1、佳顺伟业 科技，专业、专注 AGV 无人搬运设备研发制造 中文摘要、关键词 专注才能更专业 佳顺伟业 目 录 摘要 . I Abstract . II 引 言 .1 第一章 绪 论 .2 1.1课题研究背景 .2 1.2课题研究意义 .2 第二章 超声波测距原理 .4 2.1 超声波传感器介绍 .4 2.2 超声波发生器 .5 2.3压电式超声波发生器原理 .5 2.4超声波测距的基本原理 .6 第三章 方案论证及选择 .8 3.1 设计的任务要求 .8 3.2 系统初步设计及可行性论证 .8 3.3 微处理器的选择 .9 3.4 显示方式的选择 .9 3.5 小车电机驱动电路的选择 .10
2、3.6 遥控器的选择 .10 第四章 硬件电路的设计 .11 4.1控制器 .11 4.2 超声波测距模块 .13 4.3 超声波测距显示模块 .15 4.4 超声波测距报警模块 .16 4.5 小车驱动模块 .16 4.6 红外遥控接收模块 .18 第五章 软件设计 .20 5.1 程序设计方案 . 20 5.1.1超声波 测距程序设计方案 . 20 5.1.2超声波 测距显示程序设计 . 20 5.1.3超声波数据采集电路软件流程图 . 21 5.2 控制电路程序设计 . 22 5.2.1 红外接收解码设计 . 22 5.2.2 小车驱动程序设计 . 22 5.2.3 控制电路程序流程图
3、. 23 结 论 .24 致 谢 .25 参考文献 .26 附录 .27 附录 A： 硬件原理图 .27 附录 B： 硬件 PCB 图 .29 附录 C： 硬件 实物 图 .31 附录 D：部分源程序 . 32 附录 D1:控制源程序 . 32 附录 D2:超声波数据测距源程序 . 37 I 基于超声波测距的智能小车设计 摘要： 本设计采用 AT89S52 单片机作为主控器，结合超声波测距原理，设计了红外遥控小车的测距报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化等特点， AT89S52单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。超声波距离测量系统用的频率为 40KHz 的脉
4、冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和 功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收、发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录、控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记。充分利用它的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。利用现在最常用的电视机遥控器来控制小车的运动状态。 关键词： 超声波 测距 AT89S52
5、 红外遥控 II The Design of Intelligent Car Based on Ultrasonic Ranging Abstract： This design USES the AT89S52 SCM as the main controller, combined with ultrasonic ranging the principle, design the infrared remote control car range finder alarm system. This system USES software and hardware of the method
6、 of combining with modularization and multi-purpose, etc, of AT89S52 SCM for many control provides highly flexible and low cost solutions. Ultrasonic distance measurement system frequency used in the pulse pressure wave for 40KHz, sending and receiving sensors sometimes share one or two are used sep
7、arately. Launch circuit is general by oscillation and amplifier, responsible for two parts to sensor output a certain width, and the high pressure pulse sequence by sensor convert sound energy emitted; Receiving amplifier used to amplify the echo signal so that records,meanwhile in order to make it
8、can accept certain band width of short pulses, receiving amplifier must have plenty of band width; Collect, hair isolation makes receiving devices to avoid strong signal; Records, the control part on or off the launch circuit and record the launch of the instantaneous and receive the instantaneous,
9、and will be converted to distance jet lag and it displays or remember reading. Make full use of the piece, can in less within resources under the condition of buffer circuit constitute the function is perfect ultrasonic ranging system. The most commonly used by the TV remote control now control car
10、motions. Key words： Ultrasonic; Ranging; AT89S52; Infrared remote control 1 引 言 高速度，高效率是现代工业的标志，超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占据重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超 声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降
11、低传播时间的不确定度来提高测距精度。 目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单片机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。利用超声波制作汽车防撞雷 达可以帮助驾驶员及时了解车周围阻碍情况 , 防止汽车在转弯、倒车等情况下撞伤、划伤。硬件电路部分，单片机对外围电路的适时控制 , 并提供给外围电路各种所需的信号
12、, 包括频率振荡信号、数据处理信号和译码显示信号等 , 大大简化了外围电路的设计难度。同时更重要的是该设计方案大大节省了设计成本 , 并且由于是采用软件编程技术 , 所以其移植性能好 , 在设计电路时可以将其它更多的功能设计进去。 2 第一章 绪 论 随着社会经济的发展 ,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡 发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车测距报警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测量方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车测距报警系统中，超声波作为
13、一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性 折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆前进或后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用数码管及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。 1.1课题研究背景 近年来，随着电子测量技术的发展，运用超声波作出精确测量已成可能。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而超声波测量精确高，成本低，性能稳定则备受青睐。超声波是指频率在 20kHz 以上的声波，它属于机械波的范畴。超声波也遵循一般机械波在弹性介质中的传播规律，如在介质的分界面处发生反射和折射现象，在进入介质后被介质吸收
14、而发生衰减等。正是因为具有这些性质，使得超声波可以用于距离的测量中。随着科技水平的不断提高，超声波测距技术被广泛应用于人们日常工作和生活之中。一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位 的测量，适用于建筑物内部、液位高度的测量等。本设计采用 40kHz超声波发射模块。 1.2课题研究意义 由于超声波测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明
15、渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮 料等液位控制，可3 进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声波在特殊环境下有较广泛的测距应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，所以为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。这样超声波测距在移动机器人的研究上就有着深远的意义。同时基于超声波测距系统具有以上的种种优点，在汽车前进、倒车防撞测距的研制方面也得到了广泛的应用。 4 第二章 超声波测距
16、原理 2.1 超声波传感器介绍 超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。 超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器 件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有： 1 压电传感器； 2 磁致伸缩传感器；
17、 3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声波检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。 压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声波检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的 重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以
18、外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声波传感器。 传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成 相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶5 瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械
19、变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 f0交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用 ，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一
20、特性可制成各种频率的超声传感器。 超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心 ，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。 2.2 超声波发生器 为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；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
21、波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常 用的是压电式超声波发生器。 2.3压电式超声波发生器原理 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图 2.1 所示，它有两个压电晶片和一个共振板。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，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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器了。 6 图 2.1 压电式超声波传感器结构图 2.4超声波测距的基本原理 谐振频率高于 20kHz的声波被称为超声
22、波。超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能 (机械能 )转换为电能。 最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到 反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离 s，即： s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速 V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图 2.2所示：
