超聲波測(cè)距語(yǔ)音播報(bào)設(shè)計(jì)論文

在空氣介質(zhì)中超聲測(cè)距傳感器因其性能好，價(jià)格低廉、使用方便，在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人定位系統(tǒng)、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)、城市交通管理和高速公路管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以及河道、油井和倉(cāng)庫(kù)及料位的探測(cè)中都有應(yīng)用。由于超聲波傳播不易受干擾，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距和物位測(cè)量等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。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及其收發(fā)電路，對(duì)于超聲波檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

本設(shè)計(jì)介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測(cè)距的原理：由STC89C52控制定時(shí)器產(chǎn)生一定頻率脈沖，計(jì)算從發(fā)射到接收回波時(shí)間，從而得到實(shí)測(cè)距離，數(shù)據(jù)處理采用，lcd1602顯示距離，WTD588D語(yǔ)音播報(bào)。

第一章 緒論

1.1 課題設(shè)計(jì)目的及意義

1.1.1設(shè)計(jì)的目的

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波在測(cè)距中的應(yīng)用越來(lái)越廣。但就目前的急速水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因此超聲波經(jīng)常用于距離測(cè)量，如超聲波測(cè)距和物位測(cè)量等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。研制具有更高定位精度的被動(dòng)測(cè)距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需求；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測(cè)的潛艇拖拽線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動(dòng)探測(cè)和識(shí)別；研制更適合與前還工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識(shí)別問(wèn)題；搭理降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。毋庸置疑，無(wú)線的超聲波測(cè)距將于自動(dòng)化智能化接軌，與其他的測(cè)距儀集成和融合，形成多測(cè)距。隨著測(cè)距儀的技術(shù)進(jìn)步，測(cè)距儀將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的測(cè)距儀將發(fā)揮更大的作用。

1.1.2設(shè)計(jì)的意義

由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，所以超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中的液位、井深、管進(jìn)長(zhǎng)度測(cè)量等場(chǎng)合。因此研究超聲波測(cè)距系統(tǒng)有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。對(duì)本課題的研究與設(shè)計(jì)，還能進(jìn)一步提高自己的電路設(shè)計(jì)水平，深入對(duì)單片機(jī)的理解和應(yīng)用。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)

    國(guó)外在提高超聲波測(cè)距方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究。目前超聲波測(cè)距方法主要有三種：（1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；（2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；（3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀�，F(xiàn)在對(duì)超聲波測(cè)距的精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)距精度。溫度對(duì)傳感器的影響也很大，因此，需要用溫度傳感器進(jìn)行校正，目前相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來(lái)的方法是主要的降低探測(cè)傳輸不確定度的方法。

1.3 本課題研究的主要內(nèi)容

    a、單片機(jī)技術(shù)：STC89C52系列的單片機(jī)具有體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，成本低廉，可以實(shí)現(xiàn)一般的控制功能的優(yōu)點(diǎn)。而且單片機(jī)更適用應(yīng)用于小型的嵌入式系統(tǒng)，因此它得到了廣泛的應(yīng)用�，F(xiàn)代人類生活大部分電子和機(jī)械產(chǎn)品中都會(huì)集成有單片機(jī)。

    b、超聲波測(cè)距技術(shù)：超聲波測(cè)距技術(shù)與一般測(cè)距技術(shù)相比，具有操作方便、系統(tǒng)簡(jiǎn)單以及計(jì)算簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

    c、顯示技術(shù)：數(shù)據(jù)處理，數(shù)碼管顯示測(cè)出與物體之間的距離。

    d、語(yǔ)音模塊技術(shù)：ISD1730A芯片來(lái)語(yǔ)音播報(bào)距離。

2.1 方案選擇

采用單片機(jī)來(lái)控制超聲波測(cè)距，信號(hào)線發(fā)射到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)端，超聲波發(fā)射器向既定方向發(fā)射，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物將產(chǎn)生回波。

超聲波測(cè)距的方法有多種,如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限，聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。

本測(cè)距系統(tǒng)采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離l。設(shè)l為測(cè)量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。再由單機(jī)計(jì)算出距離，送數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。

超聲波測(cè)距的算法設(shè)計(jì): 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘340米（15℃時(shí)）。t2是接收超聲波時(shí)刻，t1是超聲波聲波發(fā)射時(shí)刻，t2-t1得出的是一個(gè)時(shí)間差的絕對(duì)值，假定t2-t1=0.03S，則有340m×0.03S=10.2m。由于在這10.2m的時(shí)間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下： 如圖2-2-1為測(cè)距原理[4]

圖2-1測(cè)距原理

因?yàn)棣?2角度較小,可以忽略不計(jì)，所以L≈S。

超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離如下：

L=C x ( t2 -t1 )/ 2

由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高1攝氏度，聲速增加0.6米／秒。表2-1列出了幾種溫度下的聲速。

表2-1  聲速與溫度的關(guān)系表

在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速c是基本不變的，計(jì)算時(shí)取c為340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。

     超聲波測(cè)距模塊用HC-SR04，溫度傳感器使用DS18B20，微處理器使用STC89C52單片機(jī)，顯示部分采用共陽(yáng)數(shù)碼管。HC-SR04集成的發(fā)射電路模塊發(fā)出超聲波，遇到障礙物產(chǎn)生回波，被接收電路模塊接收，STC89C52單片機(jī)統(tǒng)計(jì)出聲波傳輸所用時(shí)間，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償溫，計(jì)算出正確的待測(cè)距離，同時(shí)ISD1730A根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)處理進(jìn)行組合播報(bào)當(dāng)前測(cè)試距離，并且由數(shù)碼管顯示。

圖2-2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于測(cè)量距離的精度和長(zhǎng)度要求不是很高，精度達(dá)到2cm，測(cè)量距離達(dá)到2m即可，因此超聲波模塊選用價(jià)格低廉且實(shí)用的HC-SR04即可。

    控制核心部分選擇實(shí)用的STC89C52單片機(jī)即可滿足計(jì)算和控制要求。

溫度補(bǔ)償?shù)臏囟葌鞲衅鬟x擇普遍且實(shí)用的DS18B20。

    語(yǔ)音播報(bào):ISD1730A是華邦公司新推出的語(yǔ)音芯片，用來(lái)替代已經(jīng)停產(chǎn)的ISD1400 系列及ISD2500 系列芯片。ISD1730A不僅在錄音時(shí)間上有更多的選擇（從20秒到240 秒），而且在功能上繼承14及25系列的所有錄放功能，并增加了一些更加人性化的提示功能及對(duì)存儲(chǔ)地址的精確操作。根據(jù)我們經(jīng)營(yíng) ISD 系列芯片多年的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，ISD1700 的音質(zhì)也較14及25系列有明顯的提高

ISD1700 系列芯片是華邦公司新推出的單片優(yōu)質(zhì)語(yǔ)音錄放電路，該芯片提供多項(xiàng)新功能，包括內(nèi)置專利的多信息管理系統(tǒng)，新信息提示（vAlert ）,雙運(yùn)作模式（獨(dú)立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。芯片內(nèi)部包含有自動(dòng)增益控制、麥克風(fēng)前置擴(kuò)大器、揚(yáng)聲器驅(qū)動(dòng)線路、振蕩器與內(nèi)

存等的全方位整合系統(tǒng)功能。。

    顯示部分:選擇了四位數(shù)碼管。

第五章超聲波測(cè)距接收

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用單片機(jī)控制電路簡(jiǎn)單容易，而且價(jià)格便宜。該模塊包括超聲波發(fā)射、接收與控制電路。實(shí)物如圖5-1。

圖5-1  HC-SR04模塊實(shí)物圖

基本工作原理

①采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)；

②模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；

③有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超

聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

電氣參數(shù)

HC-SR04模塊參數(shù)如下表5-1所示。

圖5-2超聲波時(shí)序圖

以上時(shí)序圖表明只需要提供一個(gè)10us以上脈沖信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40khz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)�；仨懶盘�(hào)的脈沖寬度與測(cè)量的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離：

距離=高電平時(shí)間*聲速（340m/s）/2。

為防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響，測(cè)量周期一般要60ms以上。

模塊主要由Em78p153單片機(jī)、MAX232、TL074、超聲波傳感器：T40-16、R40-16組成。

Em78p153單片機(jī)

①概況描述

Em78p153是采用高速CMOS工藝制造的8位單片機(jī)。其內(nèi)部有512*13位一次性ROM(OTPROM)。因此，用戶可以方便改進(jìn)完善程序。程序代碼可用EMC編程器寫入芯片。有13位選項(xiàng)位可滿足用戶要求，其中的保護(hù)位可用來(lái)防止程序被讀出。

②功能特點(diǎn)

工作電壓范圍：2.0V~6.0V；

工作溫度范圍：0℃~70℃；

工作頻率范圍：DC~8MHz；

512×13位片內(nèi)ROM；32×8位片內(nèi)寄存器（SDRAM）；

片內(nèi)有4MHz校準(zhǔn)RC振蕩器；

2個(gè)雙向I/O端口；

8位實(shí)時(shí)定時(shí)/計(jì)數(shù)器（TCC），信號(hào)源、觸發(fā)沿可編程選擇，溢出產(chǎn)生中斷；

掉電模式(SLEEP模式)；

3個(gè)中斷源：TCC溢出中斷、輸入引腳狀態(tài)變化中斷、外部中斷；

EM78P153為14腳封裝；封裝形式：SOP、SSOP和DIP。

③引腳分配

Em78p153單片機(jī)引腳分配如圖5-3。

圖5-3 Em78p153引腳圖

MAX232

MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。MAX232多用于串口通信，起到電平轉(zhuǎn)換的作用，而本設(shè)計(jì)只用到其電平轉(zhuǎn)換，將40kHz的方波由5V轉(zhuǎn)換成20V，提高發(fā)射功率。超聲波發(fā)射頭采用共振頻率為40kHz的TCT40-16探頭，接收頭采用RCT40-16。

①M(fèi)AX232引腳圖

芯片引腳如圖5-4。

圖5-4 MAX232引腳圖

圖5-5 TL074引腳圖

1、2、3腳是通道1的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，5、6、7腳是通道2的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，8、9、10腳是通道3的輸出端、反相輸入端、同相輸入端，12、13、14腳是通道4的同相輸入端、反相輸入端、輸出端，4腳是正電源，11腳是負(fù)電源。TL074內(nèi)部組件數(shù)量如下表5-2所示

T40-16與R40-16

為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：

電氣方式產(chǎn)生超聲波, 主要包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；

機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，主要包括加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。

    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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。

壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。其內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片發(fā)生共振，帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。模塊使用T40-16T/R超聲波換能器即為壓電型。

①器件說(shuō)明

名 稱：壓電陶瓷超聲波傳感器；

型 號(hào)：T40-16T/R；

類 別：通用型；

中心頻率：40KHZ；

外 徑：16mm；

使用方式：T為發(fā)射頭，R為接收頭，TR為收發(fā)兼用；

適用范圍：家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝置；超聲波測(cè)距及汽車倒車防撞裝置；液面探測(cè)；超聲波接近開關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。

②器件性能

1.標(biāo)稱頻率(KHz)：40KHz；

2.發(fā)射電壓at10V(0dB=0.02mPa)：≥110dB；

3.接收靈敏度at40KHz(0dB=V/ubar)：≥-70dB；

4.靜電容量at1KHz,<1V(PF)：2000±30%；

5.探測(cè)距離(m)：0.02-10。

傳感器實(shí)物如圖5-5 所示。

圖5-6 傳感器實(shí)物圖

HC-SR04模塊集成了發(fā)射和接受電路，硬件上不必再自行設(shè)計(jì)繁復(fù)的發(fā)射及接收電路，軟件上也無(wú)需再通過(guò)定時(shí)器產(chǎn)生40Khz的方波引起壓電陶瓷共振從而產(chǎn)生超聲波。使用時(shí)，只要在控制端‘Trig’發(fā)一個(gè)大于10us寬度的高電平,就可以在接收端‘Echo’等待高電平輸出。單片機(jī)一旦檢測(cè)到有輸出就打開定時(shí)器開始計(jì)時(shí)。當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就停止計(jì)時(shí)并讀出定時(shí)器的值，此值就為此次測(cè)距的時(shí)間，再根據(jù)傳播速度方可算出障礙物的距離。

5-7 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)	5-8 元件外部結(jié)構(gòu)

超聲波測(cè)距換能器是利用超聲波的特性研制而成的換能器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波換能器，或者探頭。

超聲波換能器主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。

超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說(shuō)明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無(wú)痛苦、無(wú)損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來(lái)看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。

在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無(wú)損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過(guò)去，許多技術(shù)因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無(wú)聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。

超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用

超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。

超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。

超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通迅，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。

超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅�，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。

由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超進(jìn)行檢測(cè).而實(shí)際使用中，用發(fā)送傳感器的陶瓷振子的也可以用做接收器傳感器社的陶瓷振子�？刂撇糠种饕獙�(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制

HC-SR04模塊內(nèi)部超聲波發(fā)射電路如圖5-6所示，主要由Em78p153單片機(jī)、MAX232及超聲波發(fā)射換能器T40組成。

圖5-9 超聲波發(fā)射電路

圖5-10 超聲波接收電路

5.5 超聲波接收過(guò)程

    單片機(jī)初始化，HC-SR04內(nèi)部ECHO接口與單片機(jī)P1.1的引腳相連，發(fā)射接口TRIG與單片機(jī)的P1.2引腳相接。

單片機(jī)開啟中斷，單片機(jī)P1.1給“Trig”接口一個(gè)約為20us的高電平，經(jīng)過(guò)HC-SR04模塊內(nèi)EM78P153發(fā)送8個(gè)連續(xù)的40KHz脈沖的信號(hào)，經(jīng)過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換，提高發(fā)射功率。換能器將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲波發(fā)射。

    當(dāng)單片機(jī)的給一個(gè)20us的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，TRIG由低電平轉(zhuǎn)換為高電平，TRIG=1，

單片機(jī)開時(shí)計(jì)時(shí)，開啟中斷，并記錄時(shí)間為T1，接收換能器等待接收回波，ECHO持續(xù)為高電平的時(shí)間為發(fā)射時(shí)間。換能器接收回波將超聲波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，送至單片機(jī)，記錄時(shí)間為T2。超聲波發(fā)射的時(shí)間為：T2-T1,

計(jì)算發(fā)射距離為：

L = (T2-T1)xC/2

如果等待回波時(shí)間超過(guò)65ms時(shí)，則無(wú)法接收到回波，單片機(jī)初始化，重新發(fā)射接收下一次回波。

5.6 接收數(shù)據(jù)處理

5-11程序流程圖

接收過(guò)程：上電后先進(jìn)行初始化，主要是對(duì)各變量即定時(shí)器0進(jìn)行初始化，然后單片機(jī)給‘Trig’端一個(gè)約為20us的高電平，此后在‘Echo’端等待一個(gè)高電平，一旦檢測(cè)到高電平，則立即打開定時(shí)器，開始計(jì)時(shí)。此后只要定時(shí)器0中的值不超過(guò)約為65ms（65.5536ms）的計(jì)時(shí)上限，則認(rèn)為仍處在有效測(cè)量范圍內(nèi)，并未進(jìn)入盲區(qū)，則在‘Echo’等待低電平的產(chǎn)生，一旦檢測(cè)到低電平，立即讀出此時(shí)的TH0和TL0，并關(guān)閉定時(shí)器0。則超聲波從發(fā)射到返回總共所用時(shí)間為：time=TH0*256+TL0(us),再根據(jù)超聲波常溫下(27℃)在空氣中的傳播速度，(約為344m/s)計(jì)算出障礙物的距離，在數(shù)碼管上進(jìn)行動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)顯示即可。

接收數(shù)據(jù)處理子程序如下：

本次設(shè)計(jì)介紹了一種基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出了相應(yīng)的軟件和硬件的設(shè)計(jì)方案。

超聲波測(cè)距的原理與雷達(dá)測(cè)距原理相似，通過(guò)超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的時(shí)間差就可以知道距離，也就是說(shuō)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波單片機(jī)就立即停止計(jì)時(shí)，再利用對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式就可以求出物體間的間距，這是根據(jù)反射原理利用了超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播距離較遠(yuǎn)的特性。

超聲波測(cè)距儀硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)的基本電路、超聲波發(fā)射接收模塊控制電路、顯示電路、語(yǔ)音模塊，溫度補(bǔ)償五部分部分組成。單片機(jī)采用了STC89C52，晶振為12MHz，單片機(jī)P1.3端口輸出10us的觸發(fā)信號(hào)，由定時(shí)器T0計(jì)得時(shí)間間隔，顯示電路采用1602，語(yǔ)音芯片WTD588D。

本次設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)滿足倒車測(cè)距等所需的測(cè)量精度，而且反映速度快、控制簡(jiǎn)單、成本低廉等，測(cè)距范圍為2cm到350cm。但由于經(jīng)驗(yàn)不足還有些地方有待完善。在要求精度較高的地方時(shí)，由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響有點(diǎn)大，則需考慮到不同溫度時(shí)超聲波的傳播速度變換。

總體來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)本次設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，從中受益匪淺。了解了超聲波測(cè)距的原理，并對(duì)單片機(jī)的開發(fā)和電路設(shè)計(jì)有了更進(jìn)一步的了解。

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和獨(dú)立分析問(wèn)題并且解決問(wèn)題的能力。

首先，我要感謝王老師在畢業(yè)設(shè)計(jì)中對(duì)我給予的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求，我要感謝和我一起做畢業(yè)設(shè)計(jì)的同學(xué)。在畢業(yè)設(shè)計(jì)的短短3個(gè)月里，你們給我提出很多寶貴的意見，給了我不少幫助還有工作上的支持，在此也真誠(chéng)的謝謝你們。同時(shí)，我還要感謝我的寢室同學(xué)和身邊的朋友，正是在這樣一個(gè)團(tuán)結(jié)友愛，相互促進(jìn)的環(huán)境中，在和他們的相互幫助和啟發(fā)中，才有我今天的小小收獲

經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)接近尾聲。畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和獨(dú)立分析問(wèn)題并且解決問(wèn)題的能力。最后再次深深感謝我的導(dǎo)師趙老師以及給予我?guī)椭�的同學(xué)和朋友。

參考資料

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[8] 張珩，劉亞杰STC89C52 超聲波測(cè)距倒車防撞報(bào)警系統(tǒng) 現(xiàn)代電子技術(shù)

附錄1原理圖

附錄2主要源程序

超聲波測(cè)距語(yǔ)音播報(bào)論文.doc (1.08 MB, 下載次數(shù): 108)

2017-6-13 07:24 上傳

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