基于超声波传感器的障碍物检测课程设计
基于单片机技术的超声波测距盲杖的设计
基于单片机技术的超声波测距盲杖的设计摘要：超声波测距盲杖是一种盲人助行工具，可以提供距离信息，帮助盲人行走。
本文介绍了超声波测距盲杖的系统组成和工作原理，并设计了测距模块、语音提示模块、蓝牙连接模块。
其中超声波测距模块和语音提示模块是本设计的重点。
本系统采用51单片机作为主控芯片，利用超声波测距原理和语音提示功能，实现了盲人在行走过程中的实时距离监测、障碍物检测、安全警报等功能，具有成本低、体积小、可靠性高等特点。
测试结果表明，本系统测量数据准确、可靠性高、可重复性强，能够满足盲人使用需求。
关键词：超声波测距单片机语音提示1.引言根据新思界产业研究中心发布的《2021-2025年全球盲人智能助视器行业深度市场调研及重点区域研究报告》显示，在全球中，中国是盲人数量最多的国家，在2020年盲人数量约为830万人，占全球失明人口的21%左右。
而短短两年——2022年4月23日，中国盲人协会转载的人民日报发布的《喜马拉雅助力中国盲人协会，共同孵化盲人音频主播》中显示，中国约有1731万盲人，每年因盲人在日常生活中的障碍而导致的事故达10万起，由于没有必要的无障碍设施，这些盲人无法正常的出行。
因此，研究一种能够辅助盲人安全出行的工具非常有必要。
目前市面上已有很多种类的助行工具，如手杖、盲杖、导盲犬等。
但这些助行工具均存在一些不足，如价格昂贵、携带不便、使用时间短等。
基于以上因素，本文主要研究一种基于单片机开发的超声波测距盲杖。
超声波测距是一种非接触式测量方法，具有精度高、响应速度快、抗电磁干扰等优点。
利用超声波测距原理可以实现对障碍物距离的测量。
超声波测距目前在医疗上使用比较广泛。
超声波测距系统主要是利用超声波在介质中传播时遇到障碍物反射回来的时间来计算距离。
本项目在设计上主要考虑以下几点：一是采用单片机作为控制核心，利用超声波测距原理实现对障碍物距离的测量；二是通过语音提示功能实现对障碍物距离进行播报；三是设计蓝牙模块可以发送超声波所测得的距离。
超声波传感器测距的教案
超声波传感器测距的教案教案一课题：超声波传感器测距教学目标：1. 让学生理解超声波传感器的工作原理和应用。
2. 学生能够掌握超声波传感器测距的方法和步骤。
3. 通过实验探究，培养学生的科学思维和实践能力。
4. 激发学生对科学技术的兴趣和探索精神。
教学重点与难点：- 教学重点：超声波传感器的工作原理和测距方法。
- 教学难点：理解超声波传播过程中的时间与距离的关系。
教学方法：实验探究法、小组合作法教学过程：一、导入新课展示一些利用超声波传感器的实际应用场景，如倒车雷达、自动门等，引导学生思考超声波是如何实现测距功能的。
二、新课讲授1. 讲解超声波的特性，如方向性好、穿透力强等。
2. 引出超声波传感器，结合实物介绍其结构和组成部分。
3. 阐述超声波传感器测距的原理：通过发射超声波并接收反射波，根据时间差计算距离。
三、实验探究1. 分组进行实验，每组一套超声波传感器实验装置。
2. 教师指导学生进行实验操作，包括连接电路、设置参数等。
对话示例：师：“同学们，现在大家开始分组进行实验，先检查一下实验装置是否齐全，然后按照步骤进行操作。
”生：“好的，老师。
”师：“在连接电路的时候要注意正负极哦，有不明白的随时问老师。
”3. 记录实验数据，如发射和接收的时间差。
四、数据分析与讨论1. 各小组汇报实验数据。
2. 共同分析数据，探讨影响测距精度的因素。
对话示例：师：“请各个小组把你们的实验数据分享一下。
”生：“我们这组测了几个不同距离的数据……”师：“大家一起来分析一下这些数据，看看能发现什么问题。
”五、知识拓展介绍超声波传感器在其他领域的应用，如工业自动化、医疗等。
六、总结归纳1. 回顾本节课的重点内容：超声波传感器的原理和测距方法。
2. 强调实验过程中的注意事项和科学态度。
教材分析：本节课的内容紧密结合实际应用，通过对超声波传感器的学习，使学生了解现代科技在日常生活中的应用。
教材内容循序渐进，从超声波的基本特性到传感器的工作原理，再到具体的测距方法，有利于学生逐步掌握知识。
超声波避障实训报告
一、引言随着科技的发展，智能设备在各个领域得到了广泛的应用。
超声波避障技术作为一种常见的传感器技术，在智能机器人、自动导航小车等领域有着广泛的应用前景。
为了提高对超声波避障技术的理解和应用能力，我们开展了超声波避障实训，通过实际操作和理论分析，深入了解超声波避障系统的原理、设计及实现方法。
二、实训目的1. 了解超声波避障技术的原理和应用；2. 掌握超声波避障系统的设计方法；3. 熟悉超声波避障模块的选型和连接；4. 掌握超声波避障系统在实际应用中的调试和优化。
三、实训内容1. 超声波避障原理超声波避障技术是基于声波传播原理的一种非接触式测距技术。
当超声波发射器发出声波时，声波遇到障碍物会反射回来，通过测量发射和接收声波的时间差，即可计算出障碍物与传感器的距离。
2. 超声波避障系统设计（1）系统组成超声波避障系统主要由超声波发射器、超声波接收器、单片机、驱动电路和电源组成。
（2）系统设计① 超声波发射器：选用HC-SR04超声波测距模块，该模块具有高分辨率、高精度和低功耗等特点。
② 超声波接收器：选用MP3183超声波接收模块，该模块具有抗干扰能力强、响应速度快等特点。
③ 单片机：选用STM32F103C8T6单片机，该单片机具有高性能、低功耗、丰富的片上资源等特点。
④ 驱动电路：选用L298N电机驱动芯片，该芯片具有驱动能力强、工作电压范围宽等特点。
⑤ 电源：选用5V直流电源，为整个系统提供稳定可靠的电力支持。
3. 超声波避障系统实现（1）硬件连接将超声波发射器、接收器、单片机、驱动电路和电源按照设计要求进行连接，确保各个模块之间通信正常。
（2）软件设计① 初始化：设置单片机的工作模式、时钟频率、GPIO端口等。
② 超声波测距：通过单片机控制超声波发射器发送脉冲信号，并读取接收器返回的脉冲信号，计算出距离。
③ 驱动控制：根据测得的距离，判断是否需要避障，并控制小车进行相应的动作。
4. 超声波避障系统调试与优化（1）调试① 测试超声波测距模块的准确性：通过实际测量不同距离的障碍物，验证测距模块的准确性。
超声波避障系统设计
• 引言 • 系统硬件设计 • 系统软件设计 • 系统测试与验证 • 系统优化与改进 • 结论与展望
01
引言
目的和背景
目的
设计一种能够实时检测障碍物并实现自动避障的超声波避障 系统，以提高机器人或无人驾驶车辆的安全性和自主性。
背景
随着机器人和无人驾驶技术的快速发展，避障系统成为了实 现自主导航的关键技术之一。超声波传感器因其价格低廉、 性能稳定、易于安装等优点而被广泛应用于避障系统中。
用户体验
用户友好型的设计使得该系统易于使用，无需复杂的设置 或培训。此外，系统还具备较高的性价比，适合大规模生 产和应用。
性能评估
经过实际测试，该系统在各种环境条件下均表现出良好的 稳定性和可靠性，且响应速度快，能够满足实时避障的需 求。
改进空间
尽管本设计在许多方面都取得了成功，但仍存在一些局限 性，如对复杂环境的适应性、系统精度和稳定性等方面还 有待进一步提高。
测距原理
超声波测距基于声波的传 播速度和往返时间计算距 离。
精度与误差
考虑声波传播速度、温度 和空气密度等因素对测距 精度的影响。
抗干扰能力
优化算法以减少环境噪声
根据系统需求，设计合适的硬件接口，如 GPIO、串口等。
定时器配置
使用定时器产生超声波发送和接收的时序。
传感器数据和控制避障系统。
性能要求
02
根据系统复杂性和数据处理需求，选择具有足够处理能力和I/O
端口的微控制器。
编程语言
03
确保微控制器支持所需的编程语言，以便进行系统开发和编程。
电源模块设计
电源选择
为系统提供稳定的电源，考虑使 用电池或外部电源，以满足系统 长时间运行的需求。
基于超声波传感器的测距系统设计课程设计说明书（可编辑）
基于超声波传感器的测距系统设计课程设计说明书课程设计说明书成绩题目基于超声波传感器的测距系统设计课程名称检测技术及系统课程设计1.课程设计应达到的目的通过对本课程的设计,使学生掌握常见被测量的检测原理、方法和技术,了解国内外对这些工程量进行测控的系统组建原理,通过对检测系统的设计与分析,增强学生理解和运用所学知识来解决实际问题的能力,逐步掌握根据具体测控要求、性能指标设计出先进测控系统的方法和技术。
2.课程设计题目及要求题目:基于超声波传感器的测距系统设计要求:(1)测距范围:0~200mm,测距精度:±1mm;(2)根据题意,明确测距系统性能指标及系统能完成的功能;(3)根据系统要求,选择合适的传感器;(4)设计传感器测量电路;(5)选择单片机的品种、型号,设计单片机的外围测量电路;(6)计算有关的电路参数,有条件的情况下,根据实验室现有设备进行实验数据的测取,明确测量电路输出与被测非电量的关系;(7)画出系统原理框图(此部分放在说明书的开始);(8)画出系统电路图,最好用PROTEL画;(9)在说明书中详细说明本系统工作原理。
3.课程设计任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书、图纸、实物样品等要求〕给出设计说明书一份;有条件的情况下尽量给出必要的实验数据;在说明书中附上完整的系统电路原理图(手画或用PROTEL画)。
4.主要参考文献李现明,吴皓编著.自动检测技术.北京:机械工业出版社,2009徐仁贵.单片微型计算机应用技术.北京:机械工业出版社.2001陈爱弟.Protel99实用培训教程.北京:人民邮电出版社.20005.课程设计进度安排起止日期工作内容13年6月3日布置设计任务,熟悉课题,查找资料;13年6月4日结合测控对象,选择合适的传感器,理解传感器性能;13年6月5日做实验,设计传感器测量电路,选择合适的单片机,设计其外围电路;13年6月6日设计电路参数,有条件情况下,在实验室进行实验,进一步理解测量电路输入输出关系;13年6月7日继续设计论证电路参数,完善系统设计方案;13年6月8日查找资料,理解系统各部分工作原理;13年6月9日理清系统说明要点,着手设计说明书的书写;13年6月13日书写设计说明书,充分理解系统每一部分作用;13年6月14日上午完善设计说明书,准备设计答辩。
基于超声波技术的避障系统设计【开题报告】
毕业设计开题报告测控技术与仪器基于超声波技术的避障系统设计1选题的背景、意义目前，智能设备技术是世界上最热门的研究领域之一，很多成熟的智能化产品已经在不同领域得到广泛的应用。
伴随着智能化技术普遍涉及自动控制、电子技术、计算机、传感器和机械工程等学科技术的飞速发展，伴随着社会发展的需要，智能技术的应用环境和功能任务越来越复杂，采用的新理论、新方法、新技术也越来越多。
近年来，在科学研究、紧急抢救、生产制造等生产生活中时常会碰到一些因为有一定的危险性或其它原因而使人类所不能做到的事或不能到达的地方，这就需要借助于一些智能化设备。
在智能设备的移动过程中免不了会遇到各种障碍物，这就要求设备能自动并且及时的避开这些障碍物。
所以，关于自动避障的研究就自然而然的产生了。
随着先进技术和传感器的发展与应用，移动的智能化设配的应用越来越多方面，其研究领域也越来越广泛。
自动避障的实现方法各种各样，其使用的传感器主要有超声波传感器、红外线传感器、激光传感器等。
目前，超声避障实现方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到实用的要求，因此成为常用的避障方法[3]。
移动智能化设配涉及到机械、控制、传感器、计算机、人工智能与网络等多个领域，是多种先进技术发展的综合体。
因此，众多学科的发展都能不断带动智能化设配的发展。
随着微处理器技术、网络技术、传感器技术的不断进步，智能化设配作为一种功能强大、应用广泛的多技术融合体，渐渐地步入人们的视野[9]。
国内外的很多科研人员正热衷于智能化设配的开发与研究。
自主避障就是在没有人的干预下使机器人有目的地移动，发现并自动避开途中的障碍物，完成指定任务和操作。
设配通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作[10]。
它可以使设配的本体以及重要零部件不被损坏，使设配在任何环境下都能够正常且顺利的完成给定的任务。
在国际上，智能化设配的研发程度已经很高，其智能化的水平也在不断提高，很多公司和机构已推出了成熟的智能化机器人产品或样机。
第12课 声波测距避障碍
第12课声波测距避障碍【教学目标】1、初步认识超声波传感器，了解超声波传感器的作用。
2、能够搭建校车模型，了解小车避障的原理。
3、能够通过Scraino软件编写程序，使用超声波传感器实现小车的自动避障功能。
【教学重点】了解超声波传感器的作用，编写Scraino软件程序，实现小车避障。
【教学难点】利用Scraino软件编写程序，实现小车避障。
【教学准备】计算机网络教室 Scraino软件【教学设计】一、情境导入学生观看无人驾驶汽车的视频，随后教师提出问题，进行讨论：1、你觉得无人驾驶汽车与普通的汽车有哪些不同？2、无人驾驶汽车带给人的便利有哪些？3、无人驾驶汽车的如何实现的？二、探究新知人们在驾驶汽车时，靠眼睛识别前方的障碍物，然后将信息传递给大脑，从而做出避让或停车的判断。
有了传感器技术和电脑控制处理系统后，这一切都可以通过程序进行控制，并对道路状况进行识别和判断，实现汽车的自动驾驶和避避障。
1搭建感应避障车（1）教师讲解感应避障车各部分硬件的作用。
（2）教师给出感应避障车的模型分析图，一级与Nano控制器的连接图，学生动手操作。
1、编写避障程序（1）通过实例学习“如果……那么……否则”积木、侦测积木、超声波传感器积木的使用。
（2）结合“小秘笈”，提出问题：A.如何使用程序实现小车前进？B.如何使用程序实现车轮的转向？（3）小组分析讨论，编写程序，使自己的小车动起来。
（4）小组成果展示，班级成员进行展评。
三、拓展应用提出问题：1.在之前活动的基础上，如何实现小车向左转、向右转的避障效果？2.如果检测到前方一定距离出现障碍物时，让小车慢慢减速、停止，然后在后退。
我们改如何修改我们的程序才能实现这一功能？四、汇报交流1.各小组选出本组最佳作品进行汇报交流。
2.评选出班级最佳作品，在教室的作品区进行展示。
【教学反思】。
基于超声波测距倒车雷达系统设计本科毕业设计
基于超声波测距倒车雷达系统设计1 引言近年来，随着汽车产业的迅速发展和人们生活水平的不断提高，我国的汽车数量正逐年增加。
同时汽车驾驶人员中非职业汽车驾驶人员的比例也逐年增加。
在公路、街道、停车场、车库等拥挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事故。
据相关调查统计，15％的汽车碰撞事故是因倒车时汽车的后视能力不良造成的。
因此。
增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些年来的研究热点。
安全避免障碍物的前提是快速、准确地测量障碍物与汽车之间的距离。
为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒车雷达系统。
2 整体设计及原理超声波一般指频率在20 kHz以上的机械波，具有穿透性强，衰减小，反射能力强等特点。
工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路提供一个短脉冲。
最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计算出车与障碍物之间的距离。
超声波测距原理简单，成本低，制作方便，但其传输速度受天气影响较大，不能精确测距；另外，超声波能量与距离的平方成正比衰减，因此，距离越远，灵敏度越低，从而使超声波测距方式只适用于较短距离。
目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距离为4～5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。
该倒车雷达系统采用单片机控制，如图1所示。
利用超声波实现无接触测距，并考虑测量环境温度对超声波波速的影响，而且通过温度补偿法对速度进行校正。
使用由集成数字传感器DS18B20构成的温度测量电路，可直接读取温度值，再根据温度补偿得出超声波在某一温度下的波速，由单片机计数脉冲个数获得传播时间，根据超声波测距原理测得并显示距离，再根据显示的距离控制蜂鸣器的发声频率。
2.1超声波测距原理目前，利用超声波测距的方法有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种。
相位检测的精度高，但检测范围有限；声波幅值检测易受反射波的影响；渡越时间检测工作方式简单、直观，在硬件控制和软件设计容易实现，其原理是检测从发射传感器发射超声波到经气体介质传播后接收传感器接收超声波的时间差，即渡越时间t。
基于超声波传感器的测距系统设计毕业设计论文
J I A N G X I N O R M A L U N I V E R S I T Y传感器原理课程设计题目：基于超声波传感器的测距系统院系名称：物理与通信电子学院学生姓名：学生学号：专业：电子信息工程任课老师：完成时间： 2015年6月摘要本文主要介绍了基于超声波传感器的测距系统的工作原理、硬件电路的设计和软件设计。
该测距系统由单片机最小系统模块、温度采集模块、超声波测距模块，LCD显示模块组成。
能够完成距离和温度的测量、显示等功能。
关键词：超声波测距，单片机最小系统，温度采集摘要------------------------------------------------------------------------------------------------- I 1引言 ---------------------------------------------------------------------------------------------- 22 设计要求---------------------------------------------------------------------------------------- 23 方案论证---------------------------------------------------------------------------------------- 23.1 方案论证与比较 ---------------------------------------------------------------------- 33.2 单片机最小系统模块的方案 ------------------------------------------------------- 33.3温度采集模块的方案----------------------------------------------------------------- 43.4超声波测距模块的方案-------------------------------------------------------------- 43.5 显示模块的方案 ---------------------------------------------------------------------- 4 5 系统设计---------------------------------------------------------------------------------------- 55.1单片机最小系统模块的设计-------------------------------------------------------- 55.1.1复位电路的设计--------------------------------------------------------------- 55.1.2 时钟电路设计----------------------------------------------------------------- 65.1.3单片机的I/O口的分配 ------------------------------------------------------ 65.2 LCD1602显示模块的设计 ---------------------------------------------------------- 75.2.1 1602接口信号说明----------------------------------------------------------- 85.2.2 1602操作时序----------------------------------------------------------------- 85.3 DS18B20温度采集模块的设计 ---------------------------------------------------- 95.3.1 DS18B20的分辨率 --------------------------------------------------------- 105.3.2 DS18B20工作时序图 ------------------------------------------------------ 105.4超声波测距模块的设计------------------------------------------------------------ 116 软件设计-------------------------------------------------------------------------------------- 126.1 程序流程图 -------------------------------------------------------------------------- 136.1.1 主程序流程图--------------------------------------------------------------- 136.1.2 外部中断0流程图--------------------------------------------------------- 146.2子程序设计 --------------------------------------------------------------------------- 146.2.1温度采集模块子程序------------------------------------------------------- 146.2.2 LCD显示子程序------------------------------------------------------------ 167 误差分析-------------------------------------------------------------------------------------- 187.1 温度 ----------------------------------------------------------------------------------- 187.2 障碍物表面材料 -------------------------------------------------------------------- 187.3 超声波模块探头距离 -------------------------------------------------------------- 18 8总结 -------------------------------------------------------------------------------------------- 18 参考文献----------------------------------------------------------------------------------------- 19 附录一：源程序-------------------------------------------------------------------------------- 20 附录二：实物图-------------------------------------------------------------------------------- 261引言近年来，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。
超声波避障课程设计
超声波避障课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握超声波的基本概念，理解其传播原理；2. 使学生了解超声波在避障领域的应用，认识其在现实生活中的重要性；3. 帮助学生理解超声波避障系统的组成及工作原理。
技能目标：1. 培养学生运用所学知识，设计并搭建简单的超声波避障系统的能力；2. 提高学生运用实验方法，分析并解决实际问题的能力；3. 培养学生团队合作和沟通交流的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对物理科学的兴趣，激发他们探索未知、勇于创新的热情；2. 培养学生面对问题时，保持积极乐观的心态，勇于克服困难；3. 增强学生的环保意识，让他们明白科学技术在保护环境方面的重要性。
分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为物理学科拓展课程，适用于八年级学生。
学生在本年级已经具备了一定的物理知识基础，对科学实验有较高的兴趣。
课程要求结合课本知识，注重实践操作，让学生在动手实践中掌握超声波避障技术。
二、教学内容1. 超声波基本概念：介绍超声波的定义、传播特性及其在生活中的应用；相关教材章节：第二章第四节《声波的传播》。
2. 超声波传播原理：讲解超声波的传播方程、声速计算及声波反射、折射等现象；相关教材章节：第二章第五节《声波的反射与折射》。
3. 超声波避障原理：分析超声波避障系统的组成、工作原理及其优缺点；相关教材章节：第三章第十节《现代导航与定位技术》。
4. 实践操作：分组进行超声波避障系统的设计与搭建，开展实验操作；相关教材章节：实践活动《设计与制作简单的超声波避障系统》。
5. 实验数据分析：指导学生分析实验数据，探讨影响超声波避障效果的因素；相关教材章节：第四章第七节《实验数据分析》。
6. 案例分享：介绍超声波避障在现实生活中的应用案例，激发学生兴趣；相关教材章节：第五章第一节《物理与现代科技》。
教学进度安排：第1课时：超声波基本概念及传播原理；第2课时：超声波避障原理与实践操作指导；第3课时：分组实验，设计与搭建超声波避障系统；第4课时：实验数据分析与总结，案例分享。
基于超声波传感器的障碍物检测课程设计讲解
《智能仪器仪表设计基础》课程设计报告单位：学生姓名：专业：班级：学号：指导老师：成绩：设计时间：2013 年5月指导老师提供的设计题目和要求1、设计题目：基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真设计2、指导老师：3、设计条件：[1]仿真软件可用Multisim10软件或者saber软件。
[2]超声波传感器详细参数：工作频率：40KHz±1.0KHz声压值：≥94dB(30cm/10Vrms sine wave)灵敏度：≥-82dB/v/u bar(0dB=v/pa)；余振：：≤1.2ms；-6dB方向性(度)：60°±10°电容：2000pf±10%；最大输入电压(Vp-p)：150(40KHz)使用温度范围：-35℃—+80℃储藏温度范围：-40℃—+85℃4、设计要求：[1]设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。
超声波发射电路包括升压激励模块。
超声波回波接收电路包括一级带通滤波电路、二级带通电路、回波二值化电路组成。
[2]当在超声波发射电路输入端输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声波发射电路输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。
[3]当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。
当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。
[4]附加要求：请用虚拟仪器显示各个电路模块输入端信号及输出端信号5、参考书目[1]胡向东，刘京诚，余成波等编著，传感器与检测技术机械工业出版社，2009[2] 张国雄主编测控电路机械工业出版社，第4版一、摘要本次仿真实验设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。
超声波发射电路包括升压激励模块。
超声波回波接收电路包括一阶低通滤波电路、二级低通电路、回波二值化电路组成。
超声波避障技术设计
南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:薛玉洁 准考证号： 014911251036 教学点:南京工业职业技术学院 专 业:电子工程 题 目:超声波在小车避障技术的应用设计指导者：(姓 名) (专业技术职务)评阅者：(姓 名) (专业技术职务)2013 年 5 月倪瑛 副教授 副教授 戴娟毕业设计说明书（论文）中文摘要毕业设计说明书（论文）外文摘要目次1 引言 (1)1.1 研究背景与意义 (5)2 超声波的避障技术 (8)2.1 小车的避障技术 (8)2.2 超声波的传播特性 (9)2.3 超声波测距技术 (9)2.4 基于单片机的超声波测距系统 (10)2.5 超声波的衰减 (10)3 超声波避障系统硬件设计 (11)3.1 方案概述 (12)3.2 方案设计 (12)3.3 元器件介绍 (13)3.4 超声波发射系统电路 (20)3.5 超声波接收系统电路 (20)3.6 相关软件、电路模块和器件清单。
(21)4 超声波避障系统的软件设计 (22)4.1 直流电机控制软件设计 (23)4.2 超声波测距模块软件设计 (23)4.3 超声波避障技术软件设计 (24)4.4 软件与硬件的整合软件与硬件的整合 (26)5 超声波避障系统调试 (26)5.1 调试过程 (27)5.2 问题分析 (30)5.3 误差分析 (30)致谢 (33)参考文献 (34)1 引言1.1 研究背景与意义随着机器人技术的发展,自主移动机器人以其活性和智能性等特点,在人们的生产、生活中的应用来越广泛。
自主移动机器人通过各种传感器系统感知外界环境和自身状态, 在复杂的已知或者未知环境中自主移动并完成相应的任务。
而在多种探测手段中, 超声波传感器系统由于具有成本低, 安装方便, 不易受电磁、光线、被测对象颜色、烟雾等影响，时间信息直观等特点, 对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力, 因此在移动机器人领域有着广泛用。
小学信息技术：《声波测距避障碍》教学设计
《声波测距避障碍》教学设计教学目标1.知识与技能•初步认识超声波传感器，了解超声波传感器的作用；•能够搭建小车模型，了解小车避障的原理；•能够通过SCrain。
软件编写程序，使用超声波传感器实现小车的自动避障功能。
2.过程与方法通过小组合作学习探究，掌握团队合作的方法。
3.情感态度与价值观动手制作小车，实现小车避障效果，激发学习信息技术的兴趣，培养动手实践和发现探索能力。
教学重难点重点：了解超声波传感器的作用和小车避障的原理使用Scraino软件编写程序，实现小车避障。
难点:利用Scraino软件编写程序，实现小车避障。
教学准备arduinoNanO硬件设备与电脑。
教学方法：基于活动的探究学习和任务动学习。
预设教学过程一、情景引入学生观看无人驾驶汽车的视频，随后教师提出问题：1.看完视频有什么感想？哪里觉得最震撼？2.让学生大胆猜测无人驾驶汽车是怎样实现自动避障功能的？【设计意图】以视频导入，调动学生兴趣，拉近与学生之间的距离。
通过问题设置引发学生的思考，进而实现课程的顺利导入。
二、探究新知1.认识超声波传感器(1)演示小实验让学生直观的看到超声波传感器能探测到物体与它的距离。
3.学生看蝙蝠探路飞行的视频，进一步学习超声波传感器的工作原理。
【设计意图】要让学生不仅要认识超声波传感器，还要明白它的工作原理，设计观看小实验和视频两个环节更直观形象的向学生解释，学生容易理解掌握。
2.搭建感应避障车设计3个思考问题，引领学生积极思考搭建小车的步骤及需要注意的事项。
(1)确定安装步骤，通常先安装小车的3个轮子，如果车轮安装后影响其他硬件的安装也可以再拆卸下来。
(2)怎样确定车头和车尾？超声波传感器该安装在大轮和小轮方向？(3)传感器应该安装的高点还是低点好?这个环节教师先让小组讨论方案，通过交流确定基本步骤，在每一步操作之前都通过问题引领，进过充分的讨论交流，让学生明白其中的道理，从而搭建过程少走弯路，提高课堂效率，使学生能更快地融入到动手连接的过程中，熟悉各部分的功能。
利用超声波实现躲避障碍物——小车(完成品)
五邑大学第十二届科技学术节电子设计大赛技术报告学校：五邑大学队伍名称：Robot L课题名称：躲避障碍物小车参赛队员：刘权超李才海列永光目录第一章绪论1.1 课题设计的目的及意义1.1.1设计的目的1.1.2 课题设计的意义1.2 躲避障碍物小车的设计思路1.2.1 超声波模块的设计原理1.2.2 躲避障碍物小车的原理框图如下图1.3 课题设计的任务及要求1.3．1 设计躲避障碍物小车的任务1.3.2设计躲避障碍物小车的要求第二章小车系统总体方案设计2.1 车模的选择2.2 电机驱动模块的选择2.3 电源模块的选择2.4路况检测模块的选择第三章躲避障碍物小车机械设计第四章躲避障碍物小车硬件电路设计4.1 小车的控制模块51单片机最小系统4.2 电机驱动模块4.3 电源模块的硬件设计4.4 路况检测模块的硬件设计第五章躲避障碍物小车软件设计5.1 主程序流程图5.2 两块超声波模块的发生、接收和计算的设计5.3 主从机串口通信程序设计5.4 直流电机控制程序设计5.5 系统的软硬件的调试第六章总结6.1 创新点6.2 目前尚存在的不足与改进方向致谢参考文献第一章绪论1.1 课题设计的目的及意义1.1.1设计的目的随着科技技术的快速发展，超声波在各个科技领域的应用越来越广，比如说超声波探伤仪、超声波测厚仪、超声波测距仪等等，但在实际生活的应用却不多，人们可以具体利用的超声波技术在实际生活中还十分有限。
因此，这是一个值得开发而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波作为一种新型的非常重要又有用的技术在生活的各个方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位、高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。
比如超声波清洗仪，超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂瞬间会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几百度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化作用”，超声波清洗正是用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用……随着超声波的技术发展，超声波将从单纯的科技应用发展到实际生活的应用，最终向全社会普及。
基于超声波测距的盲人路况提醒器设计
• 3.系统软件设计方面：
–项目成员已修学科基础选修课《C语言程序设计》，对单片机 编程语言有一定的基础。
7.成员分工
· 硬件电路设计主要由赖文彬、喻再军、陈永雯负责，其中超声波接收 电路的设计由赖文彬主要完成，超声波发射电路的设计由喻再军、陈 永雯主要完成。
· 软件程序设计主要由刘春奎、蒋金童负责，其中测温子程序和测距
开始
5.系统软件设计
数
计算距离 语音播报
系统软件主要完成超声 波的产生、计时、计算, 以及结果显示和语音播报 否 的功能. 它包括主程序、 否 计算子程序、语音播报子 程序、定时中断子程序等. 主程序主要完成寄存器、 是否超时？ 变量初始化、超声波产生, 以及语言提示子程序的调 是 用. 中断子程序用来响应 回波信号, 当有回波信号 时, 立即停止计时, 然后 转入计算程序.
团队成员
团队成员：
刘春奎 赖文彬 蒋金童 陈永雯 喻再君 10级电子专业 10级通信工程 10级电子专业 10级通信工程 10级电子专业
1.项目背景及意义
• 中国是世界盲人最多的国家,约有500万,占全世界盲人口的 18％，由于生理上的缺陷, 盲人在生活、工作等方面有着 诸多不便, 其中, 如何安全行走是盲人生活中最大的问题. 而传统的盲人导航设施都有局限性, 如费用高、定位范围 小、受环境影响较大等. 超声波具有方向性强、能量易于 集中、传播距离较远, 以及对障碍物定位具有一定的精确 性、体积相对较小、方便携带、价格低廉等特点.故本课 题拟设计一个利用超声波测距来检测前方道路状况的语音 提醒器，以检测前方道路的平整度，为盲人提供道路坑穴、 障碍等信息。该系统可增强盲人的行走能力,提高盲人的 生活质量，且具有体积小、功耗低和易于携带的优点，适 合于盲人在外出中应用。
《有趣的超声波传感器》教学设计--郝劲峰
综合实践研究性学习开展创新性活动品位创新的快乐《有趣的超声波传感器》市丰台区丰台第五小学郝劲峰Word资料一、指导思想与理论依据（一）指导思想综合实践的总目标是密切学生与生活的联系,推进学生对自然、社会和自我之在联系的整体认识与体验，发展学生的创新能力、实践能力以及良好的个性品质。
（二）理论依据1. 坚持学生的自主选择和主动参与,发展学生的创新精神和实践能力综合实践活动的实施要以学生的直接经验或体验为基础，将学生的需要、动机和兴趣置于核心地位,充分发挥学生的主动性和积极性,鼓励学生自主选择活动主题,积极开展活动,在活动中发展创新精神和实践能力。
2. 面向学生完整的生活领域,为学生提供开放的个性发展空间综合实践活动的实施是面向学生完整的生活领域，引领学生走向现实的社会生活，促进学生与生活的联系，为学生的个性发展提供开放的空间。
3. 注重学生的亲身体验和积极实践，促进学习方式的变革综合实践活动的实施强调学生乐于探究、勤于动手和勇于实践，注重学生在实践性学习活动过程中的体验和感受，要求学生超越单一的接受学习，亲身经历实践过程，体验实践活动，实现学习方式的变革。
二、教材分析1.教学容：《有趣的超声波传感器》是我校自主开发的机器人校本课程中的四年级部分。
本课共分为两课时，第一课时，学生学习认识超声波的概念，理解超声波传感器测距的原理，并能够使用超声波进行实际距离的测量。
本节课重点在与超声波在程序中的应用，通过超声波等待模块的使用来实现自动停车，机器人避障的效果，让学生感受程序与传感器共用所带来的神奇与乐趣。
2.知识背景：（1）声波：发声体产生的振动在空气或其他物质中的传播叫做声波。
根据震动频率及人耳朵能够听到的围分为次声波（震动频率20赫兹一下），声波（震动频率在20-20000赫兹之间），超声波（震动频率在20000赫兹以上）（2）超声波：声音的震动频率在20000赫兹以上，超出人耳朵能够听到的围的声波。
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《智能仪器仪表设计基础》课程设计报告单位：学生姓名：专业：班级：学号：指导老师：成绩：设计时间：2013 年5月指导老师提供的设计题目和要求1、设计题目：基于超声波传感器的障碍物检测电路仿真设计2、指导老师：3、设计条件：[1]仿真软件可用Multisim10软件或者saber软件。
[2]超声波传感器详细参数：工作频率：40KHz±1.0KHz声压值：≥94dB(30cm/10Vrms sine wave)灵敏度：≥-82dB/v/u bar(0dB=v/pa)；余振：：≤1.2ms；-6dB方向性(度)：60°±10°电容：2000pf±10%；最大输入电压(Vp-p)：150(40KHz)使用温度范围：-35℃—+80℃储藏温度范围：-40℃—+85℃4、设计要求：[1]设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。
超声波发射电路包括升压激励模块。
超声波回波接收电路包括一级带通滤波电路、二级带通电路、回波二值化电路组成。
[2]当在超声波发射电路输入端输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声波发射电路输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。
[3]当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。
当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。
[4]附加要求：请用虚拟仪器显示各个电路模块输入端信号及输出端信号5、参考书目[1]胡向东，刘京诚，余成波等编著，传感器与检测技术机械工业出版社，2009[2] 张国雄主编测控电路机械工业出版社，第4版一、摘要本次仿真实验设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。
超声波发射电路包括升压激励模块。
超声波回波接收电路包括一阶低通滤波电路、二级低通电路、回波二值化电路组成。
在本次应用Multisim10软件仿真实验过程中我们用555定时器产生了0~5V的方波激励信号，并通过升压激励电路最终能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个激励信号。
而当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。
当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。
二、相关电路概述及原理简介1、超声波传感器超声波发射与回波接收电路的主要作用是提高驱动超声波传感器的脉冲电压幅值，有效地进行电／声转换，增大超声波的发射距离，并通过收发一体的超声波传感器将返回的超声波转变成微弱的电信号。
超声波发射与回波接收电路如图3所示(画出一路，其他三路与该路一样)。
图1 超声波发射原理图EFR40RS是收发一体封闭(防水)型超声波传感器，其中心频率f0=(40．0±1．0)kHz，-3 dB带宽1 kHz。
驱动电压峰一峰值要求60～150 V。
CD4052是双路四选一模拟开关，单片机的P3．4和P3．5端口输出选通信号，单片机的P3．3端口输出一串40 kHz的脉冲电压，通过CD4052的X路加到选通的开关三极管Q1基极，经脉冲变压器T1升压至100 VP-P左右，驱动超声波传感器EFR40RS 发射超声波。
发射时的脉冲电压幅值大小直接影响测距的远近，应采用超声波专用的脉冲变压器。
反射回的超声波经原收发一体封闭型超声波传感器变成毫伏级的一串脉冲电信号。
由于回波电信号的幅值小，VD3和VD4二极管截止，该信号不会通过T1变压器副边线圈形成短路。
VD1和VD2二极管也截止，所以回波电信号经R1和C1，通过CD4052的Y路送到超声波电信号放大与整形电路。
R1和VD1，VD2组成双向限幅电路，避免发射时的大信号造成超声波放大与整形电路阻塞，甚至损坏电路。
2、555定时器555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。
一般用双极性工艺制作的称为555，用CMOS工艺制作的称为7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。
555定时器的电源电压范围宽，可在4.5V~16V工作，7555可在3~18V工作，输出驱动电流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。
电路组成：图2 555定时器构成的多谐振荡器电路用555定时器构成的多谐振荡器电路如图所示：图中电容C、电阻R1和R2作为振荡器的定时元件，决定着输出矩形波正、负脉冲的宽度。
定时器的触发输入端（2脚）和阀值输入端（6脚）与电容相连；集电极开路输出端（7脚）接R1、R2相连处，用以控制电容C的充、放电；外界控制输入端（5脚）通过0.01uF电容接地。
多谐振荡器的工作波形如图所示，电路接通电源的瞬间，由于电容C来不及充电，Vc=0v，所以555定时器状态为1，输出V o为高电平。
同时，集电极输出端（7脚）对地断开，电源Vcc对电容C充电，电路进入暂稳态I，此后，电路周而复始地产生周期性的输出脉冲。
多谐振荡器两个暂稳态的维持时间取决于RC充、放电回路的参数。
暂稳态Ⅰ的维持时间，即输出V o的正向脉冲宽度T1≈0.7(R1+R2)C；暂稳态Ⅱ的维持时间，即输出V o的负向脉冲宽度T2≈0 .7R2C。
.图3 多谐振荡器的工作波形因此，振荡周期T=T1+T2=0.7(R1+2R2)C，振荡频率f=1/T。
正向脉冲宽度T1与振荡周期T之比称矩形波的占空比Ｄ，由上述条件可得D=（R1+R2）/（R1+2R2），若使R2>>R1，则D≈1/2，即输出信号的正负向脉冲宽度相等的矩形波（方波）。
电容器C放电所需的时间为：tPL=R*ln2≈0.7*R；当C放电结束时，T截止，Vcc将通过R1、R2向电容器C充电，Vc由Vcc/3上升到2Vcc/3所需的时间为:t PH=(R1+R2)*C*ln2≈0.7*(R1+R2)*C；当Vc上升到2Vcc/3时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到了一个周期性的方波，其频率：f=1/(tPL+tPH)≈1.43/[(R1+2*R2)*C]555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。
它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。
555定时器内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T 及功率输出级。
它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3。
本次仿实验中我们将利用555定时器构成的多协振荡器产生脉冲信号。
如图4所示。
图4 555定时器构成的多协振荡器参考图多谐振荡器应用举例：A.模拟声响发生器：将两个多谐振荡器连接起来，前一个振荡器的输出接到后一个振荡器的复位端，后一个振荡器的输出接到扬声器上。
这样，只有当前一个振荡器输出高电平时，才驱动后一个振荡器振荡,扬声器发声；而前一个振荡器输出低电平时，导致后面振荡器复位并停止震荡,此时扬声器无音频输出。
因此从扬声器中听到间歇式的"呜......呜"声响。
B．电压——频率转换器：由555定时器构成的多谐振荡器中，若定时器控制输入端（5脚）不经电容接地，而是外加一个可变的电压源，则通过调节该电压源的值，可以改变定时器触发电位和阀值电位的大小。
外加电压越大，振荡器输出脉冲周期越大，即频率越低；外加电压越小，振荡器输出脉冲周期越小，即频率越高。
这样，多谐振荡器就实现了将输入电压大小转换成输出频率高低的电压—频率转换器的功能。
3、低通滤波器滤波器的工作原理是当信号与噪声分布在不同的频带中时，利用滤波器对不同频率信号有不同的衰减特点，从频率域实现信号分离。
本次试验中采用无限增益多路反馈型滤波电路，它是一个由赋以多路反馈的理论上具有无限增益的运算放大器构成的滤波电路。
图2所示分别是一阶有源低通滤波器和由单一运算放大器构成的无限增益多路反馈二阶低通滤波电路的基本结构。
无限增益多路反馈二阶低通滤波器参数如公式（1）。
图5 一阶低通滤波器以及无限增益多路反馈低通滤波器公式（1）三、超声波传感器的障碍物检测电路设计思路本次仿真实验设计电路包括超声波发射电路、超声波回波接收电路两部分。
根据超声波传感器相关资料我们了解到，超声波传感器的工作电压是在100V~150V，在本次仿真实验中，我们利用一个2nF的电容代替超声波传感器，因此，我们需要在电容的一端输出100V~150V的电压值，以满足实际超声波传感器工作需要。
由于超声波传感器是收发两用传感器，因此在发出超声波的同时也会接收到一个60mV~2V左右的信号作为反馈信号，但由于信号幅值较小同时包含噪声，我们需要首先对其滤波放大。
其次，由于设计需要，我们需要将该信号转变为近似方波信号。
因此，我们设计的超声波发射电路包括升压激励模块以及555定时器方波发生器模块，而超声波回波接收电路包括一级低通滤波电路、二级低通电路、回波二值化电路模块。
当在超声波发射电路输入端利用555定时器方波发生器输入VPP=5V，Vmin=0V的方波信号时，超声波发射电路通过变压器升压使输出端能输出VPP=100V~150V，f=40KHZ的一个输出信号。
另外，在本次试验中我们利用一个2nF的电容代替超声波传感器，因此，在输出端输出100V~150V信号时，在另外的超声波回波电路输入端会接收到一个VPP=60mV~2V，f=40KHZ 的信号。
当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，我们利用两级低通滤波器进行滤波，得到所需要的波段。
然后利用比较器进行二值化处理，当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。
四、超声波传感器的障碍物检测电路实际设计1、超声波发射电路部分在本次应用Multisim10软件仿真设计试验中，我们用555定时器产生0~5V 的方波，并通过变压器升压激励模块将方波升压为100V~150V，f=40KHZ的一个输出信号，然后通过输出端输出一个正弦信号。
555定时器电路图如图5所示。
发射端电路图如图6所示。
图6 555定时器电路图6 超声波发射电路2、超声波回波接收电路部分超声波回波接收电路包括一级有源低通滤波电路、无限增益多路反馈二阶低通滤波器、回波二值化电路组成。
当在超声波回波接收电路输入端输出VPP=60mV~2V，f=40KHZ的正弦波信号时，超声波回波接收电路输出端能输出电平信号。
当在超声波回波接收电路输入端输入低电平信号时，超声波回波接收电路输出端能输出高电平信号。