【正文】 .............................................................................. 22 第一節(jié) 系統(tǒng)試驗結(jié)果 .......................................................................................................... 22 第二節(jié) 誤差分析 .................................................................................................................. 22 第五章 結(jié)論 ........................................................................................................................... 24 參考文獻 .................................................................................................................................... 25 附錄 .............................................................................................................................................. 26 致謝 .............................................................................................................................................. 39 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 1 前 言 超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物 位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。 本文介紹了一種基于單片機的脈沖反射式超聲波測距模塊。論文概述了超聲檢測的發(fā)展及基本原理，介紹超聲波傳感器的原理及特性。并且在介紹超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成 ，并且提供了用 E2prom 存儲測量數(shù)據(jù)的功能，且 針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分、 數(shù)據(jù)保存 的總體設(shè)計方案進行了論證。實驗表明 ： 各主要技術(shù)指標均達到設(shè)計要求。 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 2 第一章 超聲波測距 概述 第一節(jié) 超聲 波 檢測的發(fā)展 隨著機器人技術(shù)在其誕生后短短幾十年中的迅猛發(fā)展 ,它的應用范圍也逐步由工業(yè)生產(chǎn)走向人們的生活。機器人通過其感知系統(tǒng)察覺前方障礙物距離和周圍環(huán)境來實現(xiàn)繞障、自動尋 線、測距等功能。超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而經(jīng)常用于距離的測量。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應用。 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。為了使移動機器人能自動避障行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。 為了研究和利用超聲波 ，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。超聲波有兩個特點，一個是能量大，一個是沿直線傳播，它的應用就是按照這兩個特點展開的。 二、 超聲波檢測技術(shù) 超聲波是指超過人的聽覺范圍以上 (16KHZ)的聲波。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機械、及材料學為基礎(chǔ)的通用技術(shù) 之一。超聲波具有聚束、定向及反射、透射等特性。它的基本原理是基于超聲波在介質(zhì)中傳播時遇到不同的界面，將產(chǎn)生反射，折射，繞射，衰減等現(xiàn)象，從而使傳播的聲時，振幅，波形，頻率等發(fā)生相應變化，測定這些規(guī)律的變化，便可得到材料的某些性質(zhì)與內(nèi)部構(gòu)造情況。 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 4 第二章 超聲波測距原理 第 一 節(jié) 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器，通常稱為超聲波發(fā)生源，超聲波電源。從放大電路形式，可以采用線性放大電路和開關(guān)電源電路，大功率超聲波電源從轉(zhuǎn)換效率方面考慮一般采用開關(guān)電源的電路形式。從目前超聲業(yè)界的情況看，超聲波主要分為自激式和它激式電源 ?？傮w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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。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。 第二節(jié) 壓電式超聲波發(fā)生器原理 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。當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。 圖 21 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 5 第三節(jié) 超聲波測距原理 超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達測量目標或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠近有關(guān)。 v=+ (2) 式中， T 為實際溫度單位為 ℃ ， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s 。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。 系統(tǒng)可提供 M1M9 總共 9個數(shù)據(jù)保存， key2 鍵是上翻 M1M9， key3 鍵是下翻 M1M9，key1 鍵是測距鍵，每當按下 key1 鍵，系統(tǒng)測距一次，測距后的數(shù)據(jù)保存在當前液晶顯示的 M單元（上下鍵選擇）中，系統(tǒng)可以顯示用戶開機后總共的測距次數(shù)，本系統(tǒng)還提供了開機或復位后，系統(tǒng)自動的跳轉(zhuǎn)到關(guān)機前狀態(tài)。 （本系統(tǒng)要求不是很精確，所以舍去了溫度補償電路）。軟件部分主要有主程序、超聲波測距程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲程序等部分。采用AT89S52 來實現(xiàn)對 HCSR04 系列超聲波測距模塊、 24c0 1602 的控制。計數(shù)器所計的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時間，通過換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。 系統(tǒng)原理圖如圖 32 所示 。 圖 33 系統(tǒng) PCB 圖 軟件部分主要有主程序、超聲波測距程序、顯示子程序、數(shù)據(jù)存儲程序等部分。 開始 按鍵檢測 測距函數(shù) 顯示和存儲測試結(jié)果 系統(tǒng)初始化 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 9 圖 34 程序流程圖 系統(tǒng)主程序 ///////////////////////////////////主函數(shù) /////////////////////// void main() { delay(20210)。 for(c=0。c++)delay(50000)。 for(c=0。c++)delay(50000)。 init24c02()。c10。 i=m[0]。 display_m(i)。 if(i==10)i=1。 display_m(i)。 } if(key(down)) //下翻數(shù)據(jù) { 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 10 i=i1。 display_s(m[i])。 write_add(0,i)。 if(s0amp。s=200) { m[i]=s。 display_s(m[i])。 write(0x45,1)。 write(0x72,1)。 if(t==1000)t=0。////顯示測試次數(shù) } } } 二、測距電路及程序 河南工程學院畢業(yè)設(shè)計 11 本系統(tǒng)的超聲波發(fā)射和接收電路采用 HCSR04 系列超聲波測距模塊，此模塊的特點是可提供 2cm400cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達 3mm。 HCSR04 系列超聲波測距模塊基本工作原理： （ 1）采用 IO 口 Trig 觸發(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號； （ 2）模塊自動發(fā)送 8 個 40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回； （ 3）有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就 是超聲波發(fā)射到返回的時間。 圖 35 模塊實物照片 HCSR04 系列超聲波測距模塊電氣參數(shù)如表 31所示 。 圖 36 超聲波測距模塊超聲波時序圖 以上時序圖表明你只需要提供一個 10us 以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8 個40Khz 周期電平并檢測回波。回響信號的脈沖寬帶與所測的距離成正比。距離 =高電平時間 *聲 速 /2；建議測量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。 HCSR04 超聲波測距模塊與單片機的接口電路如圖 37 所示。 TMOD=0x09。 //開定時器 TH0=TL0=0。 ////控制模塊發(fā)射超聲波的 10us 脈沖 delay(15)。 while(Echo==0)。////檢測 Echo 為低電平時定時器停止工作 delay(10)。////測試數(shù)據(jù)的處理 TR0=0。這樣就不像數(shù)碼管那樣還得不停的掃描，可以大大的提高單片機的利用率。 系統(tǒng)運行時 LCD1602 顯示的內(nèi)容： 第一行 顯示 “ Text time： ———— ”（測距次數(shù)） 第二行 顯示 “ Result： ——— cm”（測距的結(jié)果）“ M— ”（存儲單元編號） LCD1602（ HD44780）與單片機的接口電路圖如圖 38 所示。 顯示程序 如下 。 RW=1。 } while(BF==1)。 delay(100)。 RS=b。 E=1。 E=0。 write(0x0c,0)。 write(0x01,0)。 write(0x80,0)。c16。 write(0x80+0x40,0)。c16