導(dǎo)語：如何才能寫好一篇單片機(jī)理論論文，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公文云整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

我所做的單片機(jī)串行通信發(fā)射機(jī)主要在實驗室完成,參考有關(guān)的書籍和資料，個人完成電路的設(shè)計、焊接、檢查、調(diào)試，再根據(jù)自己的硬件和通信協(xié)議用匯編語言編寫發(fā)射和顯示程序，然后加電調(diào)試，最終達(dá)到準(zhǔn)確無誤的發(fā)射和顯示。在這過程中需要選擇適當(dāng)?shù)脑侠淼碾娐穲D扎實的焊接技術(shù)，基本的故障排除和糾正能力，會使用基本的儀器對硬件進(jìn)行調(diào)試，會熟練的運(yùn)用匯編語言編寫程序，會用相關(guān)的軟件對自己的程序進(jìn)行翻譯，并燒進(jìn)芯片中，要與對方接收機(jī)統(tǒng)一通信協(xié)議，要耐心的反復(fù)檢查、修改和調(diào)試，直到達(dá)到預(yù)期目的。

單片機(jī)串行通信發(fā)射機(jī)采用串行工作方式，發(fā)射并顯示兩位數(shù)字信息，既顯示00-99，使數(shù)據(jù)能夠在不同地方傳遞。硬件部分主要分兩大塊，由AT89C51和多個按鍵組成的控制模塊，包括時鐘電路、控制信號電路，時鐘采用6MHZ晶振和30pF的電容來組成內(nèi)部時鐘方式，控制信號用手動開關(guān)來控制，P1口來控制，P2、P3口產(chǎn)生信號并通過共陽極數(shù)碼管來顯示，軟件采用匯編語言來編寫，發(fā)射程序在通信協(xié)議一致的情況下完成數(shù)據(jù)的發(fā)射，同時顯示程序?qū)Πl(fā)射的數(shù)據(jù)加以顯示。

畢業(yè)設(shè)計的目的是了解基本電路設(shè)計的流程，豐富自己的知識和理論，鞏固所學(xué)的知識，提高自己的動手能力和實驗?zāi)芰?，從而具備一定的設(shè)計能力。

我做得的畢業(yè)設(shè)計注重于對單片機(jī)串行發(fā)射的理論的理解，明白發(fā)射機(jī)的工作原理，以便以后單片機(jī)領(lǐng)域的開發(fā)和研制打下基礎(chǔ)，提高自己的設(shè)計能力，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，豐富自己的知識理論，做到理論和實際結(jié)合。本課題的重要意義還在于能在進(jìn)一步層次了解單片機(jī)的工作原理，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。理解單片機(jī)的接口技術(shù)，中斷技術(shù)，存儲方式，時鐘方式和控制方式，這樣才能更好的利用單片機(jī)來做有效的設(shè)計。

我的畢業(yè)設(shè)計分為兩個部分，硬件部分和軟件部分。硬件部分介紹：單片機(jī)串行通信發(fā)射機(jī)電路的設(shè)計，單片機(jī)AT89C51的功能和其在電路的作用。介紹了AT89C51的管腳結(jié)構(gòu)和每個管腳的作用及各自的連接方法。AT89C51與MCS-51兼容，4K字節(jié)可編程閃爍存儲器，壽命：1000次可擦，數(shù)據(jù)保存10年，全靜態(tài)工作：0HZ-24HZ，三級程序存儲器鎖定，128*8位內(nèi)部RAM，32跟可編程I/O線，兩個16位定時/計數(shù)器，5個中斷源，5個可編程串行通道，低功耗的閑置和掉電模式，片內(nèi)震蕩和時鐘電路，P0和P1可作為串行輸入口，P3口因為其管腳有特殊功能，可連接其他電路。例如P3.0RXD作為串行輸出口，其中時鐘電路采用內(nèi)時鐘工作方式，控制信號采用手動控制。數(shù)據(jù)的傳輸方式分為單工、半雙工、全雙工和多工工作方式；串行通信有兩種形式，異步和同步通信。介紹了串行串行口控制寄存器，電源管理寄存器PCON，中斷允許寄存器IE，還介紹了數(shù)碼顯示管的工作方式、組成，共陽極和共陰極數(shù)碼顯示管的電路組成，有動態(tài)和靜態(tài)顯示兩種方式，說明了不同顯示方法與單片機(jī)的連接。再后來還介紹了硬件的焊接過程，及在焊接時遇到的問題和應(yīng)該注意的方面。硬件焊接好后的檢查電路、不裝芯片上電檢查及上電裝芯片檢查。軟件部分：在了解電路設(shè)計原理后，根據(jù)原理和目的畫出電路流程圖，列出數(shù)碼顯示的斷碼表，計算波特率，設(shè)置串行口，在與接受機(jī)設(shè)置相同的通信協(xié)議的基礎(chǔ)上編寫顯示和發(fā)射程序。編寫完程序還要進(jìn)行編譯，這就必須會使用編譯軟件。介紹了編譯軟件的使用和使用過程中遇到的問題，及在編譯后燒入芯片使用的軟件PLDA，后來的加電調(diào)試，及遇到的問題，在沒問題后與接受機(jī)連接，發(fā)射數(shù)據(jù)，直到對方準(zhǔn)確接收到。在軟件調(diào)試過程中將詳細(xì)介紹調(diào)試遇到的問題，例如：通信協(xié)議是否相同，數(shù)碼管是否與芯片連接對應(yīng)，計數(shù)器是否開始計數(shù)等。

我所設(shè)計的單片機(jī)串行接口現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展到無線收發(fā)的階段，本文參考無線發(fā)射部分就是參考南華大學(xué)黃智偉、朱衛(wèi)華的《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》一文，該串行無線發(fā)射電路結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠，可方便地在單片機(jī)與單片機(jī)之間，構(gòu)成一個點對點、一點對多點的無線串行數(shù)據(jù)傳輸通道。單片機(jī)無線串行接口電路由MICRF102單片發(fā)射器芯片、MICRF007單片接收器芯片組成，工作在300~440MHzISM頻段；具有ASK調(diào)制和解調(diào)能力，抗干擾能力強(qiáng)，適合工業(yè)控制應(yīng)用；采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性好；接收靈敏度高達(dá)－96dBm，最大發(fā)射功率達(dá)－2.5dBm；數(shù)據(jù)速率可達(dá)2Kb/s；低工作電壓：4.75~5.5V；功耗低，接收時電流3mA，發(fā)射時電流7.75mA，接收待機(jī)狀態(tài)僅為0.5μA，發(fā)射待機(jī)狀態(tài)僅為1.0μA；可用于單片機(jī)之間的串行數(shù)據(jù)無線傳輸，也可在單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、遙測遙控等系統(tǒng)中應(yīng)用。

最后介紹了畢業(yè)設(shè)計做完后的結(jié)論以及自己的心得體會。

2硬件

2.1硬件的基本組成：

單片機(jī)89C51、6M晶震、30pF電容、22uf/10V電容、1K電阻、共陽極數(shù)碼顯示管、按鍵。

2.2電路圖

（見附錄A）

2.3硬件介紹

2.3.1單片機(jī)概述

單片機(jī)也被稱作“單片微型計算機(jī)”、“微控制器”、“嵌入式微控制器”。單片機(jī)一詞最初是源于“SingleChipMicrocomputer”,簡稱SCM。隨著SCM在技術(shù)上、體系結(jié)構(gòu)上不斷擴(kuò)展其控制功能，單片機(jī)已不能用“單片微型計算機(jī)”來表達(dá)其內(nèi)涵。國際上逐漸采用“MCU”(MicroControllerUnit)來代替，形成了單片機(jī)界公認(rèn)的、最終統(tǒng)一的名詞。為了與國際接軌，以后應(yīng)將中文“單片機(jī)”一詞和“MCU”唯一對應(yīng)解釋。在國內(nèi)因為“單片機(jī)”一詞已約定俗成，故而可繼續(xù)沿用。

2.3.1.1單片機(jī)的發(fā)展歷史

如果將8位單片機(jī)的推出作為起點，那么單片機(jī)的發(fā)展歷史大致可以分為以下幾個階段：

第一階段（1976—1978）：單片機(jī)的探索階段。以Intel公司的MCS-48為代表。MCS-48的推出是在工控領(lǐng)域的探索，參與這一探索的公司還有Motorola、Zilog等。都取得了滿意的效果。這就是SCM的誕生年代，“單片機(jī)”一詞即由此而來。

第二階段（1978—1982）：單片機(jī)的完善階段。Intel公司在MCS-48基礎(chǔ)上推出了完善的、典型的單片機(jī)系列MCS-51。它在以下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機(jī)體系結(jié)構(gòu)。

1.完善的外部總線。MCS-51設(shè)置了經(jīng)典的8位單片機(jī)的總線結(jié)構(gòu)，包括8位數(shù)據(jù)總線、16位地址總線、控制總線及具有多機(jī)通信功能的串行通信接口。

2.CPU功能單元的集中管理模式。

3.體現(xiàn)工控特性的地址空間及位操作方式。

4.指令系統(tǒng)趨于豐富和完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。

第三階段（1982—1990）：8位單片機(jī)的鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)的推出階段，也是單片機(jī)向微控制器發(fā)展的階段。Intel公司推出的MCS-96系列單片機(jī)，將一些用于測控系統(tǒng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、程序運(yùn)行監(jiān)視器、脈寬調(diào)制器等納入片中，體現(xiàn)了單片機(jī)的微控制器特征。

第四階段（1990—）：微控制器的全面發(fā)展階段。隨著單片機(jī)在各個領(lǐng)域全面、深入地發(fā)展和應(yīng)用，出現(xiàn)了高速、大尋址范圍、強(qiáng)運(yùn)算能力的8位/16位/32位通用型單片機(jī)，以及小型廉價的專用型單片機(jī)。

2.3.1.2單片機(jī)的發(fā)展趨勢

目前，單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗化、低電壓化、低噪聲與高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低價格化、電路內(nèi)裝化和串行擴(kuò)展技術(shù)。隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機(jī)的集成度將更高、體積將更小和功能將更強(qiáng)。

2.3.1.3單片機(jī)的特點

單片機(jī)主要有如下特點：

1.有優(yōu)異的性能價格比。

2.集成度高、體積小、有很高的可靠性。單片機(jī)把各功能部件集成在一塊芯片上，內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了各芯片之間的連線，大大提高了單片機(jī)的可靠性和抗干擾能力。另外，其體積小，對于強(qiáng)磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合在惡劣環(huán)境下工作。

3.制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制的要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中均有極豐富的轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微機(jī)。

4.低功耗、低電壓，便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品。

5.外部總線增加了I2C（Inter-IntegratedCircuit）及SPI(SerialPeripheralInterface)等串行總線方式，進(jìn)一步縮小了體積，簡化了結(jié)構(gòu)。

6.單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展和系統(tǒng)配置較典型、規(guī)范，容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)。

2.3.1.4單片機(jī)的應(yīng)用

由于單片機(jī)具有顯著的優(yōu)點，它已成為科技領(lǐng)域的有力工具，人類生活的得力助手。它的應(yīng)用遍及各個領(lǐng)域，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.單片機(jī)在智能儀表中的應(yīng)用

2.單片機(jī)在機(jī)電一體化中的應(yīng)用

3.單片機(jī)在實時控制中的應(yīng)用

4.單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用

5.單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用

單片機(jī)已成為計算機(jī)發(fā)展和應(yīng)用的一個重要方面，另一方面，單片機(jī)應(yīng)用的重要意義還在于，它從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計思想和設(shè)計方法。從前必須由模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能通過單片機(jī)來實現(xiàn)了。這種用軟件代替硬件的控制技術(shù)也稱為微控制技術(shù)，是對傳統(tǒng)控制技術(shù)的一次革命。

A：由單片機(jī)組成控制器的結(jié)構(gòu)和特點：

單片微型計算機(jī)是微型計算機(jī)發(fā)展中的一個重要分支，是把構(gòu)成一臺微型計算機(jī)的主要部件如中央處理器(CPU)、存儲器(RAM/ROM)和各種功能I/O接口集成在一塊芯片上的單芯片微型計算機(jī)(SingleChipMicroComputer),簡稱單片機(jī).由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能都是按工業(yè)控制要求設(shè)計的,且近年來單片機(jī)著力擴(kuò)展了各種控制功能如A/D、PWM等,因此我們更多時候稱其為一個單片形態(tài)的微控制器(SingleChipMicroController),或直接稱其為微控制器(MicroController)。

B：用單片機(jī)組成的微機(jī)控制系統(tǒng)具有以下特點:

1.受集成度限制,片內(nèi)存儲器容量較小,一般片內(nèi)ROM小于4—8K字節(jié),片內(nèi)RAM小于256字節(jié);但可在外部進(jìn)行擴(kuò)展,如MCS—51系列單片機(jī)的片外可擦可編程只讀存儲器(EPROM)、靜態(tài)隨機(jī)存儲器(SRAM)可分別擴(kuò)展至64K字節(jié)。

2.可靠性高。單片機(jī)芯片本身是按工業(yè)控制環(huán)境要求設(shè)計的,其抗工業(yè)噪聲的能力優(yōu)于一般通用CPU;程序指令及其常數(shù)、表格固化在ROM中不易破壞;常用信號通道均在一個芯片內(nèi),故可靠性高。

3.易擴(kuò)展。片內(nèi)具有計算機(jī)正常運(yùn)行所必須的部件,芯片外部有許多供擴(kuò)展用的總線及并行、串行輸入/輸出端口,很容易構(gòu)成各種規(guī)模的微機(jī)控制系統(tǒng)。

4.控制功能強(qiáng)。為了滿足工業(yè)控制要求,單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、I/O口的邏輯操作以及位處理功能。一般來說,單片機(jī)的邏輯控制功能及運(yùn)行速度均高于同一檔次的微處理器。

5.一般的單片機(jī)內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)管理軟件,軟件開發(fā)工作量大。但近年來已開始出現(xiàn)了片內(nèi)固化有BASIC解釋程序及FROTH操作系統(tǒng)的單片機(jī),使單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)提高了一個新水平。

此外,單片機(jī)成本低、集成度高、控制功能多,可靈活地組裝成各種智能控制裝置,并能有針對性設(shè)計成專用系統(tǒng),解決從簡單到復(fù)雜的各種需要,實現(xiàn)最佳的性價比。特別是單片機(jī)與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品相結(jié)合,使原有機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)簡化、控制智能化。如數(shù)控機(jī)床就是典型實例。近年來,單片機(jī)發(fā)展極快,其產(chǎn)量占微機(jī)產(chǎn)量的70%以上。目前，至少有50個系列400余種機(jī)型，性能和結(jié)構(gòu)各不相同,INTEL、MOTOROLA、ZILCG等公司都有系列單片微型計算機(jī)。國內(nèi)普及的幾乎都是INTEL公司的產(chǎn)品。

篇2

1.1概念

電子臺歷對于人們來說并不陌生,是日常生活中的一種計時工具,顯示內(nèi)容比較具體,包括:年、月、秒等,以其自身精確、使用方便等優(yōu)勢受到人們越來越多的關(guān)注。在電子臺歷使用過程中,能夠在兩個方面體現(xiàn)其特點,一方面,能夠與軟、硬件更新同步,為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù),具有實時性特點;另一方面,結(jié)構(gòu)簡單,主要是將單片機(jī)作為基礎(chǔ),與LED顯示電路等構(gòu)成,而且在特殊環(huán)境影響下,能夠進(jìn)行實時調(diào)試,極大地提高了工作效率。

1.2設(shè)計原理

電子臺歷軟件主要包括程序初始化、按鍵檢測等,硬件則為單片機(jī),由于單片機(jī)芯片接口數(shù)量較多,在實際應(yīng)用中比較復(fù)雜。誠然,電子臺歷體積小,但是,其內(nèi)部系統(tǒng)包含電源電路、時鐘等部件,能夠確保其穩(wěn)定、正常運(yùn)行,另外,在其設(shè)計中,臺歷前板顯示屏幕是價格比較昂貴的數(shù)碼管液晶顯示器,能夠有效突破傳統(tǒng)僅能夠顯示一種字體的弊端,通過這種設(shè)計,不僅能夠滿足個性化需求,有效節(jié)約成本,還能夠提高電子臺歷市場占有率。目前,Proteus系統(tǒng)電子臺歷應(yīng)用范圍比較廣泛。

2在電子信息中單片機(jī)電子臺歷的應(yīng)用

2.1激發(fā)學(xué)生興趣,挖掘創(chuàng)新潛能

傳統(tǒng)教學(xué)主要采用標(biāo)準(zhǔn)模塊,學(xué)生被動地在課前對相關(guān)實驗進(jìn)行預(yù)習(xí),并將事先編好的程序錄入系統(tǒng)中進(jìn)行驗證即可,在很大程度上寫弱了學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和熱情,而單片機(jī)教學(xué)不同,學(xué)生在教師引導(dǎo)下,可以利用單片機(jī)軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計,有效激發(fā)學(xué)生興趣,拓展學(xué)生思維,能夠深入挖掘創(chuàng)新潛能。另外,該技術(shù)自身結(jié)構(gòu)簡單、學(xué)生操作難度較低,能夠為學(xué)生進(jìn)行自主實驗提供支持,不僅能夠優(yōu)化教學(xué),提升教學(xué)有效性,還能夠充分調(diào)動學(xué)生積極性和熱情。

2.2豐富教學(xué)內(nèi)容,拓展知識范圍

電子信息工程作為計算機(jī)應(yīng)用科學(xué)的重要組成部分,是適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的基礎(chǔ),在社會經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展影響下,電子信息技術(shù)已經(jīng)在社會各個領(lǐng)域中得到了廣泛推廣和普及,在推動社會、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面具有重要作用。傳統(tǒng)電子信息工程中的設(shè)計與運(yùn)用,已經(jīng)不能夠更好地幫助學(xué)生參與現(xiàn)代社會發(fā)展,特別是在單片機(jī)在人們生活中的應(yīng)用,使得人們對電子信息工程提出了更高的要求情況下。因此,將單片機(jī)技術(shù)引入教學(xué)中成為未來主要趨勢,在教學(xué)中滲透,不僅能夠豐富教學(xué)內(nèi)容,豐富知識范圍,還能夠進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造力,提升自身專業(yè)技能。在實際教學(xué)中,教師要認(rèn)識到單片機(jī)添加到教學(xué)中的重要性,并引導(dǎo)學(xué)生全面、系統(tǒng)了解和掌握單片機(jī)知識,從而推動電子信息工程實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)。

2.3提供實驗素材,培養(yǎng)綜合能力

電子信息工程發(fā)展過程中,實驗在促進(jìn)其不斷發(fā)展中占據(jù)不可替代的重要位置,傳統(tǒng)教學(xué)中,教師普遍將理論知識的傳授作為課堂教學(xué)核心,在很大程度上限制學(xué)生發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力,無法真正理解和掌握單片機(jī)技術(shù)相關(guān)內(nèi)容,為了能夠突破傳統(tǒng)單一模式的缺陷,教師可以引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識并掌握此設(shè)計相關(guān)知識,例如:臺歷結(jié)構(gòu)等,并將單片機(jī)在電子臺歷中的運(yùn)用作為實驗課題,圍繞實踐操作進(jìn)行模擬實驗,在實驗過程中,教師通過正確引導(dǎo),使得學(xué)生在體會實驗的同時,扎實的掌握基礎(chǔ)知識,從而為進(jìn)一步開展電子信息工程教學(xué)奠定堅實的基礎(chǔ)。除此之外,教師還需要放手讓學(xué)生自主進(jìn)行實驗,并及時發(fā)現(xiàn)自身存在的不足之處,參照原始實驗過程進(jìn)行對比,加以調(diào)整和優(yōu)化,提高學(xué)習(xí)效率。通過這種方式,不僅能夠使得學(xué)生更好地掌握專業(yè)知識,豐富知識面,還能夠有效培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)等綜合能力,從而進(jìn)一步挖掘電子信息工程。

篇3

電氣工程及自動化

基于單片機(jī)的風(fēng)扇速度控制設(shè)計

一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義

單片機(jī)因其體積小，抗干擾能力強(qiáng)、而且使用靈活方便，成本低等特點，它的應(yīng)用范圍非常廣泛，尤其是他強(qiáng)大的面向控制能力，已深入工業(yè)控制、軍事裝置、家用電器等各個領(lǐng)域，應(yīng)用前景十分廣闊。單片機(jī)按照應(yīng)用的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不同，可分為總線方式和非總線方式。采用總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬于較復(fù)雜的系統(tǒng)，比如智能儀表、工控系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)等。非總線方式的應(yīng)用系統(tǒng)多屬于小型控制。按照應(yīng)用范圍的不同，可分為通用型和專用型。

目前我國普遍采用4位、8位或16位，對于單片機(jī)還處于低檔的應(yīng)用，而對于那些宏單片機(jī)、DSP等高檔的應(yīng)用還是空白。而國外很多公司都推出了自己的單片機(jī)系列，如Intel公司推出的MCS-96/196系列，Rockwell公司的6501、6502，日立公司的H8/3048系列等。目前單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域有以下四大領(lǐng)域：一是家用電器業(yè)。單片機(jī)個傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品結(jié)合，構(gòu)成新型的機(jī)、電、儀一體化產(chǎn)品，如洗衣機(jī)、電腦空調(diào)機(jī)等。二是通訊行業(yè)。最有代表性的就是手機(jī)。三是智能儀表應(yīng)用。單片機(jī)的體積小、成本低、控制力強(qiáng)等特點，使儀器儀表重量大大減輕，又有很高的性價比，如數(shù)字式RLC測量儀。四的在計算機(jī)外設(shè)中的應(yīng)用。如在接口中采用單片機(jī)進(jìn)行控制管理、數(shù)據(jù)采集、多路分配管理等。

我國在將來很長的一段時間里，8位單片機(jī)還將是主流產(chǎn)品，因為8位單片機(jī)很好用，有豐富的功能，現(xiàn)在無論是國內(nèi)還是國外，都還是以8位為主。4位單片機(jī)由于功耗較低，在國內(nèi)也有一定的市場比例。目前世界各國的單片機(jī)發(fā)展各有不同。美國單片機(jī)的發(fā)展趨勢主要是從8位到16位和DSP過度，歐洲等國家單片機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)，因此仍以8位為主，主要以功能和運(yùn)行速度的發(fā)展為主。我國對于單片機(jī)的需要目前主要是家電類等消費(fèi)品為主，8位單片機(jī)有很大的市場分額和發(fā)展空間。國內(nèi)也急需這方面的人才。

盡管單片機(jī)的發(fā)展迅速，其發(fā)展方向不外忽以下幾點：一是微型單片化?，F(xiàn)在的產(chǎn)品普遍向小型化、輕型化發(fā)展，就需要單片機(jī)在在原有的多功能、低功耗的前提下，集成更多的元件，如看門狗（Watchdog）、LCD控制器等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，片上系統(tǒng)（SOC）的發(fā)展前景很好。二是低功耗CMOS化?，F(xiàn)在單片機(jī)的功耗普遍在100mW左右，許多生產(chǎn)廠家采用CMOS工藝，使單片機(jī)更適合在電池供電場合，今后也是單片機(jī)發(fā)展的主要趨勢之一。三是大容量、高性能化。隨著CPU的發(fā)展，單片機(jī)的處理數(shù)據(jù)能力大大提高，內(nèi)部時序也加以改善，ROM的存儲容量也大大提高，又加入了低噪聲技術(shù)，加強(qiáng)了中斷、定時控制。四是在接口方向的發(fā)展?，F(xiàn)在許多新型單片機(jī)的接口，從類型和數(shù)量上有了很大的發(fā)展，如有些可以直接驅(qū)動液晶顯示管LCD、有些可以直接輸出大電流和高電壓等。

21世紀(jì)是“數(shù)字化”的時代，單片機(jī)的發(fā)展有著翻天覆地的變化，各種型號、功能的單片機(jī)應(yīng)用于人們生產(chǎn)和生活中的各個領(lǐng)域。單片機(jī)的發(fā)展逐漸取代了由傳統(tǒng)模擬電路作為電機(jī)的控制器，因此單片機(jī)在家電方面的應(yīng)用已經(jīng)十分普遍，比如電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)等。+電動機(jī)是將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的機(jī)電裝置。1821年英國科學(xué)家法拉第首先提出電動機(jī)原理。1834年，德國的雅可比第一個發(fā)明了直流電動機(jī)。1879年，西門子公司用直流電動機(jī)驅(qū)動電車。1888年發(fā)明家特斯拉發(fā)明了交流電動機(jī)。1902年瑞典的工程師丹尼爾森首先提出同步電動機(jī)構(gòu)想。至今為止，電動機(jī)發(fā)展迅速，電機(jī)理論、設(shè)計及制造工藝得到逐步的完善和提高，廣泛應(yīng)用與現(xiàn)代的各種機(jī)械生產(chǎn)領(lǐng)域。如在機(jī)械制造工業(yè)、輕重型制造工業(yè)、運(yùn)輸行業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等各個領(lǐng)域，電動機(jī)以不同的種類和功能發(fā)揮著重要的作用?？梢赃@么說，電動機(jī)的出現(xiàn)使社會生產(chǎn)力大大提高，促進(jìn)了社會的發(fā)展。

隨著時代的進(jìn)步和科技的發(fā)展，電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機(jī)調(diào)速的研究有著積極的意義.長期以來，直流電機(jī)被廣泛應(yīng)用于調(diào)速系統(tǒng)中，而且一直在調(diào)速領(lǐng)域占居主導(dǎo)地位，這主要是因為直流電機(jī)不僅調(diào)速方便，而且在磁場一定的條件下，轉(zhuǎn)速和電樞電壓成正比，轉(zhuǎn)矩容易被控制；同時具有良好的起動性能，能較平滑和經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度。因此采用直流電機(jī)調(diào)速可以得到良好的動態(tài)特性。由于直流電動機(jī)具有優(yōu)良的起、制動性能，宜與在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速。在軋鋼機(jī)、礦井卷機(jī)、挖掘機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。近年來交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然而直流控制系統(tǒng)畢竟在理論上和在時間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流系統(tǒng)的基礎(chǔ)，長期以來，由于直流調(diào)速系統(tǒng)的性能指標(biāo)優(yōu)于交流調(diào)速系統(tǒng)。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)一直在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)占重要位置。

選取本課題的意義在于單片機(jī)的發(fā)展極為迅速，以其獨特的結(jié)構(gòu)和性能，滲透到各個領(lǐng)域，產(chǎn)生了極大的影響。研究單片機(jī)、學(xué)習(xí)單片機(jī)，是社會發(fā)展的必然趨勢，單片機(jī)有著其廣闊的發(fā)展空間和社會價值。通過研究用單片機(jī)遠(yuǎn)程發(fā)射紅外線來控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制風(fēng)扇速度控制，能使使用者操作起來更加方便。

二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：

1、單片機(jī)主芯片的選擇；

2、電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計；

3、遙控器的設(shè)計；

4、用數(shù)碼管顯示檔位；

5、PWM的產(chǎn)生；

6、按鍵開關(guān)的設(shè)計。

三、研究步驟、方法及措施：

1、學(xué)校提供硬件材料、有關(guān)工具器件和實驗制作場所；

2、查閱大量的相關(guān)資料和書籍；

3、與同類的論章進(jìn)行對比，完善自己的設(shè)計思路；

4、系統(tǒng)的總體方案設(shè)計：發(fā)射部分和接收部分；

5、系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計；

6、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

7、論文的修改及潤色。

四、參考文獻(xiàn)

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樓然苗.胡佳文.李光飛,等.51系列單片機(jī)原理及設(shè)計實例[M].北京:高等教育出版社,2004.

篇4

論文摘要：介紹了單片機(jī)實驗教學(xué)改革的必要性和實驗教學(xué)改革的多個措施，探討了如何通過強(qiáng)化單片機(jī)實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生面向工程的應(yīng)用能力和創(chuàng)新實踐能力。

單片機(jī)技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域一門迅速發(fā)展的技術(shù)，應(yīng)用于各種嵌入式系統(tǒng)中。單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展極大地推動了電子工業(yè)的發(fā)展，無論在教育界還是在產(chǎn)業(yè)界，單片機(jī)技術(shù)的推廣仍然是一個熱點。目前，各個高校都建立了單片機(jī)實驗室，但是很多學(xué)校的實驗教學(xué)現(xiàn)狀卻不容樂觀。就我院而言，主要存在以下問題：（1）實驗場地和時間不足。學(xué)生除了上實驗課外，平時難得有機(jī)會實踐。（2）以驗證性實驗為主。實驗室所配備的實驗箱只能滿足驗證性實驗的要求。由于實驗箱是成品，學(xué)生很難參與到其中的細(xì)節(jié)設(shè)計中去，學(xué)生的實踐能力很難得到鍛煉和提高，學(xué)生也很難建立起單片機(jī)系統(tǒng)開發(fā)的整體概念。并且，這種實驗設(shè)備的配置方式局限了實驗項目數(shù)量，還存在設(shè)備維護(hù)工作量大的現(xiàn)實問題。（3）由于實驗設(shè)備僅適用于某一系列的單片機(jī)，若開設(shè)新的單片機(jī)課程，則需要重新配置實驗設(shè)備，增加了學(xué)校的投入。

為此，筆者進(jìn)行了長時間的探索，提出了一些解決辦法。

建立開放式的實驗室管理模式單片機(jī)實驗室應(yīng)實行開放式管理，在不影響正常實驗教學(xué)任務(wù)的前提下，面向全校學(xué)生，在課余時間向?qū)W生提供實驗所需要的場所、儀器設(shè)備等。開放范圍除了實驗開放項目、課程設(shè)計外，也包括學(xué)生興趣愛好、第二課堂活動、創(chuàng)新活動等。開放性實驗管理模式是在注重知識、能力和素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的同時，貫徹因材施教、注重個性培養(yǎng)的教學(xué)原則，目的是激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。在實施過程中，要注意實驗內(nèi)容不應(yīng)與教學(xué)計劃及教學(xué)大綱所規(guī)定的實驗教學(xué)內(nèi)容相重復(fù)，應(yīng)屬于課程教學(xué)內(nèi)容的拓展性實驗；還要注意綜合性和針對性，強(qiáng)化基礎(chǔ)，拓寬知識覆蓋面，注重培養(yǎng)知識的綜合運(yùn)用能力。此外，還要根據(jù)科技的發(fā)展及其實際應(yīng)用，結(jié)合實際工作，加強(qiáng)對學(xué)生科學(xué)研究思維和建立工程概念的訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和動手能力。開放性實驗的組織中要突出學(xué)生的自主性，要全方位體現(xiàn)以學(xué)生為主體的自主式學(xué)習(xí)方式。在實驗方案設(shè)計、操作、實驗結(jié)果的分析處理等方面最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主體作用，教師布置任務(wù)、講解及指導(dǎo)等要點到為止，留有余地，給學(xué)生獨立思考、獨立操作、獨立分析、獨立解決問題的空間，充分調(diào)動學(xué)生的積極性和主動性。

利用Proteus與Keil整合構(gòu)建單片機(jī)虛擬實驗室Proteus是Labcenter公司推出的一款基于標(biāo)準(zhǔn)仿真引擎SPICE3F5的電路分析、實驗仿真系統(tǒng)。該軟件有交互式動畫仿真、基于圖形的仿真和基于微控制器的仿真等三種模式，其最大的特點就在于它能夠仿真單片機(jī)及其外圍芯片。Proteus軟件支持MCS-51及其派生系列、Motorola68HC11系列，以及AVR系列和PIC12、PIC16、PIC18系列的單片機(jī)。Proteus軟件支持的外圍器件有74LS373、8255、矩陣式鍵盤、LCD及多種A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等。另外，用戶還可以建立新的元器件模型。對于MCS-51系列單片機(jī)而言，Proteus還能夠與Keilc51集成環(huán)境實現(xiàn)聯(lián)機(jī)同步調(diào)試。而Keil是德國開發(fā)的一個51單片機(jī)開發(fā)軟件平臺，是目前應(yīng)用最廣泛的、最重要的單片機(jī)開發(fā)平臺。它的界面簡單，操作容易。Keil的uVision2可以進(jìn)行純粹的軟件仿真，也可以利用硬件仿真器，搭接上單片機(jī)硬件電路，在仿真器中載入項目程序后進(jìn)行實時仿真。此外，還可以使用Keil Monitor-51在不需要額外硬件仿真器的條件下，搭接單片機(jī)硬件系統(tǒng)對項目程序進(jìn)行實時仿真。uVision調(diào)試器的調(diào)試功能也很豐富，具有常規(guī)源極調(diào)試、符號特性調(diào)試、歷史跟蹤，代碼覆蓋，復(fù)雜斷點等功能。構(gòu)建虛擬實驗室主要是利用Proteus進(jìn)行硬件電路的設(shè)計，用Keil進(jìn)行軟件設(shè)計。硬件電路的設(shè)計主要有兩個方面：系統(tǒng)擴(kuò)展（包括ROM、RAM、I/O口、定時器等功能單元的擴(kuò)展）和系統(tǒng)的配置（即根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行外圍設(shè)備的配置，如鍵盤、顯示器、A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器、打印機(jī)等的接口電路的設(shè)計），通過該軟件的使用，可以使學(xué)生掌握硬件電路的設(shè)計方法。軟件設(shè)計主要是應(yīng)用程序的編制、調(diào)試，使學(xué)生掌握軟件開發(fā)的步驟、方法和技巧。而軟硬件的設(shè)計完成之后，還需要進(jìn)行系統(tǒng)的總調(diào)，將這兩大執(zhí)行環(huán)境組合起來構(gòu)成聯(lián)合的仿真系統(tǒng)，其中，KEIL作為軟件的調(diào)試界面，而Proteus作為硬件的仿真和調(diào)試界面。這樣，就可以像仿真器一樣調(diào)試程序了。

開設(shè)大型綜合設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力大型綜合的設(shè)計實驗需要在學(xué)生完成基礎(chǔ)實驗之后視學(xué)生掌握程度而開設(shè)，這個環(huán)節(jié)在整個單片機(jī)教學(xué)中非常重要，只有經(jīng)過完整的項目訓(xùn)練，學(xué)生才會建立起完整的系統(tǒng)的概念。學(xué)生需要根據(jù)設(shè)計任務(wù)書上的要求（包括軟硬件的資源配置、實驗要求達(dá)到的效果）進(jìn)行設(shè)計實驗。這樣的訓(xùn)練可以將科技方法的訓(xùn)練、機(jī)電綜合設(shè)計、創(chuàng)新設(shè)計及畢業(yè)設(shè)計等實踐內(nèi)容融合到大型綜合設(shè)計實驗項目中，使原來分散的小規(guī)模設(shè)計和訓(xùn)練集成為一個大型的系統(tǒng)設(shè)計項目，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。此外，在單片機(jī)實驗開發(fā)的基礎(chǔ)上，在學(xué)生參與下開發(fā)一些應(yīng)用板，組成機(jī)電一體化的實驗平臺，如我院已經(jīng)開發(fā)出的步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制實驗平臺。這些訓(xùn)練可以使學(xué)生更加熟悉單片機(jī)的組成、工作原理、程序開發(fā)、系統(tǒng)的擴(kuò)展。更重要的是，學(xué)生可以積累自己實踐的經(jīng)驗，增強(qiáng)工程意識，為將來順利進(jìn)入實際的工程環(huán)境打下堅實的基礎(chǔ)。

建立單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動實驗系統(tǒng)，作為傳統(tǒng)實驗教學(xué)的補(bǔ)充傳統(tǒng)的實驗教學(xué)是近距離的，由于實驗設(shè)備緊缺，設(shè)備普遍比較昂貴，加之時間和空間上的限制，已成為制約教學(xué)質(zhì)量的一個重要因素。為滿足培養(yǎng)具有高素質(zhì)創(chuàng)新人才的要求，實驗教學(xué)要不斷地進(jìn)行改革，實驗要向綜合型、設(shè)計型轉(zhuǎn)變，但這種新型教學(xué)模式的實現(xiàn)必須有高技術(shù)化的手段和條件支持，因而網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗教學(xué)成為現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用的大趨勢。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動實驗室系統(tǒng)是針對單片機(jī)實驗而開發(fā)的內(nèi)容全面、結(jié)構(gòu)完整的單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)實驗室系統(tǒng)。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動實驗室的構(gòu)建基于Internet遠(yuǎn)程智能化虛擬系統(tǒng)，充分發(fā)揮了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的特有優(yōu)勢，使學(xué)生的學(xué)習(xí)與交流不受時間、地點和實驗儀器設(shè)備的限制，甚至可以聯(lián)機(jī)協(xié)作完成實驗。實驗內(nèi)容以圖形、文字、動畫等方式呈現(xiàn)在客戶端的瀏覽器上，具有較強(qiáng)的交互性和真實性。同時，也提高了實驗教學(xué)的伸縮性和適應(yīng)性，有助于提高分散教學(xué)資源的利用率，形成科學(xué)的實驗管理體系。單片機(jī)網(wǎng)絡(luò)互動實驗室可作為傳統(tǒng)理論與實驗教學(xué)的補(bǔ)充模式。我院在設(shè)計中采用服務(wù)器和客戶端模式，可以實現(xiàn)客戶端與服務(wù)器的交互通訊。我院自主開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，學(xué)生只需到我院的網(wǎng)站注冊一個用戶名并下載客戶端，便可以在自己的計算機(jī)上進(jìn)行單片機(jī)實驗。

以電子技術(shù)競賽為契機(jī)，深化單片機(jī)實驗教學(xué)改革課程與教學(xué)改革一直是高職院校所關(guān)注的熱門話題，實驗教學(xué)改革的效果直接影響著應(yīng)用型人才培養(yǎng)的質(zhì)量。目前，以單片機(jī)控制技術(shù)為核心的電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域之廣是其他技術(shù)無法比擬的。但是學(xué)校教學(xué)內(nèi)容卻滯后于科技的高速發(fā)展。在高職院校開展電子技術(shù)競賽正是解決這一問題的有效途徑。競賽有力地促進(jìn)了專業(yè)課程內(nèi)容的整合和實驗教學(xué)內(nèi)容的更新。一方面，所有參加競賽的學(xué)生都要經(jīng)過嚴(yán)格的賽前培訓(xùn)和賽中訓(xùn)練，學(xué)生普遍反映受益匪淺。實踐證明，這樣的學(xué)生在就業(yè)時也普遍受到企業(yè)青睞。此外，為了能夠使沒有參賽的學(xué)生也得到同樣的訓(xùn)練，我院還開設(shè)了電子專業(yè)課程的設(shè)計訓(xùn)練課程，作為傳統(tǒng)單片機(jī)實驗教學(xué)的補(bǔ)充。課程完全按照電子競賽的要求進(jìn)行。這樣的訓(xùn)練有效地提高了學(xué)生的工程設(shè)計能力和綜合素質(zhì)。另一方面，以競賽為契機(jī)，改革單片機(jī)實驗課程內(nèi)容和實驗方法。由于競賽中涉及的單片機(jī)內(nèi)容能夠跟隨科技發(fā)展的步伐，競賽的題目具有實際意義，所以對目前的單片機(jī)理論教學(xué)改革和實驗教學(xué)改革起了一定的引導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

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篇5

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(shè)計性課題。21世紀(jì)人類已進(jìn)入信息社會，汽車及交通也已邁入信息時代。當(dāng)前信息技術(shù)在汽車及交通領(lǐng)域中的應(yīng)用項目相當(dāng)多，發(fā)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(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)、通訊及導(dǎo)航系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)和移動多媒體系統(tǒng)。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(fā)生, 在夜間時則更顯突出。車輛安全系統(tǒng)通過應(yīng)用電子信息技術(shù)，使車輛實現(xiàn)高智能化，極大地改善車輛人機(jī)系統(tǒng)的安全性，以避免事故的發(fā)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(jī)的結(jié)合起來，完成汽車倒車報警系統(tǒng)的設(shè)計，能夠了解單片機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，而且通過對電路系統(tǒng)的設(shè)計，學(xué)習(xí)掌握了數(shù)字電路從原理圖到PCB版的全部過程，形成完善的設(shè)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(shè)計的過程，鍛煉應(yīng)用C以及相關(guān)匯編語言等軟件設(shè)計電路程序的能力為以后參與實際工作奠定良好的設(shè)計基礎(chǔ)。

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

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

微波探測技術(shù)在軍用和民用領(lǐng)域里的廣泛使用，使得通過這次畢業(yè)設(shè)計所學(xué)到的此方面的知識將會有很強(qiáng)的實用性。本設(shè)計要求對汽車倒車超聲波報警器進(jìn)行硬件設(shè)計，可以通過完成本次設(shè)計，練習(xí)PROTEL軟件的使用，增加硬件設(shè)計的經(jīng)驗。

隨著社會進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)發(fā)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(xiàn)了：交通擁擠，各種不同的場合停車、倒車?yán)щy。許多非職業(yè)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(nèi)發(fā)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(shè)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(tǒng)研究現(xiàn)狀以及存在的問題

1.2.1 超聲波測距系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了微波雷達(dá)測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術(shù)難度大，成本高，一般僅用于軍事工業(yè)，而超聲波測距則由于其技術(shù)難度相對較低，且成本低廉，適于民用推廣。這項技術(shù)也可用于工業(yè)測量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)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(xiàn)。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(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在移動機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動測量和微機(jī)技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應(yīng)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(xué)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(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)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(jié)構(gòu)信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設(shè)計也是利用超聲波來測量距離。

1.2.2 探測盲區(qū)問題

超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內(nèi)部的定時器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_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(fā)射開始到"虛假反射波"結(jié)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(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對本系統(tǒng)沒有影響。

1.3 論文的主要內(nèi)容

論文將介紹超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計的方案選擇與硬件的設(shè)計與調(diào)試。全文共分為五章，本章介紹了超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計的研究現(xiàn)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(tǒng)的總體設(shè)計方案，并對每個模塊進(jìn)行了方案論證與選擇；第三章介紹了超聲波測距系統(tǒng)的原理；第四章介紹了各單元模塊的硬件電路設(shè)計與實現(xiàn)；第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過程和調(diào)試結(jié)果，最后總結(jié)了整個設(shè)計中有待改進(jìn)的地方。

 

第二章 超聲波測距系統(tǒng)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(gòu)成超聲測距系統(tǒng)的電路功能模塊包括發(fā)射電路、接收電路、顯示電路、核心功能模塊單片機(jī)控制器及一些輔助電路。

采取收發(fā)分離方式有兩個好處：一是收發(fā)信號不會混疊，接收探頭所接收到的純?yōu)榉瓷湫盘?；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(tǒng)的可靠性。

根據(jù)設(shè)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(fā)射傳感器，R表示接收傳感器），最大探測距離為6m，發(fā)射擴(kuò)散角為60度。同時，采用單片機(jī)作 為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器完成，超聲波測距器的系統(tǒng)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(jī)的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40kHz的超聲波，與此同時單片機(jī)內(nèi)計數(shù)器開始計時；經(jīng)過延遲后開啟超聲波接收電路，當(dāng)接收電路收到經(jīng)障礙物反射的回波后，計數(shù)器計時結(jié)束。通過單片機(jī)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(shù)生物（如蝙蝠、海豚）才能感覺的機(jī)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(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。

本設(shè)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(biāo)的距離。本設(shè)計采用的超聲波傳感器往返距離為15m，在有灰塵、煙霧、強(qiáng)磁場干擾、有毒等各種環(huán)境下都能穩(wěn)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(yīng)用要求復(fù)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(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)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(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差 就可以計算出發(fā)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(huán)境溫度。

        L=                     （2-2）

式中：C為被測距離； 為發(fā)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(fā)射時刻。用單片機(jī)可以很方便地測量 時刻和 時刻，根據(jù)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(guān)，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(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

表2-1  聲速與溫度關(guān)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(tǒng)的機(jī)理。本設(shè)計認(rèn)為在實際使用中的環(huán)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(rèn)為是不變的常數(shù)。

另一種補(bǔ)償方法就是用查表法，查上面溫度與聲速的對應(yīng)表，再適當(dāng)插值補(bǔ)償。這種方法精確度較高。在這里考慮到設(shè)計上的簡易性，沒有進(jìn)行補(bǔ)償，能達(dá)到簡單應(yīng)用的基本要求。

該系統(tǒng)的工作原理：由微機(jī)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(jīng)過壓電換能器將信號發(fā)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(jī)處理。顯示器的聲音告警頻率、發(fā)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(jī)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(jù)測量發(fā)射波與反射波之間的時間間隔，從而達(dá)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(shè)計上都非常容易實現(xiàn)。其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間，這個時間就是渡越時間。

本設(shè)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(yīng)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(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波發(fā)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(shù)

測量過程是由單片機(jī)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(fā)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(fā)射超聲波。單片機(jī)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(jī)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(jī)系統(tǒng)接收不到超聲波回波信號，則到40 ms時重復(fù)上述過程開始下一輪的循環(huán)。

在超聲波發(fā)出后，如果直接進(jìn)入檢測狀態(tài)，則勢必浪費(fèi)時間，因為此系統(tǒng)有最小測量距離，當(dāng)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(shù)據(jù)。本設(shè)計中計算子程序就是在此時間里完成的，這樣就節(jié)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(zhuǎn)換成電脈沖；

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

•實現(xiàn)波型轉(zhuǎn)換；

•控制工作頻率，適用于不同的工作條件。

2.3 小結(jié)

本章介紹了超聲波測距系統(tǒng)的測距原理、超聲波測距的工作方式以及測距中如何進(jìn)行信號處理優(yōu)化，并闡述了超聲波測距的基本概念理論基礎(chǔ)、設(shè)計計算的主要方法和內(nèi)容

第三章 汽車倒車超聲波報警器設(shè)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(shè)計

3.1.1 方案的擬定條件

本設(shè)計首先要根據(jù)畢業(yè)設(shè)計任務(wù)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(shù)字顯示測得的距離；在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的聲光報警信號；駕駛員可根據(jù)個人需要調(diào)整設(shè)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(wěn)定可靠等優(yōu)點）來進(jìn)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(qū)動電壓、功率是多少才能達(dá)到設(shè)計要求，在什么樣的 環(huán)境特性下才能正常工作，市場上是否容易找到，便宜且應(yīng)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(shè)計才能順利展開。

3.1.2 模型的建立

汽車倒車?yán)走_(dá)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(nèi)給駕駛者以警示，同時由高亮度數(shù)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(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，可由單片機(jī)測出從發(fā)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(huán)境溫度有關(guān)，但汽車倒車?yán)走_(dá)在實際使用中的環(huán)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(rèn)為是不變的常數(shù)。

測距系統(tǒng)模型應(yīng)如圖3-1所示。

3.2 超聲波測距系統(tǒng)的器件選擇

3.2.1 微控制器的選擇

單片機(jī)是本檢測系統(tǒng)的核心，它完成系統(tǒng)的功能設(shè)定、測量對象選擇、信號處理存儲、驅(qū)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(qū)別不大，后來查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)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(wěn)定性更好，燒寫電壓也僅僅需要4～5V 即可。這個功能的優(yōu)勢在于改寫單片機(jī)存儲器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離，是一個強(qiáng)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(biāo)稱的1000次，實際最少是1000次～10000次，這樣更有利初學(xué)者反復(fù)燒寫，減低學(xué)習(xí)成本。綜合上面的一些區(qū)別，個人認(rèn)為89C51的停止使用只是時間問題而已，就象當(dāng)年的8031。

•內(nèi)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(shù)據(jù)指示器。

•電源關(guān)閉標(biāo)識及電源范圍：89S5*電源范圍寬達(dá)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?yōu)椴豢赡?，程序的保密性大大加?qiáng)，這樣就可以有效的保護(hù)知識產(chǎn)權(quán)不被侵犯。

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

此外，AT89S51設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。

比較結(jié)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(yīng)用市場方面技術(shù)的進(jìn)步是永遠(yuǎn)向前的。

3.2.2 顯示模塊器件的選擇

在單片機(jī)小系統(tǒng)中，顯示模塊可以反映系統(tǒng)工作和運(yùn)行結(jié)果，在系統(tǒng)中占有相當(dāng)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(shè)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(yīng)用于以單片機(jī)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(shù)，降低系統(tǒng)功耗。

本設(shè)計顯示部分采用簡單的4位共陽LED數(shù)碼管，段碼驅(qū)動用74LS245集成電路，位碼用S8550（也可用9012）三極管驅(qū)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(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)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(lǐng)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(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。

    以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)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(xí)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(fā)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(jié)構(gòu)，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(gòu)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(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：

•工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)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(yī)療用的超聲波探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。

•靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)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(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)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(fā)生器。

本次設(shè)計就選用壓電式超聲波發(fā)生器，壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)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(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)

超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志（一般器件上有標(biāo)明是T還是R，T：發(fā)射換能器，R：接受換能器）。超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)如圖3-3所示。

 

圖3-3  超聲波換能器外部結(jié)構(gòu)

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(fā)射波束時存在發(fā)散角問題，一般發(fā)散角都比較大，從而導(dǎo)致了方向性較差。同時，隨著傳播距離的增大，在不同的發(fā)散角上信號衰減的程度也有變化。它在空氣中的發(fā)散角及耗散性如圖3-4所示。

 

圖3-4  發(fā)散角與耗散性

3.3 小結(jié)

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

第四章 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計工具平臺簡介

電路及PCB設(shè)計是EDA技術(shù)中的一個重要內(nèi)容，而EDA技術(shù)是現(xiàn)代電子工程領(lǐng)域的一門新技術(shù)，它提供了基于計算機(jī)和信息技術(shù)的電路系統(tǒng)設(shè)計方法。Protel是其中比較杰出的一個軟件，在國內(nèi)流行最早、應(yīng)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(shè)計軟件平臺。該平臺運(yùn)行與Windows XP/2000操作系統(tǒng)。Protel DXP不僅繼承了Protel系列產(chǎn)品的優(yōu)點，更重要的是將所有設(shè)計工具集成于設(shè)計系統(tǒng)一身。通過把設(shè)計輸入仿真、PCB繪制仿真、拓?fù)渥詣硬季€、信號完整性分析和設(shè)計輸出等技術(shù)的完美融合，為用戶提供了全程的設(shè)計解決方案，使用戶可以輕松的進(jìn)行各種復(fù)雜的電路板設(shè)計。

使用Protel DXP設(shè)計印刷電路板的第一步就是要設(shè)計電路原理圖，只有正確設(shè)計電路原理圖，生成相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)表之后才能生成PCB文件。在設(shè)計時，先分析系統(tǒng)，在進(jìn)行模塊化的設(shè)計，將各部分電路分別設(shè)計，得到個模塊電路，在通過融合，實現(xiàn)整體電路的設(shè)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(shè)計電路圖，這樣在設(shè)計過程中思維比較清晰，設(shè)計過程比較簡單，而且更容易檢查錯誤。原理圖的設(shè)計相對簡單，在設(shè)計完成后要先通過編譯無誤后才生成網(wǎng)絡(luò)表，原理圖常見錯誤有：

•管腳沒有接入信號；

•放置導(dǎo)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(chuàng)建的工程文件網(wǎng)絡(luò)表只能部分調(diào)入PCB：生成netlist時沒有選擇為global；

在設(shè)計好原理圖，通過編譯檢查，生成了網(wǎng)絡(luò)表之后的工作就是繪制PCB板圖了。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)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(shù)手冊封裝所需元件了。在封裝PCB元件是應(yīng)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(yīng)在條件允許的范圍內(nèi)盡量加寬、加長，這樣才有利于焊接。

完成以上幾步后，將網(wǎng)絡(luò)表導(dǎo)入到PCB文件中，生成PCB板圖。在導(dǎo)入網(wǎng)絡(luò)表的時候通常會出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)表成功導(dǎo)入PCB文件之后對器件進(jìn)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(jìn)行手工調(diào)整。良好的布局可以降低PCB布線的難度。布局應(yīng)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(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)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(shè)法減少它們的分布參數(shù)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(yīng)盡量遠(yuǎn)離。

②某些元器件或?qū)Ь€之間可能有較高的電位差，應(yīng)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(yīng)盡量布置在調(diào)試時手不易觸及的地方。

③重量超過15g的元器件、應(yīng)當(dāng)用支架加以固定，然后焊接。那些又大又重、發(fā)熱量多的元器件，不宜裝在印制板上，而應(yīng)裝在整機(jī)的機(jī)箱底板上，且應(yīng)考慮散熱問題，熱敏元件應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。

④對于電位器、可調(diào)電感線圈、可變電容器、微動開關(guān)等可調(diào)元件的布局應(yīng)考慮整機(jī)的結(jié)構(gòu)要求。若是機(jī)內(nèi)調(diào)節(jié)，應(yīng)放在印制板上方便于調(diào)節(jié)的地方；若是機(jī)外調(diào)節(jié)，其位置要與調(diào)節(jié)旋鈕在機(jī)箱面板上的位置相適應(yīng)。

⑤應(yīng)留出印制扳定位孔及固定支架所占用的位置。

根據(jù)電路的功能單元，對電路的全部元器件進(jìn)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(jìn)行布局。元器件應(yīng)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(shù)。一般電路應(yīng)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(chǎn)。

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(yīng)考慮電路板所受的機(jī)械強(qiáng)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(jié)果不盡如人意，這是因為自動布線的功能主要是實現(xiàn)電氣網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行調(diào)整，使電路板既能實現(xiàn)正確的電氣連接，又能滿足用戶的設(shè)計要求。手工調(diào)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(yīng)注意的問題有：

•輸入端與輸出端的邊線應(yīng)避免相鄰平行，以免產(chǎn)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(guān)系是：地線＞電源線＞信號線，通常信號線寬為：0.2～0.3mm,最經(jīng)細(xì)寬度可達(dá)0.05～0.07mm,電源線為1.2～2.5 mm。對數(shù)字電路的PCB可用寬的地導(dǎo)線組成一個回路, 即構(gòu)成一個地網(wǎng)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(shù)字電路，焊盤最小直徑可取(d+1.0)mm。

此外，還應(yīng)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(chǎn)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(yīng)，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(tǒng)的硬件設(shè)計

51系列單片機(jī)中典型芯片(如AT89S51) 采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，4kB的ROM，256B的RAM，2個16b的定時/計數(shù)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(jī)片內(nèi)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(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳圖如圖4-1所示，同時也為了對下面超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計進(jìn)行更清楚的敘述，對其引腳標(biāo)了號。

51系列單片機(jī)提供以下功能: 4kB存儲器；256BRAM；32條I/O 線；2個16b定時/計數(shù)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(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。

掉電方式: 保存RAM的內(nèi)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(fù)位。

51系列單片機(jī)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(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。

 

圖4-1  AT89S51引腳圖

4.2.1 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計

超聲波發(fā)射電路原理圖如圖4-2所示。

設(shè)計原理：發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波換能器T構(gòu)成，AT89S51單片機(jī)P1.0端口輸出的40kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個電極，另一路經(jīng)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(fā)射強(qiáng)度。

輸出端采用兩個反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)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(qū)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(jìn)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(jié)果反而不好，其實可以從增加發(fā)射功率方面著手，只要在發(fā)射頭兩端加個線圈。線圈可以用0.01mm的銅絲在小磁環(huán)繞成大致初級10匝，次級40匝左右。

  

圖4-2  超聲波發(fā)射電路

4.2.2 超聲波檢測接收電路的設(shè)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(nèi)。超聲接收換能器UCM-40R接收到的信號經(jīng)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(yīng)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(dāng)其容量減小時，瞬態(tài)響應(yīng)，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(diào)整，本設(shè)計R15定為200K。用金屬膜電阻調(diào)試，若其阻值偏差過大，中心頻率也將相對偏移。所以當(dāng)信號經(jīng)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(fù)載電阻，104pF電容C11為電源濾波元件，當(dāng)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(shè)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(shè)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(diào)節(jié)，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(shè)計

蜂鳴報警電路是采用揚(yáng)聲器來對所設(shè)置的報警距離實施報警，以向駕駛員提出警示。

本系統(tǒng)可以設(shè)定距離值，當(dāng)大于或小于設(shè)定值時將發(fā)出控制信號。當(dāng)小于設(shè)定值時，進(jìn)入蜂鳴報警狀態(tài)，通過一個NPN晶體管來驅(qū)動蜂鳴器，不需要復(fù)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(tǒng)鍵盤電路的設(shè)計

鍵盤電路是用來對最大測距、最小測距以及有關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

鍵盤輸入：開啟值30-1000厘米，關(guān)閉值30-1000厘米（在該范圍內(nèi)任意設(shè)置）。本系統(tǒng)由一個按鍵 啟動/停止系統(tǒng)，由三個按鍵設(shè)定距離值： 的作用是進(jìn)入和退出設(shè)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(shù)碼管輸出顯示。超聲波系統(tǒng)鍵盤電路如圖4-5示。

 

圖4-5  超聲波系統(tǒng)鍵盤電路

4.2.5 超聲波濾波整流電路的設(shè)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(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電平信號，通過整形把檢波后得到的不標(biāo)準(zhǔn)的脈沖波整形為標(biāo)準(zhǔn)脈沖波。

信號整形電路：當(dāng)接收到的信號從信號篩選電路中出來之后是一個很不規(guī)則的方波信號，希望最好得到一脈沖信號，經(jīng)過此部分電路處理過后再送進(jìn)單片機(jī)中進(jìn)行處理運(yùn)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(dāng)調(diào)整，可以有效地濾除由于外界干擾帶來的非超聲波信號進(jìn)入超聲波接收系統(tǒng)，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(fù)位電路設(shè)計

（1）復(fù)位電路的設(shè)計

在振蕩器運(yùn)行時，有兩個機(jī)器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腿時，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后P0－P3口均置1引腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序。復(fù)位操作不會對內(nèi)部RAM有所影響。

（2）時鐘電路的設(shè)計

時鐘振蕩器：

AT89S51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)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(gòu)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(gòu)成并聯(lián)諧振電路。對外接電容C20，C25雖然沒有十分嚴(yán)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(wěn)定性，起振的難易程序及溫度穩(wěn)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(nèi)部時鐘發(fā)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(fā)器后作為內(nèi)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(xù)時間和最大的低電平持續(xù)時間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。時鐘復(fù)位電路如圖4-7所示：

 

圖4-7  時鐘和復(fù)位電路

4.2.7 擴(kuò)展顯示電路的設(shè)計

回波經(jīng)過AT89S51對接收到的信息進(jìn)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(shù)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(qū)動，外接升壓電阻。位碼用PNP三極管8550（可用9012替代）驅(qū)動。顯示電路如圖4-8所示。

數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示，動態(tài)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(wěn)定性要進(jìn)行補(bǔ)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(tài)輸出的八組總線收發(fā)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(tài)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(tài)時高電平電壓 ……………………… 5.5V

工作環(huán)境溫度：74LS245 ………………………………….……… 0~70℃

存儲溫度 ………………………………………-65~150℃

 

圖4-8  顯示電路

4.3 小結(jié)

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

本系統(tǒng)利用AT89S51產(chǎn)生40kHz的頻率驅(qū)動超聲波換能器的發(fā)射頭，接收頭收到信號后，經(jīng)CX20106A芯片進(jìn)行放大、限幅、濾波、整形、比較后輸出低電平送到單片機(jī)的外部中斷0申請中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷請求，取得定時器內(nèi)的時間進(jìn)行距離計算，用四位一體的數(shù)碼管顯示測出的距離，并可根據(jù)設(shè)定報警距離進(jìn)行報警。

 

第五章 超聲波測距系統(tǒng)聯(lián)機(jī)調(diào)試與結(jié)論

5.1 系統(tǒng)硬件電路調(diào)試與分析

5.1.1 調(diào)試儀器和內(nèi)容

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

測試儀器：示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。

（2）調(diào)試內(nèi)容

超聲波測距儀的制作和調(diào)試都比較簡單，安裝時探頭時應(yīng)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(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)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(tǒng)調(diào)試完后對測量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實際使用的測量要求。

5.1.2 調(diào)試過程

系統(tǒng)采用模塊化電路設(shè)計, 采用較低的外部晶振和中周電路固化的超聲波探頭，數(shù)字和模擬部分電路分開供電，以提高系統(tǒng)抗干擾能力，但由于實際應(yīng)用中仍存在較多電磁干擾，而回波信號為小信號輸入, 系統(tǒng)調(diào)試中通過硬件補(bǔ)償?shù)姆绞綄﹄娐愤M(jìn)行了優(yōu)化和調(diào)整，使系統(tǒng)達(dá)到了較高的可靠性。

測距系統(tǒng)經(jīng)過檢波等硬件處理后的波形如圖5-1所示：

在檢測時，發(fā)送完檢測脈沖后立刻進(jìn)行判斷負(fù)脈沖的長短，從而確定是否有障礙物存在。無障礙物時負(fù)脈沖寬度固定為t1，有障礙物時負(fù)脈沖固定為t1+t2，t3為超聲波回波檢測負(fù)脈沖。t1、t2的寬度與發(fā)送的脈沖周期數(shù)有關(guān)。周波數(shù)越多，t1越寬，檢測距離越遠(yuǎn)，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(shù)碼管的測試

LED數(shù)碼有共陽和共陰兩種，把這些LED發(fā)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(shù)點）而作為一個引腳，就叫共陽的，相反的，就叫共陰的，那么應(yīng)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(shù)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(fā)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(fā)射器探頭對接收器探頭的影響

超聲波從發(fā)射到接收的時間 間隔是由控制器內(nèi)部的定時器來完成的。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_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(fā)射開始到"虛假反射波"結(jié)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(qū)”。此“盲區(qū)”很小，對本系統(tǒng)沒有影響。

（3）調(diào)試注意事項

•超聲波探頭表面嚴(yán)禁用手及其它物體觸摸以免產(chǎn)生信號滯后性及損壞。

•在測距中應(yīng)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(shù)的準(zhǔn)確性。

5.1.3 測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析計算

傳感器工作電壓：超聲波傳感器5V

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

表5-1  500mm寬的距離測試數(shù)據(jù)

次數(shù) 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(tǒng)使用方便、精度高，在一些惡劣環(huán)境，如極易被腐蝕、電解，失去靈敏性等工礦業(yè)現(xiàn)場將大有用武之地。

（1）測試結(jié)果與分析

超聲波測距系統(tǒng)調(diào)試完成后，對系統(tǒng)進(jìn)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(qū)控制在20cm內(nèi)，分辨率為0.01m，實驗中對測量范圍0.07~2.50m內(nèi)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(fù)一致性很好。因為超聲波具有一定發(fā)散角，所以當(dāng)在正前方和斜前方都有物體時，會以距發(fā)射器最近的物體作為探測目標(biāo)。目前此設(shè)計可提交于應(yīng)用于一些動機(jī)器人、安全線提示，銀行及取款機(jī)的一米線提示等場合。

（2）誤差分析

對系統(tǒng)進(jìn)行實驗測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在5米范圍內(nèi)，最大誤差在5cm以內(nèi)，且距離越近，誤差越小，限制該系統(tǒng)最大可測距離的因素包括：超聲波的幅度、反射面的質(zhì)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(yù)置和傳播介質(zhì)溫度測量結(jié)合的方法對聲速進(jìn)行修正，可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。

②發(fā)射與脈沖計數(shù)由于響應(yīng)快慢差異開啟不同步引起的誤差，對此在調(diào)試中通過脈沖計數(shù)值補(bǔ)償進(jìn)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(dǎo)致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠(yuǎn)產(chǎn)生的誤差越大，可適當(dāng)增大超聲波的發(fā)射功率等來改善。

④發(fā)射和接受前置電路延遲的時間誤差等，發(fā)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(jīng)足夠，電路延遲都是納秒數(shù)量級，記數(shù)頻率是40kHz，所以減少一個記數(shù)單位完全可以矯正。針對誤差原因在程序設(shè)計及系統(tǒng)調(diào)試中做了相應(yīng)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(biāo)的入射角的影響。

⑥超聲波回波聲強(qiáng)與待測距離的遠(yuǎn)近有直接關(guān)系。

⑦超聲波傳播速度對測距是有影響的。穩(wěn)定準(zhǔn)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(zhì)的特性，如溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生影響。因此，為了準(zhǔn)確地計算距離，應(yīng)對聲速加以修正，系統(tǒng)程序中采用了軟件補(bǔ)償措施。

（3）誤差改進(jìn)

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(jìn)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(bǔ)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(jù)探測結(jié)果直接報出距離、方位，更便于使用。

•由于受發(fā)射功率及回波檢測靈敏度的限制，探測范圍較小，可增加發(fā)射功率調(diào)節(jié)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(bǔ)償

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關(guān)。在使用時，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。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(huán)境溫度T，由單片機(jī)控制器進(jìn)行軟件修正。

5.2 系統(tǒng)源程序的調(diào)試過程

5.2.1 軟件仿真驗證

本設(shè)計采用51匯編語言編寫，用Keil C51編譯和調(diào)試。這里采用光電二極管和光電三極管來代替超聲波發(fā)送探頭和超聲波接收探頭，且空中傳播過程略去仿真。聯(lián)調(diào)仿真后，可見數(shù)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(yīng), 為避免余震產(chǎn)生的“虛假反射波”超聲測距數(shù)據(jù)的采集與處理錯誤申請中斷，超聲波脈沖發(fā)射后軟件中設(shè)置了一段時間的延時，稱為“死區(qū)”時間，“死區(qū)”形成了距離測量中的“盲區(qū)”，由于探頭的性能誤差，運(yùn)行后要不斷調(diào)整探頭的“死區(qū)”。經(jīng)過應(yīng)用過程的調(diào)試，本系統(tǒng)的測量“盲區(qū)”控制在20cm內(nèi)，“死區(qū)”時間為115ms，測量誤差為±1cm。

結(jié)  論

本文所設(shè)計的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)是保障汽車倒車安全的輔助系統(tǒng)，通過超聲波探頭發(fā)出超聲波，使用高速單片機(jī)計算距離，還可加入了溫度補(bǔ)償電路，提高了距離計算的精度。系統(tǒng)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(dāng)汽車與障礙物的距離小于所設(shè)定的安全距離時，系統(tǒng)發(fā)出報警，提醒駕駛員，防止汽車的碰撞或擦傷，具有很強(qiáng)的實用性。

整個報警器系統(tǒng)由汽車倒車擋控制，當(dāng)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(huán)境溫度為-20～50℃的范圍內(nèi)，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(shè)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(jī)設(shè)計的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實際測試證明, 該類測距儀工作穩(wěn)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(tǒng)可應(yīng)用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān) 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(shè)計實用性極強(qiáng)。

通過一學(xué)期的努力，完成了超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計。設(shè)計滿足了任務(wù)書中的基本要求和擴(kuò)展要求，軟、硬件設(shè)計已達(dá)到預(yù)期效果。主要完成的工作有：

①學(xué)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(tǒng)的各個功能模塊的硬件設(shè)計與調(diào)試。

③已經(jīng)通過系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試，距離通過LED顯示出來。

由于時間和能力有限，本次設(shè)計還有一些不足之處，主要有以下幾方面：

①由于經(jīng)驗不足，在設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的時候，設(shè)計原理圖與PCB板圖的時候出現(xiàn)了一些問題。

②在調(diào)試時，顯示的延遲性較大，超聲波探頭太敏感。

本文創(chuàng)新點：

①測試結(jié)果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設(shè)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(jié)構(gòu)簡單、體積小、性能穩(wěn)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(dǎo)盲眼鏡、位移儀、深度儀等，具有一定推廣應(yīng)用價值。

致  謝

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

感謝我的指導(dǎo)老師曾毅對我的辛勤培育。從論文的立題到實驗的設(shè)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(xué)識，嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，靈活的思維方式，耐心細(xì)致的言傳身教深深感染激勵著我，將使我終身受益。導(dǎo)師不但在學(xué)習(xí)上給予我耐心細(xì)致的指導(dǎo)，在生活中也給了我莫大的關(guān)懷，在這里向曾老師表示衷心的感謝。

    感謝大學(xué)四年所有指導(dǎo)過的老師。在學(xué)習(xí)的過程中給了我很多的指導(dǎo)，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(yè)設(shè)計和畢業(yè)論文的過程中，我們寢室的同學(xué)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(yǎng)育之恩，讓我順利的完成了四年的大學(xué)學(xué)業(yè)，并讓我獲取了一定的知識并最終走向社會，為社會貢獻(xiàn)自己!

最后，我要向在百忙之中抽時間對本文進(jìn)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(xiàn)

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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(tǒng)總原理圖

 

附錄2：AT89S51引腳功能

Vcc：電源電壓；GND：地

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)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(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)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(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。

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

P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問八位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器，P2口線上的內(nèi)容（也即特殊功能存儲器（SFR）區(qū)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(nèi)部上拉電阻的八位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)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(nèi)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(shù)器0）

P3.5  （定時/計數(shù)器1）

P3.6  （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）

P3.7  （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）

ALE：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)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(jié)。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(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)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(qū)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A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)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(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機(jī)器周期兩次 有效，即輸出兩個脈沖。在次期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 信號不出現(xiàn)。

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(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU則執(zhí)行內(nèi)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(dāng)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(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。

XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端

篇6

    1.同濟(jì)大學(xué)車輛工程領(lǐng)域全日制專業(yè)學(xué)位研究生校企聯(lián)合培養(yǎng)模式的探索    

    2.車輛工程專業(yè)實踐教學(xué)體系改革     

    3.全日制工程碩士培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實踐——以吉林大學(xué)車輛工程領(lǐng)域工程碩士培養(yǎng)為例    

    4.測繪工程本科專業(yè)實踐教學(xué)體系的構(gòu)建    

    5.專業(yè)認(rèn)證背景下的測繪工程專業(yè)課程體系優(yōu)化    

    6.SL機(jī)場測繪工程項目的進(jìn)度與質(zhì)量管理研究      

    7.測繪工程專業(yè)和測繪學(xué)    

    8.東莞市某公路測繪工程質(zhì)量管理控制       

    9.測繪工程專業(yè)“四維滲透式”實踐教學(xué)改革研究    

    10.基于測繪工程專業(yè)規(guī)范的應(yīng)用型創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式構(gòu)建    

    11.車輛工程專業(yè)模塊課實驗教學(xué)整合與優(yōu)化     

    12.車輛工程專業(yè)實踐教學(xué)體系的構(gòu)建和思考    

    13.應(yīng)用型車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)方案的研究    

    14.車輛工程應(yīng)用型本科大學(xué)生工程素質(zhì)培養(yǎng)模式的創(chuàng)新與實踐    

    15.基于閩臺合作辦學(xué)下應(yīng)用型本科院校車輛工程專業(yè)課程設(shè)置研究    

    16.混合動力技術(shù)在車輛工程領(lǐng)域的應(yīng)用與研究現(xiàn)狀    

    17.車輛工程實驗課程教學(xué)研究    

    18.車輛工程專業(yè)多層次開放式實驗教學(xué)體系的構(gòu)建     

    19.國內(nèi)外大學(xué)車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)情況分析    

    20.車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)體系改革與實踐    

    21.車輛工程培養(yǎng)模式初探    

    22.武漢軌道交通1號線二期工程車輛轉(zhuǎn)向架架修技術(shù)探討    

    23.關(guān)于混合動力技術(shù)在車輛工程領(lǐng)域應(yīng)用的探討    

    24.工程車輛自動變速系統(tǒng)模糊控制的相關(guān)分析 優(yōu)先出版    

    25.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》在線投稿系統(tǒng)開通      

    26.工程車輛油氣懸掛系統(tǒng)防進(jìn)氣裝置研究 優(yōu)先出版    

    27.新能源在車輛工程中的運(yùn)用     

    28.基于“四輪驅(qū)動”的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式研究    

    29.電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析    

    30.工程車輛自動變速智能控制系統(tǒng)開發(fā)與試驗研究    

    31.基于AMESim工程車輛變速器電液控制系統(tǒng)的仿真與試驗研究    

    32.虛擬仿真軟件在新能源車輛工程專業(yè)實驗教學(xué)中的應(yīng)用    

    33.車輛工程領(lǐng)域中混合動力技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀分析    

    34.車輛工程專業(yè)核心基礎(chǔ)課程考評模式的研究和實踐    

    35.論行動導(dǎo)向教學(xué)在車輛工程實驗教學(xué)中的應(yīng)用    

    36.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》在線投稿系統(tǒng)開通      

    37.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》2016年總目次    

    38.基于ADAMS的工程車輛6擋變速器換擋過程仿真研究    

    39.電子信息技術(shù)在車輛工程上的應(yīng)用分析    

    40.環(huán)衛(wèi)工程車輛液壓制動能量回收技術(shù) 優(yōu)先出版     

    41.車輛工程專業(yè)虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)的必要性探討     

    42.車輛工程專業(yè)課程體系改革研究——以山東建筑大學(xué)為例    

    43.車輛工程實驗室的開放式管理系統(tǒng)設(shè)計 優(yōu)先出版    

    44.車輛工程專業(yè)應(yīng)用型人才培養(yǎng)模式研究——以三亞學(xué)院為例     

    45.基于畢業(yè)要求達(dá)成的車輛工程專業(yè)實踐課程體系反向設(shè)計    

    46.基于CDIO的車輛工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計探索與實踐    

    47.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》在線投稿系統(tǒng)即將開通      

    48.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》2015年總目次    

    49.地鐵工程車輛的應(yīng)用維修管理    

    50.車輛工程類專業(yè)電工學(xué)教考模式的幾點思考    

    51.工程車輛駕駛室噪聲控制及聲品質(zhì)客觀評價    

    52.工程車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)動態(tài)特性研究    

    53.PLC在某型工程車輛模擬維修系統(tǒng)中的應(yīng)用    

    54.深圳地鐵1號線續(xù)建工程車輛ATC天線安裝支架優(yōu)化設(shè)計    

    55.車輛工程專業(yè)工程碩士英語教學(xué)存在問題及EPBEP教學(xué)方法的研究與應(yīng)用     

    56.工程車輛消聲器性能分析及優(yōu)化    

    57.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》雜志聲明    

    58.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》欄目索引    

    59.虛擬樣機(jī)技術(shù)在車輛工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究 優(yōu)先出版    

    60.車輛工程大學(xué)生創(chuàng)新實踐基地建設(shè)與實踐    

    61.關(guān)于電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析    

    62.昆明地鐵首期工程車輛轉(zhuǎn)向架異響分析    

    63.交互式工程車輛虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計    

    64.車輛工程專業(yè)教學(xué)團(tuán)隊建設(shè)與實踐    

    65.測繪工程監(jiān)理方法探討     

    66.階梯式創(chuàng)新實踐培養(yǎng)模式在車輛工程專業(yè)教學(xué)中的探索     

    67.基于Matlab/Simulink的工程車輛自動變速器換擋規(guī)律研究 優(yōu)先出版    

    68.簡析工程車輛液力機(jī)械傳動系統(tǒng)的動力性分析      

    69.基于51單片機(jī)對工程車輛閉鎖離合器的控制 優(yōu)先出版    

    70.電力工程車輛第三軌供電過無電區(qū)控制策略    

    71.工程車輛油氣懸架工作過程熱力學(xué)分析    

    72.車輛工程專業(yè)汽車結(jié)構(gòu)類課程教學(xué)模式改革探討 優(yōu)先出版       

    73.論工程車輛傳動系統(tǒng)的熱平衡計算     

    74.車輛工程核心課程先進(jìn)教學(xué)模式探索與實踐       

    75.關(guān)于電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析    

    76.工程車輛液壓混合動力技術(shù)研究進(jìn)展    

    77.烏魯木齊市軌道交通1號線工程車輛制動系統(tǒng)防寒設(shè)計    

    78.昆明市軌道交通3號線工程車輛制動系統(tǒng)設(shè)計    

    79.應(yīng)用型本科院校車輛工程專業(yè)課程設(shè)置的研究 優(yōu)先出版    

    80.我院車輛工程專業(yè)建設(shè)的思考與探索    

    81.碳纖維與工程車輛翻新輪胎復(fù)合強(qiáng)化模型及增強(qiáng)機(jī)理 優(yōu)先出版    

    82.《農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程》雜志聲明    

    83.基于遺傳算法的某工程車輛起步特性研究 優(yōu)先出版    

    84.鄭州市軌道交通2號線一期工程車輛主要部件選型    

    85.車輛工程類本科專業(yè)職教師資培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)    

    86.基于CDIO的車輛工程專業(yè)教學(xué)模式改革與實踐    

    87.協(xié)同創(chuàng)新模式下車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)模式改革初探    

    88.基于效率換擋規(guī)律的工程車輛換擋品質(zhì)研究    

    89.車輛工程本科專業(yè)課程設(shè)計的改革與創(chuàng)新    

    90.工程車輛駕駛室座椅H點設(shè)計研究    

    91.淺談小波理論在車輛工程中的應(yīng)用及發(fā)展趨勢    

    92.基于CFD與ε-NTU法的工程車輛散熱性能預(yù)估 優(yōu)先出版    

    93.駕駛實習(xí)——車輛工程專業(yè)必不可少的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)    

    94.車輛工程專業(yè)在應(yīng)用型本科開展實踐教學(xué)的研究 優(yōu)先出版    

    95.產(chǎn)教融合培養(yǎng)“企業(yè)預(yù)備隊”的實踐與思考——以車輛工程專業(yè)為例    

    96.與專業(yè)認(rèn)證相銜接的車輛工程專業(yè)人才培養(yǎng)體系改革探討    

    97.基于模糊可靠度的工程車輛傳動軸可靠性優(yōu)化設(shè)計    

    98.Danfoss多功能閥在工程車輛中的應(yīng)用    .

    99.電子控制技術(shù)在車輛工程中的應(yīng)用分析    .

篇7

關(guān)鍵詞：機(jī)器人競賽；創(chuàng)新實踐；項目教學(xué)法

作者簡介：毛麗民（1981-），男，江蘇常熟人，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，講師；劉叔軍（1962-），男，黑龍江寶清人，常熟理工學(xué)院電氣與自動化工程學(xué)院，教授。（江蘇 常熟 215500）

基金項目：本文系國家自然科學(xué)基金（項目編號：61273312）、江蘇省自然科學(xué)基金（項目編號：BK2010261）的研究成果。

中圖分類號：G642.423 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）01-0148-03

在國外院校，學(xué)生本科階段就開設(shè)了機(jī)器人啟蒙課程，使學(xué)生對機(jī)器人能夠有普遍地了解，研究生階段開設(shè)關(guān)于機(jī)器人的更深層次的課程，而國內(nèi)高校本科階段開設(shè)機(jī)器人課程的相對較少。

機(jī)器人教學(xué)與其他學(xué)科教學(xué)的最大不同之處在于，機(jī)器人教學(xué)在學(xué)習(xí)上充分滲透了研究性學(xué)習(xí)的思想，而且機(jī)器人教學(xué)實踐性非常強(qiáng)。實踐教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。高校要把實踐教學(xué)和理論教學(xué)擺在同等重要的位置，要不斷改革實踐教學(xué)內(nèi)容，改進(jìn)實踐教學(xué)方法。以機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實踐為導(dǎo)向的項目教學(xué)法研究，對大學(xué)生創(chuàng)新素質(zhì)教育具有重要的現(xiàn)實意義。

一、項目教學(xué)方法

“給你55分鐘，你可以造一座橋嗎？”這是德國教育專家弗雷德·海因里希教授在“德國及歐美國家素質(zhì)教育報告演示會”上介紹“項目教學(xué)法”的一個實例。首先由學(xué)生或教師在現(xiàn)實中選取一個“造一座橋”的項目，學(xué)生分組對項目進(jìn)行討論，并寫出各自的計劃書；接著正式實施項目——利用一種被稱為“造就一代工程師偉業(yè)”的“慧魚”模型拼裝橋梁；然后演示項目結(jié)果，由學(xué)生闡述設(shè)計思想和構(gòu)造機(jī)理；最后由教師對學(xué)生的作品進(jìn)行評估。通過以上步驟，可以充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，培養(yǎng)和提高他們的動手能力、實踐能力、分析能力和綜合能力。

以機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實踐為導(dǎo)向的項目教學(xué)法研究，就是要將項目教學(xué)法應(yīng)用到機(jī)器人的創(chuàng)新實踐中，把各項理論知識和實踐技能有機(jī)地結(jié)合，將機(jī)器人的項目分解成多個明確的目標(biāo)任務(wù)，讓學(xué)生在規(guī)定的時間里獨立完成相應(yīng)的任務(wù)，其目的在于充分發(fā)掘?qū)W生的創(chuàng)造潛能，提高學(xué)生解決實際問題的綜合能力。通過實踐探索出一種能提高學(xué)生創(chuàng)新和實踐能力，全方位調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性的機(jī)器人教學(xué)模式。在實施“機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實踐為導(dǎo)向的項目教學(xué)法”時，重視機(jī)器人項目的選擇、機(jī)器人具體成果展示、教師的評估與總結(jié)、充分利用創(chuàng)新實驗室的現(xiàn)有資源并使之與現(xiàn)代化教學(xué)相結(jié)合，這是搞好“項目教學(xué)法”的關(guān)鍵。

二、機(jī)器人競賽

機(jī)器人競賽是一項很好的科技創(chuàng)新活動，形式繁多，內(nèi)容豐富。設(shè)計方案的開放性，也為學(xué)生的創(chuàng)新奠定了基礎(chǔ)。參賽者可以用不同的方法實現(xiàn)同一個項目，通過比賽，激發(fā)其對機(jī)器人的學(xué)習(xí)興趣，引導(dǎo)他們積極探索機(jī)器人新科技，為其自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供良好的平臺。

中國機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開賽：1999年，在RoboCup 國際委員的支持和授權(quán)下，首屆中國機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機(jī)器人最具影響力的賽事，比賽共設(shè)立12類65項賽事。機(jī)器人競賽種類多、規(guī)模大、水平高，為大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新實踐活動提供了很好的平臺。

“未來伙伴”杯中國智能機(jī)器人大賽（暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽），是中國人工智能機(jī)器人專業(yè)委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機(jī)器人救火大賽、機(jī)器人足球比賽、機(jī)器人創(chuàng)新大賽、機(jī)器人搜救大賽、機(jī)器人擂臺賽和機(jī)器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機(jī)器人救火大賽是國際賽制機(jī)器人滅火比賽（暨國際機(jī)器人滅火比賽中國賽區(qū)選拔賽）。

“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽，由教育部委托高等學(xué)校自動化專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)分委員會主辦。競賽分競速賽與創(chuàng)意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽已經(jīng)成功舉辦了6屆。

三、機(jī)器人實踐教學(xué)的具體實施

機(jī)器人競賽、創(chuàng)新實踐是一項很好的科技創(chuàng)新活動，機(jī)器人的趣味性易于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和研究的興趣，同時將創(chuàng)新實踐、競賽引入教學(xué)過程，使學(xué)生變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)和研究。

“機(jī)器人項目教學(xué)法”的一般教學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

“項目教學(xué)法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導(dǎo)、學(xué)生為主體”，改變了以往“教師講，學(xué)生聽”被動的教學(xué)模式，創(chuàng)造了學(xué)生主動參與、自主協(xié)作、探索創(chuàng)新的新型教學(xué)模式。

本文以參加2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup 公開賽的醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業(yè)和不同年級的學(xué)生組成一個競賽小組，研究競賽規(guī)則、制定項目方案、機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計、電路設(shè)計、程序調(diào)試，學(xué)生分工合作，過程中集思廣益、取長補(bǔ)短、團(tuán)結(jié)協(xié)作。這種在探索中學(xué)習(xí)的過程是其他教學(xué)環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)的，對于培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力非常重要。本文以一種醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人設(shè)計為導(dǎo)向的項目教學(xué)法，按照以下六個教學(xué)步驟進(jìn)行：

1.項目的申請

根據(jù)學(xué)院參加機(jī)器人競賽的實際情況，中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽，作為全國最具影響力的機(jī)器人比賽。本學(xué)院主要參加了醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人、機(jī)器人游中國、擂臺等機(jī)器人項目，學(xué)生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據(jù)江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學(xué)生申報的項目，分析學(xué)生的實際情況，建議選擇項目規(guī)模和難度適中的項目。

中國已經(jīng)進(jìn)入了老齡化社會，而且在今后幾年內(nèi)老齡人口數(shù)量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴(yán)重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負(fù)擔(dān)。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務(wù)行業(yè)工作者稀缺的背景下，在醫(yī)院時不時會有行動不便的病人需要護(hù)士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學(xué)生選擇參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作賽項，設(shè)計一種醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人。

2.項目團(tuán)隊的建立

建立學(xué)生團(tuán)隊，營造互相競爭、互相幫助的學(xué)習(xí)氛圍，學(xué)生在做項目過程中攜手合作，彌補(bǔ)相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學(xué)生體會到團(tuán)隊的重要性，做到共同進(jìn)步。同時，團(tuán)隊的學(xué)生分工明確，每人負(fù)責(zé)項目的某一部分，使學(xué)生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學(xué)生，學(xué)生為使項目不會因為自己負(fù)責(zé)的部分沒有完成而主動學(xué)習(xí)，主動查資料，可以培養(yǎng)和提高學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力。學(xué)生團(tuán)隊的建立，應(yīng)考慮學(xué)生的專業(yè)，年紀(jì)，特長等因素。教師確定一名隊長，根據(jù)項目的特點，隊長可以自己招學(xué)生，實現(xiàn)學(xué)生管理學(xué)生。

參加醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人創(chuàng)新設(shè)計與制作賽項，筆者選擇了5名學(xué)生，隊長由09級的一名學(xué)生擔(dān)任，該生組織能力比較強(qiáng)，專業(yè)能力也比較脫出，由他負(fù)責(zé)整個項目的進(jìn)展，匯報工作。其他學(xué)生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業(yè)分別是自動化、測控、電氣。

3.項目任務(wù)、計劃的制定

團(tuán)隊負(fù)責(zé)人制定機(jī)器人項目工作計劃，確定工作步驟。機(jī)器人是集機(jī)械、電子、控制、計算機(jī)、傳感器、人工智能等多學(xué)科先進(jìn)技術(shù)于一體的智能儀器。本次設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人由小組討論決定，醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛?cè)セ炇夷萌蟾?，去門診找醫(yī)生復(fù)診，降低護(hù)士工作量及病人家屬的負(fù)擔(dān)。為使醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人更好的服務(wù)病人，該團(tuán)隊為機(jī)器人設(shè)置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機(jī)器人將現(xiàn)場鍵盤控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合，實現(xiàn)護(hù)士對病人的遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)，機(jī)器人在前進(jìn)過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機(jī)器人配備了機(jī)械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。

根據(jù)團(tuán)隊中學(xué)生的專業(yè)、特長等分配任務(wù)，負(fù)責(zé)機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計的學(xué)生需要畫圖紙、電焊等來完成機(jī)器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計、機(jī)械手的設(shè)計；電路設(shè)計的學(xué)生制作包括單片機(jī)電路、電源穩(wěn)壓電路、電機(jī)驅(qū)動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業(yè)的學(xué)生負(fù)責(zé)電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學(xué)生，完成程序的設(shè)計、調(diào)試；控制界面的設(shè)計由另外一個學(xué)生負(fù)責(zé)，主要是VB編寫上位機(jī)、WIFI攝像頭的調(diào)試、藍(lán)牙通信的調(diào)試。

根據(jù)機(jī)器人項目的特點，學(xué)生在制作過程中可適當(dāng)?shù)刈饕恍┱{(diào)整。根據(jù)項目完成的時間確定工作步驟，進(jìn)行時間分配。最終得到教師的認(rèn)可才能執(zhí)行。

4.項目制作

學(xué)生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作?；跈C(jī)器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調(diào)查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學(xué)生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人成果包括機(jī)器人模型一個、機(jī)器人設(shè)計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結(jié)束后，指導(dǎo)學(xué)生按照他們設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人撰寫論文、申請專利。

5.項目檢查評估

整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進(jìn)行匯報總結(jié)，再由隊員對自己負(fù)責(zé)的工作進(jìn)行匯報和自我評估，并且對設(shè)計的醫(yī)療服務(wù)機(jī)器人進(jìn)行展示，教師根據(jù)團(tuán)隊成員的表現(xiàn)、研究成果表述和作品的展示進(jìn)行檢查，為到現(xiàn)場比賽作準(zhǔn)備。

針對項目中出現(xiàn)的問題，師生共同討論，教師引導(dǎo)學(xué)生獨立思考問題，解決問題。學(xué)生通過對比師生評價結(jié)果，找出造成結(jié)果差異的原因

6.項目資料歸檔或應(yīng)用

為使學(xué)生養(yǎng)成良好的習(xí)慣，項目結(jié)束后，教師監(jiān)督學(xué)生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進(jìn)度表、機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖、程序設(shè)計流程、機(jī)器人控制程序、項目結(jié)項書、項目報告講義等。

四、機(jī)器人項目教學(xué)的成果

機(jī)器人創(chuàng)新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學(xué)生的動手能力和創(chuàng)新能力。在教師指導(dǎo)下，學(xué)生通過自己查閱資料、提出有創(chuàng)意的設(shè)計方案，選擇合適的元件，設(shè)計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調(diào)動了學(xué)生的積極性，發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力，使學(xué)生在實踐中進(jìn)一步提高自己的綜合能力。有助于將學(xué)生的興趣應(yīng)用到教師的科研中，使學(xué)生們熱愛科技，投身科技，在學(xué)校形成良好的科技學(xué)術(shù)氣氛。

本校參加機(jī)器人競賽源于2010年，當(dāng)時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽、中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機(jī)器人大賽、“未來伙伴”杯機(jī)器人競賽，并因此開設(shè)了機(jī)器人技術(shù)、機(jī)器人創(chuàng)新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學(xué)生創(chuàng)新實驗室項目負(fù)責(zé)制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學(xué)生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創(chuàng)新實驗室項目的創(chuàng)新性。實踐教學(xué)效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區(qū)比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機(jī)器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機(jī)器人滅火比賽。

五、結(jié)論

實踐教學(xué)的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生通過實踐發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和初步的科學(xué)研究能力。機(jī)器人創(chuàng)新實踐活動以其高度的實踐性被越來越多的高校引入實踐教學(xué)。本校自動化學(xué)院機(jī)器人實踐教學(xué)的具體實施，促進(jìn)了學(xué)院各學(xué)科綜合發(fā)展，提高了教師的理論、實踐教學(xué)水平和科研水平，使學(xué)生對機(jī)器人相關(guān)課程融會貫通，提高了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新和團(tuán)隊合作等綜合能力，推動了學(xué)院實踐教學(xué)體系的發(fā)展和完善。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王旭仁，何花，等.深入完善“智能機(jī)器人”實踐課程體系促進(jìn)教學(xué)實踐[J].計算機(jī)教育，2009，（11）：116-118.