【正文】 領(lǐng)域。目前，典型的無線測(cè)距方法有超聲波測(cè)距、CCD 探測(cè)、雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距等。其中，CCD 探測(cè)具有使用方便、無需信號(hào)發(fā)射源、同時(shí)獲得大量的場(chǎng)景信息等特點(diǎn)，但視覺測(cè)距需要額外的計(jì)算開銷。雷達(dá)測(cè)距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)，但容易受電磁波干擾。激光測(cè)距具有高方向性、高單色性、高亮度、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。與前幾種測(cè)距方式相比，超聲波測(cè)距可以直接測(cè)量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點(diǎn)。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。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。超聲波測(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和脈沖回波法三種。其中，相位檢測(cè)法精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射介質(zhì)的影響。因此，當(dāng)前超聲波測(cè)距一般使用脈沖回波法。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)用化從上個(gè)世紀(jì)70年代末期已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。近十年來，國(guó)內(nèi)科研人員在超聲波回波信號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對(duì)超聲測(cè)距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施。超聲波測(cè)距憑借其原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在液位測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測(cè)和導(dǎo)盲系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。目前，超聲波測(cè)距的研究目標(biāo)主要是研究精度更高的回波處理算法，研發(fā)新型、高性能超聲波換能器以進(jìn)一步拓寬超聲波測(cè)距的應(yīng)用空間，在提高有效作用距離的同時(shí)，相應(yīng)提高測(cè)量精度與抗干擾能力等方面。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：本次課題的主要內(nèi)容是在深入學(xué)習(xí)單片機(jī)的基礎(chǔ)上，利用聲波傳播的延時(shí)設(shè)計(jì)無線測(cè)距系統(tǒng)。系統(tǒng)由單片機(jī)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收模塊、顯示電路組成。為提高精度，應(yīng)考慮溫度補(bǔ)償問題。要求設(shè)計(jì)系統(tǒng)電路圖及系統(tǒng)軟件。課題的基本要求是CPU采用與51兼容的STC系列單片機(jī)，要求設(shè)計(jì)硬件電路圖及系統(tǒng)軟件，測(cè)量范圍10m，誤差10cm。課題擬解決的主要內(nèi)容有：；、引腳結(jié)構(gòu)、功能組成等，制定清晰合理的電路結(jié)構(gòu)，使單片機(jī)能夠準(zhǔn)確控制電路進(jìn)行功能的實(shí)現(xiàn)；；，并配合軟件進(jìn)行硬件電路分析和優(yōu)化。三、研究步驟、方法及措施：發(fā)射電路接收電路超聲波發(fā)射器超聲波發(fā)射器被測(cè)物體單片機(jī)超聲波測(cè)距的主要方法有脈沖回波法、共振法和頻差法等。其中脈沖回波法最為常用，它主要基于超聲測(cè)距回波信號(hào)的識(shí)別，多采用模擬方法，用電路來實(shí)現(xiàn)。其原理如右圖所示，發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，可得其往返時(shí)間t，由s=vt/2即可算出被測(cè)物體的距離。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用51系列AT89S51單片機(jī)，該單片機(jī)工作性能穩(wěn)定，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。控制信號(hào)由555定時(shí)器構(gòu)成的低頻振蕩器來實(shí)現(xiàn)。，以獲得穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)輸出超聲波傳感器所需的40kHz的方波信號(hào)，利用外中斷口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。顯示模塊采用LCD1602優(yōu)點(diǎn)就是可以顯示數(shù)字，且與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，操作方便。超聲波發(fā)射模塊和接收模塊采用HCSR04超聲波測(cè)距模塊，該模塊性能穩(wěn)定，測(cè)量距離精確，精度高，盲區(qū)（2cm）超近。壓電式超聲波傳感器的工作原理主要是基于壓電晶體的壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)主要分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)，所謂正壓電效應(yīng)就是在晶片兩極加入電壓時(shí)，晶片會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，從而在晶片表面產(chǎn)生機(jī)械波；逆壓電效應(yīng)正好相反，當(dāng)晶片本身發(fā)生機(jī)械形變，或者加入了機(jī)械波，在晶片的表面會(huì)產(chǎn)生電荷，從而在晶片兩極產(chǎn)生相應(yīng)的電壓。超聲波發(fā)生器有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)晶片的兩極加入脈沖信號(hào)，若脈沖信號(hào)的頻率正好等于或接近于壓電晶片本身的固有振蕩頻率時(shí)，其機(jī)械形變達(dá)到最大，壓電晶片發(fā)生共振，并引起共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波，使電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械波；反之，當(dāng)晶片的共振板接收到超聲波時(shí)，壓電晶片將發(fā)生機(jī)械形變，其表面產(chǎn)生電荷，致使機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這便是壓電式超聲波傳感器的工作原理。發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射傳感器T構(gòu)成。單片機(jī)端口輸出的40kHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻R1O、R11一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。超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路CX20106A組成，它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率開始定時(shí)器、液晶初始化啟動(dòng)T0開中斷啟動(dòng)T1發(fā)40kHz方波延時(shí)避開盲區(qū)開外部中斷0有回波停止T0，T1關(guān)中斷數(shù)據(jù)處理顯示輸出YN40 kHz（超聲波傳感器的聲壓能級(jí)、靈敏度在40kHz時(shí)最大）較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。適當(dāng)更改電容C4的大小，就可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。使用CX20106A 集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，其總放大增益80db。當(dāng)CX20106A 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，單片機(jī)外部中斷接到這個(gè)信號(hào)并采取相應(yīng)動(dòng)作，使測(cè)距結(jié)果在1602液晶上顯示出來。在常溫下,超聲波的傳播速度為340m/s,但其傳播速度V易受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響,其中溫度的影響最大。一般溫度每升高1℃,。由此可見溫度對(duì)于超聲波測(cè)距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測(cè)量結(jié)果,必須對(duì)波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過實(shí)驗(yàn)可獲得波速與溫度之間的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ? v = + , T為現(xiàn)場(chǎng)溫度, v為實(shí)際波速。從上式中可看出,要獲得準(zhǔn)確的波速,必須首先獲取現(xiàn)場(chǎng)溫度T的大小。一般采用DS18B20溫度傳感器測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)溫度。超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。控制程序可采用C語言和匯編語言混合編程。主超聲波測(cè)距儀主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。前方測(cè)距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級(jí)最高，左、右測(cè)距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，中斷源的識(shí)別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級(jí)為先右后左。超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì)原理為超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離。四、研究工作進(jìn)度：本次畢業(yè)設(shè)計(jì)總計(jì)17周完成，具體時(shí)間安排如下：第 1~4 周 查閱超聲波測(cè)距課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，研究主要成果，發(fā)展趨勢(shì)，主要問題等，熟悉課題內(nèi)容，復(fù)習(xí)單片機(jī)相關(guān)知識(shí)，撰寫開題報(bào)告和文獻(xiàn)綜述；第 5~7 周 獨(dú)立進(jìn)行電路各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，制作超聲波測(cè)距基本電路；第 7~12 周 對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行硬件調(diào)試，編寫可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能的軟件程序；第13~14周 利用軟件程序?qū)φ麄€(gè)產(chǎn)品進(jìn)行軟件調(diào)試和系統(tǒng)聯(lián)調(diào)；第15~17周 撰寫論文。五、主要參考文獻(xiàn)：[1] 孫培剛，張春迪，張艷鵬．，：36[2] 曹月真．，:5556[3] 趙小強(qiáng)，趙連玉．，:6265[4] 戴曰章. 基于AT89C51 ，:131132[5] 王安敏，張凱．基于AT89C52 ，:4849[6] 許艷惠．，:3435[7] ，:7477[8] ，:5356[9] 徐建超、:305306[10] ，:143145[11] 馬繼鵬，尚璇，蔣空空，易江臣，:23[12] 張毅剛、彭喜元、姜守達(dá)、喬立巖.《新編MSC51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)（第3版）》.哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社[13] 高西全、丁玉美.《數(shù)字信號(hào)處理（第三版）》.西安電子科技大學(xué)出版社附錄2燕 山 大 學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述 課題名稱： 基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 學(xué)院（系）： 里仁學(xué)院 年級(jí)專業(yè)： 08級(jí)電信3班 學(xué)生姓名 段煉 指導(dǎo)教師： 練秋生 教授 完成日期： 2012年3月25日 一、課題國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀無線測(cè)距指用無線電測(cè)量載機(jī)與某個(gè)目標(biāo)或反射面之間的信號(hào)傳播延遲、頻率、相位差來測(cè)定兩點(diǎn)之間直線距離的方法。目前，測(cè)量距離的方法主要采用測(cè)量波在介質(zhì)中傳播速度與時(shí)間的關(guān)系。隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無線檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。目前，典型的無線測(cè)距方法有超聲波測(cè)距、CCD 探測(cè)、雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距等。其中，CCD 探測(cè)具有使用方便、無需信號(hào)發(fā)射源、同時(shí)獲得大量的場(chǎng)景信息等特點(diǎn)，但視覺測(cè)距需要額外的計(jì)算開銷。雷達(dá)測(cè)距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)，但容易受電磁波干擾。激光測(cè)距具有高方向性、高單色性、高亮度、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，尤其是對(duì)雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。與前幾種測(cè)距方式相比，超聲波測(cè)距可以直接測(cè)量近距離目標(biāo)，縱向分辨率高，適用范圍廣，方向性強(qiáng)，并具備不受光線、煙霧、電磁干擾等因素影響，且覆蓋面較大等優(yōu)點(diǎn)。目前，超聲波測(cè)距已普遍應(yīng)用在液位測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。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。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。超聲波測(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法三種。其中，相位檢測(cè)法精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射介質(zhì)的影響。因此，當(dāng)前超聲波測(cè)距一般使用渡越時(shí)間法。超聲波測(cè)距的工作原理是發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波，超聲波在介質(zhì)中傳播，遇到障礙物后反射，產(chǎn)生回波，接收換能器接收回波。渡越時(shí)間法就是通過檢測(cè)發(fā)射超聲波與接收回波之間的時(shí)間差t，求出目標(biāo)障礙物距信號(hào)發(fā)射源的距離d，計(jì)算公式為：d = vt/2,其中，v為超聲波波速。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)用化從上個(gè)世紀(jì)70年代末期已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。近十年來，國(guó)內(nèi)科研人員在超聲波回波信號(hào)處理方法、新型超聲波換能器研發(fā)、超聲波發(fā)射脈沖選取等方面進(jìn)行了大量理論分析與研究，并針對(duì)超聲測(cè)距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動(dòng)增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測(cè)距精度的措施。二、研究主要成果 超聲波測(cè)距憑借其原理簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，在液位測(cè)量、移動(dòng)機(jī)器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測(cè)和導(dǎo)盲系統(tǒng)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。接觸式液位測(cè)量存在易滲漏、易腐蝕、不便于檢修和維護(hù)等問題，利用超聲波測(cè)距可以實(shí)現(xiàn)液位的非接觸式測(cè)量，解決上述問題。與其他測(cè)位方法相比，超聲波液位測(cè)量具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、安裝和維護(hù)方便、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢(shì)。移動(dòng)機(jī)器人需要裝備多種傳感器來獲取環(huán)境信息以確定自身的位置（定位）和繞開障礙物（避障），其中比較常用的傳感系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)和超聲波測(cè)距系統(tǒng)。超聲波傳感器已經(jīng)被廣泛用作測(cè)距傳感器，并應(yīng)用于機(jī)器人的定位和避障。隨著汽車擁有量的增長(zhǎng)，汽車的安全和使用便捷性能受到了空前的關(guān)注。由于存在視覺盲區(qū)，人們?cè)诘管嚂r(shí)無法看清楚車子后面的障礙物，很容易刮傷汽車或發(fā)生事故。通過在車身前后安裝超聲測(cè)距傳感器可以有效測(cè)量車身距障礙物間距離，解除了駕駛員泊車、倒車和起動(dòng)車輛時(shí)前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高駕駛的安全性。大多數(shù)曲面外形尺寸很難通過傳統(tǒng)測(cè)量方式獲得，而超聲波測(cè)距可以通過采用多傳感器多角度測(cè)距，確定其外形特征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)曲面的檢測(cè)。目前市場(chǎng)上有多種導(dǎo)盲設(shè)備,但大多原理簡(jiǎn)單、功能單一、較機(jī)械化,出現(xiàn)的問題也較多,給經(jīng)常出門的盲人使用者帶來不便。而利用超聲波測(cè)距系統(tǒng)制作的導(dǎo)盲系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單方便。超聲測(cè)距、無線傳輸讓整個(gè)導(dǎo)盲設(shè)備更輕便。具有語音告知功能, 兼帶振動(dòng)功能, 更加人性化、智能化。三、發(fā)展趨勢(shì)：超聲波測(cè)距中，超聲波回波處理方法的優(yōu)劣，直接關(guān)系到回波前沿的定位精度和渡越