【畢業(yè)學(xué)位論文】（Word原稿）超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計-電氣工程及其自動化

1 畢業(yè)設(shè)計 （論文） 題目 學(xué)生姓名 學(xué)號 專業(yè) 班級 指導(dǎo)教師 評閱教師 完成日期 年 月 日 2 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門或機構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級優(yōu)秀學(xué)士學(xué)位論文評選機構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 本學(xué)位論文屬于 1、保密 ，在 _年解密后適用本授權(quán)書。 2、不保密 。 （請在以上相應(yīng)方框內(nèi)打“”） 作者簽名： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 年 月 日 目 錄 摘要： . 1 . 1 前言 . 2 1 超聲波測距系 統(tǒng)概論 . 3 . 3 . 4 . 4 . 5 . 7 . 7 . 7 . 8 . 8 2 超聲波測距系統(tǒng)綜述 . 9 . 9 . 9 . 12 . 12 . 13 . 14 . 14 . 15 . 15 . 16 . 17 . 17 . 17 要部分程序流程圖 . 18 . 19 . 19 . 22 4 . 27 . 27 . 28 . 28 課題總結(jié) . 29 致 謝 . 30 參考文獻 . 31 附錄 ： . 33 1 基于單片機控制的超聲測距系統(tǒng)設(shè)計 學(xué) 生：閆騰飛 指導(dǎo)教師：萬鈞力 （三峽大學(xué) 電氣信息學(xué)院） 摘要： 超聲波測距技術(shù)是一種原理簡單、易于實現(xiàn)的非接觸測量技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事及日常生活等諸多領(lǐng)域。如避障機器人，倒車預(yù)警系統(tǒng)中都有很好的應(yīng)用。本文主要研究開發(fā)了一種基于單片機微處理器的超聲波測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待 測距離。本文闡述了系統(tǒng)研制的理論基礎(chǔ)，介紹了具體的軟硬件設(shè)計以及相關(guān)的實驗情況。在介紹了單片機的性能和特點的基礎(chǔ)上，分析了超聲波測距的發(fā)展及基本原理，介紹了傳感器的原理及特性，由此提出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計方案進行了論證，對測距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論，并給出了硬件原理圖和軟件框圖。 關(guān)鍵詞： 單片機 ； 超聲波 ； 測距 ； 移動避障系統(tǒng) is a in as as of of is on a of in as a to be of of as as On of of of it of of of it of an of of s as as s 2 前言 近年來，機器人的研究與發(fā)展倍受世人關(guān)注。機器人系統(tǒng)廣泛融合了機器人學(xué)、機電、一體化、通訊與計算機技術(shù)、圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、決策與對策、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 智能控制等諸多學(xué)科內(nèi)容，是研究多智能系統(tǒng)理論的良好實驗平臺。從某種程度上說，機 器人技術(shù)是反映國家高科技綜合實力的一場“技術(shù)戰(zhàn)爭”。 在簡單的自主行走機器人系統(tǒng)中 , 機器人要 實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走 , 必需 實時采集環(huán)境信息 , 以實現(xiàn)避障和導(dǎo)航。這些任務(wù)必須依靠能實時感知環(huán)境信息的傳感器 系統(tǒng)來完成。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機器人中得到應(yīng)用。其中超聲 波傳感器以其信息處理簡單、速度快、性價比高和硬件實現(xiàn)方便等優(yōu)勢 , 被廣泛地應(yīng)用到 行走機器人感知系統(tǒng)中。 人類為了從外界環(huán)境中獲取有用信息，必須借助于自身的感覺器官。但是，人的感覺 器官并不是萬能的。與其它動物一樣，為了把生命維持下去，人類只是有選擇地捕捉一些 重要信息。為了進一步研究自然現(xiàn)象、制造勞 動工具，改善生存環(huán)境，只靠這些感覺器官 就顯得很不夠用了。于是，作為一種替代和延伸工具，采用了能代替或者補充感覺器官功 能的各種傳感器，傳感器是人類五官的延長，所以也被稱作“電五官”。 現(xiàn)代計算機的產(chǎn)生和發(fā)展，給人類文明帶來了巨大的影響。特別是大規(guī)模和超大規(guī)模 集成電路出現(xiàn)之后，計算機的核心部件有了驚人的發(fā)展，同時也要求外部設(shè)備與之相配合。 計算機輸入的外部硬件主要就是傳感器，傳感器的發(fā)展將使計算機的功能得到充分的利 用，同時也將促進計算機的進一步發(fā)展，傳感器發(fā)展不足會極大地限制計算機功能的發(fā)揮， 就如同 一個人具有發(fā)達的大腦而欠靈活的五官一樣。有人說，計算機與傳感器的協(xié)調(diào)發(fā)展， 才能決定技術(shù)的將來，這句話是有一定道理的。 隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車在家庭生活中也越來越多，而汽車的數(shù)量的大幅增加，造成道路擁堵，交通事故頻發(fā)，給人們的生命和財產(chǎn)帶來了巨大的損失。安全駕駛成為公眾關(guān)注的焦點，而保持一定的車距為必要安全措施之一。目前，測量車距的方法有超聲波、雷達、攝像、激光等測距。而在這四種方法中，超聲波測距由于不受光線、電磁波、被測物的顏色等因素的影響，加之信息處理簡單、成本低、速度快、使用方便等優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用。 以上所述只是超聲波測距在日常生活中的一個小的應(yīng)用，而事實上，超聲波廣泛于非接觸式測量。超聲波是聲波的一種，聲波是物體機械振動狀態(tài)的傳播形式。所謂振動是指 3 物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動頻率大于 20在自然環(huán)境是無法聽到和感受到的超聲波的。超聲波的特點有 :傳播時，方向性強，能量易于集中 ;能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離 ;超聲與傳聲媒質(zhì)的相 互作用適中，易于攜帶有關(guān)傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息 ;具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小、能夠成為射線而定向傳播、在檢測目標(biāo)是非接觸式檢測等。 由于超聲波有以上優(yōu)點，所以被廣泛應(yīng)用在工業(yè)定位監(jiān)測、無損傷探測、醫(yī)療診斷、移動機器人、海洋捕撈、煤炭檢測等領(lǐng)域。因此，人們對超聲波的研究也越來越深入。超聲波測距也是在這樣的大背景下發(fā)展起來。 超聲波測距是利用超聲波的波長短，指向性強，能量集中，在介質(zhì)中傳播距離較遠的特點來實現(xiàn)對距離的測量。特別是頻率在 40此常用此頻率的超聲波來檢驗介質(zhì)的檢測距 離。超聲波測距在工業(yè)現(xiàn)場、車輛導(dǎo)航、水聲工程等領(lǐng)域都具有廣泛的應(yīng)用價值，目前已應(yīng)用于物位測量、機器人自動導(dǎo)航以及空氣中與水下的目標(biāo)探測、識別、定位等場合。特別是在易揮發(fā)、易燃、易爆、強腐蝕性等工作環(huán)境的惡劣的情況下，超聲波測距有巨大的用武之地，因此在市場上有多種多樣超聲波測距儀器。可以說，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，超聲波測距儀器的應(yīng)用將越來越廣泛。 本文將簡單介紹 學(xué)習(xí)使用單片機的控制功能和用超聲波傳感器實現(xiàn)測量距離，并且掌握使用 行電路設(shè)計和制圖的方法步驟，能將設(shè)計出的電路原理圖下載到 仿真。理解 超聲波傳感器的超聲波發(fā)生機制及發(fā)射、接受，放大裝置和以單片機現(xiàn)超聲波發(fā)射及其遇到障礙物發(fā)生反射形成回波信號，并根據(jù)超聲波在介質(zhì)中的 傳播速度及超聲波從發(fā)射到接收到回波的時間，計算出發(fā)射點距障礙物的距離，以完成設(shè) 計目標(biāo)，熟悉單片機軟件編程及調(diào)試環(huán)境軟件。 1 超聲波測距系統(tǒng)概論 本章就超聲波測距課題提出及意義 ,超聲波技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及超聲波 測 距在 生活中的應(yīng)用作簡要的介紹。 題提出及研究意義 隨著傳感器和單片機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，非接觸式檢測技術(shù)已被 廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng) 4 域。目前，典型的非接觸式測距方法有超聲波測距、 測、雷達測距、激光測距等。其中， 測具有使用方便、無需信號發(fā)射源、同時獲得大量的場景信息等特點，但視覺測距需要額外的計算開銷 1 。雷達測距具有全天候工作，適合于惡劣的環(huán)境中進行短距離、高精度測距的優(yōu)點 2 ，但容易受電磁波干擾。激光測距具有高方向性、高單色性、高亮度、測量速度快等優(yōu)勢，尤其是對雨霧有一定的穿透能力，抗干擾能力強，但其成本高、數(shù)據(jù)處理復(fù)雜 3 。 與前幾種測距方式相比，超聲波具有束射和反射特性，基本上可以沿直線傳 播，其能量遠遠大于相同振幅的低頻聲波，非接觸式超聲測距傳感器正是利用超聲波的這種特性而制成的。在空氣介質(zhì)中，超聲波測距傳感器的性能幾乎不受光線、粉塵、煙霧、電磁干擾和有毒氣體的影響，而且價格低廉、使用方便。因此，在物位測量、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)、機器人自動導(dǎo)航、無人作戰(zhàn)平臺、地形地貌探測乃至江河水位高度監(jiān)測等許多領(lǐng)域，超聲波測距傳感器都得到 了廣泛的應(yīng)用 4。 此外，由于超聲波在水下傳播的距離比光和電磁波要遠得多，故在水下的目標(biāo)探測、識別、定位、通訊和導(dǎo)航以及海洋石油開發(fā)中，也廣泛應(yīng)用超聲波作為信息載體。為此 ，深入研究超聲波的產(chǎn)生與傳播規(guī)律、開發(fā)高性能超聲波換能器、探討新的超聲波信號處理方法，對于推動超聲波換能器技術(shù)與超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展，都具有十分 重要的現(xiàn)實意義 5。 目前，超聲波測距已普遍應(yīng)用在液位測量、移動 機器人定位和避障等領(lǐng)域，應(yīng)用前景廣闊。 內(nèi)外 相關(guān) 研究發(fā)展及現(xiàn)狀 外超聲波 技術(shù) 發(fā)展及現(xiàn)狀 1883年， 是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲。在 聲波仍然鮮為人知。當(dāng)時電子技術(shù)發(fā)展 緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響 6。 1917年，法國人 用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并進行水下通信聯(lián)絡(luò)。在這之后對超聲的研究主要體現(xiàn)在電子領(lǐng)域 7。 1925年， 且頻率擴展到兆赫級。至此 ;別發(fā)現(xiàn)了超聲波的衍射光柵，用超聲波來研究液體和氣體的聲學(xué)特性方法得到穩(wěn)定發(fā)展。 1927 年 決了超聲汽笛的許多細(xì)節(jié) 問題，這些汽笛被證明在流體中最高功率可達 50W。 1950年以后，雷達技術(shù)的發(fā)展大大促進了超聲波探傷技術(shù)發(fā)展 ;電子計算機、激光技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展又加速了超聲波技術(shù)的發(fā)展。脈沖調(diào)制的超聲波廣泛地應(yīng)用于無損探測、醫(yī)療診斷及各種工業(yè)控制中。 1965年，新材料和新技術(shù)以及微波傳播理論得到深入研究，產(chǎn)生了頻率超過 5 100些超高頻的超聲波開始應(yīng)用于物理學(xué)基礎(chǔ)研究、通信和計算機技術(shù)等領(lǐng)域中。 1980 年，美國國家儀器有限公司 (發(fā)了各種軟件技術(shù)來進行測試測量。 1992 年 出一種新的超聲回波計時方法，該方法利用峰值和相位相 加得到回波時延 8。這種方法所能達到的精度指標(biāo)為 :18 一 34 米，誤差精度 2%。 1997 年證明了它的可行性 9。 2003 年， 大距離的超聲波測距進行研究，對超聲測距范圍進行了詳細(xì)討論 10。 2007 年， 用編碼信號對高精度超聲波測距系統(tǒng)進行了研究，提出了實現(xiàn)高分辨率的方法。 2008年，美國 距儀公司推出 了一系列的超聲波測高儀，這些測高儀體積小、便于攜帶，能夠滿足不同的測高要求。 近幾年，電子技術(shù)及壓電陶瓷材料的發(fā)展使超聲檢測技術(shù)得到迅速發(fā)展。美國普力塞思公司研制了 聲波測距儀，實現(xiàn)了高速精確的長寬高測量及面積測量。加拿大柏威騰超聲波設(shè)備廠研制了各種超聲波測量及工業(yè)應(yīng)用設(shè)備。在無損探傷、測溫、測距、流量測量、液體成分測量等方面，新的超聲檢測儀不斷出現(xiàn)，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大。 內(nèi)超聲波技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀 國外在提高超聲波測距方面做了大量的研究，國內(nèi)的一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究。 中國測試技術(shù)研 究所李茂山在超聲波測距原理及實踐技術(shù) 11中詳細(xì)地闡述了超聲波的測距原理，并給出了實現(xiàn)超聲波測距的具體框圖，并討論了影響超聲波測距精度的幾種原因。在本文中，他并未提及超聲波測距所需的一些具體電路，只是給出了測距一般所需的電路名稱，沒有提及各種電路間的匹配。在此文中，作者分析，利用超聲波測距是立足于聲速在既定的均勻媒介中傳播速度有一恒定數(shù)值，不隨聲波頻率變化的特點，超聲波測距的關(guān)鍵是把聲源由反射到返回的傳播時間計量出來，若要求測距誤差小于 ，那么測量時間的誤差必須小于 30微秒。因此，實現(xiàn)聲波測距 須避開直接測量時間的方法，才一能獲得實用的測量精度。 1998年，曼內(nèi)斯德馬泰克 (秦皇島 )有限公司推出了一種數(shù)字式超聲波位 移測量儀，李忠杰在數(shù)字式超聲波位移測量儀的研究 12一文中介紹了這種數(shù)字式超聲波位移測量儀的結(jié)構(gòu)，工作原理和功能，其數(shù)據(jù)處理借助于單片機，給出了程序框圖，對儀表的各部分硬件電路做了較詳細(xì)的說明，并列出了部分儀表的實鋇叮數(shù)據(jù)，并分析了誤差產(chǎn)生的原因。在此文中，給出了超聲波測距儀在對液壓缸位移進行測量時與其它位移傳感器的優(yōu)勢所在，并給出了單片機的程序框圖。 6 中國科學(xué)院上海聲學(xué)實驗室的王 潤田在雙頻超聲波測距 13一文中提出了一種雙頻超聲波測距的原理和方法，由于空氣對超聲的吸收與超聲波的頻率的平方成正比，因此，用來測距的超聲波的頻率不能很高，但另一方面頻率越低，波長越長，測長的絕對誤差就越大，因此測距的范圍加大與測量精度實際上是一對矛盾。王潤田提出，為了在一個較長的范圍內(nèi)達到測距的精度，在測距時同時發(fā)射兩個頻率的超聲波，頻率較大的測較近的距離，頻率較小的測較長的距離，這樣在較大的范圍內(nèi)實現(xiàn)較高的測距精度。 廈門大學(xué)海洋系的童峰在一種高精度超聲波測距處理方法 14一文中，提出在超聲測距系統(tǒng)中，測距誤差也即聲脈沖傳輸時間 際上是對測距脈沖回波前沿的檢測誤差，作者根據(jù)聲波的發(fā)射，反射及傳輸理論推出并用實驗驗證了測距回波包絡(luò)曲線的近似方程，據(jù)此提出了一種高精度超聲波測距信號處理方法，并由理論分析與實驗結(jié)果，提出了一種基于歸一化包絡(luò)曲線的抗起伏信號處理方法，其步驟為 : A:用一定的檢測方法計算出方程中和起伏參數(shù) ; B:根據(jù)包絡(luò)方程推算出回波的理想前沿 ; C:得到準(zhǔn)確的聲波傳播時間 ; D:乘聲速除以 2即得距離 ; 并且給出了系統(tǒng)硬件的框圖及軟件部分的具體功能。實驗結(jié)果顯示，在 的范圍內(nèi)，系統(tǒng)最大測距誤差為 并具有較高的穩(wěn)定性。 南昌航空工業(yè)學(xué)院的江澤濤在溫度對液體中超聲波速度的影響 15一文中，詳細(xì)地分析了溫度對超聲波在液體中傳播速度的影響，導(dǎo)出了超聲波速度，液體壓縮系數(shù)及密度的關(guān)系，研究了壓縮系數(shù)及密度同溫度的關(guān)系，進而研究了溫度對聲速的影響，用實驗測量了不同的液體成分下的聲速同溫度的關(guān)系。 鄭豐隆在提高超聲波測距分辨力的一種單片機測量電路 16一文中分析了單片機的內(nèi)部誤差及其分辨力，為了提高測量精度，作者從硬件的角度設(shè)計了一種外圍電路，提高了計數(shù) 參考頻率，從而提高了儀器系統(tǒng)的測量精度。 對于測控系統(tǒng)來說，一個測量精度高、抗干擾能力強的傳感器是必要的，超聲傳感器對于超聲波測距系統(tǒng)來說是非常關(guān)鍵的，陜西師范大學(xué)的董勝林，董曉寧研制了一種圓板膜彎曲振動模式的氣介式超聲波傳感器。 單片機在超聲波測距系統(tǒng)中也有很重要的作用，東北電力學(xué)院的韓保亮，孫偉對這方面進行了有益的探索。在單片機在超聲波測距系統(tǒng)中的應(yīng)用 17一文中，細(xì)述了測量原 7 理以及以單片機為核心的硬件組成部分。在文章末還對不同反射面被測物對超聲測距的影響進行了分析，并給出了光滑硬表面和泡沫塑料表 面物體的實測數(shù)據(jù)，分析了造成盲區(qū)的原因。誤差的處理的合理性對于測距系 統(tǒng)精度的提高來說是非常重要的，山東礦業(yè)學(xué)院濟南分院的曹茂永，張逸 芳在泥漿中超聲測距誤差分析及修正 18一文 中分析了超聲波測距在泥漿中產(chǎn)生的三種誤差即 :固定探頭誤差，聲速誤差以及隨機誤差，并對這幾種誤差進行了修正。實踐證明，這幾種誤差修正的方法有效地提高了測量系統(tǒng)的準(zhǔn)確度。 聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用 超聲波測距憑借其原理簡單、易于實現(xiàn)以及成本低等優(yōu)點，在液位測量、移動機器人定位和避障、汽車防撞和曲而仿形檢測等領(lǐng)域得到了 廣 泛的應(yīng) 用。 位測量 接觸式液位測量存在易滲漏、易腐蝕、不便于檢修和維護等問題，利用超聲波測距可以實現(xiàn)液位的非接觸式測 量，解 決上述問題。與其他測位方法相比，超聲波液位測量具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、安裝和維護方便、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)勢。 雷建龍等 19基于超聲波測距原理，設(shè)計了一種便攜式液位測量儀。該儀器體積小，便于測量，系統(tǒng)成本低，并且能對速度進行溫度補償，保證了檢測精度。但其測量范 圍小，測量精度低。陳平等 20則將超聲波測距技術(shù)與測試算法相結(jié)合，設(shè)計了一種群罐液位 監(jiān) 控儀器。該儀器可靠性高，利用單 片機內(nèi)部集成的溫度傳感器進行了有效的溫度補償和校正，提高了系統(tǒng)的測量精度。 動機器人定位和避障 移動機器人需要裝備多種傳感器來獲取環(huán)境信息以確定自身的位置 (定位 )和繞開障礙物 (避障 )，其 中 比較常用的傳感系統(tǒng)是視覺系統(tǒng)和超聲波測距系統(tǒng)。超聲波傳感器已經(jīng)被 廣 泛用作測距傳感器，并應(yīng)用于機器人的定位和避 障 。 田志宏等 21基于超聲波測距原理，設(shè)計了一種能夠智能避障的電動輪椅車，通過安裝多組傳感器來檢測障礙物， 達到避障的目的。王洪青等 22設(shè)計了一種適用于移動機器人的并行超聲波測距系統(tǒng)。其采用多傳感器 并行上作的方式，提高了測距的實時性，有效屏蔽了系統(tǒng)干擾，滿足移動機器人避障的要求。 8 車防撞 隨著汽車擁有量的增民，汽車的安全和使用便捷性能受到了空前的關(guān)注。由于存在視覺盲 區(qū) ，人們在倒車時無法看清楚車子后而的障礙物，很容易刮傷汽車或發(fā)生事故。通過在車身前后安裝超聲測距傳感器可以有效測量車身距障礙物間距離，解除了 駕 駛員泊車、倒車和起動車輛時前后 左 右探視所引起的困擾，并幫助 駕 駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高 駕 駛的安全性。 彭翠云等 23以 051 片機為控制器，設(shè)計 了一種用于汽車倒車系統(tǒng)的超聲波測距模塊。該模塊向決策系統(tǒng)實時提供汽車與障礙物的間距，以利于汽車避障，同時可以保證較高的測距精度和較寬的測距范圍。仇成群等 24結(jié)合超聲波測距技術(shù)，設(shè)計了一種汽車測距防撞報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠自動檢測汽車與障礙物間的距離，并能夠?qū)崿F(xiàn) 具有電路簡單、操作便捷、工 作穩(wěn)定等優(yōu)點。 面仿形檢測 大多數(shù)曲而外形尺寸很難通過傳統(tǒng)測量方式獲得，而超聲波測距可以通過采用多傳感器多角度測距，確定其外形特征，以實現(xiàn)對曲而的檢測。 趙海鳴等 25在分析各種水下地形測量方法及 其特點的基礎(chǔ)上，提出了一種應(yīng)用超聲波測距方法進行水下微地形高程數(shù)據(jù)測量的方法。該方法利用勺 _相關(guān)運算可以在信 比很小的情況下準(zhǔn)確定位回波到達時間，從而在復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)超聲波測距。經(jīng)試驗驗證，該方法的測量誤差在 1 c 測重構(gòu)得到的微地形圖能真實地反映被測地形特征。 吳彎等 26設(shè)計了一種超聲波車載上石方計量系統(tǒng)，用于測量上石方的體積。該系統(tǒng)采用超聲波傳感器陣列的形式，利用多個傳感器順序測量出每個超聲波傳感器到上石方表而的距離，然后通過距離到體積的變換，得出上石方的體積。該系統(tǒng)成本低、硬件容易實 現(xiàn)，但由于傳感器測量范圍有限，系統(tǒng)檢測精度仍有待提高。 汪恩軍等 27設(shè)計了一種基于超聲波傳感器的車轍檢測系統(tǒng)，通過在檢測車上布置多個超聲傳感器來獲取路而車轍原始信息。此外，該系統(tǒng)針對超聲傳感器的輸出波形，設(shè)計了按周期精確采樣的方法，從而降低干擾，提高了系統(tǒng)檢測檢測精度。 張富貴等 28在分析果樹外形檢測機理的基礎(chǔ)上，提出了基于超聲波測距的果樹外形檢測方法。該方法通過多個傳感器測距，實現(xiàn)對果樹外形的檢測。但由于傳感器數(shù)目有限，所得果樹外形輪廓曲線與實際的果樹外形輪廓曲線誤差較大。 9 2 超聲波測距系統(tǒng)綜述 這一章首先從超聲波的類型、基本性質(zhì)和在介質(zhì)中的傳播特性三個方面對超聲波做了介紹，隨后又對超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、種類及特性做了介紹，為本論文后面章節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。尤其是超聲波傳感器是超聲波測距系統(tǒng)的重要部件，用于超聲波的發(fā)射和接收，所以超聲傳感器的工作原理也是整個測距系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵， 測距中使用的單片機及一些測距中的重要參數(shù)， 這些將是本章討論的重點。 聲波簡介 聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機械振動密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運動所產(chǎn)生的機械振動以波的形式向外傳播。根據(jù)振 動所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于 20聲波稱為超聲波。 波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì) 29: (1)超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同 ; (2)超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強的波束，波長愈短方向性愈強，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的 分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體 ; (3)能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率，要求探測信號的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍 (如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的 )，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器 ; (4)功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強大的能量。聲波作用于物體時，物體的分子也要隨著運動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運動速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。 聲波在真空中不能進行傳播，必須通 過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為 344m/s 。 聲波測距原理 10 超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時間法 30: 圖 2超聲波測距原理如圖 2中被測距離為 H，兩探頭中心距離的一半用 M 表示，超聲波單程所走過的距離用 圖中關(guān)系可得 : H=L (2 = H) (2將 (2代入 (2可得 : H=L ) (2 在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為 : 2L=v t (2式中 為超聲波從發(fā)射到接收的時間。 將 (2代入 (2式可得 : H=1/2 / H) (2 式中，超聲波的傳播速度 v 在一定溫度下是一常數(shù)。如 :在溫度 T=0時， v=s。當(dāng)被測距離 時， / H) 1，于是 (2 式變?yōu)?: H=1/2 (2 T R 超聲波發(fā)射探頭 障礙物 超聲波接收探頭 11 由此可見，要想測得距離 H，只要測得超聲波的傳播時間 聲波傳感器簡介 本次設(shè)計中使用的超聲波傳感器模塊是高級超聲波測距儀 號是 如 2 圖 2級超聲波測距儀是通過測量發(fā)射超聲波到接收超聲波的時間，來確定與障礙物間的距離的。它是一種非接觸 測距儀。 以下表格就是傳感器模塊實物圖說明 ： 編號 描述 1 超聲波接收探頭 2 超聲波發(fā)射探頭 3 4線端口 黑線：接地 紅線：電源（ 5v 8v） 黃線：信號線（ 棕線：信號線（ 4 產(chǎn)品型號 12 產(chǎn)品特點： 4線接口，兼容的 2線 為 用戶 提供 300實踐中無法達到要求，一般在 100 31。 片機簡介 片機特點 基于增強的 構(gòu)的低功耗 8 位 控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間， 數(shù)據(jù)吞吐率高達 1 而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元 (相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 如下特點 :16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 有同時讀寫的能力，即 512 字節(jié) 1K 字節(jié) 32 個通用 I/O 口線， 32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的 口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式 的靈活的定時器 / 計數(shù)器 (T/C),片內(nèi) /外中斷，可編程串行 起始條件檢測器的通用串行接口， 8 路 10 位具有可選差分輸入級可編程增益 (裝 ) 的 具有片內(nèi)振蕩器的可編程 看門狗定時器 ，一個 行端口，以及六個可以通過 軟件 進行選擇的省電模式。 工作于空閑模式時 止工作，而 線接口、 A/D 轉(zhuǎn)換器、 、 口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準(zhǔn)，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)； 聲抑制模式時終止 除了異步定時器與 外所有 I/O 模塊的工作，以降低 換時的開關(guān)噪聲； 式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使 得器件只消耗極少的電流，同時具有 快速啟動 能力；擴展 式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。 13 圖 2片機 本芯片是以 密度非易失性存儲器技術(shù)生產(chǎn)的。片內(nèi) 許程序存儲器通過 行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于 核之中的引導(dǎo)程序進行編程。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將 應(yīng)用程序 下載到應(yīng)用儲區(qū) (在更新應(yīng)用 儲區(qū)時引導(dǎo) (程序繼續(xù)運行，實現(xiàn)了 作。 通過將 8 位 系統(tǒng)內(nèi)可編程的 成在一個芯片內(nèi)， 為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。 有一整套的編程與系統(tǒng)開發(fā)工具，包括： C 語言 、 編譯器 、宏匯編、 程序調(diào)試器 / 軟件仿真器、仿真器及評估板 32。 片機各接 口如圖。 片機 極限參數(shù) 14 表2片機極限參數(shù) 統(tǒng)硬件設(shè)計 聲波測距硬件電路總體 結(jié)構(gòu) 設(shè)計 以下 3聲波 硬件電路的總體設(shè)計圖，總體分為三大部分： ， 它是一個超聲波測距成品模塊，其內(nèi)部包括發(fā)射電路和接收電路，使用的時候，它可以自行測出障礙物的距離，我們只需要用單片機從它數(shù)據(jù)庫中讀取所測的數(shù)據(jù)就可以了； 是系統(tǒng)中的核心部件，實現(xiàn)從各個模塊中讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)功能；1602負(fù)責(zé)向外部顯示所測得的數(shù)據(jù)。 圖 3參數(shù) 額定值 操作溫度 +85C 工作電源 +個 的最大電流 15入 /輸出數(shù) 32 存儲器容量 16聲波模塊 1602示模塊 片機 15 聲波測距模塊 發(fā)射電路 由超聲波模塊內(nèi)部芯片 產(chǎn)生 40方波， 并通過單片機的 接到 后面的 對 40率信號進行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振 ，發(fā)射超聲波 。 如圖 3號走向圖如 3 1 2U 3 6 93 4U 3 6 95 6U 3 6 99 8U 3 6 913 12U 3 6 911 10U 3 6 90 1 10 . 0圖 3圖 3聲波測距模塊接收電路 16 1 2 3 4 5 6 7 8C X 2 01 0 60 p+3 3 0 0 1 41 8 . 2圖 3當(dāng)超聲波接收頭收到發(fā)射信號時，便通過 行前置放大、限幅放大、帶通濾波、峰值檢波和比較、積分及施密特觸發(fā)比較得到解調(diào)處理后的信號。 7腳為信號輸出口，沒收到信號時為高電平，收到后變?yōu)榈碗娖剑笥只謴?fù)高電平。 在超聲波 模塊內(nèi)部還有一個未處理芯片， 用來產(chǎn)生 40方波信號，以及接收檢測回波信號，分析和處理數(shù)據(jù)，計算距離。由于沒有相關(guān)芯片的介紹，在此沒有列出電路圖。 聲波 測距 硬件電路圖 圖中單片機 A 口及 B 口的 1 到 3 口負(fù)責(zé)向 1602示器發(fā)送數(shù)據(jù)，實現(xiàn)顯示功能。 C 口的 15、 16 號接口負(fù)責(zé)與超聲波模塊傳遞數(shù)據(jù)。 17 圖 3聲波測距