1、項(xiàng)目研究背景及意義

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)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。可在不同環(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)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)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在導(dǎo)盲儀的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。

1、總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括硬件和軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。模塊劃分為數(shù)據(jù)采集、按鍵控制、四位數(shù)碼管顯示、報(bào)警等子模塊。電路結(jié)構(gòu)可劃分為：超聲波傳感器、蜂鳴器、單片機(jī)控制電路。就此設(shè)計(jì)的核心模塊來說，單片機(jī)就是設(shè)計(jì)的中心單元，所以此系統(tǒng)也是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的一種應(yīng)用。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機(jī)、輸入/輸出設(shè)備、以及外圍應(yīng)用電路等組成的系統(tǒng)，軟件是各種工作程序的總稱。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的研制過程包括總體設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)等幾個(gè)階段。系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制單元,當(dāng)測(cè)得的距離小于設(shè)定距離時(shí)，主控芯片將測(cè)得的數(shù)值與設(shè)定值進(jìn)行比較處理。然后控制蜂鳴器報(bào)警。系統(tǒng)總體的設(shè)計(jì)方框圖如圖2-1所示。

1、主控制模塊

主控制最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。

硬件電路總設(shè)計(jì)見圖3-2，從以上的分析可知在本設(shè)計(jì)中要用到如下器件： STC89C52、超聲波傳感器、按鍵、四位數(shù)碼管、蜂鳴器等一些單片機(jī)外圍應(yīng)用電路。其中D1為電源工作指示燈。電路中用到3個(gè)按鍵，一個(gè)是設(shè)定鍵, 一個(gè)加鍵，一個(gè)減鍵。

2、  電源設(shè)計(jì)

電源部分的設(shè)計(jì)采用3節(jié)5號(hào)干電池4.5V供電。

3、  超聲波測(cè)試模塊

超聲波模塊采用現(xiàn)成的ＨＣ－ＳＲ０４超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-500cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm。模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給至少 10us 的高電平信號(hào);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；有信號(hào)返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S))/2。實(shí)物如下圖4。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO 回響信號(hào)輸出等四支線。

超聲波探測(cè)模塊HC-SR04的使用方法如下：IO口觸發(fā)，給Trig口至少10us的高電平，啟動(dòng)測(cè)量；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；有信號(hào)返回，通過IO口Echo輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*340）/ 2，單位為m。程序中測(cè)試功能主要由兩個(gè)函數(shù)完成。

實(shí)現(xiàn)中采用定時(shí)器0進(jìn)行定時(shí)測(cè)量，8分頻，TCNTT0預(yù)設(shè)值0XCE，當(dāng)timer0溢出中斷發(fā)生2500次時(shí)為125ms，計(jì)算公式為（單位：ms）：

T = （定時(shí)器0溢出次數(shù) * （0XFF - 0XCE））/ 1000

其中定時(shí)器0初值計(jì)算依據(jù)分頻不同而有差異。

4、 測(cè)距分析

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，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)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：s=340t/2

最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，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)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。   

只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖12所示：

                             （3-1）

                           （3-2）

式中:L---兩探頭之間中心距離的一半.

又知道超聲波傳播的距離為:

                                ( 3-3)

式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度;

     t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間.

將（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：

                     ( 3-4)

其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度時(shí),V=349m/s);當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)?

                                           ( 3-5)               

所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H.

5、 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)

XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。

因?yàn)橐粋�(gè)機(jī)器周期含有6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為1us。如圖3-5所示為時(shí)鐘電路。

6、 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

復(fù)位方法一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后, 在RESET端持續(xù)給出2個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。例如使用晶振頻率為12MHz時(shí)，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于2us。本設(shè)計(jì)采用的是自動(dòng)復(fù)位電路。如圖3-6示為復(fù)位電路。

7、  聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

如下圖所示，用一個(gè)Speaker和三極管、電阻接到單片機(jī)的P13引腳上，構(gòu)成聲音報(bào)警電路，如圖3-7示為聲音報(bào)警電路。

8、顯示模塊

顯示模塊采用數(shù)碼管顯示接口電路如圖3-8

1、主程序工作流程圖

按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析可知系統(tǒng)主程序工作流程圖如下圖4-1所示；

2、超聲波探測(cè)程序流程圖

本設(shè)計(jì)研究了一種基于單片機(jī)技術(shù)的超聲波導(dǎo)盲儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過以STC89C52單片機(jī)為工作處理器核心，超聲波傳感器，它是一種新穎的被動(dòng)式超聲波探測(cè)器件，能夠以非接觸測(cè)出前方物體距離，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)輸出.該報(bào)警器的最大特點(diǎn)就是使用戶能夠操作簡(jiǎn)單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報(bào)率低。隨著現(xiàn)代人們安全意識(shí)的增強(qiáng)以及科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，相信超聲波導(dǎo)盲儀必將在更廣闊的人群中得到更深層次的應(yīng)用。

[1] 吳政江. 單片機(jī)控制紅外線防盜報(bào)警器[J]. 錦州師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2001.

[2] 宋文緒. 傳感器與檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

[3] 余錫存. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2000.

[4] 唐桃波, 陳玉林. 基于AT89C51的智能無線安防報(bào)警器 [J]. 電子設(shè)計(jì)應(yīng)用, 2003, 5(6): 49～51.

[5] 李全利. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2004.

[6] 薛均義, 張彥斌. MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社, 2005.

[7] 徐愛鈞, 彭秀華. 單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言C51應(yīng)用程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2006.

[8] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)（模擬部分）[M]. 北京: 高等教育出版社, 2004.

附件1：原理圖