【正文】 領(lǐng)域。目前，典型的無線測距方法有超聲波測距、CCD 探測、雷達(dá)測距、激光測距等。其中，CCD 探測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但視覺測距需要額外的計算開銷。雷達(dá)測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測距的優(yōu)點，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對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。與前幾種測距方式相比，超聲波測距可以直接測量近距離目標(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。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。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和脈沖回波法三種。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射介質(zhì)的影響。因此，當(dāng)前超聲波測距一般使用脈沖回波法。從技術(shù)上看，超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀(jì)70年代已經(jīng)實用化從上個世紀(jì)70年代末期已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。近十年來，國內(nèi)科研人員在超聲波回波信號處理方法、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，并針對超聲測距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施。超聲波測距憑借其原理簡單、易于實現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點，在液位測量、移動機(jī)器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測和導(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)一步拓寬超聲波測距的應(yīng)用空間，在提高有效作用距離的同時，相應(yīng)提高測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設(shè)計無線測距系統(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)計硬件電路圖及系統(tǒng)軟件，測量范圍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)射器被測物體單片機(jī)超聲波測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，它主要基于超聲測距回波信號的識別，多采用模擬方法，用電路來實現(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物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，可得其往返時間t，由s=vt/2即可算出被測物體的距離。按照系統(tǒng)設(shè)計的功能要求，初步確定設(shè)計系統(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，同時也是在單片機(jī)課程設(shè)計中經(jīng)常使用到的控制芯片?？刂菩盘栍?55定時器構(gòu)成的低頻振蕩器來實現(xiàn)。，以獲得穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)輸出超聲波傳感器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示模塊采用LCD1602優(yōu)點就是可以顯示數(shù)字，且與單片機(jī)的接口簡單，操作方便。超聲波發(fā)射模塊和接收模塊采用HCSR04超聲波測距模塊，該模塊性能穩(wěn)定，測量距離精確，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，晶片會產(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)生器有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)晶片的兩極加入脈沖信號，若脈沖信號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，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，便產(chǎn)生超聲波，使電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械波；反之，當(dāng)晶片的共振板接收到超聲波時，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，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的方波信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號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。輸出端采用兩個反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。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，縮短其自由振蕩時間。超聲波檢測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與測距的超聲波頻率開始定時器、液晶初始化啟動T0開中斷啟動T1發(fā)40kHz方波延時避開盲區(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、靈敏度在40kHz時最大）較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。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 集成電路對接收探頭受到的信號進(jìn)行放大、濾波，其總放大增益80db。當(dāng)CX20106A 接收到40KHz的信號時，會在第7腳產(chǎn)生一個低電平下降脈沖，單片機(jī)外部中斷接到這個信號并采取相應(yīng)動作，使測距結(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℃,。由此可見溫度對于超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。為了得到較為精確的測量結(jié)果,必須對波速進(jìn)行溫度補(bǔ)償。通過實驗可獲得波速與溫度之間的經(jīng)驗?zāi)Ｐ? v = + , T為現(xiàn)場溫度, v為實際波速。從上式中可看出,要獲得準(zhǔn)確的波速,必須首先獲取現(xiàn)場溫度T的大小。一般采用DS18B20溫度傳感器測量現(xiàn)場溫度。超聲波測距儀的軟件設(shè)計主要由主程序、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?？刂瞥绦蚩刹捎肅語言和匯編語言混合編程。主超聲波測距儀主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（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)閉計時器T0停止計時，并將測距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。前方測距電路的輸出端接單片機(jī)INT0端口，中斷優(yōu)先級最高，左、右測距電路的輸出通過與門IC3A的輸出接單片機(jī)INT1端口，中斷源的識別由程序查詢來處理，中斷優(yōu)先級為先右后左。超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當(dāng)這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當(dāng)收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。四、研究工作進(jìn)度：本次畢業(yè)設(shè)計總計17周完成，具體時間安排如下：第 1~4 周 查閱超聲波測距課題國內(nèi)外現(xiàn)狀，研究主要成果，發(fā)展趨勢，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，撰寫開題報告和文獻(xiàn)綜述；第 5~7 周 獨立進(jìn)行電路各個模塊的設(shè)計，制作超聲波測距基本電路；第 7~12 周 對各個模塊進(jìn)行硬件調(diào)試，編寫可實現(xiàn)相關(guān)功能的軟件程序；第13~14周 利用軟件程序?qū)φ麄€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（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（論文）文獻(xiàn)綜述 課題名稱： 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 學(xué)院（系）： 里仁學(xué)院 年級專業(yè)： 08級電信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、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀無線測距指用無線電測量載機(jī)與某個目標(biāo)或反射面之間的信號傳播延遲、頻率、相位差來測定兩點之間直線距離的方法。目前，測量距離的方法主要采用測量波在介質(zhì)中傳播速度與時間的關(guān)系。隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無線檢測技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域。目前，典型的無線測距方法有超聲波測距、CCD 探測、雷達(dá)測距、激光測距等。其中，CCD 探測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但視覺測距需要額外的計算開銷。雷達(dá)測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進(jìn)行短距離、高精度測距的優(yōu)點，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對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。與前幾種測距方式相比，超聲波測距可以直接測量近距離目標(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。目前，超聲波測距已普遍應(yīng)用在液位測量、移動機(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。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法三種。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限；聲波幅值檢測法易受反射介質(zhì)的影響。因此，當(dāng)前超聲波測距一般使用渡越時間法。超聲波測距的工作原理是發(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。渡越時間法就是通過檢測發(fā)射超聲波與接收回波之間的時間差t，求出目標(biāo)障礙物距信號發(fā)射源的距離d，計算公式為：d = vt/2,其中，v為超聲波波速。從技術(shù)上看，超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀(jì)70年代已經(jīng)實用化從上個世紀(jì)70年代末期已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。近十年來，國內(nèi)科研人員在超聲波回波信號處理方法、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，并針對超聲測距的常見影響因素提出溫度補(bǔ)償、接收回路串入自動增益調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)等提高超聲波測距精度的措施。二、研究主要成果 超聲波測距憑借其原理簡單、易于實現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點，在液位測量、移動機(jī)器人定位和避障、汽車防撞、曲面仿形檢測和導(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，利用超聲波測距可以實現(xiàn)液位的非接觸式測量，解決上述問題。與其他測位方法相比，超聲波液位測量具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、安裝和維護(hù)方便、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。移動機(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)和超聲波測距系統(tǒng)。超聲波傳感器已經(jīng)被廣泛用作測距傳感器，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，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)，人們在倒車時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距傳感器可以有效測量車身距障礙物間距離，解除了駕駛員泊車、倒車和起動車輛時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)測量方式獲得，而超聲波測距可以通過采用多傳感器多角度測距，確定其外形特征，以實現(xiàn)對曲面的檢測。目前市場上有多種導(dǎo)盲設(shè)備,但大多原理簡單、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。而利用超聲波測距系統(tǒng)制作的導(dǎo)盲系統(tǒng)操作簡單方便。超聲測距、無線傳輸讓整個導(dǎo)盲設(shè)備更輕便。具有語音告知功能, 兼帶振動功能, 更加人性化、智能化。三、發(fā)展趨勢：超聲波測距中，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