【正文】 ....... 致 謝 .............................................................. 參考文獻 ............................................................ 附錄一 超聲波測距原理圖 ........................................... 附錄二 源程序 ..................................................... 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒論 課題的背景 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一， 現(xiàn)代 信息技術(shù)主要包括計算機技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù) 等 ，計算機技術(shù)相當于人 類 的大腦，通信相當于人類 的神經(jīng)，而傳感器就相當于人 類 的感官。 超聲波是指頻率在 20KHz～ 106KHz 的機械波，在空氣中的傳播速度 約 為340m/s，波長為 ～ 10cm。超聲波在氣體、液體及固體中 都可 傳播， 但 其傳播速度各有差異。在空氣中傳播的超聲波，其頻率較低，一般為幾十千赫茲，而在固體、液體中則頻率較高。超聲波的波長遠大于分子 大小 ，這 說明超聲波本身不能直接對分子起作用，而是 超聲波 通過周圍環(huán)境的物理作用影響分子，所以超聲波的作用與其 所應用 的環(huán)境密切相關(guān)。超聲波作為一種特殊的能量輸入方式，所具有的高效能在材料化學中起到光 、力、 電 、熱等方法所無法達到的作用。在 新型 材料合成中，尤其是 在 納米材料的制備中，超聲波技術(shù) 擁有 著極大的潛力。 超聲波測距，是利用其指向性強﹑ 能量消耗緩慢 并 且在介質(zhì)中傳播的距離較遠等 特性進行距離測量 ， 其 經(jīng)常用于測量物體的距離 、 厚度 、 液位。 目前，大多數(shù)超聲波測距儀都是采用 發(fā)射 40KHz 超聲波的方案。 超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬 電路 或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路 所 構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試困難，可擴展性 較 差，所以 目前 基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應用。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 歷史上使用超聲波來測量距離是從聲納技術(shù)的發(fā)展開始。他發(fā)明的第一部聲納儀是一種被動式的聆聽裝置，主要 是 用來偵測冰山。 自此以后 ，聲納 技術(shù) 是各國海軍進行水下監(jiān)視使用的主要技術(shù)，用于對水下目標進行探測﹑分類﹑定位和跟蹤。 隨著機器人技術(shù)在其誕生幾十年后得到迅猛的發(fā)展，機器人的應用范圍也逐步從軍事行業(yè)走向工業(yè)成產(chǎn)以及人們的生活。而雷達技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)和 導航系統(tǒng) 的發(fā)展，更使得超聲波技術(shù)不斷得到完善并趨于成熟。澳大利亞JEHAWK 公司 的 HpAWK 系列產(chǎn)品使超聲波測距技術(shù)有了重大的突破，它不僅拓寬了超聲波測距技術(shù)的應用場合（適用 于 極惡劣的工作環(huán)境），而且使用智能調(diào)節(jié)技術(shù)，大大提高了超聲波產(chǎn)品的可靠性及性能指標，讓用戶使用無后顧之憂。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 與 發(fā)達國家相比，我國所研制出的超聲波測距系統(tǒng)在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。這使得我國在超聲波測距系統(tǒng)的性能以及精度等方面都有很大的提高。目前，國內(nèi)學者對超聲波回波信號處理算法的研究已經(jīng)日漸成熟，但其作為超聲波探測定位的關(guān)鍵技術(shù)，仍將是一個重要的研究方向。系統(tǒng) 在測距的時候采用的是兩個超聲波探頭分別進行超聲波發(fā)射和接收來進行距離的測量的， 經(jīng)過調(diào)試正?？捎煤?，編寫相應的超聲波程序，完成對于整個測距系統(tǒng)的控制。若距離在設定范圍以內(nèi)，系統(tǒng)會發(fā)出警報進行提醒。 論文構(gòu)成分為五章，每一章的主要內(nèi)容如下： 第 1 章 緒論。 第 2 章 系統(tǒng)整體方案設計。 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計。 第 4 章 系統(tǒng)軟件設計。 第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果分析。 第 6 章 總結(jié)與展望。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 第 2 章 系統(tǒng)整體方案設計 超聲波測距原理概述 超聲波測距 ， 指的是利用超聲波的反射特性進行距離測量 ， 當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時， 超聲波會發(fā)生反射，利用此原理進行距離測量。本設計采用 脈沖回波 法測距。測試傳輸 時間可以得出距離。假設超聲波在空氣中的傳播速度為 v，計時器記錄的時間t，發(fā)射點距障礙物的距離 H，如圖 21所示。將式 (24)帶入式 (23)可得 ? ?? ?HMvtH a r c ta nc o ? (25) 當被測距離 H 遠遠大于 M時，式 (25)變?yōu)? vtH ? (26) 這就是所謂的 脈沖回波法 。由于是利用超聲波測距，要測量預期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達到預定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾 。 相位差法與脈沖回波法的不同，主要體現(xiàn)在對回波的處理方式上，由超聲波換能器的接收端獲得調(diào)制聲波的回波，經(jīng)放大電路轉(zhuǎn)換后，得到與放大的相位完全相同的電信號，此電信號放大后與聲源的驅(qū)動電壓相比較，測得兩個正弦電壓的相位差，根據(jù)所測相位差就可算得所測距離。由于相位測量存在以 2n 為周期的多值解，從而容 易造成解的不確定性。因此，大多數(shù)情況下都采用 脈沖回波 測 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 距法。超聲波在空氣中的傳播速度為 TC G ??? 3 1 (27) 由此可見，超聲波的速度和溫度 有 密切關(guān)系。 表 21 不同溫度下的超聲波波速 溫度 T/℃ 30 20 10 0 10 20 30 聲速 v/m 當環(huán)境溫度變化較大時， 能夠 根據(jù) 溫度采集 模塊 所采集的溫度數(shù)據(jù)來修正 測距系統(tǒng) 中 的聲速 。硬件的設計采用模塊化設計，則既 要滿足模塊本身功能又要能夠和整個系統(tǒng)兼容。按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)以單片機控制模塊為核心，外圍電路由測溫模塊、超聲波測距模塊、報警模塊、顯示模塊、電源模塊共 5 個模塊組成。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 控 制 模 塊S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2超 聲 波 發(fā) 射 電 路超 聲 波 接 收 電 路溫 度 測 量 模 塊顯 示 模 塊報 警 模 塊圖 22 超聲波測距系統(tǒng)硬件框圖 本設計由 Keil 編程軟件對單片機進行編程 ，單片機在執(zhí)行程序后由 I/O 口產(chǎn)生 40kHz 的脈沖信號通過 74LS04 電路進行放大并送到到超聲波發(fā)射探頭，產(chǎn)生超聲波。單片機利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間 t，由此便可計算出距離，并由單片機控制顯示出來 。 單片機是集成了 CPU， ROM， RAM和 I/O 口的微型計算機。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 單片機具有控制功能強、低功耗、高性價比等優(yōu)點，并且開發(fā)成本低。 同時，單片機的選擇也至關(guān)重要。在一般的情 況下來講，在選擇單片機時要需要考慮的幾個方面有： （ 1）單片機最基本性能參數(shù)指標。 （ 2）單片機的存儲介質(zhì)。 （ 3）單片機的封裝形式。 （ 4）單片機的功耗。 所以，根據(jù)上述要求，綜合考慮，單片機 STC12C5A60S2 可以作為系統(tǒng)的控制器進行使用。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。 在超聲波測量 系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。本 設計 中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā) 一 體式超聲傳感器 。顯示模塊可采用的方案有數(shù)碼管顯示和液晶顯示屏顯示兩種。 （ 2） 數(shù)碼管顯 示 使用數(shù)碼管的話，硬件接線雖然比較簡單，使用壽命較長，但是顯示的個數(shù)和字型有限，顯示效果過于單一。 溫度 測量傳感器選擇 溫度模塊主要用于該系統(tǒng)設計的溫度補償功能，根據(jù)所采集的溫度 數(shù)據(jù)來修正 測距系統(tǒng) 中 的聲速 。下面兩種方案進行簡單比較。 （ 2） DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20—— 數(shù)字溫度傳感器，單總線的接口方式與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS18B20 的雙向通訊，同時顯示更加精確。 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 經(jīng)過多方案的比較與選擇決定，該設計系統(tǒng)硬件采用 STC12C5A60S2 作為控制器，超聲波模塊 HCSR04 作為系統(tǒng) 的測距模塊，液晶顯示屏 1602 作為系統(tǒng)的顯示模塊，溫度傳感器進行溫度補償。本章節(jié)將詳細介紹各模塊的電路結(jié)構(gòu)與功能。內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路， 2 路 PWM， 8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換，針對電機控制，強干擾場合。 圖 31 STC12C5A60S2 引腳功能圖 STC12C5A60S2 單片機引腳功能 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 （ 1）電源引腳 Vcc（ 40）：正電源的引腳，工作電壓是 5 V。 （ 2）時鐘電路的引腳 XTAL1（ 19） 和 XTAL2（ 18） 為了產(chǎn)生時鐘信號，在單片機的芯片內(nèi)部已經(jīng)設置了一個反相放大器，其中XTAL1 端口就是片內(nèi)反相放大器的輸入端， XTAL2 端則是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端 。 （ 3） 復位引腳 RST（ 9） 當振蕩器運行時，只要有有兩個機器周期即 24 個振蕩周期以上的高電平在這個引腳出現(xiàn)時，那么就將會使單片機復位，如果將這個引腳保持高電平，那么51單片機芯片就會循環(huán)不斷地進行復位。 （ 4） 輸入輸出口（ I/O 口）引腳 P0 口 （ 39～ 32） 是一個三態(tài)的雙向口，既可以作為數(shù)據(jù)和地址的分時復用口，又可以作為通用輸入輸出口 。 P1 口 （ 1～ 8） 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，而 P1口只有通用I/O 接口一種功能，而且 P1 口能驅(qū)動 4個 LSTTL 負載；在使用時通常不需要外接上拉電阻就能夠直接驅(qū)動發(fā)光二極管；在端口置 1時，其內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入端口用。 P2 口 （ 21～ 28） 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口，而且 P2口具有驅(qū)動 4 個 LSTTL 負載的能力。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2 引腳上的內(nèi)容在此期間 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 不會改變。 P3 口作為通用 I/O口接口時，第二功能輸出線為高電平。 P3口的第二功能，如表 所示。在 訪問片外存儲器時， ALE（地址鎖存允許）以每機器周期兩次進行信號輸出，其下降沿用于控制鎖存 P0 口 輸出的低 8 位地址；在不訪問片外存儲器的時候， ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號 (此頻率是振蕩器頻率的 1/6),而在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 脈沖會跳空一個 ,此時是不可以做為時鐘輸出。 當單片機從外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機器周期內(nèi)輸出 2 個脈沖即兩次有效，以通過數(shù)據(jù)總線 P0 口讀回指令或常數(shù)。 ○ 3 EA_____/Vpp（ 31）： EA_____為 片外程序存儲器訪選用端。 單片機最小系統(tǒng) STC12C5A60S2 主要由復位電路和時鐘電路兩部分組成。由于單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳為 XTAL1 和 XTAL2 分別是反相放大器的輸入端和輸出端，在這兩個端口跨接晶體（或陶瓷）振蕩器和兩個電容就構(gòu)成了一個穩(wěn)定的自激振蕩電路。 單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖 32 所示。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)? 西安工程大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 所需頻率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。 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。他們所產(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。 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。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 33超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu)