【正文】 22P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2R11 0 kC11 0 u F+ 5 v+ 5 vC22 2 p FC32 2 p F 圖 26 單片機(jī)最小系統(tǒng) 超聲 波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路如圖 27所示， AT89C52通過外部引腳 輸出脈沖寬度為 25μs , 40kHz的 20個脈沖串通過超聲波驅(qū)動電路以推挽方式加到超聲波傳感器而發(fā)射出超聲波?？梢哉f它是整個設(shè)計的核心所在，好比大腦之于人類的重要性。其主要功能是把 PC 初始化為0000H，是單片機(jī)從 0000H 單元開始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯或者操作錯誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動，因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分。 晶振和兩個 22pF 電容構(gòu)成的振蕩電路兩側(cè)，為電路提供正常的時鐘脈沖。單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由 AT89C52單片機(jī)、外部振蕩電路、復(fù)位電路和 +5V 電源組成。下面將分單 片 機(jī) 發(fā)射電路 接收電路 障 礙 物 發(fā)射頭 接收頭 圖 24 超聲波測距系統(tǒng) 原理圖 11 別介紹控制電路也即單片機(jī)最小系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路、及顯示電路。 圖 23 傳感器的方向性 如圖 25 所示，超聲波測距系統(tǒng)是由控制電路、超聲波接收電路、超聲波發(fā)射電路、顯示電路及電源電路幾部分組成的。因此，當(dāng) 前超聲波測距一般使 用渡越時間法。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限 。 圖 23表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此 ，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。傳感器的標(biāo)稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(lián)諧振頻率。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感 器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波在空氣中的傳播速度為 340 sm/ ，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (S )，即 ： 2/340tS? 這就是所謂的時間差測距法也有稱為渡越時間法 TOF（ time of flight），見圖 22。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21 所示，它有兩個壓電晶片和一個換能板。 本項目所用的壓電式超聲波發(fā)生器。 超聲波的發(fā)射原理是 ： 把鐵磁材料置于交變磁場中 ， 產(chǎn)生機(jī)械振動 ,發(fā)射出超聲波 。因此，壓電式超聲波傳感器實質(zhì)上是一種壓電式傳感器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號時，以此作為超聲波的接收器。 （ 1） 壓電式超聲波傳感器 壓電式超聲波傳感器主要由超聲波發(fā)射器 (或稱發(fā)射探頭 )和超聲波接收器 (或稱接收探頭 )兩部分組成 ， 它們都是利用壓電材料 (如石英 ， 壓電陶瓷等 )的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。 超聲波傳感器的原理與特性 原理 用超聲波作為檢測手段，應(yīng)能發(fā)射超聲波和接收超聲波。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為 兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。 有多種方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。它們在本質(zhì)上是一種能量的傳播形式， 其不同點是超聲波頻率較可聞波頻率高， 波長也短，在一定范圍內(nèi)可沿直線傳播，且具有良好的束射性和方向性。 因為它的振動次數(shù)甚高，超出了人類的聽覺上限，人們把這種聽不見的聲波叫 做超聲波。例如：均勻介質(zhì)對超聲波的吸收并不顯著，而當(dāng)介質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻時，聲吸收情況將發(fā)生明顯變化。 溫度的變化對 聲阻抗特性值有顯著的影響 ， 實際中應(yīng)予以注意。 兩種介質(zhì)的聲阻抗特性差愈大 ， 則反射波的強(qiáng)度愈大 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 其聲速 C 也與溫度有關(guān)，表 21 列出了幾種不同溫度下的聲速。 除水以外 ，大部分液體中的聲速隨溫度的升高而減小 ， 而水中的聲速則隨溫度的升高而增加 。 聲強(qiáng)是一個矢量 ， 它的方向就是能量傳播的方向 ,聲強(qiáng)的單位是2/mW 。 隨著介質(zhì)中各點聲振動的周期性變化 ， 聲壓也在作周期性變化 ， 聲壓的單位是 )/( 2mNPa 。 (3)超聲波：振動頻率高于 20kHz 的機(jī)械波。 5 2 超聲波測距原理 超聲波簡介 聲波是一種能在氣體、固體、及液體中傳播的機(jī)械波，由于振動頻率的不同可分為： (1)次聲波：振動頻率低于 16Hz 的機(jī)械波。先對硬件組裝及性能進(jìn)行分析，再進(jìn)行軟件部分的分析，最后是軟硬件結(jié)合后的調(diào)試結(jié)果。并畫出各模塊的程序流程圖。首先是對系統(tǒng)軟件進(jìn)行整體的分析，闡述軟件設(shè)計的整體概念，然后再具體討論程序的各個模塊。包括對超聲波的簡介、超聲波傳感器的原理及特性及 超聲波測距儀 的測距原理 。 第 2章為系統(tǒng)的硬件部分的整體設(shè)計。 論文主要由以下四部分組成： 第 1章為論文的緒論部分。由單片機(jī)進(jìn)行整體控制。 研究內(nèi)容及論文構(gòu)成 本文設(shè)計的超聲波測距儀是動態(tài)測距，能夠連續(xù)地不間斷地對障礙物進(jìn)行實時的檢測。第三，更重要 是培養(yǎng)團(tuán)隊合作意識，通過與搭檔的共同努力，基于對超聲波測距儀軟硬件的了解，設(shè)計出一個簡單，精度高，誤差小的測距裝置。首先，有利于培養(yǎng)學(xué)生的獨立科研開發(fā)能力。 利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必 須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）， 因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。 選題的意義 超聲波測距儀是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象著色、大小等的影響，較其它測距儀，它更加而潮濕、高溫、粉塵、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有不污染、高可靠、長壽命等優(yōu)點，且易于維護(hù) [2]。當(dāng)收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負(fù)跳變，在 單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(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 ,結(jié)果輸出給 LED 顯示。接 3 收電路的輸出端接單片機(jī)的外部中斷源輸入口。超聲波在空氣中的傳播速度為 V，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離。本課題研究的測距系統(tǒng)就是用單片機(jī)控制的。 (4).對設(shè)計的電路進(jìn)行分析。 (2).對設(shè)計的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而 實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 中斷 服務(wù)程序中，提供了定時、計數(shù)功能，并且調(diào)用相關(guān)處理程序。 主程序完成數(shù)據(jù)初始化，參數(shù)設(shè)置，以及各功能模塊的調(diào)用。軟件主要工作流程是：單片機(jī)編程產(chǎn)生超聲波，在系統(tǒng)發(fā)射超聲波的同時利用定時器的計數(shù)功能開始計時，接收到回波后，接收電路輸出端產(chǎn)生的負(fù)跳變在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，停止計時，讀取時間差，計算距離，然后將數(shù)據(jù)輸出 P0 口顯示。而隨著計算機(jī)的迅速發(fā)展，超聲波測距儀將更加智能化，精確化。 在我國的相關(guān)技術(shù)與發(fā)達(dá)國家相比也較落后，因此對這種能準(zhǔn)確、高效、實時測量距離的方式的研究在我國尤其重要。利用超聲波檢測距離比較迅速、方便，計算也較簡單，易于做到實時檢測，并且在精度方面也能夠達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上也得到了廣泛的應(yīng)用。這 些獨特的優(yōu)點都使得超聲波測距越來越受到人們的重視，也從 70年代末期開始在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。由于超聲波是一種非接觸式的測量方式，它具有不被光、粉塵或電磁波等外界因素干擾的一系列優(yōu)點， 由于自身抗干擾性好、方向性強(qiáng)、反射性好等優(yōu)點越來越多地 被人們作為一種測距識別手段 [1]。在現(xiàn)代社會中，我們既要要求測量的準(zhǔn)確性，又要避免人類在危險的環(huán)境下作業(yè)。 論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，對于系統(tǒng)的程序設(shè)計進(jìn)行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了軟件系統(tǒng)的總體構(gòu)成及其子程序設(shè)計 。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制 ,并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求 ,因此在移動機(jī)器人 ,汽車安全 ,海洋測量等上得到了廣泛的應(yīng)用。由 于超聲波頻率較高，沿直線傳播，繞射小，穿透力強(qiáng)，指向性強(qiáng)，傳輸過程中衰減少，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，遇到雜質(zhì)或分界面時會產(chǎn)生反射波，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。這一設(shè)計就是本著這個宗旨出發(fā) ， 利用超聲波的特性來為我們服務(wù)。完成了超聲波測距儀的軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)了測量結(jié)果的顯示 ， 經(jīng)系統(tǒng)調(diào)試可看出， LED 數(shù)碼 管 顯示清晰穩(wěn)定，測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，測距儀最大誤差不超過 5cm。 系統(tǒng)的軟件部分則包括主程序、定時子程序、顯示子程序和外部中斷服務(wù)子程序。采用壓 電式超聲波換能器。因此，可以利用超聲波實現(xiàn)對距離的測量。超聲波明顯特征是方向性好 ，穿透性強(qiáng)。 論文題目：超聲波測距儀 的設(shè)計 (軟件 ) 專 業(yè)：自動化 本 科 生： （簽名） ________ 指導(dǎo)教師： （簽名） ________ 摘 要 超聲波測距 作為一種非接觸性的光學(xué)測量方法，近年來得到了廣泛應(yīng)用。它具有測量方便 ,不對被測物體產(chǎn)生 損壞等優(yōu)點。尤其是在光不透過 的固體中，它碰到雜質(zhì)或分界面就有顯著的反射。距離是通過測量發(fā)射的超聲 波與接受 到被測物體反射的回波之間的時差來確定的。裝置包括單片機(jī)系統(tǒng)、 顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路 四 部分。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計算出距離， 主程序采用 C 語言編寫。 關(guān)鍵詞 ：超聲波測距儀 ,單片機(jī) Thesis: ultrasonic range finder (software) Specialty: Automation Undergraduate: (Signed) __________ Instructor: (Signed) __________ ABSTRACT Ultrasonic Ranging is a noncontact optical measurement method which has been widely applied in recent years. It has the advantages of measuring convenience, not be the object produce damage. Obvious features of the ultrasound is directional, perating. Especially in light opaque solid, it met the impurities or the interface will have a significant reflection.. Therefore, we can use ultrasound to achieve the measurement of distance. The distance is got by measuring time difference that between emission ultrasonic and the echo of the measured object reflection received with piezoelectric ultrasonic transducer. The device includes a microcontroller system, display circuit, ultrasonic transmitter and ultrasonic detection receiver circuit. The software part of the system include the main program, timing subroutine display routines, and external interrupt service routine. The main program