【正文】 的研究方向。通過長時間的研究和發(fā)展，超聲波測距不僅僅是單一的技術(shù)了。一個高精度的超聲波測距系統(tǒng)不僅能準確的引導機器人的行動，而且還能迅速的反饋周圍的環(huán)境狀況，為機器人完成各種復雜工作提供必要的輔助。他根據(jù)實驗，驗證了回波的包絡(luò)方程，給出了軟硬件的設(shè)計方案。廈大的同峰教授提出了一種針對高精度測距的改進方法。還留下諸多相關(guān)實驗的數(shù)據(jù)結(jié)論，如，超聲波的傳播速度（即聲速）的影響因素有哪些，波的特性在傳播過程中對測距系統(tǒng)的影響分析。如國內(nèi)的測試研究所就在超聲波測距方向做出了較為系統(tǒng)的研究并發(fā)表了諸多相關(guān)論著。根據(jù)此研究基礎(chǔ)，衍生出大量超聲波儀器，目前，超聲波在無損檢測中發(fā)揮出無與倫比的作用。關(guān)于探傷儀的研究，最早出現(xiàn)于Firsetone和Sprole的論文中。德國的貝格曼在他的書《超聲波》中，比較完整的介紹了大量的超聲波的資料。就是在液體的實驗槽里進行穿透測試，并記錄了穿過實驗物的超聲能量。又過了兩年，另外一個科學家穆爾豪瑟獲取了一個德國專利，這個專利是針對超聲波檢查方法的，這讓我們又看到超聲波的研究進了一步。這項研究可以用來進行水下通訊，另外，也可用于檢測水下物體，如水下潛艇，用于軍事領(lǐng)域。直到第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，期間關(guān)于超聲波的研究漸漸地被人們所看重。綜上，超聲波測距系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，為了滿足未來技術(shù)參數(shù)的精度需求，我們需要在高精度方向做出深入研究，解決這個技術(shù)難題以面對更加高的市場需求,因此這項技術(shù)的研究將有重大的意義。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距技術(shù)在汽車制作，國防安全，工業(yè)制造及日常生活中都隨處可見。因此，利用超聲波測距能大大增加時間（同樣的距離下），使得測量更容易，誤差更小。紅外線測距雖然造價便宜，但其不能達到高精度，且方向性不好。這其中，激光的測量精度較高，但其有個很大的缺點，就是極易受到周圍環(huán)境的影響，而且激光測距系統(tǒng)后期的檢測和維護成本較高，所以會產(chǎn)生較高的費用，很難推廣到日常生活和工作中去，一般用于高端專業(yè)領(lǐng)域，如軍事類。1．1　系統(tǒng)設(shè)計背景在過去許多科學家的研究基礎(chǔ)之上，我們已經(jīng)知道用許多種不同的方法來測距，不再局限于傳統(tǒng)的簡單的接觸式測量器具，我們今天的電子技術(shù)正以飛一般的速度向前推動著大量非接觸式測距儀的發(fā)展。超聲波測距傳感器在粉塵多，光線暗或有其他電磁干擾的情況下，性能幾乎不受影響，所以，現(xiàn)代社會中，許多地方都可以用到。超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計方案超聲波測距系統(tǒng)作為一種經(jīng)典的非接觸式測量技術(shù)，包含了電子，材料，物理等學科的知識理論，其應(yīng)用領(lǐng)域也十分的廣泛。超聲波作為聲波的一種，有著和聲波同樣的性質(zhì)：它的產(chǎn)生來源于振動，另外，在不同物體中的傳的速度也是不一樣的。例如：建筑施工測量，智能機器人，汽車倒車雷達，油箱液位測量等。近幾十年以來，關(guān)于非接觸式測量系統(tǒng)的研究包含以下幾類：激光，微波，紅外線及超聲波。而對于微波雷達測距來說，電路部分的制作成本就非常之高，也只用于專業(yè)領(lǐng)域，如軍事和工業(yè)類。另外，紅外線傳播速度為3108米/秒，速度之快，相較于超聲波在普通情況下的速度來說，紅外線是超聲波的八十多萬倍。超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)可以用于空氣中，液面下和固體內(nèi)等傳播介質(zhì)中測量，應(yīng)用靈活；(2)不易受光影響，在黑暗及煙霧環(huán)境下都可使用，不易受電磁場影響，使人可以遠離這些惡劣工作環(huán)境；(3)制作起來不復雜，該成品預(yù)計價格不貴，而且體積不大，還非常容易集成；由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上這些特點而被廣泛的應(yīng)用。目前的系統(tǒng)主要采用單片機微核心，結(jié)合溫度補償電路等模塊組成，由于計時的精確度和電路的影響，誤差為毫米級，存在幾十厘米的盲區(qū)。1．2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀首先，從國外來看，最先的研究記錄是18世紀70年代的科學家高爾頓所做的氣哨實驗，這是我們?nèi)藗冇惺芬詠淼牡谝淮瓮ㄟ^實驗產(chǎn)生的高頻聲波，后來的30年內(nèi)，超聲波的概念仍舊很少有人知道，再加上那時的技術(shù)方面的達不到要求，對超聲波的研究產(chǎn)生了難以逾越的鴻溝。一個叫做朗之萬的德國科學家用了晶體傳感器對超聲波進行發(fā)射和接收，這項研究是在水下進行的，且只能接頻率相對較低的超聲波。而后，超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域的研究也在逐漸擴大，到了1928年，Sokolve首先提出了關(guān)于超聲波探傷的研究，即利用超聲波的特性來檢查金屬器件是否存在裂痕或者缺損。1935年，Sokolve發(fā)表了一篇論文，詳細的介紹了他的研究結(jié)果。因為在液體之中實驗會很容易得觀察到波紋。這是早期的比較系統(tǒng)的資料之一，一直被奉為經(jīng)典。這是超聲波的應(yīng)用最廣的一面。從國內(nèi)來看，目前超聲波在測試方面的研究成果比較多。這些論著詳細的說明了超聲波測距的原理。詳細可見于國家測試研究所《超聲波原理及實踐技術(shù)》，作者李冒山。根據(jù)他的結(jié)論，測距之所以有誤差，是由于對回波的脈沖檢驗方式有問題。在智能機器人研究領(lǐng)域，超聲波測距也有不可缺少的作用。我國的超聲波測距技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但與發(fā)達國家相比，在精度方面還是差一大截，我們想要進入現(xiàn)代化的建設(shè)中去，就要提高速度和效率，而這些都是建立在高科技水平，高質(zhì)量的儀器之上的，所以我們還需加強研究，使得精度達到未來的需求，從而為工業(yè)的發(fā)展做出貢獻。而且不斷加入各個其他的領(lǐng)域的知識，結(jié)合了人類智慧的結(jié)晶。通過查詢相關(guān)資料了解到，我們國家使用的大多數(shù)高精度測距系統(tǒng)均來源于進口，這在很大程度上對我國的經(jīng)濟和現(xiàn)代化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的阻力，因此，我們需要增加在超聲波測距系統(tǒng)的研究經(jīng)費，使我國的測距裝置不僅能滿足自己本國的需要，還能出口到國外。物理學上將它規(guī)定為頻率在20000赫茲以上的波。屬于比較容易獲取的聲能中的一種。因此不難看出，超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域不受限制，即可用于軍事也可用于日常生活，對工農(nóng)業(yè)和醫(yī)療業(yè)也有著巨大作用。雖然如此，但其本質(zhì)還是聲波，因此能滿足聲波的各種特性，也就是說，聲波的規(guī)律對于超聲波也完全適用。聲波的特性很多，首先，聲音在同一環(huán)境下的傳播速度是一個定值。第三，聲波傳出去以后，距離越大，衰減也就越大?！〕暡ㄅc傳播介質(zhì)的關(guān)系當超聲波在通過幾種不同的媒介時,在這兩個介質(zhì)交界的地方會發(fā)生折射和反射兩種現(xiàn)象。超聲波沿x正向傳播的運動方程為： （21） （22）其中，A(x)代表超聲波的振幅（質(zhì)點位移的大?。?、ω代表角頻率、t代表時間、A0則是常數(shù)、x代表傳播的距離、k=2π/λ代表波數(shù)，λ代表波長，α代表衰減的系數(shù)。超聲波的衰減，波在傳播當中，由于外界因素的影響，其具有的能會逐漸減小。其衰減的規(guī)律可由以下公式表示： （24） （25）其中，P0代表聲音在x=0時候的聲壓，I0代表聲音在x=0出的聲強。其衰減與距離的關(guān)系如表21所示：表21 聲波衰減與距離的關(guān)系表L(cm)12510204080160200幅值（mv）141112867452413183經(jīng)研究證明，在介質(zhì)中，聲音傳播速度會受到環(huán)境溫度的影響。溫度變高后，一般情況下速度也會加快，這兩者間的關(guān)系如表22所示：表22 聲速與溫度關(guān)系溫度（℃）3020100102030100波速（m/s）313319325323338344349386用公式可表示為： （26）其中，T代表溫度。它的主要作用是完成電能和聲能的相互轉(zhuǎn)換。以上分類依據(jù)是基于實現(xiàn)超聲波的傳感器聲能和電能轉(zhuǎn)換的物理方式?！〕暡y距系統(tǒng)總體設(shè)計超聲波測距的具體方式有多種，可以采取檢測相位的方式，也可以采取檢測幅值的方式，最普遍的度量時間的方式。具體計算公式如下： （27）其中，S為所求距離，T為波來回的時間，V為當前超聲波傳遞的速度。AT89C52單片機的一個I/O口發(fā)出一個40kHz的方波用于超聲波發(fā)射電路的輸入信號并同時開啟計時器并初始化所有子程序，該信號經(jīng)超聲波發(fā)射驅(qū)動電路的處理后輸送到超聲波的發(fā)射探頭。經(jīng)過一級放大的信號分兩路同時輸送到雙比較器整形電路中去，如圖的A和B即為雙比較器整形電路的兩個比較器。另外一路信號直接進入雙比較器整形電路的B比較器送入單片機。單片機收到回波信號后立即經(jīng)行中斷處理，獲取時間差值，即可計算出測量的最后結(jié)果。具體電路及芯片選型將在下一章詳述。其次，超聲波還要負責控制其他外圍電路，比如，本設(shè)計中的溫度補償電路采用了一塊收發(fā)溫度信號的芯片，由單片機控制，將環(huán)境溫度采集后進行查溫度與速度表，用于確定當前環(huán)境下具體溫度，最終目的是獲取當前環(huán)境的聲波的準確傳播速度，使得測距結(jié)果更加準確。經(jīng)過研究，選用AT89C52單片機作為電路的主控芯片，AT89C52是Atmel公司的一個經(jīng)典的MCU，它有著低電壓的特點。擁有可編程的Flash，這些特點表明AT89C52可以滿足多種系統(tǒng)的需要，使用的靈活性很高。詳細來說，P0口：8位漏極的開路雙向輸入/輸出口，作為輸出口時，每位可以驅(qū)動8個TTL邏輯電平。不同于P0口的是，P1口是一個內(nèi)部有上拉電阻的雙向輸入/輸出口，緩沖器輸出能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。1115646/10060/712400177。收到的超聲波被接收器進行一定的處理，將聲音和電這兩種能量進行轉(zhuǎn)換，最后使得接收到的信號變?yōu)殡娒}沖信號。工作原理簡單總結(jié)如下，在輸入40kHz的頻率下，壓電陶瓷、諧振片會被轉(zhuǎn)變成機械的振動，接著就把超聲的這個信號的振動發(fā)到外界去。接收端隨即收到回來的這部分超聲波，對內(nèi)部的諧振片產(chǎn)生一個諧振，將接收的聲波轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，接著將轉(zhuǎn)換后的信號輸入到放大電路中，然后輸出最終信號。因此該測距系統(tǒng)選用該