基于超聲波技術(shù)的避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)【畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、<p><b>　　（20_ _屆）</b></p><p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　基于超聲波技術(shù)的避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級(jí) 測(cè)控技術(shù)與儀器

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p&

3、gt;<p>　　近年來，在科學(xué)研究、緊急搶救、生產(chǎn)制造等生產(chǎn)生活中，智能化設(shè)備使用越來越廣泛。在智能設(shè)備的移動(dòng)過程中免不了會(huì)遇到各種障礙物，這就要求設(shè)備能自動(dòng)并且及時(shí)的避開這些障礙物。所以，關(guān)于自動(dòng)避障的研究就自然而然的產(chǎn)生了。自動(dòng)避障的實(shí)現(xiàn)方法各種各樣，其使用的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外線傳感器、激光傳感器等。超聲波具有指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。所以，在利用傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合的測(cè)距方案

4、中，超聲波測(cè)距是目前應(yīng)用最普遍的一種，它廣泛應(yīng)用于防盜、倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)上，還有移動(dòng)機(jī)器人研究上。避障是移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)成功應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵問題。所有移動(dòng)機(jī)器人以避碰某種形式的碰撞為特點(diǎn)，通過原始計(jì)算來檢測(cè)障礙并停止機(jī)器人以避免碰撞。</p><p>　　本論文詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及AT89S51單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距系統(tǒng)的思路和所需

5、考慮的問題。在該避障系統(tǒng)中，通過軟硬件結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)，即以AT89S51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法來完成。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且能較精確的發(fā)出障礙警報(bào)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：超聲波 單片機(jī) 測(cè)距 避障</p><p>　　A Obstacle Avoidance Syste

6、m Design Based on Ultrasonic Technology</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　In recent years, in scientific research, emergency rescue, manufacturing and other different fields, intelli

7、gent devices used more widely. In the process of intelligent equipment moving will encounter all sorts of obstacles inevitably, which requires the device to avoid these obstacles automatically and timely. Therefore , re

8、search on the automatic obstacle avoidance for naturally produced. All kinds of methods can be used to realize automatic obstacle avoidance, the use of the sensors are ultr</p><p>　　This paper introduced the

9、 principle and characteristic of the ultrasonic sensor in detail , the performance and characteristic of AT89S51 , and based on the analysis of the principle of ultrasonic distance measurement, it point out the design id

10、eas and issues need to be considered. In this obstacle avoidance system, by the method of combining software and hardware to realize，that is，namely to AT89S51 as the core with low cost and high precision, Miniature figur

11、es show of the hardware circuit and</p><p>　　Key Words: Ultrasonic wave, One-chip computer, Range finding, obstacle avoidance</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要I

12、</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題的背景、意義1</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r1</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容3</p><p&g

13、t;　　2超聲波避障原理簡(jiǎn)介5</p><p>　　2.1超聲波發(fā)生器6</p><p>　　2.2壓電式超聲波發(fā)生器原理6</p><p>　　2.3單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)的構(gòu)成6</p><p><b>　　3設(shè)計(jì)方案8</b></p><p>　　3.1 AT89S51單片機(jī)介紹8

14、</p><p>　　3.1.1 AT89S51的主要性能參數(shù)9</p><p>　　3.1.2 AT89S51的功能特性10</p><p>　　3.2超聲波避障硬件電路的設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)11</p><p>　　3.2.2 超聲波發(fā)射、接收電路11</p>

15、;<p>　　3.2.3 顯示電路13</p><p>　　3.2.4 供電電路13</p><p>　　3.2.5 報(bào)警輸出電路14</p><p>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.1主程序設(shè)計(jì)15</p><p>　　4.2超聲波測(cè)距子程序17</p><

16、;p>　　5調(diào)試及結(jié)果分析20</p><p>　　5.1調(diào)試步驟20</p><p>　　5.2結(jié)果分析20</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)21</b></p><p>　　致謝錯(cuò)誤!未定義書簽。</p><p><b>　　附錄22</b><

17、/p><p>　　附錄一：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)電路原理圖22</p><p>　　附錄二：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)PCB圖23</p><p>　　附錄三：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)焊接組裝圖24</p><p>　　附錄四：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)程序25</p>

18、<p>　　附錄五：元件清單35</p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1.1 課題的背景、意義</p><p>　　目前，智能設(shè)備技術(shù)是世界上最熱門的研究領(lǐng)域之一，很多成熟的智能化產(chǎn)品已經(jīng)在不同領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。伴隨著智能化技術(shù)普遍涉及自動(dòng)控制、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、傳感器和機(jī)械工程等學(xué)科技術(shù)的飛速發(fā)展，

19、伴隨著社會(huì)發(fā)展的需要，智能技術(shù)的應(yīng)用環(huán)境和功能任務(wù)越來越復(fù)雜，采用的新理論、新方法、新技術(shù)也越來越多。</p><p>　　近年來，在科學(xué)研究、緊急搶救、生產(chǎn)制造等生產(chǎn)生活中時(shí)常會(huì)碰到一些因?yàn)橛幸欢ǖ奈ｋU(xiǎn)性或其它原因而使人類所不能做到的事或不能到達(dá)的地方，這就需要借助于一些智能化設(shè)備。在智能設(shè)備的移動(dòng)過程中免不了會(huì)遇到各種障礙物，這就要求設(shè)備能自動(dòng)并且及時(shí)的避開這些障礙物。所以，關(guān)于自動(dòng)避障的研究就自然而然的產(chǎn)生

20、了。隨著先進(jìn)技術(shù)和傳感器的發(fā)展與應(yīng)用，移動(dòng)的智能化設(shè)配的應(yīng)用越來越多方面，其研究領(lǐng)域也越來越廣泛。自動(dòng)避障的實(shí)現(xiàn)方法各種各樣，其使用的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外線傳感器、激光傳感器等。目前，超聲避障實(shí)現(xiàn)方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到實(shí)用的要求，因此成為常用的避障方法[1]。</p><p>　　移動(dòng)智能化設(shè)配涉及到機(jī)械、控制、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能與網(wǎng)絡(luò)等多個(gè)領(lǐng)域，是多種先進(jìn)技術(shù)

21、發(fā)展的綜合體。因此，眾多學(xué)科的發(fā)展都能不斷帶動(dòng)智能化設(shè)配的發(fā)展。隨著微處理器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能化設(shè)配作為一種功能強(qiáng)大、應(yīng)用廣泛的多技術(shù)融合體，漸漸地步入人們的視野[2]。國(guó)內(nèi)外的很多科研人員正熱衷于智能化設(shè)配的開發(fā)與研究。自主避障就是在沒有人的干預(yù)下使機(jī)器人有目的地移動(dòng)，發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)避開途中的障礙物，完成指定任務(wù)和操作。設(shè)配通過裝配的信息獲取手段，獲得外部環(huán)境信息，實(shí)現(xiàn)自我定位，判定自身狀態(tài)，規(guī)劃并執(zhí)行下一步的動(dòng)作

22、[3]。它可以使設(shè)配的本體以及重要零部件不被損壞，使設(shè)配在任何環(huán)境下都能夠正常且順利的完成給定的任務(wù)。在國(guó)際上，智能化設(shè)配的研發(fā)程度已經(jīng)很高，其智能化的水平也在不斷提高，很多公司和機(jī)構(gòu)已推出了成熟的智能化機(jī)器人產(chǎn)品或樣機(jī)。在自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，機(jī)器人需要實(shí)時(shí)收集周圍環(huán)境信息，以進(jìn)行地圖建立和定位、運(yùn)動(dòng)中避障和路徑規(guī)劃等操作[2]。自主避障不僅僅應(yīng)用在移動(dòng)機(jī)器人中，在其它領(lǐng)域如航天、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、汽車等都有廣泛的應(yīng)用。因此避障控制系統(tǒng)已經(jīng)成

23、為當(dāng)今國(guó)內(nèi)外研究的熱門課題。</p><p>　　1.2國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　隨著機(jī)器人技術(shù)的的發(fā)展，避障技術(shù)還將被深入研究，以應(yīng)用于各行各業(yè)的發(fā)展，為人類的生產(chǎn)生活帶來更多的益處。移動(dòng)的智能化設(shè)備的控制技術(shù)進(jìn)一步健全，使得智能化設(shè)配進(jìn)行更高層次的研究。各國(guó)都專注于研究集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的智能化設(shè)備。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，可以通過單片機(jī)

24、控制來實(shí)現(xiàn)某些運(yùn)動(dòng)的智能設(shè)備對(duì)其行駛方向、啟動(dòng)、停止以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)，操作人員可以通過修改智能設(shè)備的控制程序來改變它的行駛方式。例如，隨著汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車本身的安全性和智能性也越來越受到關(guān)注及重視。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)對(duì)有關(guān)汽車自適應(yīng)駕駛進(jìn)行理論研究和試驗(yàn)。汽車的緊急避障是由計(jì)算機(jī)模擬駕駛員的主動(dòng)控制過程，以汽車為控制對(duì)象進(jìn)行實(shí)時(shí)信號(hào)采集、分析和處理,在緊急情況下可代替駕駛員的駕駛操作[4]。</p>&l

25、t;p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展和人類生活水平的提高，人類特別是殘障人士，越來越需要通過高新技術(shù)來改善他們的生活質(zhì)量。因此，用于幫助殘疾人行走的輪椅機(jī)器人己逐漸成為當(dāng)今社會(huì)的研究熱點(diǎn)。智能輪椅在行走過程中，自主避障是一個(gè)不可或缺的功能。智能輪椅在避障過程中，所面對(duì)的環(huán)境對(duì)象非常復(fù)雜，往往不能建立起精確的數(shù)學(xué)模型來具體描述[5]。因而產(chǎn)生了模糊控制，它不需建立精確的數(shù)學(xué)模型，而是直接采用語(yǔ)言型控制規(guī)則。結(jié)合超聲避障技術(shù)和模糊控制技術(shù)，使得

26、不需精確定位和準(zhǔn)確運(yùn)動(dòng)軌跡的智能化設(shè)配來說是非常有用的。另外，使用多個(gè)超聲波傳感器可以使機(jī)器人得到更多的環(huán)境信息，從而能更精確的定位來完成避障任務(wù)。美國(guó)MIT大學(xué)就成功研制了一種多傳感器信息融臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人輪椅[6]。這個(gè)智能輪椅具有動(dòng)態(tài)避障、自動(dòng)定位、實(shí)時(shí)控制等功能。</p><p>　　我國(guó)對(duì)移動(dòng)的智能化設(shè)配的研究經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，在設(shè)配的理論、設(shè)計(jì)、研制及其應(yīng)用等方面都取得了一定的成果，而且有些研究成果已經(jīng)得到

27、了世界公認(rèn)。清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系智能技術(shù)與系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研制的移動(dòng)機(jī)器人——清華THMR-V型智能車。THMR-V上裝備有由彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀組成的道路與障礙物檢測(cè)系統(tǒng)；由GPS、磁羅盤、光電碼盤組成的組合定位導(dǎo)航系統(tǒng)等[7]。該設(shè)配能面向高速公路和一般道路,可以在一定環(huán)境下自主行走，并且能識(shí)別出障礙物是人還是路障，從而做出不同的反應(yīng)。目前，THMR—V已經(jīng)能夠在簡(jiǎn)單的環(huán)境下，進(jìn)行道路跟蹤和避障自主行駛。國(guó)防科技大學(xué)研制出我國(guó)的第一

28、臺(tái)仿人型機(jī)器人“先行者”，它能以每秒兩步的頻率動(dòng)態(tài)步行，能夠在小偏差的不確定環(huán)境中行走，并具有一定的語(yǔ)言功能[7]。北京理工大學(xué)是國(guó)內(nèi)在仿人機(jī)器人方面較有研究的機(jī)構(gòu)，他們成功地研制了仿人機(jī)器人——“匯童”，它是具有視覺、力覺、平衡覺、語(yǔ)音對(duì)話等功能的仿人機(jī)器人。由北京中泰通科技芨展有限公司和上海交大合作研制的 “Super—DII”排爆機(jī)器人，于2004年6月23H在北京展覽館參加了第二屆圈際警用裝備博覽會(huì)，展示了它特有的功能[8<

29、;/p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的發(fā)展，可以通過單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)智能設(shè)備的行駛方向、啟動(dòng)、停止以及速度的控制，無(wú)需人工干預(yù)，操作人員可以通過修改智能設(shè)備的控制程序來改變它的行駛方式。環(huán)境信息的描述是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人自主式導(dǎo)航的算法基礎(chǔ)?，F(xiàn)在對(duì)環(huán)境信息的建模有多種，但其中比較成功的一種方法就是南密歇根大學(xué)J.BoreIlstein和Y.Koren提出的矢量場(chǎng)直方圖(vector Field Histogmm，VFH)[9

30、]。不過，VFH方法未能很好地解決柵格方法存在的環(huán)境分辨率和環(huán)境信息存儲(chǔ)量的矛盾，它把設(shè)配當(dāng)作一個(gè)點(diǎn)來處理，沒有考慮設(shè)配的寬度、動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，這使得設(shè)配實(shí)際上較難完成VFH算法計(jì)算出來的預(yù)定軌線，所以后來又有了它的改進(jìn)算法VFH+和VFH+[9]。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　自主避障是一個(gè)集多種功能于一體的綜合系統(tǒng)，它涉及到機(jī)械工程、控制工程、

31、信息科學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)等多種學(xué)科[10]。利用多個(gè)超聲傳感器共同探測(cè)障礙物，可以增大障礙物檢測(cè)角度，獲取更多的環(huán)境信息，智能設(shè)備可以對(duì)障礙物的方向作出更為準(zhǔn)確的判斷，同時(shí)還可以減少幻影現(xiàn)象的干擾[6]。避障系統(tǒng)要求對(duì)超聲波傳感器信號(hào)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行處理、定位，控制路徑來進(jìn)行避障等問題進(jìn)行較深入的研究。超聲波避障系統(tǒng)利用單片機(jī)硬件及軟件來組成超聲波非接觸式測(cè)距系統(tǒng)來測(cè)得設(shè)配離障礙物的距離。要使設(shè)備實(shí)現(xiàn)自主避障的功能，這就需要通過設(shè)備的硬件及軟件

32、設(shè)備來從周圍環(huán)境中得到充分的環(huán)境信息，環(huán)境描述是實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備避障控制算法的基礎(chǔ)，也是自主避障的前提[11]。這一方面要求有充分的環(huán)境信息，為了盡可能多的獲得信息，智能化系統(tǒng)可以安裝多種傳感器；另一方面要求能處理所獲得的環(huán)境信息使其轉(zhuǎn)化成控制信息[12]。障礙物判定的技術(shù)方法主要有投票表決法、貝葉斯方法、Dampster—shafter方法[13]、廣義證據(jù)推理理論，以及根據(jù)不同的情況而專門設(shè)計(jì)的各種方法。</p><

33、p>　　該避障系統(tǒng)通過軟硬件結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)。要真正實(shí)現(xiàn)智能設(shè)配自主避障，實(shí)際就是要解決WWH的問題[14]，即：where am I? Where am I going? How should I get there?第一個(gè)問題就是智能設(shè)配的定位，也就是要明確自身所在環(huán)境的正確方位。只有當(dāng)前這個(gè)問題解決之后，第二個(gè)問題有意義，最后一個(gè)問題就是指路徑規(guī)劃問題，也就是要在當(dāng)前位置和目標(biāo)位置之間規(guī)劃出一條合理的路徑，使得它在保證設(shè)配安

34、全的前提下穩(wěn)定的避障，并在路徑長(zhǎng)度和運(yùn)行時(shí)間等指標(biāo)意義上達(dá)到最優(yōu)[15]。</p><p>　　硬件系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)作為主控芯片，首先，由微控制器控制超聲波信號(hào)處理電路連續(xù)發(fā)射超聲波脈沖信號(hào)，并由微處理器開始計(jì)算發(fā)射時(shí)間。當(dāng)信號(hào)遇到障礙物被反射回來接收到到后，停止計(jì)數(shù)，然后計(jì)算障礙物的距離，完成此路距離測(cè)量后，開始下一路距離測(cè)量，并依次循環(huán)測(cè)量多路。當(dāng)超聲波探測(cè)周圍的環(huán)境信息時(shí)，在沒有探測(cè)到障礙物的情況

35、下不作出任何反應(yīng)，以原速度前進(jìn)。探測(cè)到有障礙物時(shí)，將接受到的信息傳遞給下一個(gè)模塊進(jìn)行處理，計(jì)算出障礙物的距離。發(fā)射出的超聲波向空中四面八方直線傳播，遇到障礙物后它可以發(fā)生反射。接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將聲能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，然后輸入信號(hào)放大器，最后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器使電路動(dòng)作。我們可以采用渡越時(shí)間法，就是通過檢測(cè)發(fā)射的超聲波與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波之間的時(shí)間差t，求出障礙物的距離s。測(cè)距精度要求比

36、較高時(shí)，可以通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▉砑右孕Ｕ?lt;/p><p>　　2超聲波避障原理簡(jiǎn)介</p><p>　　超聲波避障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要過程是超聲波測(cè)距，利用單片機(jī)硬件及軟件來組成超聲波非接觸式測(cè)距系統(tǒng)來測(cè)得設(shè)備離障礙物的距離以及障礙物的位置，然后通過軟件程序來判斷是否需要發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的,可在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。超聲波之所

37、以經(jīng)常用于距離的測(cè)量，是因?yàn)樗闹赶蛐詮?qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距是一種非接觸式的測(cè)距方式，而且對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣的環(huán)境下都有一定的適應(yīng)能力。因此，超聲波測(cè)距廣泛應(yīng)用于液位測(cè)量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、機(jī)械手控制和物體識(shí)別等方面，特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息就很容易被檢測(cè)出來，因而其準(zhǔn)確度也較其

38、它方法高得多，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)[18]。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，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。</p><p>　　該超聲波測(cè)距一般采用時(shí)間差測(cè)距法，即超聲波發(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)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，碰到障礙物就立即返回到超聲波接收器，超聲波接收器接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)，就得到了這個(gè)時(shí)間差t

39、。將超聲波在空氣中傳播的速度v乘以這個(gè)時(shí)間差t，就得到了障礙物到發(fā)射點(diǎn)的距離。并送至LED數(shù)碼管顯示測(cè)量結(jié)果。</p><p>　　超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度的變化而變化，其對(duì)應(yīng)值在表2-1中已列出來了 ，再根據(jù)圖2-1所示的計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離s ，即: 。</p><p>　　表2-1 聲速與溫度的關(guān)系</p><p>　　

40、發(fā)射40kHz脈沖 </p><p>　　接收到的信號(hào) </p><p>　　信號(hào)經(jīng)過接收電路后 </p><p>　　圖2-1 超聲波測(cè)距時(shí)序圖</p><p><b>　　2.1超聲波發(fā)生器</b></p><p>　　為了更好的研究超聲波，然后對(duì)其加以利用，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)并

41、制成了許多種類的超聲波發(fā)生器。大體上來說，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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣產(chǎn)生超聲波的方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式的有加爾統(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。在該系統(tǒng)中使用的是壓電式超聲波發(fā)生器。</p><p>　　2.2壓電式超聲波發(fā)生器原理</p><p&

42、gt;　　壓電式超聲波發(fā)生器是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)生器一般有兩個(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)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波[16]。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[9]。</p><p>　　壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是利用

43、壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)包括順效應(yīng)和逆效應(yīng)，某些電解質(zhì)，當(dāng)沿著一定的方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)，這就是壓電效應(yīng)[17]。</p><p>　　超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器是利用逆壓電效應(yīng)的原理。所謂逆壓電效應(yīng)就是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在已極化的壓電陶瓷上施加與壓電陶瓷內(nèi)部的極化電荷相同極性

44、的電壓，則外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷也相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上就伸長(zhǎng)了。若外部施加的極性變反，則效果相反：壓電陶瓷的長(zhǎng)度方向上縮短了，厚度方向上卻伸長(zhǎng)了。</p><p>　　2.3單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)的構(gòu)成 </p><p>　　自主避障的前提是測(cè)得障礙物的距離，基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，是利用單片機(jī)編程產(chǎn)生頻

45、率為40kHz的方波，經(jīng)過發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由傳感器接收端接收，再經(jīng)接收電路放大、整形，控制單片機(jī)中斷口。當(dāng)系統(tǒng)接收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路的輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，在單片機(jī)的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時(shí)間差，計(jì)算距離，結(jié)果輸出給LED顯示。因?yàn)槔脝纹瑱C(jī)來進(jìn)行計(jì)時(shí)較為準(zhǔn)確，則測(cè)距的精度也就高，而且單片機(jī)易于

46、控制，計(jì)算也方便，因此，許多超聲波測(cè)距系統(tǒng)都采用這種設(shè)計(jì)方法。</p><p>　　本系統(tǒng)使用的是單片機(jī)AT89S51，單片機(jī)AT89S51發(fā)出短暫的40kHz信號(hào)，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；經(jīng)障礙物反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對(duì)此信號(hào)鎖定，產(chǎn)生鎖定信號(hào)啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，讀出時(shí)間t，再由系統(tǒng)軟件對(duì)其進(jìn)行計(jì)算、判別后，相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果被送至LED數(shù)碼管進(jìn)行顯示。同時(shí)，通過軟件判斷其是否達(dá)到

47、報(bào)警值，如達(dá)到報(bào)警值則由蜂鳴器發(fā)出警報(bào)。</p><p>　　限制超聲波系統(tǒng)測(cè)得最大距離的四個(gè)因素是：超聲波的幅度、反射和入射聲波之間的夾角、反射物的質(zhì)地以及接收換能器的靈敏度。而最小可測(cè)距離則是取決于接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力。</p><p>　　圖2-3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3設(shè)計(jì)方案</b></

48、p><p>　　按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，初步確定該系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊和報(bào)警輸出模塊共五個(gè)模塊組成。單片機(jī)主控芯片使用51系列AT89S51單片機(jī)，該單片機(jī)是一種低功耗、高性能且工作性能穩(wěn)定的單片機(jī)，同時(shí)也是在單片機(jī)課程設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送，接收電路使用三極管組成的放大電路，報(bào)警輸出使用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。</

49、p><p>　　3.1 AT89S51單片機(jī)介紹</p><p>　　AT89S51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的8位單片機(jī)，采用CMOS工藝和高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳。它集Flash程序存儲(chǔ)器既可在線編程（ISP）也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中。AT89S51單片機(jī)的功能強(qiáng)、靈活性

50、高，而且價(jià)格便便宜，因此，它被方便的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。</p><p>　　AT89S51有PDIP、PLCC、TQFP三種封裝方式，其中最常見的就是采用40Pin封裝的雙列直接PDIP封裝。芯片共有40個(gè)引腳，引腳的排列順序?yàn)閺目啃酒娜笨谧筮吥橇幸_逆時(shí)針數(shù)起，其中芯片的1腳頂上有個(gè)凹點(diǎn)。</p><p>　　1、主電源引腳（2根）</p><p>　　VCC

51、(Pin40)：電源輸入，接＋5V電源</p><p>　　GND(Pin20)：接地線</p><p>　　2、外接晶振引腳（2根）</p><p>　　XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端</p><p>　　XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端</p><p>　　3、控制引腳（4根）<

52、/p><p>　　RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號(hào)</p><p>　　PSEN(Pin29)：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)</p><p>　　EA/VPP(Pin31)：程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲(chǔ)器讀指令，如果

53、接高電平則從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器讀指令。   </p><p>　　4、可編程輸入/輸出引腳（32根）</p><p>　　AT89S51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別為P0、P1、P2、P3口，每個(gè)口有8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程，比如用來控制電機(jī)、交通燈、霓虹燈等，開發(fā)產(chǎn)品時(shí)就是利用這些可編程引腳來實(shí)現(xiàn)我們想要的功能。</p>&

54、lt;p>　　PO口（Pin39～Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7</p><p>　　P1口（Pin1～Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7 </p><p>　　P2口（Pin21～Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7</p><p>　　P3口（Pin10～Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I

55、/O口線，名稱為P3.0～P3.7</p><p>　　3.1.1 AT89S51的主要性能參數(shù)</p><p>　　圖3-1 AT89S51芯片</p><p>　　·與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容</p><p>　　·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程（ISP）Flash閃速存儲(chǔ)器</p><p>　　

56、·1000次擦寫周期</p><p>　　·4.0－5.5V的工作電壓范圍</p><p>　　·全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz</p><p><b>　　·三級(jí)程序加密鎖</b></p><p>　　·128×8字節(jié)內(nèi)部RAM</p>&l

57、t;p>　　·32個(gè)可編程I／O口線</p><p>　　·2個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　·6個(gè)中斷源</b></p><p>　　·全雙工串行UART通道</p><p>　　·低功耗空閑和掉電模式</p><p>　

58、　·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng)</p><p>　　·看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針</p><p>　　·掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性</p><p>　　·靈活的在系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁(yè)寫模式）</p><p>　　3.1.2 AT89S51的功能特性</p><p>　　AT89S5

59、1的功能繁多，包括：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I／O 口線，看門狗（WDT），兩個(gè)16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè)全雙工串行通信口及片內(nèi)振蕩器等。同時(shí)，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。</

60、p><p>　　3.2超聲波避障硬件電路的設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)顯示電路、超聲波發(fā)射電路及接收電路、供電電路和報(bào)警輸出電路五部分。單片機(jī)采用AT89S51，系統(tǒng)晶振通過采用12MHz的高精度晶振來獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的3位共陽(yáng)LED數(shù)碼管，段碼輸出端口為單片機(jī)的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)的P3.4、P3.2、P3.3

61、口,數(shù)碼管位運(yùn)用PNP三極管S9012三極管驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)用P2.7端口輸出超聲波換能器所需的40kHz的方波信號(hào)，P3.5端口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖</p><p>　　超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后向單片機(jī)P3.5輸入一個(gè)低電平脈沖。單片機(jī)控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0計(jì)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到

62、P3.5由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止?nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。然后單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間乘以聲速再除以2即可得出障礙物的距離，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯示出來。</p><p>　　3.2.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)</p><p>　　超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由：AT89S51單片機(jī)、晶振、復(fù)位電路、電源濾波部分構(gòu)成。由K1，K2組成測(cè)距系統(tǒng)的按鍵電路。用于設(shè)定超聲波測(cè)距報(bào)警值。如圖3-3。</p>

63、;<p>　　圖3-3超聲波測(cè)距系統(tǒng)</p><p>　　3.2.2 超聲波發(fā)射、接收電路</p><p>　　超聲波發(fā)射如圖3-4所示，超聲波發(fā)射電路由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構(gòu)成，通過超聲波脈沖變壓器來提高加載到超聲波發(fā)送頭兩端的電壓，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測(cè)量距離。接收電路如圖3-5所示，由BG1和BG2組成的兩組三級(jí)管放

64、大電路構(gòu)成；超聲波的檢波電路、比較整形電路由C7、D1、D2及BG3組成。</p><p>　　由AT89S51單片機(jī)的P2.7輸出40kHz的方波，經(jīng)BG1推動(dòng)超聲波脈沖變壓器，在脈沖變壓器次級(jí)形成60的電壓，加載到超聲波發(fā)送頭上來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。發(fā)射出的超聲波，遇到障礙物后，反射回到超聲波接收頭接收。由于聲波在空氣中傳播時(shí)衰減，所以接收到的波形幅值較低，經(jīng)接收電路放大、整形，最后輸出一負(fù)跳變，輸入

65、單片機(jī)的P3腳。</p><p>　　圖3-4 超聲波測(cè)距發(fā)送單元</p><p>　　該測(cè)距電路的40kHz方波信號(hào)由單片機(jī)AT89S51的P2.7發(fā)出。方波的周期為1/40ms，即25µs，半周期為12.5µs。每隔半周期時(shí)間，讓方波輸出的引腳的電平取反，便可產(chǎn)生40kHz方波。由于單片機(jī)系統(tǒng)的晶振為12M晶振，因而單片機(jī)的時(shí)間分辨率是1µs，所以只能產(chǎn)生

66、半周期為12µs或13µs的方波信號(hào)，頻率分別為41.67kHz和38.46kHz。本系統(tǒng)在編程時(shí)選擇后者，讓單片機(jī)產(chǎn)生約38.46kHz的方波。</p><p>　　圖3-5 超聲波測(cè)距接收單元</p><p>　　由于反射回來的超聲波信號(hào)非常微弱，所以接收電路需要將其進(jìn)行放大。接收電路如圖3-5所示。接收到的信號(hào)加到BG1、BG2組成的兩級(jí)放大器上進(jìn)行放大。每級(jí)放大

67、器的放大倍數(shù)為70倍。放大的信號(hào)通過檢波電路得到解調(diào)后的信號(hào)，即把多個(gè)脈沖波解調(diào)成多個(gè)大脈沖波。這里使用的是I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號(hào)即是兩個(gè)二極管之間電容電壓。該接收電路的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能較好，制作難度小。</p><p>　　3.2.3 顯示電路</p><p>　　本系統(tǒng)采用三位一體L E D 數(shù)碼管來顯示所測(cè)得的距離值，如圖3-6所示。數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)掃描顯示，段碼輸出

68、端口為單片機(jī)AT89S51的P2口，位碼輸出端口分別為單片機(jī)AT89S51的P3.4、P3.2、P3.3口,數(shù)碼管位驅(qū)運(yùn)用PNP三極管S9012驅(qū)動(dòng)。</p><p>　　圖3-6 顯示單元圖</p><p>　　3.2.4 供電電路</p><p>　　該避障系統(tǒng)由于采用的是LED數(shù)碼管用為顯示方式，正常工作時(shí)，系統(tǒng)工作電流約為30-45mA，為保證系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)的可靠

69、正常工作，系統(tǒng)主要靠6—9伏的交流電壓供電，同時(shí)為調(diào)試系統(tǒng)方便，供電方式考慮了第二種方式，即由USB口供電，調(diào)試時(shí)直接由電腦USB口供電。6伏交流電壓經(jīng)過整流二極管D1-D4整流成脈動(dòng)直流后，經(jīng)慮波電容C1慮波后形成直流電，為保證單片機(jī)系統(tǒng)的可供電，供電電路中由5伏的三端穩(wěn)壓集成電路進(jìn)行穩(wěn)壓后輸出5伏的直流電供整個(gè)系統(tǒng)用電，5伏的直流電再次經(jīng)過C3、C4濾波后就進(jìn)一步提高了電源質(zhì)量，</p><p>　　圖3-7

70、 供電單元電路圖</p><p>　　3.2.5 報(bào)警輸出電路</p><p>　　為提高超聲波避障系統(tǒng)的實(shí)用性，本系統(tǒng)的報(bào)警輸出提供開關(guān)量信號(hào)及聲響信號(hào)兩種方式。</p><p>　　方式一：報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)P3.1端口輸出，繼電器輸出，可驅(qū)動(dòng)較大的負(fù)載，電路由電阻R6、三極管BG9、繼電器JDQ組成，當(dāng)測(cè)量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，繼電器吸合，測(cè)量值高于設(shè)定的報(bào)

71、警值時(shí)，繼電器斷開。</p><p>　　方式二：報(bào)警信號(hào)由單片機(jī)P0.2口輸出，提供聲響報(bào)警信號(hào)，電路由電阻R7、三極管BG8、蜂鳴器BY組成，當(dāng)測(cè)量值高于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，LED數(shù)碼管顯示測(cè)得的距離；當(dāng)測(cè)量值低于事先設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“滴、滴、滴……”報(bào)警聲響信號(hào)，測(cè)量值又高于設(shè)定的報(bào)警值時(shí)，蜂鳴器停止發(fā)出報(bào)警聲響。報(bào)警輸出電路如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8 報(bào)警

72、輸出電路</p><p><b>　　4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1主程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　超聲波避障的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收程序、顯示子程序及報(bào)警輸出程序組成。超聲波測(cè)距的程序既有計(jì)算距離時(shí)較復(fù)雜的計(jì)算，又要求精細(xì)計(jì)算超聲波測(cè)距時(shí)的程序運(yùn)行時(shí)間，所以

73、控制程序可采用C語(yǔ)言編程。 </p><p>　　主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，進(jìn)入程序主程序后，進(jìn)行定時(shí)測(cè)距判斷，當(dāng)測(cè)距標(biāo)志位ec=1時(shí)，測(cè)量一次，程序設(shè)計(jì)中，超聲波測(cè)距頻率是4-5次/秒。測(cè)距間隔中，整個(gè)程序主要進(jìn)行循環(huán)顯示測(cè)量結(jié)果。超聲波發(fā)射頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了避免超聲波從發(fā)射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約1.5 -2ms時(shí)間，這也就

74、是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因，稱之為盲區(qū)值。延時(shí)后，才啟動(dòng)對(duì)單片機(jī)P3.5腳的電平判斷程序。由于該系統(tǒng)采用的單片機(jī)使用的是12 MHz的晶振，計(jì)時(shí)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1μs，當(dāng)超聲波測(cè)距子程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按公式計(jì)算，即可得到障礙物與發(fā)射頭之間的距離。</p><p>　　該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，取15℃時(shí)的聲速為340 m/s則可以測(cè)得距離為： s=(v&#

75、215;t)/2=170×T0/10000 cm其中，T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)算值。測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式送至LED顯示約0.5s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過程。</p><p>　　在主程序?qū)崿F(xiàn)中，首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，把繼電器和報(bào)警器關(guān)閉，設(shè)定時(shí)器0計(jì)數(shù)，定時(shí)器1定時(shí)，報(bào)警距離初始為50cm，置位總中斷允許位EA開啟。進(jìn)行程序主程序后，進(jìn)行定時(shí)測(cè)距判斷，當(dāng)測(cè)距標(biāo)志位ec=1時(shí)，調(diào)用超聲

76、波子程序進(jìn)行測(cè)距后再判斷，當(dāng)測(cè)得值大于報(bào)警值時(shí)，將數(shù)據(jù)以十進(jìn)制的BCD碼顯示到LED上，若測(cè)得值小于報(bào)警值但又大于盲區(qū)值時(shí)，LED仍顯示距離，但蜂鳴器會(huì)報(bào)警，當(dāng)測(cè)得值小于盲區(qū)值時(shí)，LED顯示“---”且蜂鳴器報(bào)警。同時(shí)，可以通過按鍵K1、K2來設(shè)置報(bào)警值，若報(bào)警時(shí)按下K1則停止報(bào)警，按K2則無(wú)任何反應(yīng)，系統(tǒng)通過K1來對(duì)LED的個(gè)、十、百位進(jìn)行切換，K2來對(duì)其相應(yīng)的位進(jìn)行改變（百位數(shù)字變化范圍為從0-6，十位和個(gè)位都為0-9），往復(fù)循環(huán)。

77、 </p><p>　　圖4-1超聲波避障主程序流程圖</p><p>　　4.2超聲波測(cè)距子程序</p><p>　　圖4-2測(cè)距子程序流程圖</p><p>　　在超聲波測(cè)距子程序中，首先由單片機(jī)產(chǎn)生4個(gè)頻率為38.46kHz超聲波脈沖，加載到超聲波發(fā)射頭上。超聲波發(fā)射頭發(fā)送完送超聲波后，立即啟動(dòng)內(nèi)部計(jì)時(shí)器T0進(jìn)行計(jì)時(shí)，為了避免超聲波從發(fā)

78、射頭直接傳送到接收頭引起的直射波觸發(fā)，這時(shí)，單片機(jī)需要延時(shí)約1.5 -2ms時(shí)間，這也就是超聲波測(cè)距儀會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因，稱之為盲區(qū)值。延時(shí)后，才啟動(dòng)對(duì)單片機(jī)P3.5腳的電平判斷程序。超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過接收電路處理后向單片機(jī)P3.5輸入一個(gè)低電平脈沖。當(dāng)檢測(cè)到P3.5由高電平變?yōu)榈碗娖胶螅⒓赐Ｖ箖?nèi)部計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)。然后單片機(jī)將測(cè)得的時(shí)間乘以聲速再除以2即可得出障礙物的距離，最后經(jīng)3位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯示出來。實(shí)

79、現(xiàn)超聲波測(cè)距的部分重要程序代碼如下：</p><p>　　void Measure(void)//超聲波測(cè)量</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　TR0=0;</b></p><p><b>　　TH1=0x00;</b></p>

80、<p><b>　　TL1=0x00;</b></p><p><b>　　CSB_IN=1;</b></p><p><b>　　ALARM=0;</b></p><p>　　Delay(1700);</p><p>　　Csbfs();//發(fā)送超聲波&l

81、t;/p><p>　　CSB_OUT=1;</p><p>　　TR1=1;//開始計(jì)數(shù)</p><p>　　i=YZSJ;//盲區(qū) 避免超聲波直接從發(fā)送頭傳到接受頭</p><p>　　while(i--){;}</p><p><b>　　i=0;</b></p>

82、<p>　　while(CSB_IN)//判斷接收回路是否收到超聲波的回波</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　i++;</b></p><p>　　if(i>=3300)</p><p>　　CSB_IN=0;//超時(shí)</p>

83、<p><b>　　}</b></p><p>　　TR1=0; //停止計(jì)數(shù)</p><p>　　Count=TH1;</p><p>　　Count=Count*256+TL1; //求和</p><p><b>　　TR0=1;</b></p>

84、<p><b>　　CSB_IN=1;</b></p><p>　　Result=Count*CSBC;//計(jì)算測(cè)量結(jié)果 來回距離 cm 距離=時(shí)間*速度</p><p>　　Result=Result/2; //得到單程距離 cm</p><p><b>　　}</b></p>&l

85、t;p>　　產(chǎn)生超聲波的子程序：</p><p>　　為了方便程序準(zhǔn)確產(chǎn)生超聲波信號(hào)，該測(cè)距的超聲波產(chǎn)生程序是用匯編語(yǔ)言編寫的進(jìn)退聲波產(chǎn)生程序。產(chǎn)生的超聲波個(gè)數(shù)為：</p><p>　　UCSBFS SEGMENT CODE</p><p>　　RSEG UCSBFS</p><p>　　PUBLIC CSBFS</p>

86、<p>　　CSBFS:mov R6,#8h ;超聲波發(fā)射的完整波形個(gè)數(shù)：共計(jì)四個(gè)</p><p>　　here:cpl p2.7 ;輸出40kHz方波 </p><p><b>　　nop </b></p><p>　　nop </p><p>

87、<b>　　nop</b></p><p><b>　　nop </b></p><p>　　nop </p><p><b>　　nop</b></p><p><b>　　nop </b></p><p

88、>　　nop </p><p>　　nop </p><p>　　djnz R6,here </p><p><b>　　RET</b></p><p>

89、<b>　　END</b></p><p><b>　　5調(diào)試及結(jié)果分析</b></p><p><b>　　5.1調(diào)試步驟</b></p><p>　　我們的步驟是先熟悉自己課題的功能特性，然后設(shè)計(jì)出各個(gè)功能模塊的電路并確定要使用的元器件。接下來就是焊接各個(gè)模塊，焊接完每個(gè)模塊以后，再進(jìn)行模塊的單

90、獨(dú)測(cè)試，以確保在整個(gè)系統(tǒng)焊接完能正常的工作，原件安裝完畢后，再將寫好的程序燒入單片機(jī)AT89S51中，通電后將測(cè)距板的超聲波頭對(duì)著墻面往復(fù)移動(dòng)，看數(shù)碼管的顯示結(jié)果會(huì)不會(huì)變化，在測(cè)量范圍內(nèi)能否正常顯示。如果一直顯示“- - -”，則需將下限值增大。本測(cè)距板1s測(cè)量4-5次，超聲波發(fā)送功率較大時(shí)，測(cè)量距離遠(yuǎn)，則相應(yīng)的下限值（盲區(qū)）應(yīng)設(shè)置為較高值。試驗(yàn)板中的聲速?zèng)]有進(jìn)行溫度補(bǔ)償，聲速值為340m/s，該值為15℃時(shí)的超聲波值。</p&

91、gt;<p><b>　　5.2結(jié)果分析</b></p><p>　　從實(shí)物測(cè)試的總體來說本測(cè)距板基本上達(dá)到了要求，但是還是存在一定的誤差，而報(bào)警輸出則是比較準(zhǔn)確的，我們可以通過電路板上按鍵K1、K2來改變報(bào)警輸出的極限值。理想上超聲波測(cè)距能達(dá)到500到700厘米左右，而我們所能實(shí)現(xiàn)的最大距離只有699厘，測(cè)量結(jié)果受環(huán)境溫度的影響。</p><p>&l

92、t;b>　　分析原因如下：</b></p><p>　　1. 超聲波發(fā)射部份由電阻R1、三極管BG1、超聲波脈沖變壓器B及超聲波發(fā)送頭T40構(gòu)成，以提高超聲波的發(fā)射功率，從而提高測(cè)量距離。這種方式，加大了超聲波發(fā)射頭的余振時(shí)間，造成超聲波測(cè)距盲區(qū)值較大（本系統(tǒng)盲區(qū)值為40厘米）。</p><p>　　2.本測(cè)距板沒有設(shè)計(jì)溫度補(bǔ)償對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正。但在硬件的PCB上預(yù)留的

93、位置。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]袁新娜,余紅英.聲波傳感器在智能小車避障系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].山西:北大學(xué)</p><p>　　[2]應(yīng)鵬,宮晨,顏鋼鋒.輪式機(jī)器人多路超聲波避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].杭州:浙江大學(xué),2008.</p><p>　　[3]劉風(fēng)然,田紅芳,王侃．基于單

94、片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表,2001,3:27—29</p><p>　　[4]孫賢安,陳南,王金湘.基于51單片機(jī)的小車避障電路實(shí)現(xiàn)[D].南京:東南大學(xué),2005.</p><p>　　[5]李余慶,劉繼忠,張華.模糊控制在機(jī)器人超聲波避障系統(tǒng)的應(yīng)用[D].南昌:南昌大學(xué),2009.</p><p>　　[6]張淼.移動(dòng)機(jī)器人超聲波測(cè)距

95、與避障技術(shù)研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2006. [7]蘇紅飛.野外機(jī)器人導(dǎo)航避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].南京:南京理工大學(xué),2008</p><p>　　[8]楊德智,明守遠(yuǎn).地面排爆機(jī)器人的應(yīng)用[J].機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用,2004,4：30-36．</p><p>　　[9]廖小翔.基于超聲波傳感器的移動(dòng)機(jī)器人避障算法研究[D].浙江:浙江理工大學(xué),2005.</p><

96、p>　　[10]蔡濤.AGV的超聲波定位與避障研究[D].西安:西安理工大學(xué),2008.</p><p>　　[11]楊武強(qiáng).機(jī)器人超聲避障控制系統(tǒng)的研究[D].南昌:南昌大學(xué),2007.</p><p>　　[12]李慶中,顧偉康,葉秀清.基于遺傳算法的移動(dòng)機(jī)器人動(dòng)態(tài)避障路徑規(guī)劃方法[D].模式識(shí)別與人工智能,2002,15(2):161-166</p><p&

97、gt;　　[13]Dampster,A.P..UPPer and lower Predictive Control APProach to the High—Speed Cross—country Autonomous Navigation Problem,Ph.D.Thesis,CMU,1995.</p><p>　　[14]Leonard,J.J.And Durrnat一Whyte,H.F..APPL iea

98、tion of Multi—target Tracking Geometric Mobile Robot Navigation，In International conference on decision and Control,1990.</p><p>　　[15]曾一民.基于超聲波的機(jī)器人避障和沒標(biāo)跟蹤方法的研究[D].成都:電子科技大學(xué),2008.</p><p>　　[16]路

99、錦正,王建勤,楊昭國(guó),趙珂,趙太飛.超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)[J],傳感器技術(shù),2002.21.8.23—25.</p><p>　　[17]王化祥,張淑英.傳感器原理及應(yīng)用[M].天津:天津大學(xué)出版社,2004.</p><p>　　[18]曹玉華.超聲測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)及在機(jī)器人模糊避障中的應(yīng)用[D],山東:中國(guó)海洋大學(xué),2007</p><p><b>　　附錄

100、</b></p><p>　　附錄一：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)電路原理圖</p><p>　　附錄二：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)PCB圖</p><p>　　附錄三：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)焊接組裝圖</p><p>　　附錄四：基于AT89S51單片機(jī)超聲波避障系統(tǒng)程序</p>

101、<p>　　#include <REGX51.H></p><p>　　#include <intrins.h> </p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define YZS

102、J250//盲區(qū)設(shè)定</p><p>　　#define CSBC0.034//單位cm/uS 超聲波傳播速度</p><p>　　#define CS25//測(cè)量 閃爍頻率 越大越慢</p><p>　　#define MIN_DISTANCE40//最短距離 cm</p><p>　　#define MAX_D

103、ISTANCE699//最長(zhǎng)距離 cm</p><p>　　#define K1 P3_7//K1功能鍵</p><p>　　#define K2 P3_6//K2數(shù)值調(diào)整鍵</p><p>　　#define JDQ P3_1//定值輸出</p><p>　　#define ALARM P0_2 //報(bào)警輸

104、出（聲音）</p><p>　　#define CSB_OUT P2_7 //超聲波發(fā)送</p><p>　　#define CSB_IN P3_5 //超聲波接收</p><p>　　uchar buffer[3];//顯示緩存 </p><p>　　uchar convert[10]={0x81,0xED,0xA2,0xA

105、8,0xCC,0x98,0x90,0xAD,0x80,0x88};//0~9段碼</p><p>　　uchar Measure_CNT;//測(cè)量間隔</p><p>　　uchar xm0,xm1,xm2;//LED顯示值</p><p>　　uchar sec20,sec,sec1;//時(shí)間</p><p>　　uint Res

106、ult;//測(cè)量距離計(jì)算結(jié)果cm</p><p>　　uint Result_Buf;//距離結(jié)果暫存</p><p>　　uint Distance;//設(shè)置的報(bào)警距離cm</p><p>　　uint Count;//計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值</p><p><b>　　uint i;</b><

107、/p><p>　　sbit LED1 = P3^4;//數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)</p><p>　　sbit LED2 = P3^2;//數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)</p><p>　　sbit LED3 = P3^3;//數(shù)碼管位驅(qū)動(dòng)</p><p>　　static uchar bdata Bit_Reg; //可位尋址的狀態(tài)寄存器</p>

108、<p>　　sbit k11=Bit_Reg^0;//K1按鍵值</p><p>　　sbit k12=Bit_Reg^1;</p><p>　　sbit k22=Bit_Reg^2;//K2按鍵值</p><p>　　sbit k21=Bit_Reg^3;</p><p>　　sbit K1_DN=Bit_Reg^4

109、;//K1按下標(biāo)志</p><p>　　sbit EX =Bit_Reg^5;//循環(huán)退出控制</p><p>　　sbit Flash=Bit_Reg^7;//閃爍 鳴叫控制</p><p>　　void Delay(uint j);//延時(shí)函數(shù)</p><p>　　void ScanLED(void);//顯示

110、函數(shù)</p><p>　　void TimeToBuffer(void);//顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)</p><p>　　void Key_Process(void);//按鍵處理</p><p>　　void Key_Sub(void);</p><p>　　void Measure(void);//超聲波測(cè)量</p>&l

111、t;p>　　void JDQ_Out(void);//繼電器</p><p>　　extern void Csbfs(void);//超聲波發(fā)送函數(shù)</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　JDQ=1;</b&g

112、t;</p><p><b>　　ALARM=0;</b></p><p>　　TMOD=0x11; //設(shè)定時(shí)器1為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器0定時(shí)</p><p>　　ET0=1; //定時(shí)器0中斷允許 </p><p><b>　　TH0=0xD8;</b></p><p&g