图 附录三程序清单 绪论 Ⅰ课题设计目的及意义 Ⅰ设计的目的 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目 前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是个正在 蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为种新 型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高 精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为研制具 有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要继续发 展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别研制 更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题大力降低潜艇 自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智 能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步， 测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新 的世纪里，面貌新的测距仪将发挥更大的作用。 Ⅰ设计的意义 随着科技的发展，人们生活水平的提高，城市发展建设加快，城市给排水系统 也有较大发展，其状况不断改善。但是，由于历史原因合成时间住的许多不可预见 因素，城市给排水系统，特别是排水系统往往落后于城市建设。因此，经常出现开 挖已经建设好的建筑设施来改造排水系统的现象。城市污水给人们带来了困扰，因 此箱涵的排污疏通对大城市给排水系统污水处理，人们生活舒适显得非常重要。而 设计研制箱涵排水疏通移动机器人的自动控制系统，保证机器人在箱涵中自由排污 疏通，是箱涵排污疏通机器人的设计研制的核心部分。控制系统核心部分就是超声 波测距仪的研制。因此，设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。这就是我设计 超声波测距仪的意义。 Ⅰ超声波测距仪的设计思路 Ⅰ超声波测距原理， 发射器发出的超声波以速度在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回， 由接收器接收，其往返时间为，由即可算出被测物体的距离。由于超声 波也是种声波，其声速与温度有关，下表列出了几种不同温度下的声速。在 使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很 高，则应通过温度补偿的方法加以校正。 表超声波波速与温度的关系表 温度 声速 Ⅰ超声波测距仪原理框图如下图 单片机发出的信号，经放大后通过超声波发射器输出超声波接收器将 接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中 断程序，测得时间为，再由软件进行判别计算，得出距离数并送显示。 图超声波测距仪原理框图 课程的方案设计与论证 系统整体方案的设计 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波 经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单， 并且在测量精度方面也能达到农业生产等自动化的使用要求。 超声波发生器可以分为两大类类是用电气方式产生超声波，类是用机械方 式产生超声波。电气方式包括压电型电动型等机械方式有加尔统笛液哨和气 流旋笛等。它们所产生的超声波的频率功率和声波特性各不相同，因而用途也 各不相同。目前在近距离测量方口和清。然后调用超声波发生子程 序送出个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波 触发，需要延时约这也就是超声波测距仪会有个最小可测距离的原因 后，才打开外中断接收返回的超声波信号。由于采用的是的晶振，计数 器每计个数就是，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器中的数 即超声波来回所用的时间按式计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离， 设计时取时的声速为则有 其中，为计数器的计算值。 测出距离后结果将以十进制码方式送往显示约，然后再发超声 波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用语 言编写。 超声波发生子程序和超声波接收中断程序 超声波发生子程序的作用是通过端口发送个左右超声波脉冲信号频率 约的方波，脉冲宽度为左右，同时把计数器打开进行计时。超声波 发生子程序较简单，但要求程序运行准确，所以采用汇编语言编程。 超声波测距仪主程序利用外中断检测返回超声波信号，旦接收到返回超声 波信号即引脚出现低电平，立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计 时器停止计时，并将测距成功标志字赋值。如果当计时器溢出时还未检测到超 声波返回信号，则定时器溢出中断将外中断关闭，并将测距成功标志字赋值 以表示此次测距不成功。前方测距电路的输出端接单片机端口，中断优先级 最高，左右测距电路的输出通过与门的输出接单片机端口，同时单片 机和接到的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级 为先右后左。部分源程序如下 关外部中断 引脚为,转至右测距电路中断服务程序 引脚为,转至左测距电路中断服务程序 开外部中断 右测距电路中断服务程序入口 左测距电路中断服务程序入口 系统的软硬件的调试 超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用的超 声波换能器发射和接收，中心频率为， 安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距，其余元件无特殊要求。若能将 超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同， 可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗 干扰能力。 硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根 据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时 间，以适应不同距离的测量需要。根据所设计的电路参数和程序，测距仪能测的范 围为，测距仪最大误差不超过。系统调试完后应对测量误差和重复 致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。 软件的调试程序见附录 总结 由于时间和其它客观上的原因，此次设计没有做出实物。但是对设计有个很 好的理论基础。设计的最终结果是使超声波测距仪能够产生超声波，实现超声波的 发送与接收，从而实现利用超声波方法测量物体间的距离。以数字的形式显示测量 距离。 超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算 出传播距离。实用的测距方法有两种，种是在被测距离的两端，端发射，另 端接收的直接波方式，适用于身高计种是发射波被物体反射回来后接收的反射 波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路超声波发射电 路和超声波检测接收电路三部分。单片机采用或其兼容系列。采用 高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用端口输出超 声波换能器所需的的方波信号，利用外中断口监测超声波接收电路输出的 返回信号。显示电路采用简单实用的位共阳数码管，段码用驱动， 位码用三极管驱动。 超声波发射电路主要由反相器和超声波发射换能器构成，单片机 端口输出的的方波信号路经级反向器后送到超声波换能器的个电极， 另路经两级反向器后送到超声波换能器的另个电极，用这种推换形式将方波信 号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并 联，用以提高驱动能力。上位电阻方面可以提高反向器输出高 电平的驱动能力，另方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时 间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两 个压电晶片和个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有 振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是 个超声波发生器反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将 压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 超声波检测接收电路主要是由集成电路组成，它是款红外线检波接 收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率 与测距的超声波频率较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实 验证明用接收超声波无信号时输出高电平，具有很好的灵敏度和较强的 抗干扰能力。适当更改电容的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。 超声波测距仪的软件设计主要由主程序超声波发生子程序超声波接收中断 程序及显示子程序组成。我们知道语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言 程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既 有较复杂的计算计算距离时，又要求精细计算程序运行时间超声波测距时， 所以控制程序可采用语言和汇编语言混合编程。主超声波测距仪主程序利用外中 断检测返回超声波信号，旦接收到返回超声波信号即引脚出现低电平， 立即进入中断程序。进入中断后就立即关闭计时器停止计时，并将测距成功标志 字赋值。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器溢出中断 将外中断关闭，并将测距成功标志字赋值以表示此次测距不成功。前方测距电 路的输出端接单片机端口，中断优先级最高，左右测距电路的输出通过与门 的输出接单片机端口，同时单片机和接到的输入端，中 断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。 超声波测距的算法设计原理为超声波发生器在时刻发出个超声波信号， 当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器所接收到。这样只要 计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与 反射物体的距离。在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器，利用定时器 的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时， 接收电路输出端产生个负跳变，在或端产生个中断请求信号，单片 机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。 在元件及调制方面，由于采用的电路使用了很多集成电路。外围元件不是很多， 所以调试应该不会太难。般只要电路焊接无误，稍加调试应该会正常工作。电路 中除集成电路外，对各电子元件也无特别要求。根据测量范围要求不 同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度 和抗干扰能力。若能将超声波接收电路用金属壳屏