機械手畢業設計論文精選(九篇)

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第1篇：機械手畢業設計論文范文

科學研究作為發展科學技術重要的支撐點，在科技進步中發揮著舉足輕重的作用。在剛召開的黨的十中提出：科技創新是提高社會生產力和綜合國力的戰略支撐，必須擺在國家發展全局的核心位置。深化科技體制改革，加快建設國家創新體系，著力構建以企業為主體、市場為導向、產學研相結合的技術創新體系。

在我國的經濟體制由計劃經濟向市場經濟轉變的今天，高等教育的教學管理模式也發生著變化，高等教育現在在全面貫徹黨的教育方針的同時，已經由原來的學校完全承包，向以就業為導向的方向發展，已經逐漸走向一條產學研結合發展的道路。隨著科學技術的不斷發展，社會對人才的需求更具合理性和前瞻性，特別是知識的應用能力、應變能力和創新能力等綜合實力，提出更高的要求。這樣高等教育的培養目標就由原來單純以學習課本為重，轉向要求學生既有一定專業理論基礎，又有勝任現代化生產工作的能力。因此，實踐教學在學生培養過程中就顯得十分重要。

毫無疑問，實踐教學是大學生創新的有效途經。可以把教師的科研項目列入實踐教學活動中，啟發學生的科研創新意識。如讓學生參與教師的科研項目，使學生了解科研的過程、方式方法、數據處理方法、論文寫作方法等。[1]本文將探討如何使科研激活實踐教學，促進產學研相結合，開拓學生創新思維。

一、構建科學的實踐教學體系

實踐教學體系是培養學生實踐能力、創新意識與創新能力的整體教學組織與訓練過程，也是考查學生掌握基本理論、基本技能的主要途徑，是實現專業培養目標十分重要的教育教學環節。[2]高等教育的實踐教學體系包含多種類型的課程設置。例如實驗教學、課程設計、金工實訓、生產實習、畢業實習和畢業設計等，都屬于實踐教學的范疇。表1為高校實踐課程教學體系。

1.實驗教學

實驗教學是從最基礎的理論知識入門，通過儀器設備的使用操作，對數據或圖像進行分析，驗證理論知識的來源與正確性，隨著學習的不斷深入，再逐步開設綜合性的實驗。如機械原理零件實驗、刀具實驗、金相熱處理實驗等基礎實驗，隨著學習的不斷深入，再進一步完成機、電、氣綜合與創新性實驗等。從而幫助學生更好地理解和掌握理論基本知識，對儀器設備操作基本技能，培養創新思維能力。實驗教學是實踐教學的基礎。

2.課程設計

課程設計是學完某一門專業基礎課或專業課后進行的一項專門化實踐性訓練，主要目的在于培養學生利用本門課程的知識及已學的知識，綜合應用完成某一課題的設計。如工藝夾具設計、刀具設計、機床設計、零件設計和電路設計等。初步培養學生設計思維的方法及應用知識的能力。

3.金工實習

金工實習是工科院校必開的一門實踐課程，他屬于基礎金工實習。學生在學完金屬工藝學與機械制圖課程后進行，也可在金工實習過程中完成該門課程的教學。通過實習，了解金屬加工過程的方法和設備，掌握冷加工和熱加工操作的基本技能。在實習中，可將后續相關的知識，適時適量介紹，對專業知識初步了解。同時，還可以到各種類型的企業參觀考察，觀察社會了解市場，擴大視野端正專業思想。

4.生產實習

生產實習是一門綜合性的實踐教學課程，是在專業課程大都已學完的基礎上進行的。走出學校的課堂深入到企業生產的現場。針對某一機械產品考察制造全過程，運用所學的知識，進行分析對比，研究總結，如到內燃機制造企業進行實踐，把在課堂學到的理性認識融會到感性認識中。

5.畢業設計與畢業實習

畢業設計與畢業實習，應強化學生實踐能力的培養，是實踐教學的核心。這是進入社會前的一次大練兵，也是教育質量的大檢驗。持續一學年的畢業設計選題至關重要，應是融技術性與實用性為一體，融創新意識與創新實踐為一體。具體做法：一是與科研課題相結合，如大客車整車強度測試；二是充分利用現有實驗設備，如利用FISTO氣動實驗裝置，設計機電自動控制回路；三是對實驗設備進行技術改造，如對機械原理機構示教板改進自動控制裝置；四是結合生產實際進行科研開發，如汽車發電機殼體壓鑄模具設計等。學生在指導教師的帶領下，結合生產實際或科研課題，充分調動人的主觀能動性，運用設計新理念和方法，進行創新設計取得良好效果。[3]

表1 高校實踐課程教學體系

二、把“產學研”和實踐教學結合起來，開拓學生創新思維

產學研合作教育對于高校提升科研水平、企業技術進步、增強地區和國家核心競爭力都具有重要作用和意義，是貫徹落實科學發展觀、轉變經濟發展方式的重大戰略舉措。[4]高校人才聯合培養是產學研合作的形式之一，其主要方式包括：大學、科研機構與企業通過設置人才培養專項基金、大學教授和研究人員擔任企業顧問、大學生在企業實習、企業人員在大學或科研機構進行培訓等多種方式在人力資本層面進行交流與互動。[5]

大學生的創新活動是在學習實踐過程中的創新，同時也是在掌握了基礎知識、相關專業領域研究成果后的創新，這使得他們的創新不僅要有個人價值，而且要在專業領域中具有一定的社會價值。創新活動的價值衡量具有雙重標準，對于應用型工科大學生，應以社會標準為主，偏重于創新活動的結果，偏重于創新的產品。因為創新能力培養的關鍵在于創新主體要有強烈的自我意識和積極的實踐探索。在沒有投入創造性社會實踐之前，人的“才能”只是一種“潛能”，只有通過創造性實踐這一“中介”，方可得到進一步的提高，只有在不斷的摸索中才能培養創新能力。在臺灣本科教學中，每一門課程的教學中，實踐教學就占有大半時數，每一單元時間內的教學，都包含有理論教學和實踐教學，在動腦和動手過程中，提升大學生創新思維。

1.“產學研”項目和實驗環節相結合

實驗教學在人才培養方面具有課堂理論教學不可替代的作用，實驗室作為高校人才培養的重要陣地在培養高素質創新人才中應發揮其重要的作用。因此，我們將科研方法引入實驗教學中，將學科建設取得的科研成果和開發的新技術、新方法不斷引入實驗教學中，保持實驗教學方法與手段的不斷更新。并通過設置探索性實驗項目來模擬科研全過程，實現實驗教學與科學研究新技術、新方法訓練的有機結合。

工科類專業在探索性實驗課程中，只給出若干思路，實驗前，學生不一定知道實驗結果，由學生根據實驗條件和研究目標，自行查閱相關資料，設計實驗方案、實驗內容和步驟、實驗數據參數，獨立進行實驗操作，書寫實驗報告，并對出現的可能結果給予一定的解釋。盡管學生在實驗的最后結果中不一定達到要求，但是通過綜合訓練，使學生對科研的基本方法和程序有一個清楚的認識和體驗，有效調動了學生的主動性，既提高了學生的動手能力，又使學生養成了自主式、合作式、研究式、開放式的學習方式。如開放性實驗，完全由學生自己設計實驗方案，自主管理實驗過程，自主完成實驗，從而使實驗教學成為科研與教學的最佳結合點。例如工業自動化應用課程利用實驗室電氣動實驗開發平臺，結合實驗題目要求，自己設計、搭線、編程、調試等軟硬結合過程。

2.“產學研”項目和實習實訓相結合

實習實訓是一門融理論與實踐綜合性很強的課程，在整個學生的培養過程中起到了一定的作用。我們要重視對學生動手能力、工程實踐能力的培養，增強學生將所學基礎知識綜合運用于工程實際的能力、獨立工作的能力、分析問題的能力及創造能力。

例如現代機械制造加工中心需要機械手完成不同的任務，這個就可以為學生的實習實訓提供選題，學生自己對課題進行分析、設計，自己動手編程、調試、安裝、并最后調試完成一個機械手加工系統，對設計過程中涉及到相關課堂教學內容，必須加以理解和消化，最終提交的是機械手能完成的任務和設計報告。這樣學生不但能夠將課堂上學到的理論知識與實際應用結合起來，而且能夠對機械傳動、電子電路、電子元器件等方面的知識綜合應用，同時在單片機編程、排錯調試、機構運動、相關儀器設備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。為了促進“產學研”項目和實習實訓相結合，我們先后和多家企業建立了長期、穩定的校企合作。

3.“產學研”項目和畢業設計相結合

畢業設計與畢業實習，是時間最長最具綜合性與創新性的實踐，是實踐教學的核心。工科專業學生的畢業實習與畢業設計時間長達近半年，是學生走向工作崗位的最后一個重要的教學環節，如果淡化工程意識，假題假做，由書本到圖樣可能對發揮學生的創造力極為不利。為了促進“產學研”項目和畢業設計相結合，我們具體采取了以下方法：

（1）利用生產中的真實題目或參與指導教師的實際課題研究，提前布置畢業設計題目。以畢業論文課題研究等形式參與科研活動，在科研實踐培養創新精神以及分析和解決問題的能力方面，實現了以科研促進教學的理想效果。[6]

（2）利用工廠待解決的技術問題，讓學生走出去，到工廠做畢業設計。由于受教師手頭的真實題目的限制，不可能所有的同學都在學校做真題目，我們通過與科研機構和生產單位的結合，即產學研結合，讓同學們到工廠去，到科研機構去，根據具體情況安排畢業設計題目。這樣做，不僅發展了生產也培養了技術人才，發揮了學生的創造能力。

三、以“工程測試”為例，探索“產學研”提升大學生實踐創新能力

利用科研項目將實驗、實習實訓、畢業設計等串聯起來，把各個實踐環節緊密聯系在一起又起著承上啟下的作用。激活大學生參加實踐的積極性，加強培養綜合運用能力。

測試技術是獲取信息、分析和處理測量數據的關鍵技術與手段，是從事科學研究、產品質量檢驗與自動控制不可缺少的工具。[7]本人在學校主要承擔《機械工程測試技術》實驗教學，并在這幾年負責工程測試的一些科研項目，例如：2008年在廈門金龍聯合汽車工業有限公司、2011年在東風杭州汽車有限公司作全承載整車強度測試。在這些科研項目完成的過程中，都與實踐教學結合起來，開拓學生的創新思維，實現了科研成果與實踐教學雙豐收。

1.開設開放性實驗，吸引學生加入到科研項目

由于《機械工程測試技術》實驗項目與工程實際相結合，要求課時較長，另外實驗相對正常，完成水平要高。我們選擇以開放性實驗對學生開放。把《機械工程測試技術》一系列實驗連續起來，要求學生按照工程上測試的要求，把應變片粘貼好，并且對自己粘貼好的應變片作靜態應變測量和動態應變測量。圖1為學生在粘貼應變片，圖2為粘貼好的應變片。這樣，學生完成這些實驗后，就可以加入到全承載整車強度測試中。

2.學生到現場測試，豐富學生的實訓實習

充分發揮工程測試科研項目的優勢，鼓勵學生積極參與科研項目中的一些工作。無論是2008年在廈門金龍聯合汽車工業有限公司，還是2011年在東風杭州汽車有限公司作全承載整車強度測試，都有不少學生加入到測試。圖3是正在作整車測試的客車，圖4為學生在現場測試。由于科研課題多與工程應用緊密結合，解決生產實際問題，任務本身具有挑戰性，學生在參與科研的過程中，可切身體會到理論與實踐結合的價值，激發起他們內在學習動機，應用所學知識解決實際問題。[8]

3.測試項目為學生畢業設計課題提供來源

多年來，我們都高度重視學生畢業設計等實踐性教學環節，強化學生實踐能力的培養，形成了良好的傳統和特色。大學生所完成的這些工程測試項目，可以直接為他們的畢業設計提供選題來源。通過強化過程管理，保證了畢業設計（論文）的教學質量。這對培養大學生創新精神和實踐能力方面有示范作用。圖5為大學生以某大客車測試為畢業設計題目所采集處理的數據。

四、“產學研”融合實踐教學取得的成果

（1）提高學生的動手能力。通過加強實驗教學，開展有效的工程實驗環節，將有助于學生有效地掌握所學知識，縮短從理論知識到實際應用的時間。實驗教學能很好地培養學生的專業興趣，有利于增強其創新意識，提高實際應用能力，培養學生成為滿足社會需求的創新人才。

第2篇：機械手畢業設計論文范文

（廈門理工學院 機械與汽車工程學院，福建 廈門 361024）

摘 要：為了培養卓越人才的創新創業能力，以項目為主線、教師為主導、學生為主體，通過項目驅動能力培養，同時為產品衍生項目。讓學生在工程實踐項目的研發過程中培養發現問題、分析問題、解決問題的能力。實踐證明，項目驅動方式更容易激發學生的創新創業能力。

關鍵詞 ：創新創業；實踐教學；項目驅動

中圖分類號：G644文獻標識碼：A文章編號：1673-260X（2015）08-0244-02

基金項目：福建省教育科學“十二五”規劃項目重點課題（No。 FJJKCGZ14-066）； 廈門市教育科學“十二五”規劃2014年度立項重點課題（14003）

1 引言

作為一所親產業大學，我校一直注重學生創新能力的培養，強化“關產業痛癢、應產業所求、納產業精華、為產業服務”的親產業辦學理念，樹立“面向工業界、面向未來、面向世界”的工程教育宗旨，以海西工業企業的發展需求為導向，通過與先進企業開展“互利雙贏”的校企合作，共建以實際工程為背景、以工程技術為主線的卓越工程師聯合培養體系，著力提高學生的工程意識、工程素質和工程實踐能力。

特別是我校作為卓越工程師試點培養高校，堅持以學生為本，知識、能力、素質協調發展的理念，緊密結合地方經濟發展的實際需要，秉承我校“知行合一 工學結合”人才培養模式，構建以就業為導向的實踐性、創新型、應用型人才培養體系，為機械行業培養定位清晰、特色鮮明、創新素質高、動手能力強、勤勞務實的高級專門人才。

2 學科競賽與創新實驗項目結合，創新創業有機結合的教學體系

建立了與地方業界共建多贏的長效機制。各專業組建了有業界精英和外校專家參與的專業建設指導委員會，每年還聘請企業技術、管理骨干來校兼課、指導實習和畢業設計（論文）。如圖1所示項目驅動下創新創業能力的培養體系，形成多種校企合作模式。學校現已形成三種校企合作模式：一是共建實驗實訓場所，如PLC控制實驗室、全自動機械手研發實驗室、數控技術實驗室等。二是項目帶動人才培養，如全液壓干冰成型機、威盛叉裝車工作裝置研制等，人才培養；三是共建校外實踐基地，如松霖科技、廈工機械、東風汽車股份有限公司、冠捷科技有限公司、路達科技有限公司、林德叉車等一批知名企業，在實踐環境、工程項目和指導力量等方面，為學生開展實踐活動提供條件。

3 創新創業實踐教育

為了把創新創業教育落到實處，在實踐教學中，為學生開辟設計型和綜合型的實驗，在項目的帶動下進行實驗教學；充分結合學科競賽，鍛煉和培養學生的獨立的創新創業能力。

實踐教學目標并結合自己的研究方向和課題引入項目的內容并將項目合理地分成若干教學模塊（子項目、任務），以“項目為主線、以完成任務為‘驅動’、教師為主導、學生為主體”，充分利用各種先進的教學手段和方法，創設任務情境，為學生提出由表及里、循序漸進的學習途徑，充分調動學生學習的積極性，讓學生在完成任務的同時掌握最新的、實用的專業知識并充分利用課程設計、生產實習、畢業設計等環節，讓學生連貫起來獲得實際工程項目的從分析、設計到實現的完整過程的訓練給學生提供參與科研項目的機會，劃分部分任務讓學生完成，使學生能夠理論聯系實際，激發學習興趣，提高學生動手能力。如圖2所示。

讓學生參與各項機械創新設計大賽、無碳小車比賽、挑戰杯、方程式賽車等具體項目中來。它以學生主動性學習為基礎，要求學生當主角、由學生通過實際動手操作、解決實際工程問題的實踐來學習優化設計知識和技能。它給學生的主動性更大，使學生通過自身的經歷了解優化過程的行進，在設計具體實例的過程中主動地去學習優化知識，從而學會運用優化知識。鼓勵學生參加各種競賽如挑戰杯賽，機械創新設計大賽，無碳小車比賽、挑戰杯、方程式賽車比賽、電子創新設計大賽和機器人大賽等，強化、培養學生的創新意識、創新能力、工程意識以及科研開發能力。向學生開放實驗室，提供良好的實驗條件，讓學生動手實踐，達到理論與實踐交融的教學目的。

4 效果與特色

學生在創新實驗項目中，根據自己的興趣愛好制作小型產品。在機械創新設計大賽中學生的工程實踐能力得到了很大的提升，如圖3所示在機械創新設計大賽中設計的教學用箱式全息投影儀及自動伸縮桌子。特別是學生在參與實踐項目的設計研發過程中，把所學的知識應用到工程實踐中解決問題，跟著工程師和老師學到了很多書本上或課堂中老師沒講的知識，如圖4、5所示學生在現場進行工程實際項目的研發及產品的調試工作；同時從實踐工程中檢驗自己所學的理論知識。學生發現在學校所學的理論知識要應用到實踐問題中，有很大的差距，如何靈活應用自己所學的專業理論知識來分析和解決實踐問題，那才是最關鍵的。在這些實踐過程中，同學們體會到了收獲了成功的喜悅和自信，進一步激勵他們參與到實踐課題的研究中，這樣不斷的形成良性循環，激發學生的創新創業能力的培養。畢業跟蹤調研發現：參與這類實踐項目的學生，在工作中實踐中發現問題、分析問題、解決問題的能力較強。所以很多用人單位提前主動聯系高校，預定創新創業能力強的學生。圖所示是學生根據自己在機械創新設計大賽中的產品，申請授權了相應的實用新型專利。

5 結論

創新創業教育需要高校的建立起長效的培養機制，并把每個教學實踐過程落到實處，那學生的創新創業能力才得以激發和培養。讓學生主動帶著問題去學習，在解決問題的實踐過程中挖掘和梳理理論知識。不到形成良性互動循環過程。

參考文獻：

（1）林桂娟。《機械優化設計》課程的項目驅動式教學方法探討[J]。赤峰學校學報（自然科學版），2014，（20）：256-257.

（2）以項目驅動的雙主體教育模式在本科生導師制中的實施[J]。黑龍江高教研究，2013，31（7）：34-37.

第3篇：機械手畢業設計論文范文

1.1 選題研究背景、目的及意義

1.1.1 課題研究背景

本課題屬于設計性課題。21世紀人類已進入信息社會，汽車及交通也已邁入信息時代。當前信息技術在汽車及交通領域中的應用項目相當多，發展速度可以說是“日新月異”,各種媒體多有報道。

可大致歸納為4個方面，即車輛安全系統，網絡、通訊及導航系統，智能交通系統和移動多媒體系統。隨著汽車的日益普及, 停車場越來越擁擠, 車輛常常需要在停車場穿行、掉頭或倒車。由于這些低速行駛的車輛與其它車輛非常接近, 駕駛員的視野頗受限制, 碰撞和拖掛的事故時有發生, 在夜間時則更顯突出。車輛安全系統通過應用電子信息技術，使車輛實現高智能化，極大地改善車輛人機系統的安全性，以避免事故的發生和減少傷害程度。

1.1.2 選題的目的及意義

本課題把硬件電路和電路軟件有機的結合起來，完成汽車倒車報警系統的設計，能夠了解單片機技術的現狀，而且通過對電路系統的設計，學習掌握了數字電路從原理圖到PCB版的全部過程，形成完善的設計思路以及思想，并通過對汽車倒車超聲波報警器的軟件設計的過程，鍛煉應用C以及相關匯編語言等軟件設計電路程序的能力為以后參與實際工作奠定良好的設計基礎。

本課題要求使用現在應用非常廣泛的計算機軟件PROTEL，隨著計算機技術的發展，計算機軟件在電路設計中的應用越來越廣泛， Protel是人們熟悉的常用EDA軟件。作為電路設計自動化（EDA）的一種工具，Protel應用于電路原理圖設計、電路板設計等，它基于Windows環境，功能強大，人機界面友好，能讓人們在具有最完整的功能環境下，提升設計上的品質和效率。本課題將要求Protel在電路設計中的應用，包括電路原理圖設計和印刷電路板設計以及設計過程中遇到的問題和解決方法。這樣使學生也能將所學與所用有機結合起來，在步入工作崗位之前得到全方位的工程設計訓練。

通過對汽車倒車報警電路的設計能初步具有用PROTEL軟件設計電路原理圖以及電路版圖的能力。與實際電路相結合，通過理論聯系實際的方法，使所學的知識通過自己設計思考真正應用到實踐中。

微波探測技術在軍用和民用領域里的廣泛使用，使得通過這次畢業設計所學到的此方面的知識將會有很強的實用性。本設計要求對汽車倒車超聲波報警器進行硬件設計，可以通過完成本次設計，練習PROTEL軟件的使用，增加硬件設計的經驗。

隨著社會進步，經濟發展，人民生活水平的不斷提高，擁有汽車的家庭逐漸增多，交通問題也同時出現了：交通擁擠，各種不同的場合停車、倒車困難。許多非職業汽車駕駛員更是希望能有一種汽車倒車報警器，在倒車時不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，并隨時顯示其距離，在不同的距離范圍內發出不同的報警信號，以提高汽車倒車時的安全性。

汽車倒車超聲波報警器設計就是為了確保駕駛員和汽車的安全，使駕駛員在倒車時能明確與后面車輛、建筑的距離，確保倒車的安全。它具有顯示功能，能夠客觀顯示車后物體與車尾之間的距離。它可望成為新手駕駛員，以及后視不良車輛如大貨車、公共汽車、集裝箱車等車輛駕駛員倒車的好幫手，也可用于夜間輔助倒車及倒車入庫。

1.2 超聲波測距系統研究現狀以及存在的問題

1.2.1 超聲波測距系統研究現狀

隨著電子技術的發展，出現了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術難度大，成本高，一般僅用于軍事工業，而超聲波測距則由于其技術難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項技術也可用于工業測量領域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應用。隨著自動測量和微機技術的發展，超聲波測距的理論已經成熟，超聲波測距的應用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設計也是利用超聲波來測量距離。

1.2.2 探測盲區問題

超聲波從發射到接收的時間間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發送部分與接受部分的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區”。此“盲區”很小，對本系統沒有影響。

1.3 論文的主要內容

論文將介紹超聲波測距系統設計的方案選擇與硬件的設計與調試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測距系統設計的研究現狀和本課題的選題目的與意義；第二章介紹超聲波測距系統的總體設計方案，并對每個模塊進行了方案論證與選擇；第三章介紹了超聲波測距系統的原理；第四章介紹了各單元模塊的硬件電路設計與實現；第五章介紹了系統的調試過程和調試結果，最后總結了整個設計中有待改進的地方。

 

第二章 超聲波測距系統的原理

2.1 超聲波的測距原理

2.1.1 測距的電路原理框圖

構成超聲測距系統的電路功能模塊包括發射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路。

采取收發分離方式有兩個好處：一是收發信號不會混疊，接收探頭所接收到的純為反射信號；二是將接收探頭放置在合適位置，可以避免超聲波在物體表面反射時造成的各種損失和干擾，提高系統的可靠性。

根據設計要求并綜合各方面因素，選擇了西安立宇電子科技有限公司的超聲波測距傳感器TCT40－16T/R（T表示發射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測距離為6m，發射擴散角為60度。同時，采用單片機作 為主控制器，用動態掃描法實現LED數字顯示，超聲波驅動信號用單片機的定時器完成，超聲波測距器的系統框圖如下圖2-1所示。

圖2-1 測距的電路原理框圖

通過單片機的I/O口控制超聲波發射電路發出40kHz的超聲波，與此同時單片機內計數器開始計時；經過延遲后開啟超聲波接收電路，當接收電路收到經障礙物反射的回波后，計數器計時結束。通過單片機計算出即時距離，在顯示電路顯示出來，若低于警戒距離則開啟報警。

2.1.2 工作原理

人能聽到的聲音頻率為：20Hz~20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上的聲音稱為超聲波。超聲波是一種只有少數生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺的機械波，其頻率在20kHz以上，波長短，繞射小、能定向傳播。

超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。

本設計采用的超聲波是40kHz。超聲波的縱向分辨率較高，對色彩和光照度不敏感，對外界光線和電磁場不敏感，可以用于測量較近目標的距離。本設計采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強磁場干擾、有毒等各種環境下都能穩定工作。

超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應用要求復雜。在這里使用脈沖反射式。超聲波測距原理是通過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C，而根據計時器記錄的測出發射和接收回波的時間差 就可以計算出發射點距障礙物的距離L。超聲波測距的算法原理如圖2-2所示：

 

圖2-2  超聲波測距的算法原理圖

計算公式為：

 C= 331. 5 + 0. 607 T                  （2-1）

式中：C為超聲波在空氣中傳播速度；T為環境溫度。

        L=                     （2-2）

式中：C為被測距離； 為發射超聲脈沖與接收其回波的時間差； 為超聲回波接收時刻； 為超聲脈沖發射時刻。用單片機可以很方便地測量 時刻和 時刻，根據以上公式，用軟件編程即可得到被測距離L。

這就是所謂的時間差測距法。由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，表2-1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。

表2-1  聲速與溫度關系表

溫度(℃)  30

 20

 10

0 10 20 30 100

聲速(米／秒) 313 319 325 323 338 344 349 386

聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距系統的機理。本設計認為在實際使用中的環境溫度變化不大，對距離檢測精度要求也不高，將超聲波波速C認為是不變的常數。

另一種補償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對應表，再適當插值補償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設計上的簡易性，沒有進行補償，能達到簡單應用的基本要求。

該系統的工作原理：由微機編程送出40kHz頻率的方波信號至信號處理器，信號處理器通過兩級放大，再經過壓電換能器將信號發射出去，該信號遇到障礙物反射回來在此稱為回波。同時，壓電換能器將接收的回波，通過信號處理的檢波放大、積分整形及一系列常見電路的處理，送至微機處理。顯示器的聲音告警頻率、發光二極管方位指示及障礙物距超聲波探頭的距離顯示均由單片機控制。

2.1.3 超聲波測距的工作方式

利用超聲波測距的工作，就可以根據測量發射波與反射波之間的時間間隔，從而達到測量距離的作用。其主要有三種測距方法：

•相位檢測法，相位檢測法雖然精度高,但檢測范圍有限。

•聲波幅值檢測法，聲波幅值檢測法易受反射波的影響。

•渡越時間檢測法，渡越時間檢測法的工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都非常容易實現。其原理為：檢測從發射傳感器發射超聲波，經氣體介質傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。

本設計的超聲波測距就是使用了渡越時間檢測法。在移動車輛中應用的超聲波傳感器，是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性（縱波），通過接收自身發射的超聲波反射信號，根據超聲波發出及回波接收的時間差和傳播速度，計算傳播距離，從而得到障礙物到車輛的距離。

2.1.4 信號處理技術

測量過程是由單片機部分和超聲波信號處理電路共同完成的，一次測量的全過程為40ms。發射時，將40kHz的超聲波信號和一個同步脈沖信號加到與門，同步脈沖信號通過與門控制發射超聲波。單片機將同步脈沖的起始時刻定為 ， 超聲波接收電路將接收到的信號加到單片機中，若檢測到信號，則記下該時刻 ，由時間差  =    ，即可算得障礙物與超聲探頭之間的距離。若單片機系統接收不到超聲波回波信號，則到40 ms時重復上述過程開始下一輪的循環。

在超聲波發出后，如果直接進入檢測狀態，則勢必浪費時間，因為此系統有最小測量距離，當距離最小時，即為時間差 最小，記為  ，所以此時間可以用來處理別的數據。本設計中計算子程序就是在此時間里完成的，這樣就節省了一些時間。

2.2 超聲波探頭的主要作用

•探頭是一個電聲換能器，并能將返回來的聲波轉換成電脈沖；

•控制超聲波的傳播方向和能量集中的程度，當改變探頭入射角或改變超聲波的擴散角時，可使聲波的主要能量按不同的角度射入介質內部或改變聲波的指向性，提高分辨率；

•實現波型轉換；

•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。

2.3 小結

本章介紹了超聲波測距系統的測距原理、超聲波測距的工作方式以及測距中如何進行信號處理優化，并闡述了超聲波測距的基本概念理論基礎、設計計算的主要方法和內容

第三章 汽車倒車超聲波報警器設計方案比較與選擇

3.1 汽車倒車超聲波報警器的總體方案設計

3.1.1 方案的擬定條件

本設計首先要根據畢業設計任務書中的要求（最大測距6m，最小測距0.20m，顯示分辨率0.02m，實時數字顯示測得的距離；在不同的距離范圍內發出不同的聲光報警信號；駕駛員可根據個人需要調整設置報警距離．本報警器與其它報警器相比具有功能多、電路簡單、操作簡便、工作穩定可靠等優點）來進行器件選擇，如諧振頻率是多少，帶寬為多少，Q值、聲壓輸出、波束指向性、電容、驅動電壓、功率是多少才能達到設計要求，在什么樣的 環境特性下才能正常工作，市場上是否容易找到，便宜且應用較廣否，這些都是需要考慮的問題。只有在這樣的條件下，方案才能順利確定，設計才能順利展開。

3.1.2 模型的建立

汽車倒車雷達是利用超聲波測距原理，不斷測量汽車尾部與其后面障礙物的距離，在一定距離范圍內給駕駛者以警示，同時由高亮度數碼管顯示出所測的距離值，提高汽車在倒車時的安全性。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，可由單片機測出從發射到接收到回波的時間，計算出障礙物到汽車尾部的距離S=CT/2，式中C為超聲波波速。盡管超聲波波速與環境溫度有關，但汽車倒車雷達在實際使用中的環境溫度變化不大，對距離檢測精度要求也不高，將超聲波波速C認為是不變的常數。

測距系統模型應如圖3-1所示。

3.2 超聲波測距系統的器件選擇

3.2.1 微控制器的選擇

單片機是本檢測系統的核心，它完成系統的功能設定、測量對象選擇、信號處理存儲、驅動LED顯示等功能。起初對于是選擇AT89S51芯片，還是AT89C51芯片舉棋不定，覺得二者區別不大，后來查閱相關資料發現AT89S51相對于AT89C51增加了很多新功能，性能有了較大提升，價格卻基本不變，甚至比89C51更低。

     圖3-1 測距模型

•AT89S51支持ISP在線編程功能，串行寫入、速度更快、穩定性更好，燒寫電壓也僅僅需要4～5V 即可。這個功能的優勢在于改寫單片機存儲器內的程序不需要把芯片從工作環境中剝離，是一個強大易用的功能。而AT89C51只支持并行寫入，同時需要VPP燒寫高壓。

•最高工作頻率為33MHz，大家都知道89C51的極限工作頻率是24M，就是說S51具有更高工作頻率，從而具有了更快的計算速度。

•燒寫壽命更長：89S5*標稱的1000次，實際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學者反復燒寫，減低學習成本。綜合上面的一些區別，個人認為89C51的停止使用只是時間問題而已，就象當年的8031。

•內部集成看門狗計時器，不再需要像89C51那樣外接看門狗計時器單元電路。

•雙數據指示器。

•電源關閉標識及電源范圍：89S5*電源范圍寬達4～5.5V，而89C5*系列在低于4.8V和高于5.3V 的時候則無法正常工作。

•全新的加密算法，這使得對于89S51的解密變為不可能，程序的保密性大大加強，這樣就可以有效的保護知識產權不被侵犯。

•兼容性方面：向下完全兼容51全部字系列產品。比如8051、89C51等等早期MCS-51兼容產品。也就是說所有教科書、網絡教程上的程序（不論教科書上采用的單片機是8051還是89C51還是MCS-51等等），在89S51上一樣可以照常運行，這就是所謂的向下兼容。

此外，AT89S51設計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。

比較結果：就如同INTEL的P3向P4升級一樣，雖然都可以跑Windows98，不過速度是不同的。從AT89C51升級到AT89S51，也是同理。和S51比起來，C51就要遜色一些，實際應用市場方面技術的進步是永遠向前的。

3.2.2 顯示模塊器件的選擇

在單片機小系統中，顯示模塊可以反映系統工作和運行結果，在系統中占有相當重要地位。常用的顯示有：LED顯示和LCD顯示。

•LED顯示的硬件電路設計簡單、價格便宜，缺點是顯示消耗的電流較高，體積大，在低功耗手持式儀器中很少使用。

•LCD顯示具有低功耗、體積小特點，越來越多地應用于以單片機為核心的便攜式儀表和測試儀中。采用LCD來顯示檢測到的溫濕度參數，降低系統功耗。

本設計顯示部分采用簡單的4位共陽LED數碼管，段碼驅動用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅動。

3.2.3 超聲波傳感器的選擇

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面。

    以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭。

    超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。

    超聲波探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：

•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。

•工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫療用的超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。

•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。

為了研究和利用超聲波，人們已經設計和制成了許多超聲波發生器。總體上講，超聲波發生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發生器。

本次設計就選用壓電式超聲波發生器，壓電式超聲波發生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發生器內部結構如圖3-2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會 發生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。

圖3-2  超聲波換能器內部結構

超聲波發射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志（一般器件上有標明是T還是R，T：發射換能器，R：接受換能器）。超聲波換能器外部結構如圖3-3所示。

 

圖3-3  超聲波換能器外部結構

每個傳感器的中心頻率都存在一定的誤差，在40kHz左右波動。而且超聲波傳感器發射波束時存在發散角問題，一般發散角都比較大，從而導致了方向性較差。同時，隨著傳播距離的增大，在不同的發散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發散角及耗散性如圖3-4所示。

 

圖3-4  發散角與耗散性

3.3 小結

本章介紹了超聲波測距系統的工作原理和超聲波測距系統微控制器的特點，提出了超聲波測距設計的總體方案，對各功能模塊的方案進行了比較，分析了常用的傳感器，選定了超聲波測距系統設計所需的器件。

第四章 超聲波測距系統的硬件設計

4.1 硬件設計工具平臺簡介

電路及PCB設計是EDA技術中的一個重要內容，而EDA技術是現代電子工程領域的一門新技術，它提供了基于計算機和信息技術的電路系統設計方法。Protel是其中比較杰出的一個軟件，在國內流行最早、應用面最寬。Protel DXP是Altium（Protel Technology前身）公司在2002年8月推出的一套最新Protel DXP電路板設計軟件平臺。該平臺運行與Windows XP/2000操作系統。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產品的優點，更重要的是將所有設計工具集成于設計系統一身。通過把設計輸入仿真、PCB繪制仿真、拓撲自動布線、信號完整性分析和設計輸出等技術的完美融合，為用戶提供了全程的設計解決方案，使用戶可以輕松的進行各種復雜的電路板設計。

使用Protel DXP設計印刷電路板的第一步就是要設計電路原理圖，只有正確設計電路原理圖，生成相應的網絡表之后才能生成PCB文件。在設計時，先分析系統，在進行模塊化的設計，將各部分電路分別設計，得到個模塊電路，在通過融合，實現整體電路的設計，還可以將所有模塊在一張比較大的圖紙上全部畫出來，但在同一張紙以模塊的形式分別設計電路圖，這樣在設計過程中思維比較清晰，設計過程比較簡單，而且更容易檢查錯誤。原理圖的設計相對簡單，在設計完成后要先通過編譯無誤后才生成網絡表，原理圖常見錯誤有：

•管腳沒有接入信號；

•放置導線時Wire與繪圖工具中Line混用，Wire具有電氣特性而Line不具有；

•元件放到圖紙界外；

•創建的工程文件網絡表只能部分調入PCB：生成netlist時沒有選擇為global；

在設計好原理圖，通過編譯檢查，生成了網絡表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導入網絡表之前，要確定原理圖中的元件都有PCB封裝。如果使用的器件在Protel DXP軟件的PCB庫中是沒有封裝的，那就要求自己按照器件的技術手冊封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應注意以下幾點：

•原理圖中所填元件的封裝要與PCB元件庫中的名稱一致。

•原理圖中元件的引腳名稱要與PCB元件庫中的引腳名稱一致。

•直插式元件封裝的孔要比元件的實際尺寸稍微大些，貼片元件的引腳封裝應在條件允許的范圍內盡量加寬、加長，這樣才有利于焊接。

完成以上幾步后，將網絡表導入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導入網絡表的時候通常會出現以下的錯誤：

•原理圖中的元件使用了PCB庫中沒有的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫中名稱不一致的封裝。

•原理圖中的元件使用了PCB庫中pin number不一致的封裝。

網絡表成功導入PCB文件之后對器件進行布局，元件的布局有自動布局和手工布局兩中方式，由于自動布局的效果往往不能令人滿意，所以一般都需要進行手工調整。良好的布局可以降低PCB布線的難度。布局應遵循以下一般原則：

首先，要考慮PCB尺寸大小。PCB尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。在確定PCB尺寸后，再確定特殊元件的位置。最后，根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局。

在確定特殊元件的位置時要遵守以下原則：

①盡可能縮短高頻元器件之間的連線，設法減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件不能相互挨得太近，輸入和輸出元件應盡量遠離。

②某些元器件或導線之間可能有較高的電位差，應加大它們之間的距離，以免放電引出意外短路。帶高電壓的元器件應盡量布置在調試時手不易觸及的地方。

③重量超過15g的元器件、應當用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應裝在整機的機箱底板上，且應考慮散熱問題，熱敏元件應遠離發熱元件。

④對于電位器、可調電感線圈、可變電容器、微動開關等可調元件的布局應考慮整機的結構要求。若是機內調節，應放在印制板上方便于調節的地方；若是機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。

⑤應留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根據電路的功能單元，對電路的全部元器件進行布局時，要符合以下原則：

①按照電路的流程安排各個功能電路單元的位置，使布局便于信號流通，并使信號盡可能保持一致的方向。

②以每個功能電路的核心元件為中心，圍繞它來進行布局。元器件應均勻、整齊、緊湊地排列在PCB上，盡量減少和縮短各元器件之間的引線和連接。

③在高頻下工作的電路，要考慮元器件之間的分布參數。一般電路應盡可能使元器件平行排列，這樣，不但美觀，而且裝焊容易，也易于批量生產。

④位于電路板邊緣的元器件，離電路板邊緣一般不小于2mm。電路板的最佳形狀為矩形，長寬比為3：2或4：3。電路板面尺寸大于200×150mm時，應考慮電路板所受的機械強度。

布線的方式也有兩種：自動布線及手工布線，自動布線效率高，但有時布線的結果不盡如人意，這是因為自動布線的功能主要是實現電氣網絡之間的連接。在自動布線的實施過程中，很少考慮到特殊的電氣、物理和散熱等要求，因此必須通過手工來進行調整，使電路板既能實現正確的電氣連接，又能滿足用戶的設計要求。手工調整布線的最簡便的方法是對不合 理的布線，采取先拆線，后手工布線。在布線的過程中應注意的問題有：

•輸入端與輸出端的邊線應避免相鄰平行，以免產生反射干擾。

•盡量加寬電源、地線寬度，最好是地線比電源線寬，它們的寬度關系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經細寬度可達0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm。對數字電路的PCB可用寬的地導線組成一個回路, 即構成一個地網來使用(模擬電路的地不能這樣使用) 用大面積銅層作地線用,在印制板上把沒被用上的地方都與地相連接作為地線用。

焊盤時，焊盤中心孔要比器件引線直徑稍大一些。焊盤太大易形成虛焊。焊盤外徑D一般不小于(d+1.2)mm，其中d為引線孔徑。對高密度的數字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。

此外，還應注意以下兩點：

•在印制板中有接觸器、繼電器、按鈕等元件時，操作它們時均會產生較大火花放電，必須采用RC電路來吸收放電電流，一般R取1~2K，C取2.2~47uF。

•CMOS的輸入阻抗很高，且易受感應，因此在使用時對不用端要接地或接正電源。

4.2 超聲波測距系統的硬件設計

51系列單片機中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計數器T0和T1，4個8b的I/O端口P0、P1、P2、P3，一個全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內的Flash可編程、可擦除只讀存儲器( PROM )，使其在實際中有著十分廣泛的用途, 在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統中更為有用。該系列單片機引腳圖如圖4-1所示，同時也為了對下面超聲波測距系統的硬件設計進行更清楚的敘述，對其引腳標了號。

51系列單片機提供以下功能: 4kB存儲器；256BRAM；32條I/O 線；2個16b定時/計數器；5個2級中斷源；1個全雙向的串行口以及時鐘電路。

空閑方式: CPU 停止工作，而讓RAM、定時/計數器、串行口和中斷系統繼續工作。

掉電方式: 保存RAM的內容, 振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復位。

51系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內資源，即可在較少外圍電路的情況下構成功能完善的超聲波測距系統。

 

圖4-1  AT89S51引腳圖

4.2.1 超聲波發射電路的設計

超聲波發射電路原理圖如圖4-2所示。

設計原理：發射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構成，AT89S51單片機P1.0端口輸出的40kHz方波信號一路經一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經兩級反向器后送到超聲波換能器的另一個電極。用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發射強度。

輸出端采用兩個反向器并聯，用以提高驅動能力。上拉電阻R8、R9一方面可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅動能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間。

在實驗制作和電路改進中，為了增加測量效果，可以考慮提高接收的靈敏度，但是靈敏度也并不是越高就越好。接收靈敏度過高，容易引起自激，結果反而不好，其實可以從增加發射功率方面著手，只要在發射頭兩端加個線圈。線圈可以用0.01mm的銅絲在小磁環繞成大致初級10匝，次級40匝左右。

  

圖4-2  超聲波發射電路

4.2.2 超聲波檢測接收電路的設計

本超聲波測距儀的接收電路采用集成塊CX20106A，其總放大增益為80db 以保證7腳輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.5-5V以內。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號經C9電容耦合至輸入端1腳，總增益大小由2腳接收器R、C決定。R越小，C越大增益越高，C9選值過大將造成頻率響應變差，為了兼顧總增益和頻率特性R14取4.7 ，C17取3.3μF，3 腳C為檢波電容，選3.3μF，當其容量減小時，瞬態響應，靈敏度會有所提高，但檢波輸出脈沖寬度變動也較大。帶通濾波特性，可由5腳R15電阻決定其值在210K-220K間調整，本設計R15定為200K。用金屬膜電阻調試，若其阻值偏差過大，中心頻率也將相對偏移。所以當信號經過帶通濾波器時，增益將大大降低，6腳C6電容為比較積分電容，7腳R16為輸出負載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當電容容量減小或失效時，將造成濾波不良，可能干擾接收輸入端。超聲波接收電路如圖4-3所示。

CX20106是紅外遙控接收前置放大雙極性電路，引腳意義如下：

1 IN    遙控信號輸入端(此腳與地之間接紅外線接收二極管

2      前置放大器頻率特性和增益設定(此腳與地之間接RC串連電路)

3     接檢波電容

4 GND   接地

5      設定帶通濾波器的中心頻率(此腳與電源間接電阻)

6      外接積分電容

7 OUT   遙控指令輸出端

8      外接電源

典型電壓5V，典型功耗9mW。帶通濾波器的中心頻率可由電阻調節，范圍30－60kHz。配套使用型號為M50462AP。

 

圖4-3  超聲波接收電路

4.2.3 超聲波蜂鳴報警電路的設計

蜂鳴報警電路是采用揚聲器來對所設置的報警距離實施報警，以向駕駛員提出警示。

本系統可以設定距離值，當大于或小于設定值時將發出控制信號。當小于設定值時，進入蜂鳴報警狀態，通過一個NPN晶體管來驅動蜂鳴器，不需要復雜的濾波和放大電路，具有自動平滑功能，蜂鳴器鳴響。

超聲波蜂鳴報警電路如圖4-4所示。

 

圖4-4  超聲波蜂鳴報警電路

4.2.4 超聲波系統鍵盤電路的設計

鍵盤電路是用來對最大測距、最小測距以及有關參數進行設置。

鍵盤輸入：開啟值30-1000厘米，關閉值30-1000厘米（在該范圍內任意設置）。本系統由一個按鍵 啟動/停止系統，由三個按鍵設定距離值： 的作用是進入和退出設定， 和 ：分別是向上加值和向下減值，每按一次加或減一厘米，由數碼管輸出顯示。超聲波系統鍵盤電路如圖4-5示。

 

圖4-5  超聲波系統鍵盤電路

4.2.5 超聲波濾波整流電路的設計

超聲波濾波整流電路如圖4-6所示。該電路是用來把反射信號轉換為標準電平信號，通過整形把檢波后得到的不標準的脈沖波整形為標準脈沖波。

信號整形電路：當接收到的信號從信號篩選電路中出來之后是一個很不規則的方波信號，希望最好得到一脈沖信號，經過此部分電路處理過后再送進單片機中進行處理運算。

因為多諧振蕩器中有高頻分量噪聲，所以通過低通濾波器將高頻噪聲濾掉。本信號篩選電路在整個電路中可以說起到非常重要的作用，通過對它的適當調整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來的非超聲波信號進入超聲波接收系統，從而大 大提高了本電路的抗干擾性。

 

圖4-6  超聲波濾波整流電路

4.2.6 時鐘和復位電路設計

（1）復位電路的設計

在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腿時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環復位。復位后P0－P3口均置1引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變為低電平時，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位操作不會對內部RAM有所影響。

（2）時鐘電路的設計

時鐘振蕩器：

AT89S51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器。

外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1，C2接在放大器的反饋回路中構成并聯諧振電路。對外接電容C20，C25雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低，振蕩器工作的穩定性，起振的難易程序及溫度穩定性，如果使用石英晶體，推薦電容使用30pF 10pF ,而使用陶瓷諧振器建議選擇40pF 10pF。

可以采用外部時鐘。這種情況下，外部時鐘接到XTAL1端，即內部時鐘發生器的輸入端，XTAL2則懸空。

由于外部時鐘信號是通過一個二分頻觸發器后作為內部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊的要求，但最小高電平持續時間和最大的低電平持續時間應符合產品技術條件的要求。時鐘復位電路如圖4-7所示：

 

圖4-7  時鐘和復位電路

4.2.7 擴展顯示電路的設計

回波經過AT89S51對接收到的信息進行處理后，被測的距離在LED上顯示。

顯示電路采用簡單實用的四位一體共陽極LED數碼管顯示所測距離值，顯示電平使用低電平有效。段碼用74LS245驅動，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅動。顯示電路如圖4-8所示。

數碼管采用動態掃描顯示，動態掃描顯示的好處是對CPU的I/O口要求較少，但對電路的干擾較大，注意PCB板的布線和對接收放大電源的穩定性要進行補償處理，否則對其影響很大。

74LS245雙向總線接收器簡要說明：74LS245為三態輸出的八組總線收發器，其主要電器特性的典型值如表4-1所示(不同廠家具體值有差別)。

表4-1  74LS245電器特性

 

 

 

 

74LS245 8ns 8ns 275mW

引出端符號：A     A總線端

B     B總線端

      三態允許端(低電平有效)

DIR   方向控制端

極限值：電源電壓 …………………………………………. 7V

輸入電壓 …………………………………………. 7V

輸出高阻態時高電平電壓 ……………………… 5.5V

工作環境溫度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存儲溫度 ………………………………………-65~150℃

 

圖4-8  顯示電路

4.3 小結

本章首先介紹了做設計的硬件設計工具Protel DXP，然后對超聲波測距系統的硬件各電路功能模塊包括發射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機控制器及一些輔助電路進行了詳細的敘述，給出了詳細的原理圖。

本系統利用AT89S51產生40kHz的頻率驅動超聲波換能器的發射頭，接收頭收到信號后，經CX20106A芯片進行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機的外部中斷0申請中斷，單片機響應中斷請求，取得定時器內的時間進行距離計算，用四位一體的數碼管顯示測出的距離，并可根據設定報警距離進行報警。

 

第五章 超聲波測距系統聯機調試與結論

5.1 系統硬件電路調試與分析

5.1.1 調試儀器和內容

（1）測試試驗方法：可通過顯示電路實驗、超聲波發射接收以及測距試驗進行調試。

測試儀器：示波器，多功能穩壓電源，電壓表，秒表。

（2）調試內容

超聲波測距儀的制作和調試都比較簡單，安裝時探頭時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。

系統調試完后對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優化系統使其達到實際使用的測量要求。

5.1.2 調試過程

系統采用模塊化電路設計, 采用較低的外部晶振和中周電路固化的超聲波探頭，數字和模擬部分電路分開供電，以提高系統抗干擾能力，但由于實際應用中仍存在較多電磁干擾，而回波信號為小信號輸入, 系統調試中通過硬件補償的方式對電路進行了優化和調整，使系統達到了較高的可靠性。

測距系統經過檢波等硬件處理后的波形如圖5-1所示：

在檢測時，發送完檢測脈沖后立刻進行判斷負脈沖的長短，從而確定是否有障礙物存在。無障礙物時負脈沖寬度固定為t1，有障礙物時負脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測負脈沖。t1、t2的寬度與發送的脈沖周期數有關。周波數越多，t1越寬，檢測距離越遠，反之亦然。T3與T4之間的長度會隨障礙物的距離而先行變化。因此，只要檢測出t1、t2及T3與T4之間的長度即可判斷障礙物距離。

（1）7段數碼管的測試

LED數碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發光二極管的正極接到一塊（一般是拼成一個8字加一個小數點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應用時這個腳就分別的接VCC和GND。再把多個這樣的8字裝在一起就成了多位的數碼管了。

    首先，找個電源（3到5伏）和1個1K（幾百的也歐的也行）的電阻，VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上，組合有很多，但總有一個LED會發光的找到一個就夠了，然后用GND不動，VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那就是共陰的了。相反用VCC不動，GND逐個碰剩下的腳，如果有多個LED（一般是8個），那就是共陽的了。

（2）發射器探頭對接收器探頭的影響

超聲波從發射到接收的時間 間隔是由控制器內部的定時器來完成的。由于發射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經被測物就直接繞射到接收器上，造成發送部分與接受部分的直接串擾問題。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發射開始到"虛假反射波"結束的時間段里的信號。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm的“盲區”。此“盲區”很小，對本系統沒有影響。

（3）調試注意事項

•超聲波探頭表面嚴禁用手及其它物體觸摸以免產生信號滯后性及損壞。

•在測距中應保證測距儀與被測物體距離為定值，要和被測物體成一條直線，使測得距離讀數的準確性。

5.1.3 測試數據及測試結果分析計算

傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V

試驗數據：簡單搭建電路板并調試后，對一500mm寬的距離測試，所測數據如表5-1所示（單位:mm）。

表5-1  500mm寬的距離測試數據

次數 1 2 3 4 5 平均

測值 500.3 499.8 499.9 500.1 500.0 500.03

該測距系統使用方便、精度高，在一些惡劣環境，如極易被腐蝕、電解，失去靈敏性等工礦業現場將大有用武之地。

（1）測試結果與分析

超聲波測距系統調試完成后，對系統進行了測試。在超聲波換能器與較大平面(如墻壁面)法線方向一致時，量程為0.07~5.50m，測距盲區控制在20cm內，分辨率為0.01m，實驗中對測量范圍0.07~2.50m內的平面物體做了多次測試，測距器的最大誤差不超過1cm，重復一致性很好。因為超聲波具有一定發散角，所以當在正前方和斜前方都有物體時，會以距發射器最近的物體作為探測目標。目前此設計可提交于應用于一些動機器人、安全線提示，銀行及取款機的一米線提示等場合。

（2）誤差分析

對系統進行實驗測試，結果發現在5米范圍內，最大誤差在5cm以內，且距離越近，誤差越小，限制該系統最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。

測距誤差主要來源于以下幾個方面：

①氣溫度變化等引起的聲速變化造成的誤差，溫度在-30℃-40℃范圍變化時，傳播速度v的變化范圍為313米/秒-356米/秒，由測距公式可計算出距離值有一定影響，采用聲速預置和傳播介質溫度測量結合的方法對聲速進行修正，可有效地降低溫度變化產生的誤差。

②發射與脈沖計數由于響應快慢差異開啟不同步引起的誤差，對此在調試中通過脈沖計數值補償進行修正。

③超聲波在傳播過程由于受衍射、散射和吸收等影響衰減導致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠產生的誤差越大，可適當增大超聲波的發射功率等來改善。

④發射和接受前置電路延遲的時間誤差等，發射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時間延遲。對此采取時間增益控制，來減少誤差，由于本裝置對于厘米級的精度已經足夠，電路延遲都是納秒數量級，記數頻率是40kHz，所以減少一個記數單位完全可以矯正。針對誤差原因在程序設計及系統調試中做了相應處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

⑤超聲波波束對探測目標的入射角的影響。

⑥超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關系。

⑦超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，傳播媒質的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產生影響。因此，為了準確地計算距離，應對聲速加以修正，系統程序中采用了軟件補償措施。

（3）誤差改進

由于考慮到體積、成本等因素，本裝置在性能上、功能上還存在不足，有待于進一步提高：

•增加幾路不同方向的超聲波探測或紅外探測器以及溫度補償電路等，可以提高裝置的靈敏度和精度,同時提高可靠性。

•可在裝置中增加一個語音芯片，將蜂鳴報警改為語音說明指示，根據探測結果直接報出距離、方位，更便于使用。

•由于受發射功率及回波檢測靈敏度的限制，探測范圍較小，可增加發射功率調節等電路，以便增大探測范圍，可用于夜間探路、井下探索等。

（4）溫度的補償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。

所以，在超聲波的兩個探頭旁邊可放置溫度傳感器，測出環境溫度T，由單片機控制器進行軟件修正。

5.2 系統源程序的調試過程

5.2.1 軟件仿真驗證

本設計采用51匯編語言編寫，用Keil C51編譯和調試。這里采用光電二極管和光電三極管來代替超聲波發送探頭和超聲波接收探頭，且空中傳播過程略去仿真。聯調仿真后，可見數字電路的延遲效果比較明顯，所以需要軟件矯正。

由于超聲波探頭存在余震效應, 為避免余震產生的“虛假反射波”超聲測距數據的采集與處理錯誤申請中斷，超聲波脈沖發射后軟件中設置了一段時間的延時，稱為“死區”時間，“死區”形成了距離測量中的“盲區”，由于探頭的性能誤差，運行后要不斷調整探頭的“死區”。經過應用過程的調試，本系統的測量“盲區”控制在20cm內，“死區”時間為115ms，測量誤差為±1cm。

結  論

本文所設計的倒車雷達系統是保障汽車倒車安全的輔助系統，通過超聲波探頭發出超聲波，使用高速單片機計算距離，還可加入了溫度補償電路，提高了距離計算的精度。系統安裝的LED可以直觀的顯示溫度和距離，給駕駛員提供了方便。倒車時當汽車與障礙物的距離小于所設定的安全距離時，系統發出報警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強的實用性。

整個報警器系統由汽車倒車擋控制，當汽車置于倒車擋時，報警器工作；置于其它擋時，報警器不工作。在環境溫度為-20～50℃的范圍內，測量誤差為幾個厘米，這個誤差能滿足正常倒車的需要。因為本設計所采用的超聲波傳感器的輻射范圍是   60°，所以在安裝時，需在車尾裝3～4個超聲波傳感器，這樣才能覆蓋整個范圍。

利用51系列單片機設計的測距儀便于操作、讀數直觀。經實際測試證明, 該類測距儀工作穩定, 能滿足一般近距離測距的要求, 且成本較低、有良好的性價比。

本超聲波測距系統可應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業現場的位置監 控，也可用于如液位、井深、管道長度的測量等場合，覺得這次的設計實用性極強。

通過一學期的努力，完成了超聲波測距系統的設計。設計滿足了任務書中的基本要求和擴展要求，軟、硬件設計已達到預期效果。主要完成的工作有：

①學會了使用Protel軟件繪制原理圖和PCB板圖。

②完成了超聲波測距系統的各個功能模塊的硬件設計與調試。

③已經通過系統的軟硬件聯合調試，距離通過LED顯示出來。

由于時間和能力有限，本次設計還有一些不足之處，主要有以下幾方面：

①由于經驗不足，在設計超聲波測距系統的時候，設計原理圖與PCB板圖的時候出現了一些問題。

②在調試時，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。

本文創新點：

①測試結果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設計制作，且誤差較小，完全滿足汽車倒車的指引作用，具有較高的性價比。

②裝置結構簡單、體積小、性能穩定，操作容易、使用方便，可以安裝在不同的載體上，制作成不同的用具，如導盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應用價值。

致  謝

感謝西南科技大學。在這里，我開闊了見識，增長了知識，鍛煉了能力。大學四年的親身體驗讓我更增加了對學校的熱愛。

感謝我的指導老師曾毅對我的辛勤培育。從論文的立題到實驗的設計以及論文的撰寫整個過程無不浸透著老師的心血。他廣博的學識，嚴肅的科學態度，嚴謹的治學精神，靈活的思維方式，耐心細致的言傳身教深深感染激勵著我，將使我終身受益。導師不但在學習上給予我耐心細致的指導，在生活中也給了我莫大的關懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。

    感謝大學四年所有指導過的老師。在學習的過程中給了我很多的指導，讓我在理論知識和動手能力上都有很大的提高。

在完成畢業設計和畢業論文的過程中，我們寢室的同學給了我很大的幫助，在此向他們表示深深的感謝。

感謝父母二十多年來的養育之恩，讓我順利的完成了四年的大學學業，并讓我獲取了一定的知識并最終走向社會，為社會貢獻自己!

最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進行審閱、評議和參加本人論文答辯的各位老師表示感謝

參考文獻

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[15] Rabiner L R and Gold B. Theory and Application of Digital signal Processing [M].Prentice-Hill Inc, 1975.

附  錄

附錄1：系統總原理圖

 

附錄2：AT89S51引腳功能

Vcc：電源電壓；GND：地

RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現機器周期以上高電平將使單片機復位。

P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動8個TTL邏輯門電路，對斷口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。

在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。

在Flash編程時，P0口接收指令字節。而在程序檢驗時，輸出指令字節，校驗時，要求外接上拉電阻。

P1口：P1是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸出口使用時，因為存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ ）。

Flash編程和程序校驗期間，P1口接受低8位地址。

P2口：P2是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸出口使用時，因為存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ ）。

在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數據存儲器P2口送出高8位地址數據。在訪問八位地址的外部數據存儲器，P2口線上的內容（也即特殊功能存儲器（SFR）區中R2寄存器）。在整個訪問期間不改變。

FLASH編程或校驗時，P2亦接受地址和其它控制信號

P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）四個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時。它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（I ）。

P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表③-2所示。P3口還接受一些用于FLASH閃速存儲器和程序校驗的控制信號。

表1  P3口的分配

端口引腳 第二功能

P3.0 RXD（串性輸入口）

P3.1 TXD(串行輸出口)

P3.2  （外中段0）

P3.3  （外中段1）

P3.4  （定時/計數器0）

P3.5  （定時/計數器1）

P3.6  （外部數據存儲器寫選通）

P3.7  （外部數據存儲器讀選通）

ALE：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低八位字節。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出 固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ ）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執行外部程序時，應設置ALE無效。

 ：程序儲存允許（ ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 信號不出現。

EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp。當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。

XTAL1：振蕩器反相放大器的及內部時鐘發生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端