L C D 顯 示 電 路 圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖 社會在發(fā)展，科技在提高，超聲波測距 技術(shù) 也隨之更進一步。但超聲波的發(fā)射濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 和接收仍然是我們要研究的重要問題。超聲波傳感器的工作原理都是一樣的。無論其大小、形狀、靈敏度有什么不同。而要提高超聲波測量的精度，則必須要從設(shè)計要求的關(guān)鍵和難點出發(fā)，即對超聲波的發(fā)射處理和超聲波的接收處理這兩個重要方面。 單片機概述 單片機就是一塊由諸多功能模塊構(gòu)成的 集成電路 芯片 。所以單片機會擁有一些特殊功能。然而這些功能的實現(xiàn)需要人為控制，即通過編程來控制，進而實現(xiàn)各種不同的功能。目前單片機應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛： ① 工業(yè)自動化。如數(shù)據(jù)采集、測控技術(shù)。 ② 智能儀器儀表。如數(shù)字示波器、數(shù)字信號源、數(shù)字萬用表、感應(yīng)電流表等。 ③ 消費類電子產(chǎn)品。如洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、電視機、微波爐、 IC 卡、 汽車電子設(shè)備等。 ④ 通信方面。如調(diào)制解調(diào)器、程控交換技術(shù)、手機等。 ⑤ 武器裝備。如戰(zhàn)斗機、坦克和智能導(dǎo)彈等。 STC89C51 主要性能特點 STC89C51 簡單介紹： （ 1） STC — 前綴，表示 STC 公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。 （ 2） 8— 表示該芯片為 8051 內(nèi)核芯片。 （ 3） 9— 表示內(nèi)部含 Flash E178。PROM 存儲器。 （ 4） C— 表示該器件為 CMOS 產(chǎn)品。 （ 5） 5— 固定不變。 （ 6） 1— 表示該芯片內(nèi)部程序存儲空間的大小為 4KB 。算法其實就是 5 后面的這個數(shù)乘上 4KB。 主要性能： （ 1） STC89C51 系列單片機是從引腳到內(nèi)核都完全兼容標準 8051 的單片機。 （ 2） STC89C51 系列單片機是新一代的 8051 單片機。它具有高速 /低功耗的優(yōu)濱州學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 點，工作頻率最高可達到 25MHz～ 50MHz。 （ 3） STC89C51 系列單片機有較寬的工作電壓。 ① 5V 型號的可工作于 ～ 。 ② 型號的可工作于 ～ 。 STC89C51 單片機還具有以下特點： （ 1） ISP 與 IAP 編程方式 。 （ 2） 6 時鐘，機器周期模式 。 （ 3）降低簟片機對外部電磁輻射 。 （ 4）內(nèi)部擴展 RAM。 （ 5）雙 DPTR 數(shù)據(jù)指針 。 （ 6）擴晨 P4 口 。 （ 7）內(nèi)置看門狗電路 。 （ 8）軟復(fù)位功能 。