【正文】 本 文 的 全部 研 究 和 論 文 的 撰 寫(xiě) 工 作 都 是 在 何 老 師 和 胡 老 師 的 悉 心 指 導(dǎo) 和 幫 助 下 完 成 的 ， 導(dǎo) 師 們知 識(shí) 淵 博 、 治 學(xué) 嚴(yán) 謹(jǐn) 和 其 在 機(jī) 器 人 大 賽 中 表 現(xiàn) 出 的 創(chuàng) 造 性 的 工 作 方 法 使 我 終 身 受 益 。由于時(shí)間的限制，系統(tǒng)的精度沒(méi)有做到很高，下一步可以進(jìn)一步提高超聲波傳感器模塊測(cè)距系統(tǒng)的精度。 本文設(shè)計(jì)了一種小型的超聲波傳感器測(cè)距模塊。另外，當(dāng)使用不同反射界面的測(cè)量結(jié)果及分析 ]24[光滑硬表面：實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)使用光滑硬表面的材料，比如玻璃、水泥石灰，木板或鐵板時(shí)，測(cè)試的結(jié)果完全一致。接收到的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后，通過(guò)放大電路放大過(guò)程中，噪音干擾得到抑制，防止誤動(dòng)作，提高了可靠性。發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波并非直線傳播，而是呈喇叭狀擴(kuò)散傳播的。而且環(huán)境條件不同也會(huì)得到不同的結(jié)果。圖44 回波接收程序流程圖初始化超聲波發(fā)射有回波時(shí)間大于30ms顯示特殊字符軟件濾波是回波信號(hào)讀取時(shí)間顯示YNYNN西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文30第 5 章 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析前而幾章介紹了超聲測(cè)距系統(tǒng)模塊的設(shè)計(jì)，本章將介紹利用該超聲測(cè)距系統(tǒng)所做的實(shí)驗(yàn)及對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析。在系統(tǒng)硬件中，發(fā)射的40kHz脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、溫度測(cè)試子程序、測(cè)距中斷服務(wù)子程序、顯示子程序等幾個(gè)主要部分。數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離送四位LED顯示。在系統(tǒng)軟件中，要完成門控信號(hào)、發(fā)射脈沖信號(hào)、溫度測(cè)試、及輸出顯示。軟件設(shè)計(jì)上，盡量?jī)?yōu)化、簡(jiǎn)單的模塊化設(shè)計(jì)方案，減少了煩瑣的操作過(guò)程和復(fù)雜的邏輯處理。地平面應(yīng)盡可能覆蓋整個(gè)PCB,連到地平面的每條線盡可能短，以減少分布電感。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文25集成數(shù)字電路使用的電源、電路板連接線等關(guān)鍵地方使用了抗干擾元件(串聯(lián)磁珠) 去耦。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文24圖38 LED顯示電路 系統(tǒng)抗干擾措施由于本設(shè)計(jì)的高頻工作特性，而且需要將微弱的電壓信號(hào)放大100倍左右，并且要從許多干擾信號(hào)中采樣出來(lái)。其電路圖如圖37所示，單片機(jī)通過(guò)一個(gè)IO口，來(lái)控制DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。第一級(jí)放大輸出的信號(hào)是交流信號(hào)，第二，即可在輸出端輸出 05V的數(shù)字信號(hào)。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文22圖35 超聲波發(fā)射電路由于傳感器的標(biāo)稱頻率是 40177。??邏輯門電路產(chǎn)生低頻調(diào)制脈沖，脈沖持續(xù)時(shí)間為160μs左右，脈沖時(shí)間間隔為3040ms(視需要可調(diào)整) 。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文21圖34 電源電路圖電源由12伏的干電池提供，經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到+5V支流電源，給單片機(jī)提供工作電源。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。C 1111 1110 0110 1111 FF6Fh55176。C 0000 0000 0000 1000 0008h0176。C 0000 0111 1101 0000 07D0h+85176。還可采用寄生電源方式，將DS18B20的VDD 與GND接在一起。DS18B20 內(nèi)部暫存存儲(chǔ)器的第5個(gè)字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器，它的第5位RO和第6位R1 主要用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，如表42所示。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)控制DS18B20 完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)三個(gè)步驟：每一次讀寫(xiě)之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20 進(jìn)行預(yù)定的操作。暫2存存儲(chǔ)器包含了 8 個(gè)連續(xù)字節(jié)，前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度信息，第一個(gè)字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第二個(gè)字節(jié)是溫度的高八位。測(cè)量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。它的 ROM 中存有其芯片的唯一標(biāo)識(shí)碼，即任意兩個(gè) DS18B20 的標(biāo)識(shí)碼是不同的。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文18測(cè)量環(huán)境溫度時(shí)，直接以“一線總線” 的數(shù)字方式傳輸，可以大大提高系統(tǒng)的抗干擾性。但是 LM358 的帶寬比較窄，放大倍數(shù)不容易提上去，容易飽和產(chǎn)生振蕩。根據(jù)傳感器類型，為電路選擇合適的運(yùn)算放大器，是設(shè)計(jì)中經(jīng)常面臨的問(wèn)題，同時(shí)為提高性能和降低成本的不斷要求，選擇合理使用運(yùn)算放大器已經(jīng)成為電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在本次設(shè)計(jì)中主要用到的器件有 LM358 運(yùn)放、溫度傳感器 DS18BAT89C51 單片機(jī)。 測(cè) 溫 部 分測(cè)溫部分測(cè)量系統(tǒng)工作的環(huán)境溫度，對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，用來(lái)減少環(huán)境溫度變化對(duì)測(cè)量精度的影響。顯示部分用以測(cè)量結(jié)果顯示。 硬件電路設(shè)計(jì)說(shuō)明本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖如圖 32 所示。這樣的處理一般都可以很好的消除干擾。表31 T/R40—16特性參數(shù) 型號(hào) T/R40—16中心頻率 40 1KHz?發(fā)射電壓 大于 115dB接收靈敏度 大于64Db/V/ubar6dB 指向 50deg電容 2400 25%?允許輸入電壓 20V 顯示電路采用 LED 動(dòng)態(tài)掃描顯示，為了增加 LED 的顯示亮度，本文采用了74HC244 加以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。雖然發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓只有毫伏級(jí)，甚至是微伏級(jí)的。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲，電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40kHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。目前電子市場(chǎng)常見(jiàn)的超聲波傳感器是收發(fā)分體式，一般要求的頻率是40kHz。由于超聲波在大氣中的傳播速度v相對(duì)穩(wěn)定，因此可以看出，測(cè)距精度的關(guān)鍵在于測(cè)距系統(tǒng)能獲得較高精度t 的值。較為常見(jiàn)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)一般基于超聲波集成電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，例如LM1812，LM1812是一種超聲波測(cè)距的專用集成電路，它集成了傳感器驅(qū)動(dòng)、回波觸發(fā)等功能。傳感器驅(qū)動(dòng)電路是用來(lái)產(chǎn)生一定頻率的交變電壓作為傳感器的工作電源。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文12控制部分障礙物超聲波傳感器（發(fā)射）超聲波傳感器（接收）圖 22 測(cè) 距 模 塊 圖因超聲波在介質(zhì)中的傳播速度還與環(huán)境的溫度有關(guān)，所以本設(shè)計(jì)為了提高測(cè)量精度，設(shè)計(jì)中采用DS18B20 溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償。其中，渡越時(shí)間法因其原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，而被廣泛采用。當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。不同的檢測(cè)儀器阻塞程度不一樣。由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。指向角θ愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑r愈大。表24 超聲波接收器工作原理效應(yīng) 機(jī)理傳感器件 傳感部分 典型材料電容對(duì)聲波敏感的電容量變化引起電容變化電容式微音器 涂敷金屬受壓膜 聚酯壓電 聲壓使壓電晶體上 產(chǎn)生電壓 壓電型波接 收器 壓電型結(jié)晶板壓電型結(jié)晶薄膜石英晶體、鈮酸鋰、硫酸鋰、羅歇爾鹽、硫化鎘、氧化鋅反電致伸縮聲壓使電致伸縮材料上產(chǎn)生電壓電致伸縮型微音器高分子電致伸縮膜，無(wú)機(jī)電致伸縮板、無(wú)機(jī)電致伸縮膜PVDF+PZT粉鈦酸鋯酸，鉛鈮酸，鈦酸，鋇PZT系動(dòng)電超聲波驅(qū)動(dòng)固定在動(dòng)圈上的振動(dòng)板，切割磁力線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)動(dòng)圈式微音器 受音板+動(dòng)圈 硬鋁西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文10電磁磁性同路中磁板因?yàn)槌暡ㄕ駝?dòng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電磁型受波器 受壓磁性板 坡莫合金反磁致伸縮受壓磁致伸縮板的形變引起磁場(chǎng)變化，產(chǎn)生感應(yīng)電流磁致伸縮受波器受壓磁致伸縮板磁致伸縮薄膜金屬∶鎳、阿爾費(fèi)羅磁：NiCu鐵氧體Ni，坡莫合金 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮 傳 感 器 的 指 向 角 θ傳感器的指向角是聲束半功率角的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測(cè)距的分辨率。當(dāng)超聲波傳來(lái)時(shí)，受音板發(fā)生位移，使磁路磁場(chǎng)發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)。結(jié)構(gòu)上由采用PVDF膜作為受音體，也有采用鈦酸、鋯酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶型受音體的結(jié)構(gòu)形式。 超 聲 波 接 收 器表24給出了超聲波接收器的基本性能，如表24所示，接收原理基于伴隨聲波西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文9而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動(dòng)電、電磁、反磁致伸縮聲光效應(yīng)等。 超 聲 波 發(fā) 射 器超聲波發(fā)射器的基本性能如表23所示。寬帶傳感器具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性就相當(dāng)于兩種產(chǎn)感器的結(jié)合。在多通道通信使用時(shí)器件比較多，使用不方便，此時(shí)采用寬頻帶傳感器較為方便。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21 所示。在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸和圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。其關(guān)鍵技術(shù)就是使超聲波聲束變細(xì)，除待測(cè)物體外，不受其它構(gòu)造物的影響。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文6 正壓電效應(yīng)當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的形變將引起內(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)稱為正壓電效應(yīng)。如電場(chǎng)反向，則形變亦反向。直到現(xiàn)在，朗之萬(wàn)型傳感器仍在得到廣泛的應(yīng)用，如功率超聲和水聲中。目前壓電式超聲波傳感器的理論研究和實(shí)際應(yīng)用最為廣泛，本文的超聲波傳感器測(cè)距模塊選用的也是壓電式超聲波傳感器。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上也稱為超聲波傳感器，或者超聲波探頭，本文一致稱為超聲波傳感器。壓電材料的發(fā)展大大地促進(jìn)了超聲波領(lǐng)域的發(fā)展。但在1940 年以前, 只有單晶壓電材料, 這種超聲波技術(shù)存在許多缺點(diǎn), 使得超聲波未能得到廣泛應(yīng)用。因此就可以產(chǎn)生一系列次級(jí)效應(yīng), 如化學(xué)效應(yīng)、聲致發(fā)光、分散作用和乳化作用等。因此, 在實(shí)際應(yīng)用中, 有些超聲技術(shù)使用的頻率可能在 16kHz 以下, 而超聲波頻率的上限是 10 Hz , 整個(gè)頻率范圍相當(dāng)寬, 占據(jù)聲學(xué)全部頻率范圍的 1/2 以上。本課題完成設(shè)計(jì)了一種以 AT89C51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、小型化數(shù)字顯示超聲波傳感器測(cè)距模塊，其硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)思路清晰，方案簡(jiǎn)單可行。了解當(dāng)前科技發(fā)展前沿方向，做到個(gè)人在時(shí)代發(fā)展中良好測(cè)距。 課題目的及意義學(xué)習(xí)使用單片機(jī)的控制功能和用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)測(cè)量距離，并且掌握使用Protel99進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和制圖的方法步驟，能將設(shè)計(jì)出的電路原理圖下載到PCB板進(jìn)行仿真。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展，給人類文明帶來(lái)了巨大的影響。但是，人的感覺(jué)器官并不是萬(wàn)能的。這些任務(wù)必須依靠能實(shí)時(shí)感知環(huán)境信息的傳感器系統(tǒng)來(lái)完成。 機(jī) 器 人 感 知 系 統(tǒng) 研 究 現(xiàn) 況近年來(lái)，機(jī)器人的研究與發(fā)展倍受世人關(guān)注。最后利用測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于測(cè)距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論。Q260046902 專業(yè)做論文西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目名稱：基于 51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)年 級(jí)：2022 級(jí) ■本科 □?？茖W(xué)生學(xué)號(hào)：20225095學(xué)生姓名：時(shí)余春 指導(dǎo)教師：何宏森 胡天鏈學(xué)生單位：信息工程學(xué)院 技術(shù)職稱：講師學(xué)生專業(yè)：生物醫(yī)學(xué)工程 教師單位：信息工程學(xué)院西 南 科 技 大 學(xué) 教 務(wù) 處 制西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文 I基于 51 單片機(jī)的超聲波測(cè)距模塊設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了一種基于單片機(jī)的脈沖反射式超聲波測(cè)距模塊。并且在介紹超聲測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)表明，各主要波形及技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。機(jī)器人系統(tǒng)廣泛融合了機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、通訊與計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、決策與對(duì)策、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與智能控制等諸多學(xué)科內(nèi)容，是研究多智能系統(tǒng)理論的良好實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。視覺(jué)、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機(jī)器人中得到應(yīng)用。與其它動(dòng)物一樣，為了把生命維持下去，人類只是有選擇地捕捉一些重要信息。特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路出現(xiàn)之后，計(jì)算機(jī)的核心部件有了驚人的發(fā)展，同時(shí)也要求外部設(shè)備與之相配合。理解超聲波傳感器的超聲波發(fā)生機(jī)制及發(fā)射、接受，放大裝置和以單片機(jī)AT89C51為中心控制單元，實(shí)現(xiàn)超聲波發(fā)射及其遇到障礙物發(fā)生反射形成回波信號(hào)，并根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的傳播速度及超聲波從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間，計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，以完成設(shè)計(jì)目標(biāo)，熟悉51單片機(jī)軟件編程及調(diào)試環(huán)境KeilC51軟件。培養(yǎng)抽象思維能力，分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。西南科技大學(xué)本科生畢業(yè)論文3第 2 章 超聲波傳感器模塊測(cè)距方案分析 超聲波與超聲波的應(yīng)用聲學(xué)作為物理學(xué)的一個(gè)分支，它是研究聲波的發(fā)生、傳播、接收、效應(yīng)的一門科學(xué)，聲學(xué)全部頻率為 10 Hz～10 Hz , 通常把頻率為 2 10 Hz～10 Hz 的聲4?14 49波稱為超聲波。9表21 聲波的種類及特點(diǎn)聲波種類 頻率/赫茲 特點(diǎn)次聲波 20 人耳聽(tīng)不到船舶衰減很小，傳播距離很遠(yuǎn)可聞波 20—2 410?人耳可以聽(tīng)到超聲波 2 —1 9傳播頻率較高，傳播方向性