毕业设计（论文）-基于AT89C51单片机的超声波测距机器人设计

1、一、课题训练内容培养学生收集资料，文献检索，发现解决问题的能力。培养学生工程开发，制定工作方案和协调组织的能力。培养学生原理设计，实验分析或理论推导的能力。培养学生综合运用所学的单片机，传感器等知识，开发学生的动手和操作能力。培养学生撰写论文的能力。6. 培养学生阅读英语文献的能力和翻译的能力。二、设计论文任务和要求包括说明书、论文、译文、计算程序、图纸、作品等数量和质量等具体要求课题研究的主要任务是：制作一个能自主沿着地面引导线行进的寻迹机器人。通过把程序烧写到单片机，用单片机控制单项直流电动机运转时机器人运动，并在机器人车身上安装具有识别线路和壁障功能的QTI传感器和红外传感器来准确行走路

2、线，使机器人能够很好的沿着人们所设路线前进。具体步骤如下：1 了解机器人诞生、定义、分类、应用及开展过程，了解机器人在专业技能培训中的作用。2系统的硬件局部：AT89S51系列的单片机的简介和各引脚的功能，掌握单片机系统IO口扩展方法，掌握电平转换芯片MAX232的原理和连接电路了，引导机器人按人们所示的路线正常行走的QTI传感器和红外传感器的引脚功能及连接，驱动机器人行走的单项直流电动机的根本机构、安装步骤和常用指标。 3 系统的软件局部：用C语言编写程序并用Keil软件进行调试成功后通过系统在线编辑下ISP将程序下载到单片机中，用Protel绘制原理图软件绘制原理图在单片机最小系统的根底扩

3、展外部程序。 4按照要求撰写毕业论文。 三、毕业设计论文主要参数及主要参考资料主要参数：1 连续旋转伺服电动机型号DM-EC-M035参数：工作电压：最大6V平均转速：60rpm(电压为5V且无负载时)速度控制方式：脉宽调制扭矩：3.4大小：40.520.038.0重量：45g2 标准伺服马达型号DM_EC-M003电源：最大6V直流输出力矩：3.4尺寸：40.520.038.0重量：45g四、毕业设计论文主要参数及主要参考资料1 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.102 时德刚.刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10 3 华兵.MCS-51单片机原理应用.

4、武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .54 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：北京航空航天大学出版社， 1993. 656 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6.7 8 9 10 11 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.12 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .513 继兴，刘霞.单片机系统软件抗干扰措施分析.电子测量技术，200314 1516 谭浩强. 17 秦志强. C51单片机应用与C语言程序设计.M.北京.电子工业出版社.18 谢维城. 单片机原理与

5、应用及C51程序设计.M.北京.清华大学出版社.19 徐科军. 传感器与检测技术.M.北京.电子工业出版社2021四、毕业设计论文进度表武汉科技学院毕业设计论文进度表序号起止日期方案完成内容实际完成情况检查人签名检查日期17确定课题，收集资料，开题报告23总体方案设计3411.24程序设计和仿真411.2512.5产品制作和调试512.612.22撰写毕业设计论文6准备毕业设计辩论75毕业设计辩论8毕业设计成绩评定武汉纺织大学毕业设计论文开题报告课题名称基于机器人工程对象的工程实践院系名称高职院专 业应用电子技术班 级082班学生姓名课题意义 目前，地面移动机器人由于其优越的机动性和灵活性而备

6、受表睐，在许多场合投入实际应用，如：核工来检测，消防，火场控测，矿井救援，有毒，易燃，易爆场所的探测等，使机器人能到人类无法到达的一些恶劣环境中作业。主动避障是移动机器人的一个根本的平安运动要求，也是机器人能否视而不见自主作业的关键，其研究意义非常重大。此外，如何利用超声波来准确测量距离也是一个重要的问题。国家十五高技术研究开展方案863方案先进制造与自动化技术领域机器人技术主题的工作主要是研究与开展机器人技术与自动化工艺装备中的核心技术和关键重大装备。这些核心技术和装备在推进我国经济结构战略性调整、以高新技术提升制造与自动化技术水平、提高我国制造业的技术创新能力、促进传统制造行业的技术改造与

7、产业升级、提高综合国力等方面具有重要的意义。二所属领域开展状况机器人技术作为20世纪人类最伟大的创造之一经历40多年的开展已取得了长足的进步，时至今日，机器人以开展到了第三代。第一代机器人可编程及示教在现机器人按事先示教或编程的位置和姿态进行重复作业，主要完成搬运、喷漆、点焊等工作。第二代机器人感知机器人，带有如视觉触觉等外部传感器，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能，可完成较为复杂的作业，如装配、检查等。第三代机器人具有感知、决策、动作能力的智能机器人，它出现于20世纪90年代，是通过各种传感器、测量器等来获取环境的信息，利用智能技术进行识别、理解、推理并最后作出规划决策，资助行动实现

8、预定目标的高级机器人。三研究内容1、超声波测距2、避障四研究方法用C语言进行编程，通过Proteus软件和Keil软件相结合实现单片机实时动态仿真。控制系统以AT89S51单片机为核心，根据传感器检测到的信号，完成巡线机器人的各种动作，按照预定的固定路线行走。此机器人具有自动检测障碍，并跨越障碍物，准确行走、准确定位等特征，并增加超声波测距的功能，结构较简单，易于实现。五研究手段查阅了大量关于机器人的资料。然后确定实现一个什么功能，用什么实现它，最后通过讨论，咨询来完成它。六研究步骤1、阅读文献，搜集资料，掌握所选芯片的功能和使用方法。2、确定方案，设计原理图，完成PCB的绘制。3、编写固件程

9、序、驱动程序和应用程序。4、通过Proteus实现单片机实时动态仿真。5、做出实物。6、调试。7、完成。七参考书目1 胡萍.超声波测距仪的研制.计算机与现代化，2003.102 时德刚.刘哗.超声波测距的研究.计算机测量与控制，2002.10 3 华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .54 李华.MCU-51系列单片机实用接口技术.北京：航空航天大学出版社， 1993. 656 徐淑华，程退安，姚万生.单片机微型机原理及应用.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1999. 6.7 8 9 10 11 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.12

10、华兵.MCS-51单片机原理应用.武汉：武汉华中科技大学出版社，2002 .513 继兴，刘霞.单片机系统软件抗干扰措施分析.电子测量技术，20031415 谭浩强. 16 秦志强. C51单片机应用与C语言程序设计.M.北京.电子工业出版社.17 谢维城. 单片机原理与应用及C51程序设计.M.北京.清华大学出版社.18 徐科军. 传感器与检测技术.M.北京.电子工业出版社1920指导教师签名： 2010年11月9日摘 要随着社会的开展需要，机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。机器人的研究和开展对我们的经济开展有很多的影响。机器人技术代表一个国家的综合国力，我国

11、也非常重视，经常派代表参加国外或者国内的机器人竞赛。本设计以AT89C51单片机作为机器人的检测和控制核心，采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，介绍了机器人总体设计，各组成局部及系统软件设计。该系统包括主控模块，执行机构以及传感器模块等几个子系统。通过软件编程实现对机器人行进，绕障，停止的精确控制。介绍了超声波测距的原理，分析了超声波测距产生误差的主要原因。提出了通过温度测量修正超声波前沿以提高空气中超声波测距精度的方法。在此根底上，设计了相应的超声波测距系统电路和软件。关键词：机器人；单片机；AT89C51；超声波测距ABSTRACT、With the need of the devel

12、oping society,robots have permeated into every aspect of our life, work and economics and are playing an important role. The research and development of the robots have a lot of influence on our economic expansion.Robot technology stands for a countrys national power. Our country shows much attentio

13、n to this.and usually dispatches delegation to attend international robot contest.AT89C51 single chip microcomputer is used as the test and control core of the intelligent robot in this design,which detects the black line and barrier on the surface of road with infrared photoelectric sensor. Introdu

14、ces the overall design of robot,each compunent and system software design. The system includes control module ,actuators and sensors module several subsystems.The exact control and the storage and display of testing data of marching ,winding and stopping of intelligent robot can be fulfilled by soft

15、wqre programming.In this paper ,the principle of ultrasonic distance measurement is described,the main error sources of ultrasonic distance measurement sre analyzed also. A method of improving precision of ultrasonic distance measurement in air,in which the reansmission speed of ultrasonic wave is c

16、orrected by measured air temperature and the forward edge of receive wave can be determined accuraately by use of the two comparing circuits of ultrasonic signal in combination with the software.Based on the idea,the ircuit and software of ultrasonic distance measurement system have been designed .K

17、eywords: robot; sensor; AT89C51；Ultrasonic wave distace measurement目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc280479092 1 绪论 PAGEREF _Toc280479092 h 13 HYPERLINK l _Toc280479093 1.1 走进机器人时代 PAGEREF _Toc280479093 h 13 HYPERLINK l _Toc280479094 1.1.1 机器人的诞生 PAGEREF _Toc280479094 h 13 HYPERLINK l _Toc28047909

18、5 1.1.2 机器人的定义 PAGEREF _Toc280479095 h 13 HYPERLINK l _Toc280479096 1.1.3 机器人的应用与分类 PAGEREF _Toc280479096 h 14 HYPERLINK l _Toc280479097 1.1.4 机器人的开展 PAGEREF _Toc280479097 h 14 HYPERLINK l _Toc280479098 1.2 超声波测距仪的开展现状 PAGEREF _Toc280479098 h 14 HYPERLINK l _Toc280479099 1.2.1 国内相关技术研究 PAGEREF _Toc2

19、80479099 h 15 HYPERLINK l _Toc280479100 1.3 智能循线避障 PAGEREF _Toc280479100 h 15 HYPERLINK l _Toc280479101 机器人避障现状 PAGEREF _Toc280479101 h 15 HYPERLINK l _Toc280479102 2 整体设计方案 PAGEREF _Toc280479102 h 16 HYPERLINK l _Toc280479103 PAGEREF _Toc280479103 h 16 HYPERLINK l _Toc280479104 2.1.2 超声波介绍 PAGEREF

20、_Toc280479104 h 16 HYPERLINK l _Toc280479105 2.1.3 超声波传感器 PAGEREF _Toc280479105 h 16 HYPERLINK l _Toc280479106 2.1.4 超声波测距方法介绍 PAGEREF _Toc280479106 h 17 HYPERLINK l _Toc280479107 2.1.5 超声测距原理 PAGEREF _Toc280479107 h 18 HYPERLINK l _Toc280479108 超声波测距总体设计方案 PAGEREF _Toc280479108 h 18 HYPERLINK l _To

21、c280479109 硬件设计 PAGEREF _Toc280479109 h 18 HYPERLINK l _Toc280479110 2.2.2 软件设计 PAGEREF _Toc280479110 h 19 HYPERLINK l _Toc280479111 3 硬件电路 PAGEREF _Toc280479111 h 19 HYPERLINK l _Toc280479112 3.1 微处理器电路20 HYPERLINK l _Toc280479113 3.1.1 AT89S52芯片20 HYPERLINK l _Toc280479114 3.1.2 复位电路21 HYPERLINK l

22、 _Toc280479115 3.1.3 时钟电路 PAGEREF _Toc280479115 h 21 HYPERLINK l _Toc280479116 超声波发射电路 PAGEREF _Toc280479116 h 22 HYPERLINK l _Toc280479117 3.2.1 发射电路分析22 HYPERLINK l _Toc280479118 3.2.2 芯片74LS0422 HYPERLINK l _Toc280479119 发射电路方案 PAGEREF _Toc280479119 h 23 HYPERLINK l _Toc280479120 3.3 超声波接收电路 PAGE

23、REF _Toc280479120 h 23 HYPERLINK l _Toc280479121 接收电路分析 PAGEREF _Toc280479121 h 23 HYPERLINK l _Toc280479122 3.3.2 CX20216A芯片 PAGEREF _Toc280479122 h 24 HYPERLINK l _Toc280479123 3.3.3 接收电路方案 PAGEREF _Toc280479123 h 24 HYPERLINK l _Toc280479124 PAGEREF _Toc280479124 h 25 HYPERLINK l _Toc280479125 3.

24、4.1 74HC573芯片 PAGEREF _Toc280479125 h 25 HYPERLINK l _Toc280479126 3.4.2 显示电路 PAGEREF _Toc280479126 h 26 HYPERLINK l _Toc280479127 3.4.3 电源电路 PAGEREF _Toc280479127 h 27 HYPERLINK l _Toc280479128 4软件设计 PAGEREF _Toc280479128 h 27 HYPERLINK l _Toc280479129 4.1 Keil C51 PAGEREF _Toc280479129 h 28 HYPERL

25、INK l _Toc280479130 PAGEREF _Toc280479130 h 28 HYPERLINK l _Toc280479131 4.3 中断效劳程序 PAGEREF _Toc280479131 h 28 HYPERLINK l _Toc280479132 4.4 定时器中断子程序 PAGEREF _Toc280479132 h 29 HYPERLINK l _Toc280479133 5 误差分析 PAGEREF _Toc280479133 h 29 HYPERLINK l _Toc280479134 6 智能循线避障硬件设计30 HYPERLINK l _Toc280479

26、135 6.1 主控芯片的选择30 HYPERLINK l _Toc280479136 6.2 电源电路的设计30 HYPERLINK l _Toc280479137 6.3 检测电路设计31 HYPERLINK l _Toc280479138 6.4 电机控制局部31 HYPERLINK l _Toc280479139 6.5 主控的电路图 PAGEREF _Toc280479139 h 33 HYPERLINK l _Toc280479140 7 主程序设计 PAGEREF _Toc280479140 h 34 HYPERLINK l _Toc280479141 8 总结 PAGEREF

27、_Toc280479141 h 35 HYPERLINK l _Toc280479142 9 致谢 PAGEREF _Toc280479142 h 36 HYPERLINK l _Toc280479143 10 参考文献 PAGEREF _Toc280479143 h 37 HYPERLINK l _Toc280479144 11 附录 PAGEREF _Toc280479144 h 38 HYPERLINK l _Toc280479145 附录一 超声波测距电路原理图38 HYPERLINK l _Toc280479146 附录二 程序代码391 绪论1.1 走进机器人时代 机器人的诞生19

28、20年捷克斯洛克作家卡雷尔.恰佩克在他的科幻小说?罗萨姆的机器人万能公司?中，根据Robot捷克文，原意为“劳役、苦工和Robotnik(波兰文，原意为“工人)，创造出“机器人这个词。随着计算机和自动化的开展，以及原子能的开发利用，人们强烈希望用某种机器代替自己去完成那些枯燥、单调、危险的工作。由于原子能实验室的恶劣环境，迫切需要能代替人处理放射性物质的机械装置。美国原子能委员会的阿尔贡研究所于1947年开发了遥控机械手，1948年由开发了机械式的主从机械手，但这还不是真正意义上的机器人。直到1954年美国人乔治.德沃尔制造出世界第一台可编程的装置，他能按照不同的程序从事不同的工作，因此具有通

29、用性和灵活性，成为具有实际意义的机器人。 机器人已经越来越广泛的应用于工业，农业，国防，科学实验，效劳业等人类社会的各个方面，其中移动机器人由于具有更大的使用灵活性而正在成为机器人技术研究的新的热点和重点。 机器人的定义随着机器人技术的飞速开展和信息时代的到来机器人所涵盖的内容越来越丰富，机器人的定义也不断充实和创新。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。实际意义上的机器人应该是“能自开工作的机器，他们有的功能比拟简单，有的就非常复杂，但必须具备以下3个特征：、要有一个机械装置，其结构、大小、形状、材料取决于他要完成的工作。具有感知和控制功能，通过安装在装置上的各种传感

30、器获取外界信息，根据收到的信息遵循人们编写的程序指令作出反响。作业功能，即机器人的活动功能，机器人在程序的指令下完成各种动作。总之，机器人是人制造出来的具有一定智能的先进机器。1987年国际标准化组织对工业机器人进行了定义：“工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。我国科学家对机器人的定义是：“机器人是一种自动化的机器所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 机器人的应用与分类我国机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面

31、向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人那么是除工业机器人之外的，用于非制造业并效劳人类的各种机器人，包括：效劳机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。 机器人的开展机器人技术作为20世纪人类最伟大的创造之一经历40多年的开展已取得了长足的进步，时至今日，机器人以开展到了第三代。第一代机器人可编程及示教在现机器人按事先示教或编程的位置和姿态进行重复作业，主要完成搬运、喷漆、点焊等工作。第二代机器人感知机器人，带有如视觉触觉等外部传感器，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能，可完成较为复杂的作业，如装配、检查等。第三代机器人具有感知、决策、动作能

32、力的智能机器人，它出现于20世纪90年代，是通过各种传感器、测量器等来获取环境的信息，利用智能技术进行识别、理解、推理并最后作出规划决策，资助行动实现预定目标的高级机器人。随着电子技术、信息处理技术和通信技术的日新月异，机器人也随之进入新的开展阶段。第四代机器人正在研制之中，它具有更高的智能，可通过高级中央处理器和内置软件实现实时加工作业。这种机器人的应用范围将不再局限于一道道特定的工序，而是能够实现整个生产系统的机器人化。目前，先进的机器人系统正在或即将进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。1.2 超声波测距仪的开展现状 随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、

33、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及，根据超声波原理制成的测量仪器也越来越多，国外超声波测距仪的研制处于领先水平。表1.1 HPAWK系列超声波测距仪性能参数量程频率范围适应温度通讯方式0120米550KHz-20+175HART、GOSHAWK、FROFIBUS&FIELBUS、MODBUS澳大利JEHAWK公司HPAWK系列产品使超声波测距技术有了重大的突破，它不仅拓宽了超声波测距技术的应用场合(适用极恶劣工的工作环境)，而且使用智能调节技术，大大提高了超声波产品的可靠性及性能指标，让用户使用无后顾之忧，其参数如表1.1所示。智能的全自动调节发波频率，自动的温差补偿功能使其工作更

34、加稳定可靠。HpAWK系列产品还拥有灵活多样的通讯方式6。可编程的故障保护模式，它还拥有先进的远程GSM、CDMA、互联网调试功能，使得用户随时可以得到技术支持。 国内相关技术研究目前国内超声波测距仪的开展主要采用引进加仿制等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。我国在该领域的开展相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。7，可以实现公英制直接转换；测量基准选择；记忆/调出记忆数据；计算面积和体积；五组不同的记忆体；累加长度和；自动关机功能；LED背光显示；按键声提示；出错声提示；确认声音提示；面积测量功能；距离测量功能；体积测量功能；累加求和功

35、能，技术参数如表1.2所示：表1.2 UD2500型超声波测距仪技术参数量程测量精度外形尺寸重量0.23m15m153180 x38mm150克(包含电池)国内外的学者在提高超声波测距精度方面也作了大量的研究8，影响超声波测距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传输时间的精度影响较大。许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精度9，目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。厦门大学的童风提出了一种回波轮廓分析法圈10，该方法在测距中通过两次探测求取回波轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使测量精度有了很大的提高。

36、意大利的CaruUo等人介绍了一种自适应系统，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论11来提高测量精度。1.3 智能循线避障1.3.1机器人避障现状随着生产自动化的开展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的开展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当兴旺，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件

37、是摄像管或CCD，但其价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。故对机器人的研究已成为必要。 智能循线和避障是基于智能导引小车系统，采用红外传感器实现小车速度检测，判断并检测障碍物。本文对智能小车的循线，避障以及速度的采集进行了研究。2 整体设计方案2.1.2 超声波介绍1定义人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反响，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz20kHz12。超声波是指振动频率大于20000Hz以上的

38、,其每秒的振动次数频率甚高，超出了人耳听觉的上限20000Hz，人们将这种听不见的声波叫做超声波。2产生方式超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。在通常的超声波测距系统中，用电脉冲鼓励超声探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，形成超声波。3波型根据波动中质点振动方向与波的传播方向的不同关系，可将波动分为多种波型，在超声波检测中主要应用的的波型有纵波、横波、外表波(瑞利波)和兰姆波13。本文主要应用的是超声纵波。

39、4传播在超声波传播过程中，被超声所充满的空间称为超声场旧14。与超声波的波长相比，如果超声场很大，这时超声波就像处在一种无限的媒介中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻媒介的尺寸相近，那么超声波受界面限制不能自由地向外扩散。用来描述超声场的特征量主要包括：声速、声压、声强以及媒介的特征阻抗等等；超声场的物理性质主要有：反射与折射、衰减与吸收、叠加与干预等。超声波传感器产生振荡的方法很多，主要有由外部电路产生振荡，高频信号通过超声波传感器以声能形式辐射出去；使用工业用小功率超声波收发控制集成电路LMl812驱动发送超声波传感器振荡；采用单片机内部的定时器或直接使用程序产生固定的脉

40、冲，通过放大处理后驱动发送超声波传感器产生超声波15。2.1.3 超声波传感器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16。目前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。 超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、外表波探头(接收外表波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。从上文可知，本系统采用收发一体的超声波传感器，即可发送超声波，又可接受超声波。 超声波测距方法介绍超声波测距方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间检测法19。 相位检测法是通过测量返回波与发射波之间相差多少相位，判断

41、距离；声波幅值检测法看回波的幅度大小，判断距离；往返时间检测法，即渡越时间检测法是通过回波的返回时延判断距离。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值法易受反射波的影响。在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声脉冲反射法，通过测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差，实现距离测量，称为TOF(Time ofFlight)方法，也叫飞渡时间方法。飞渡时间法实现简单，被广泛的应用于声学测距系统。它的原理是：超声波发射器发出单个或一组超声波脉冲，在发射的同时计时器开始计时，超声波在空气中传播，途中遇到被测目标，经过反射到达超声波接收端，此时停止计时器计时，得到的时间t

42、就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间。经过多种方案的比对，得知相位检测法最精确，但是测量距离较短，电路复杂；幅度法最简单最廉价，最不精确；时间检测法是居中的，不太复杂，测量距离、精度也都不错，所以应用比拟广泛，结合设计电路的需求我选择飞渡时间检测法。 超声波测距是一种非接触式检测方式，在使用中不受光照度、电磁场、被测物颜色等因素的影响，加之其信息处理简单、速度快、本钱低，在机器人避障和定位、车辆自动导航、液位测量等方面已经有了广泛的应用。导航就是实时确定运动平台导弹、飞机、轮船、人造卫星等的方位并指引其沿正确路线运动，移动机器人的导航技术是机器人研究中的一项关键技术，超声波探测手段具

43、有使用方便、本钱低、抗电磁干扰能力强、不受光线烟雾影响、时间信息直观等特点。采用与地面颜色有较大差异的线条(例如白色路面上贴一条白黑色曲线)作引导线,寻迹机器人能够自动检测到引导线,并沿此引导线移动。系统控制核心采用AT89S51单片机作为微控制器,利用QTI传感器以及红外传感器检测路径,并根据反响的检测信号驱动电机调速,到达寻迹的功能。单片机控制系统相当于寻迹机器人的大脑,轨迹检测系统相当于寻迹机器人的眼睛,电机系统相当于机器人的腿脚。由轨迹检测系统检测曲线的位置并输出检测信息,对检测信息进行处理后将其输入到控制系统,控制系统根据输入信息进行判断,并根据判断结果输出指令给移动系统,移动系统根

44、据指令驱动寻迹机器人左转、右转、前行等,从而实现寻迹功能。智能寻迹机器人的研究主要包括以下知识体系:硬件设计、中央控制系统、传感器红外传感器和QTI传感器、避障系统设计、伺服电机、电机驱动模块、软件编程。本文主要介绍一种以89C52单片机为核心的低本钱、高精度、微型化的数字显示超声波测距系统的硬件电路和软件设计。 超声测距原理 随着社会的开展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越被人们所重视。本设计的超声波测距仪，可以对不同距离进行测试，并可以进行详尽的误差分析。 声波测距仪是根据超声波遇到障碍物反射回来的特性进行测量的，超声波发射器向某

45、一方向发射超声波，在发射同时开始计时，超声波就在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时，通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差T，然后求出距离L。根本的测距公式为：L=(t/2)*C式中 L要测的距离C超声波在空气中的声速，常温下取为340m/s声速确定后，只要测出超声波往返的时间，即可求得L。用于距离测量的超声波通常是由压电陶瓷的压电效应产生，这种压电陶瓷传感器有两块压电晶片和一块共振板，当给它的两极加频率等于晶片固有频率的脉冲信号时，压电晶片就会产生共振，并带动液体反射折回，由同一传感器或相邻布置的另

46、一传感器接收，测量超声波整个运行时间t，计算出发射点与反射点的距离s：S=ct/2 (1)式中，c为超声波的传播速度，m/s。超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速受温度影响最大。波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，由于吸收衰减和扩散损失，声强随目标距离增大而衰减；同时超声波的衰减随频率增大现时指数增加，但频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。本文讨论在空气中测量距离，选用40kHz的超声探头。超声传感器接收到的信号的幅值随距离增大而减小，远目标回波信号幅度小，信噪比低，用固定阀值的比拟器检测回波，可能导致越过门槛的时刻前后

47、移动，从而影响计时的准确性，这会影响测量的准确性，为了提高超声波测距的精度，需要准确地检测到第一个回波脉冲前沿的到达时间，为此，提出双比拟器整形确定回波前沿的方法。 超声波测距总体设计方案 硬件设计系统由单片机外围电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路、功能键电路、温度补偿电路组成。超声波模块的不同，在查阅大量文献以后，超声波模块大致分为两种，一种是收发一体，另外一种是收发探头分开安装的。收发一体的超声波发射装置精度高，测距范围大，但价格偏高。探头分开装置精度，范围，价格适中，比拟适宜学生在实验室来实现测距的根本功能及误差分析。经过上述分析并结合自己设计电路的需求最终系统整体结构如图2

48、.1所示：显示模块单片机处理单元发射模块接收模块功能键测温装置报警装置障 碍 物超声波接收探头超声波发射探头图2.1 系统结构图2.2.2 软件设计软件局部，主要通过编程实现单片机对各局部电路的控制，本系统采用C语言编程。实现的功能包括以下几个方面：(1)单片机引脚发射一组方波脉冲信号经过功率放大电路推动超声传感器发射探头发出超声，同时翻开内部定时器计时；(2)接收探头收到信号经过放大滤波电路，再经过门限比拟器产生负边沿跳变来控制单片机中断TO，同时关闭内部定时器停止计时；(3)为降低本钱本系统采用动态扫描显示，采用4位数码显示管，采用芯片74HC573选通段码，由单片机引脚的上下电平，对显示

49、管进行位选通，以控制驱动数码管具体位显示；(4)利用独立式按键手动控制超声波收发，添加三个按键，分别与单片机I/O口相连，控制测距开始、暂停和结束功能；(5)单片机I/O口控制报警电路；(6)温度补偿电路，单片机编程将时间量转换成距离22。具体引脚功能分配如附录中电路图所示。3 硬件电路本章首先提出总体设计方案，重点介绍超声波测距系统的根底硬件电路，即只实现测距功能并将距离显示出来的局部电路。如单片机外围电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路，并对这些电路作出分析。3.1 微处理器电路 AT89S52芯片AT89S52是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器，低电压，高性能CMOS结构的

50、8位微处理器23。该器件采用刀刻高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容，并且将多功能8位CPU和FLASH存储器组合在单个芯片中， 因而，AT89S52是一种高效的微控制器，为很多智能仪器和嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案，下面简单介绍一下该单片机的一些特性。8位单片机AT89S52的主要特性是:1.与MCS一51指令兼容；2. 4K字节在系统可编程 (ISP)闪烁存储器；3. 寿命:1000写/擦循环；-5.5V的工作电压范围；5. 全静态工作模式:0Hz一33Hz；6. 三级持续加密锁；7. 256字节内部RAM；8. 三级程序存储器锁定

51、； 9. 32位可编程IO口线；10. 两个16位定时器/计数器；11. 5个中断源；12. 全双工串行UART通道；13. 低功耗的闲置和掉电模式； 图图3.1 AT89S52引脚14. 中断可从空闲模式唤醒系统24； 单片机AT89S52各引脚如图3.1所示： 引脚定义见表2.1：表2.1 AT89S52引脚定义引脚序列口引脚功能188位准双向IO口9RST复位输入口10111213141516171819XTAL1XTAL2时钟振荡器的输入输出口20GND信号地21288位双向IO口存储器的高8位地址29PSEN程序存储允许信号端30ALE/PROG片外存储器地址锁存信号端31EA/VP

52、P内外程序存储器选择控制端3239数据/低八位地址复用口40VCC正向电源输入端3.1.2 复位电路51单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、低功耗操作方式以及EPROM编程和校验方式。单片机不同的工作方式，代表单片机处于不同的工作状态。本系统采用了复位工作方式，51单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种在AT89S52单片机复位信号输入端RESET上加上持续时间超过24及时钟周期的高电平，即可是单片机复位25。当该输入端电平变低，即启动AT89S52从入口地址0000H开始工作，及系统重新开始测距。本系统采用手动复位，复位电路如图3.2所示：图3.2 复位电路 时钟电路MCS-

53、51的时钟可由内部方式或外部方式产生，本系统采用的是内部时钟方式，利用内部振荡电路26，在XTAL1，XTAL2的引脚上外加定时元件，内部振荡器便产生自激震荡，定时元件可以采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路，其连接方法如图3.3所示：图3.3 时钟电路 超声波发射电路 发射电路分析通常发射电路按发射方式分为:单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动。此方法测试距离太近；本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的

54、因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失;另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为5V，以及单片机正常工作输出最大电压 5V，传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近，所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。 芯片74LS0474LS04是一个六反向器，一般结合8155使用。六反向器输入高电平，输出低电平，输入低电平，输出高电平。本设计使用74LS04而未用74LS14，它们都是74系列的非门。他们的区别是：1、输出：74LS04和74LS14是一样的。如果同一个公司，输出参数都是一样的；2、输入：两者不同的是输入不一样。74LS0

55、4输入是TTL电平，6非门IC工作电压5V ；74LS14输入是施密特输入有滞回特性；因此两个芯片的应用场合不同。74LS04多用于板内一般数据的“非控制，而74LS14一般用于某些信号的整形或者异受干扰/关键信号的信号缓冲等。大局部情况下74LS14可以替代74LS04，但本设计工作电压为5V，应选用74LS04。其引脚图如图3.4所示： 74LS04引脚图发射电路方案超声波发射电路原理图如图3.5所示。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一

56、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。图3.5 发射电路图3.3 超声波接收电路接收电路分析接收换能器晶片接收到超声波垂直作用后，因谐振而形成逐步加强的机械振动。因压电效应晶片两面出现交变的等量异号电荷，电荷量很少，只能提供微小交变电压信号，而不能提供电流信号。接收换接收电路的任务是将这一微小交变电压信号充分放大，同时考虑可能出现干扰信号，放大同时参加滤波电路，驱动后面的比拟器输出电位跳变，作为确定接收到的时刻。 CX20216A芯片使用 CX20216A 作为超声波接收处理的典型电路，当 CX20216A

57、接收到40KHz的信号时，会在第7脚产生一个低电平下降脉冲，这个信号可以接到单片机的外部中断引脚作为中断信号输入使用CX 20216A集成电路对接收探头受到的信号进行放大、滤波。其总放大增益80db。CX20216A的引脚如图3.6所示：图3.6 CX20216A 引脚图1脚：超声信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。 ，C1=1F。 f。 4脚：接地端。 5脚：该脚与电源间接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，f042kHz，假设取R=220k，那么中心频率f038kHz。 6脚： 该脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果

58、该电容取得太大，会使探测距离变短。 7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，推荐阻值为22k，没有接受信号是该端输出为高电平，有信号时那么产生下降。 8脚：电源正极，4.55V。 接收电路方案电路采用集成电路CX20216A，这是一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38kHz 与测距超声波频率40kHz 较为接近，可以利用它作为超声波检测电路。实验证明，其具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当改变C1 的大小，可改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。R1 和C1 控制CX20216A内部的放大增益，R

59、8 控制带通滤波器的中心频率。一般取R1=4.7 K，C1=330F。其余元件按图3.7 取值。图3.7 超声波接收电路 74HC573芯片 74HC573八进制3态非反转透明锁存器高性能硅门CMOS 器件SL74HC573 跟LS/AL573 的管脚一样。器件的输入是和标准CMOS 输出兼容的；加上拉电阻，他们能和LS/ALSTTL 输出兼容。当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的也就是说输出同步。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。输出能直接接到CMOS，NMOS 和TTL 接口上CMOS 器件的高噪声抵抗特性管脚如图3.8所示：图3.8 74HC573引脚

60、功能如表3.2所示：表3.2 74HC573功能输入输出输出使能锁存使能DQLHHHLHLLLLX不变HXXZX=不用关心Z=高阻抗3.4.2 显示电路显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差异仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使用LED发光二极管，给出一个简单的开关量信息。根据课题的实际要求，由于显示的距离范围在 5米之内，但是需要精确到毫米，因此选用四位LED数码管显示，通过单片机编程实现显示，表示距离的xxx.xcm数值。采用动态扫描显示，接口电路是把所有显示器的8个笔划段a-h同名端连在一起，而每一个显示器的公共极COM