单片机课程设计报告(实用导盲仪).doc

单片机系统课程设计报告 设计题目：实用导盲仪 专 业 测控技术与仪器 学 号 Xxxx 姓 名 Xxxxx 小组成员 Xxxx 指导老师 Xxx 设计时间 2013年8月23日 总评成绩 Xxxxxx 预期性能指标 设计一个以51单片机开发板为核心控制器的障碍物检测报警的导盲系统。 1．超声波模块测量范围障碍要求为0.10～5.00m； 2．测量精度为3cm； 3．判断正前方或地面是否有障碍。 4．根据障碍的距离远近以及类别报警。 工作原理 工作原理概述 1.1超声波测距的原理 1.1.1超声波的基本理论 随着科技的发展和社会的进步，人们对于检测未知世界，开发未知功能的需求越来越迫切和明显，新一代科技产品对于人们的关切程度也日益增加。 其中，超声波检测技术就是为了满足这些需求而应运而生的一门技术手段。超声波是一门以物理、电子、机械、以及材料科学为基础的、各行各业都要使用的通用技术之一。该技术在国民经济中，对提高产品质量，保障生产安全和设备安全运作，降低生产成本，提高生产效率特别具有潜在能力。超声技术是通过超声波的产生、传播以及接收的物理过程完成的。超声波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超声波振动辐射大小不同大致可以分为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称之为功率超声；用超声波获取信息，称为检测超声。 超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在10——10Hz，其中通常的频率大约在10——3×10之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。于是超声波在传播过程中有如下的特性和作用。 1.1.2超声波的传播速度 超声波在介质中可以产生三中形式的振荡波：横波——质点振动方向垂直于传播方向的波；纵波——质点振动方向与传播方向一致的波；表面波——质点振动介于纵波和横波之间，沿表面传播的波。横波只能在固体中传播，纵波能在固体液体中和气体中传播，表面波随深度的增加其衰减很快。为了测量各种状态下的物理量多采用纵波形式的超声波。超声波的频率越高，越与光波某些特性相似。 1.1.3超声波的物理性质 当超声波传播到两种特性不同的介质的平面上时，一部分被反射；另一部分透射过界面，在相邻的介质内部继续传播；这样的两种情况称之为超声波的反射和折射，如图2.1所示。 图2.1 超声波的反射和折射 1.1.4超声波对声场产生的作用 (1) 机械作用 超声波传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这种压力的变化将引起机械效应。超声波引起质点的运动，虽然位移和速度不大，但是与超声波振动的频率的平方成正比的质点的加速度却很大。有时足以达到破坏介质的程度。 (2) 空化作用 在流体动力学指出，存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定的值时，气泡将迅速膨胀，然后突然闭合，在气泡闭合时产生冲击波，这种膨胀、闭合、振动等一系列动力学过程称为空化。 (3) 热学作用 如果超声波作用于介质时被介质所吸收，实际上也就是有能量吸收，同时，由于超声波的振动，使介质产生强烈的高频振荡介质相互摩擦产生热热量，这种能量使介质温度升高。 1.1.5超声波传感器 超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。反之，如果由超声波机械振动作用于陶瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。超声波传感器内部结构如图2.2所示，外部结构如图2.3所示。 图 2.2 元件内部结构 图 2.3 超声波外部结构 1.1.6超声波测距系统原理 在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距方法取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离；测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t，故被测距离为 S=1／2vt。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所