1、項目研究背景及意義

由于超聲測距是一種非接觸檢測技術，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環境，具有少維護、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應用于紙業、礦業、電廠、化工業、水處理廠、污水處理廠、農業用水、環保檢測、食品（酒業、飲料業、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業中�？稍诓煌�環境中進行距離準確度在線標定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進行差值設定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環境下有較廣泛的應用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的指標要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應用。同時由于超聲波測距系統具有以上的這些優點，因此在導盲儀的研制方面也得到了廣泛的應用。

1、總體方案設計

本設計包括硬件和軟件設計兩個部分。模塊劃分為數據采集、按鍵控制、四位數碼管顯示、報警等子模塊。電路結構可劃分為：超聲波傳感器、蜂鳴器、單片機控制電路。就此設計的核心模塊來說，單片機就是設計的中心單元，所以此系統也是單片機應用系統的一種應用。單片機應用系統也是有硬件和軟件組成。硬件包括單片機、輸入/輸出設備、以及外圍應用電路等組成的系統，軟件是各種工作程序的總稱。單片機應用系統的研制過程包括總體設計、硬件設計、軟件設計等幾個階段。系統采用STC89C52單片機作為核心控制單元,當測得的距離小于設定距離時，主控芯片將測得的數值與設定值進行比較處理。然后控制蜂鳴器報警。系統總體的設計方框圖如圖2-1所示。

1、主控制模塊

主控制最小系統電路如圖3-1所示。

硬件電路總設計見圖3-2，從以上的分析可知在本設計中要用到如下器件： STC89C52、超聲波傳感器、按鍵、四位數碼管、蜂鳴器等一些單片機外圍應用電路。其中D1為電源工作指示燈。電路中用到3個按鍵，一個是設定鍵, 一個加鍵，一個減鍵。

2、  電源設計

電源部分的設計采用3節5號干電池4.5V供電。

3、  超聲波測試模塊

超聲波模塊采用現成的ＨＣ－ＳＲ０４超聲波模塊，該模塊可提供 2cm-500cm 的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到 3mm。模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路�；�本工作原理：采用 IO 口 TRIG 觸發測距，給至少 10us 的高電平信號;模塊自動發送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S))/2。實物如下圖4。其中VCC 供5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。

超聲波探測模塊HC-SR04的使用方法如下：IO口觸發，給Trig口至少10us的高電平，啟動測量；模塊自動發送8個40Khz的方波，自動檢測是否有信號返回；有信號返回，通過IO口Echo輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測試距離=（高電平時間*340）/ 2，單位為m。程序中測試功能主要由兩個函數完成。

實現中采用定時器0進行定時測量，8分頻，TCNTT0預設值0XCE，當timer0溢出中斷發生2500次時為125ms，計算公式為（單位：ms）：

T = （定時器0溢出次數 * （0XFF - 0XCE））/ 1000

其中定時器0初值計算依據分頻不同而有差異。

4、 測距分析

超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2

最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時計數器開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。   

只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。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—超聲波在介質中的傳播速度;

     t—超聲波從發射到接收所需要的時間.

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常數(例如在溫度T=30度時,V=349m/s);當需要測量的距離H遠遠大于L時,則(3—4)變為:

                                           ( 3-5)               

所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.

5、 時鐘電路的設計

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振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。

因為一個機器周期含有6個狀態周期，而每個狀態周期為2個振蕩周期，所以一個機器周期共有12個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為12MHZ，一個振蕩周期為1/12us，故而一個機器周期為1us。如圖3-5所示為時鐘電路。

6、 復位電路的設計

復位方法一般有上電自動復位和外部按鍵手動復位，單片機在時鐘電路工作以后, 在RESET端持續給出2個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。例如使用晶振頻率為12MHz時，則復位信號持續時間應不小于2us。本設計采用的是自動復位電路。如圖3-6示為復位電路。

7、  聲音報警電路的設計

如下圖所示，用一個Speaker和三極管、電阻接到單片機的P13引腳上，構成聲音報警電路，如圖3-7示為聲音報警電路。

8、顯示模塊

顯示模塊采用數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構分析可知系統主程序工作流程圖如下圖4-1所示；

2、超聲波探測程序流程圖

本設計研究了一種基于單片機技術的超聲波導盲儀系統。該系統通過以STC89C52單片機為工作處理器核心，超聲波傳感器，它是一種新穎的被動式超聲波探測器件，能夠以非接觸測出前方物體距離，并將其轉化為相應的電信號輸出.該報警器的最大特點就是使用戶能夠操作簡單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高、誤報率低。隨著現代人們安全意識的增強以及科學技術的快速發展，相信超聲波導盲儀必將在更廣闊的人群中得到更深層次的應用。

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附件1：原理圖