【正文】 計(jì)的實(shí)現(xiàn)我采用了方案三。激光測(cè)距具有高亮度、高單色性、高方向性、測(cè)量速度快等優(yōu)勢(shì)，尤其在雨霧天氣下有一定的穿透能力，抗干擾能力強(qiáng)，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜。隨著傳感器和單片機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線檢測(cè)技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。 無(wú)線測(cè)距指用無(wú)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(lái)測(cè)定兩點(diǎn)之間直線距離的方法。方案三采用基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，超聲波測(cè)距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往調(diào)試?yán)щy、可靠性差、可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。激光測(cè)距技術(shù)是基于對(duì)光波在本機(jī)與目標(biāo)間渡越時(shí)間的計(jì)量而感知目標(biāo)距離的方法，屬于“時(shí)基法”測(cè)距的范疇。同樣LFMCW雷達(dá)測(cè)距也存在著缺點(diǎn)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是作用距離受限，二是距離速度耦合的問(wèn)題。 方案一采用了線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)(LFMCW)，LFMCW雷達(dá)是通過(guò)對(duì)連續(xù)波進(jìn)行頻率調(diào)制而得到距離和速度信息的，采用LFMCW技術(shù)，可以在無(wú)接觸情況下對(duì)被測(cè)物的距離及速度進(jìn)行測(cè)量。 波速與溫度關(guān)系表溫度（℃）3020100102030100波速（m/s）313319325323338344349386由表21可得溫度與波速得轉(zhuǎn)換關(guān)系式： （26）式中 T ——現(xiàn)場(chǎng)溫度； v ——實(shí)際波速，從上式可以看出，要提高測(cè)量精度，就得能夠準(zhǔn)確的測(cè)得波速，而波速又受介質(zhì)中溫度影響最大，所以必須首先測(cè)量環(huán)境中溫度T的大小。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。一般溫度每升高1℃。按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，初步確定設(shè)計(jì)的系統(tǒng)由單片機(jī)最小單元模塊、超聲波發(fā)射接收模塊、顯示模塊共四個(gè)模塊組成。發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播，在空氣中傳播至障礙物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，可得超聲波在介質(zhì)中的往返時(shí)間t，即可算出障礙物與超聲波發(fā)射器的距離。超聲波測(cè)距的主要方法有脈沖回波法、頻差法和共振法等。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，例如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等現(xiàn)象。 相位式激光測(cè)距的原理圖近幾年來(lái)，隨著電子測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，運(yùn)用超聲波技術(shù)精確測(cè)量距離已成為可能。激光測(cè)距的方法主要有以下幾種：三角測(cè)量法、脈沖法、反饋法測(cè)距、相位法、縱模拍頻測(cè)距法、干涉法測(cè)距，從測(cè)量范圍和技術(shù)成熟度方面考慮，相位法和脈沖法可以優(yōu)先選擇。 LFMCW雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng)主要包括射頻前端子系統(tǒng)和信號(hào)處理及顯控子系統(tǒng)兩大部分，其工作過(guò)程為：在FPGA中產(chǎn)生數(shù)字的鋸齒波調(diào)制電壓信號(hào)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬的調(diào)制電壓加載到壓控振蕩器(VCO)上控制其產(chǎn)生等幅連續(xù)調(diào)頻信號(hào)，然后經(jīng)功分器分成兩路，一路至發(fā)射天線發(fā)射出去，另一路作為本振信號(hào)進(jìn)入混頻器與接收到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行混頻，通過(guò)低通濾波器獲得含有距離信息的差頻信號(hào)，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后進(jìn)入FPGA進(jìn)行處理，提取距離信息并顯示?？捎糜诮ㄖさ匾约耙恍┕I(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控、汽車倒車?yán)走_(dá)，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等。盲區(qū)7cm的有效測(cè)距，測(cè)量精度是1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體沒有直接的接觸，能夠在液晶顯示器上穩(wěn)定的顯示測(cè)量結(jié)果。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時(shí)候，將電能轉(zhuǎn)換為超聲波信號(hào)并發(fā)射；而在收到回波的時(shí)候，則將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。完成這種功能的器件就是超聲波傳感器，也就是習(xí)慣上叫的超聲波換能器或超聲波探頭。 超聲波指的是頻率高于20KHz的機(jī)械波。特別是運(yùn)用在空氣測(cè)距當(dāng)中，由于空氣中超聲波波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息就很輕易的被檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其正確率也比其它方法要高；而且超聲波傳感器具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、煙霧、有毒、有灰塵等惡劣的環(huán)境下完全不需要人工測(cè)量，保障了人身安全。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。近年來(lái)此技術(shù)廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研制?；诔暡ǖ闹赶蛐詮?qiáng)、能量消耗較少、傳播距離較遠(yuǎn)，所以超聲波常常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。前2種方法由于技術(shù)難度和成本的限制，一般常用于軍事工業(yè)，而超聲波測(cè)距所需要的技術(shù)難度相對(duì)較低且成本低廉，可以適合于民用工業(yè)。與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。其中，煤炭科學(xué)研究院研制2000A型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來(lái)，并可接微型打印機(jī)打印。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。隨著測(cè)距技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲測(cè)距系統(tǒng)功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲測(cè)距系統(tǒng)會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。 目前國(guó)內(nèi)外在超聲波檢測(cè)領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)展速度很快。 八十年代后期，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析能夠得以實(shí)現(xiàn)。因此，人為因素對(duì)測(cè)量的結(jié)果影響較大，并且波形也不容易被記錄和保存，不適宜完成自動(dòng)化檢測(cè)。 超聲波測(cè)距技術(shù)作為檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用。因此，設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)就顯得非常重要了。而設(shè)計(jì)研制涵洞排水疏通移動(dòng)機(jī)器人的自動(dòng)控制系統(tǒng)，保證機(jī)器人在涵洞中自由排污疏通，是涵洞排污疏通機(jī)器人的設(shè)計(jì)研制的核心部分。城市污水給人們的生活環(huán)境帶來(lái)了困擾。但是，由于歷史原因、自然災(zāi)害等許多不可預(yù)見因素，城市給排水系統(tǒng)，特別是排水系統(tǒng)往往要比城市建設(shè)要落后許多。在不久的將來(lái)，面貌一新的測(cè)距系統(tǒng)將對(duì)人類更加有益的方向發(fā)展。不用懷疑，無(wú)線的超聲波測(cè)距系統(tǒng)將向自動(dòng)化智能化靠攏，與其他的測(cè)距系統(tǒng)集成和融合，形成多類型測(cè)距儀。因此，這是一個(gè)正在迅速發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。西華大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 目 錄1前言 1 1 1 1 1 1 2 22總體方案設(shè)計(jì) 4 4 雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng) 4 激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4 基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 7 73單元模塊設(shè)計(jì) 8 8 單片機(jī)主機(jī)控制電路 8 復(fù)位電路 9 時(shí)鐘電路 10 按鍵電路 10 蜂鳴器電路 11 液晶顯示電路 11 溫度采集DS18B20電路 13 超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 14 超聲波接收電路設(shè)計(jì) 14 HRSR04超聲波集成模塊 15 16 特殊器件的介紹 17 超聲波傳感器 17 1602字符型液晶顯示器 19 溫度傳感器DS18B20 23 CX20106A芯片 244軟件設(shè)計(jì) 26 26 27 28 28 系統(tǒng)主程序 29 40KHz超聲波發(fā)送程序 30 超聲波的接受和處理程序 30 DS18B20溫度采集程序 30 距離計(jì)算程序 31 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換程序 32 LCD顯示程序 325系統(tǒng)調(diào)試 33 33 356結(jié)論 387總結(jié)與體會(huì) 398謝辭 409參考文獻(xiàn) 41附錄： 42附錄1：原理圖 42附錄2： 43 1前言隨著科學(xué)技術(shù)越來(lái)越快的發(fā)展，超聲波在測(cè)距系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。但是對(duì)于目前的發(fā)展速度來(lái)說(shuō)，人們可以利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限。面向未來(lái)，超聲波測(cè)距系統(tǒng)作為一種新型的測(cè)量工具在各領(lǐng)域都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。隨著測(cè)距系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距系統(tǒng)將從具有單一的判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，城市發(fā)展建設(shè)加快，城市給排水系統(tǒng)也有較大發(fā)展，其狀況不斷改善。因此，經(jīng)常出現(xiàn)開挖已經(jīng)建設(shè)好的建筑設(shè)施來(lái)改造排水系統(tǒng)的事件。因此，涵洞的排污疏通對(duì)城市給排水系統(tǒng)的污水處理，人們生活的舒適程度顯得非常重要。控制系統(tǒng)核心部分就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研制。這就是我設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的意義。由于超聲波信號(hào)具有高頻特性，此技術(shù)早期僅僅使用模擬量信號(hào)的分析，大部分檢測(cè)設(shè)備僅有A掃描形式，需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié)論，對(duì)分析人員的專業(yè)要求較高。目前國(guó)內(nèi)也陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波測(cè)距設(shè)備，并已成為超聲波檢測(cè)的發(fā)展方向。國(guó)內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲測(cè)距系統(tǒng)能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。超聲測(cè)距系統(tǒng)研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)。隨著電子技術(shù)的發(fā)展相繼出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距以及超聲波測(cè)距。這項(xiàng)技術(shù)也頻繁被用于工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域。利用超聲波檢測(cè)優(yōu)點(diǎn)就是比較迅速、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且測(cè)量精度也更容易達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。隨著自動(dòng)測(cè)量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測(cè)距的理論已經(jīng)日漸成熟，超聲波測(cè)距技術(shù)也更加廣泛的被運(yùn)用到各行各業(yè)。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光芒、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。因此在機(jī)械手控制、液位測(cè)量、物體識(shí)別、車輛自動(dòng)導(dǎo)航等方面有廣泛應(yīng)用。因此本設(shè)計(jì)也是利用超聲波來(lái)測(cè)量距離。為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。超聲波傳感器分為發(fā)送器和接收器兩種用途，一個(gè)超聲波傳感器就可以充當(dāng)發(fā)送和接受的雙重作用。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法（time of flight）。本次設(shè)計(jì)我利用了51單片機(jī)系統(tǒng)的I/O口，發(fā)出40MHZ的超聲波，反射回來(lái)的超聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大和整形電路進(jìn)入到單片機(jī)中，比較調(diào)試后計(jì)算其對(duì)應(yīng)的距離，完成測(cè)距。該測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量精度高，使用方便。2總體方案設(shè)計(jì) 雷達(dá)測(cè)距系統(tǒng) LFMCW雷達(dá)的工作原理可以根據(jù)鋸齒波調(diào)制為例來(lái)介紹，在理論上我們對(duì)其基于的“差拍傅立葉”結(jié)構(gòu)進(jìn)行了的分析和仿真。 LFMCW雷達(dá)的基本組成 激光測(cè)距屬于非接觸式的測(cè)量技術(shù)范疇，原理是利用激光器向目標(biāo)發(fā)射單次激光脈沖激光脈沖串，通過(guò)測(cè)量激光脈沖到達(dá)目標(biāo)并由目標(biāo)返回到接收機(jī)的往返時(shí)間或相位，計(jì)算目標(biāo)的距離。 本設(shè)計(jì)采用的方法是相位式測(cè)距法，激光相位測(cè)距中，通過(guò)把連續(xù)的激光進(jìn)行幅度調(diào)制，調(diào)制光的光強(qiáng)會(huì)做周期性變化，最后測(cè)定出調(diào)制光往返的相位變化就能求出距離 激光測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和時(shí)間。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它是屬于機(jī)械波的一類。正因?yàn)榫哂羞@樣的性質(zhì)，使得超聲波可以去測(cè)量距離。其中脈沖回波法是最為常用的，它主要是對(duì)超聲測(cè)距中回波信號(hào)的識(shí)別與處理，采用模擬方法，用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)一系列信號(hào)傳輸。 基于單片機(jī)的超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)