機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計總結(jié)

前言：想要寫出一篇令人眼前一亮的文章嗎？我們特意為您整理了5篇機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計總結(jié)范文，相信會為您的寫作帶來幫助，發(fā)現(xiàn)更多的寫作思路和靈感。

機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計總結(jié)范文第1篇

科學(xué)研究作為發(fā)展科學(xué)技術(shù)重要的支撐點，在科技進(jìn)步中發(fā)揮著舉足輕重的作用。在剛召開的黨的十中提出：科技創(chuàng)新是提高社會生產(chǎn)力和綜合國力的戰(zhàn)略支撐，必須擺在國家發(fā)展全局的核心位置。深化科技體制改革，加快建設(shè)國家創(chuàng)新體系，著力構(gòu)建以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的技術(shù)創(chuàng)新體系。

在我國的經(jīng)濟(jì)體制由計劃經(jīng)濟(jì)向市場經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)變的今天，高等教育的教學(xué)管理模式也發(fā)生著變化，高等教育現(xiàn)在在全面貫徹黨的教育方針的同時，已經(jīng)由原來的學(xué)校完全承包，向以就業(yè)為導(dǎo)向的方向發(fā)展，已經(jīng)逐漸走向一條產(chǎn)學(xué)研結(jié)合發(fā)展的道路。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)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(yīng)用能力、應(yīng)變能力和創(chuàng)新能力等綜合實力，提出更高的要求。這樣高等教育的培養(yǎng)目標(biāo)就由原來單純以學(xué)習(xí)課本為重，轉(zhuǎn)向要求學(xué)生既有一定專業(yè)理論基礎(chǔ)，又有勝任現(xiàn)代化生產(chǎn)工作的能力。因此，實踐教學(xué)在學(xué)生培養(yǎng)過程中就顯得十分重要。

毫無疑問，實踐教學(xué)是大學(xué)生創(chuàng)新的有效途經(jīng)。可以把教師的科研項目列入實踐教學(xué)活動中，啟發(fā)學(xué)生的科研創(chuàng)新意識。如讓學(xué)生參與教師的科研項目，使學(xué)生了解科研的過程、方式方法、數(shù)據(jù)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(xué)，促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，開拓學(xué)生創(chuàng)新思維。

一、構(gòu)建科學(xué)的實踐教學(xué)體系

實踐教學(xué)體系是培養(yǎng)學(xué)生實踐能力、創(chuàng)新意識與創(chuàng)新能力的整體教學(xué)組織與訓(xùn)練過程，也是考查學(xué)生掌握基本理論、基本技能的主要途徑，是實現(xiàn)專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)十分重要的教育教學(xué)環(huán)節(jié)。[2]高等教育的實踐教學(xué)體系包含多種類型的課程設(shè)置。例如實驗教學(xué)、課程設(shè)計、金工實訓(xùn)、生產(chǎn)實習(xí)、畢業(yè)實習(xí)和畢業(yè)設(shè)計等，都屬于實踐教學(xué)的范疇。表1為高校實踐課程教學(xué)體系。

1.實驗教學(xué)

實驗教學(xué)是從最基礎(chǔ)的理論知識入門，通過儀器設(shè)備的使用操作，對數(shù)據(jù)或圖像進(jìn)行分析，驗證理論知識的來源與正確性，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，再逐步開設(shè)綜合性的實驗。如機(jī)械原理零件實驗、刀具實驗、金相熱處理實驗等基礎(chǔ)實驗，隨著學(xué)習(xí)的不斷深入，再進(jìn)一步完成機(jī)、電、氣綜合與創(chuàng)新性實驗等。從而幫助學(xué)生更好地理解和掌握理論基本知識，對儀器設(shè)備操作基本技能，培養(yǎng)創(chuàng)新思維能力。實驗教學(xué)是實踐教學(xué)的基礎(chǔ)。

2.課程設(shè)計

課程設(shè)計是學(xué)完某一門專業(yè)基礎(chǔ)課或?qū)I(yè)課后進(jìn)行的一項專門化實踐性訓(xùn)練，主要目的在于培養(yǎng)學(xué)生利用本門課程的知識及已學(xué)的知識，綜合應(yīng)用完成某一課題的設(shè)計。如工藝夾具設(shè)計、刀具設(shè)計、機(jī)床設(shè)計、零件設(shè)計和電路設(shè)計等。初步培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維的方法及應(yīng)用知識的能力。

3.金工實習(xí)

金工實習(xí)是工科院校必開的一門實踐課程，他屬于基礎(chǔ)金工實習(xí)。學(xué)生在學(xué)完金屬工藝學(xué)與機(jī)械制圖課程后進(jìn)行，也可在金工實習(xí)過程中完成該門課程的教學(xué)。通過實習(xí)，了解金屬加工過程的方法和設(shè)備，掌握冷加工和熱加工操作的基本技能。在實習(xí)中，可將后續(xù)相關(guān)的知識，適時適量介紹，對專業(yè)知識初步了解。同時，還可以到各種類型的企業(yè)參觀考察，觀察社會了解市場，擴(kuò)大視野端正專業(yè)思想。

4.生產(chǎn)實習(xí)

生產(chǎn)實習(xí)是一門綜合性的實踐教學(xué)課程，是在專業(yè)課程大都已學(xué)完的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。走出學(xué)校的課堂深入到企業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)場。針對某一機(jī)械產(chǎn)品考察制造全過程，運用所學(xué)的知識，進(jìn)行分析對比，研究總結(jié)，如到內(nèi)燃機(jī)制造企業(yè)進(jìn)行實踐，把在課堂學(xué)到的理性認(rèn)識融會到感性認(rèn)識中。

5.畢業(yè)設(shè)計與畢業(yè)實習(xí)

畢業(yè)設(shè)計與畢業(yè)實習(xí)，應(yīng)強化學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，是實踐教學(xué)的核心。這是進(jìn)入社會前的一次大練兵，也是教育質(zhì)量的大檢驗。持續(xù)一學(xué)年的畢業(yè)設(shè)計選題至關(guān)重要，應(yīng)是融技術(shù)性與實用性為一體，融創(chuàng)新意識與創(chuàng)新實踐為一體。具體做法：一是與科研課題相結(jié)合，如大客車整車強度測試；二是充分利用現(xiàn)有實驗設(shè)備，如利用FISTO氣動實驗裝置，設(shè)計機(jī)電自動控制回路；三是對實驗設(shè)備進(jìn)行技術(shù)改造，如對機(jī)械原理機(jī)構(gòu)示教板改進(jìn)自動控制裝置；四是結(jié)合生產(chǎn)實際進(jìn)行科研開發(fā)，如汽車發(fā)電機(jī)殼體壓鑄模具設(shè)計等。學(xué)生在指導(dǎo)教師的帶領(lǐng)下，結(jié)合生產(chǎn)實際或科研課題，充分調(diào)動人的主觀能動性，運用設(shè)計新理念和方法，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計取得良好效果。[3]

表1 高校實踐課程教學(xué)體系

二、把“產(chǎn)學(xué)研”和實踐教學(xué)結(jié)合起來，開拓學(xué)生創(chuàng)新思維

產(chǎn)學(xué)研合作教育對于高校提升科研水平、企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、增強地區(qū)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(xué)發(fā)展觀、轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重大戰(zhàn)略舉措。[4]高校人才聯(lián)合培養(yǎng)是產(chǎn)學(xué)研合作的形式之一，其主要方式包括：大學(xué)、科研機(jī)構(gòu)與企業(yè)通過設(shè)置人才培養(yǎng)專項基金、大學(xué)教授和研究人員擔(dān)任企業(yè)顧問、大學(xué)生在企業(yè)實習(xí)、企業(yè)人員在大學(xué)或科研機(jī)構(gòu)進(jìn)行培訓(xùn)等多種方式在人力資本層面進(jìn)行交流與互動。[5]

大學(xué)生的創(chuàng)新活動是在學(xué)習(xí)實踐過程中的創(chuàng)新，同時也是在掌握了基礎(chǔ)知識、相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域研究成果后的創(chuàng)新，這使得他們的創(chuàng)新不僅要有個人價值，而且要在專業(yè)領(lǐng)域中具有一定的社會價值。創(chuàng)新活動的價值衡量具有雙重標(biāo)準(zhǔn)，對于應(yīng)用型工科大學(xué)生，應(yīng)以社會標(biāo)準(zhǔn)為主，偏重于創(chuàng)新活動的結(jié)果，偏重于創(chuàng)新的產(chǎn)品。因為創(chuàng)新能力培養(yǎng)的關(guān)鍵在于創(chuàng)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(chuàng)造性社會實踐之前，人的“才能”只是一種“潛能”，只有通過創(chuàng)造性實踐這一“中介”，方可得到進(jìn)一步的提高，只有在不斷的摸索中才能培養(yǎng)創(chuàng)新能力。在臺灣本科教學(xué)中，每一門課程的教學(xué)中，實踐教學(xué)就占有大半時數(shù)，每一單元時間內(nèi)的教學(xué)，都包含有理論教學(xué)和實踐教學(xué)，在動腦和動手過程中，提升大學(xué)生創(chuàng)新思維。

1.“產(chǎn)學(xué)研”項目和實驗環(huán)節(jié)相結(jié)合

實驗教學(xué)在人才培養(yǎng)方面具有課堂理論教學(xué)不可替代的作用，實驗室作為高校人才培養(yǎng)的重要陣地在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新人才中應(yīng)發(fā)揮其重要的作用。因此，我們將科研方法引入實驗教學(xué)中，將學(xué)科建設(shè)取得的科研成果和開發(fā)的新技術(shù)、新方法不斷引入實驗教學(xué)中，保持實驗教學(xué)方法與手段的不斷更新。并通過設(shè)置探索性實驗項目來模擬科研全過程，實現(xiàn)實驗教學(xué)與科學(xué)研究新技術(shù)、新方法訓(xùn)練的有機(jī)結(jié)合。

工科類專業(yè)在探索性實驗課程中，只給出若干思路，實驗前，學(xué)生不一定知道實驗結(jié)果，由學(xué)生根據(jù)實驗條件和研究目標(biāo)，自行查閱相關(guān)資料，設(shè)計實驗方案、實驗內(nèi)容和步驟、實驗數(shù)據(jù)參數(shù)，獨立進(jìn)行實驗操作，書寫實驗報告，并對出現(xiàn)的可能結(jié)果給予一定的解釋。盡管學(xué)生在實驗的最后結(jié)果中不一定達(dá)到要求，但是通過綜合訓(xùn)練，使學(xué)生對科研的基本方法和程序有一個清楚的認(rèn)識和體驗，有效調(diào)動了學(xué)生的主動性，既提高了學(xué)生的動手能力，又使學(xué)生養(yǎng)成了自主式、合作式、研究式、開放式的學(xué)習(xí)方式。如開放性實驗，完全由學(xué)生自己設(shè)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(xué)成為科研與教學(xué)的最佳結(jié)合點。例如工業(yè)自動化應(yīng)用課程利用實驗室電氣動實驗開發(fā)平臺，結(jié)合實驗題目要求，自己設(shè)計、搭線、編程、調(diào)試等軟硬結(jié)合過程。

2.“產(chǎn)學(xué)研”項目和實習(xí)實訓(xùn)相結(jié)合

實習(xí)實訓(xùn)是一門融理論與實踐綜合性很強的課程，在整個學(xué)生的培養(yǎng)過程中起到了一定的作用。我們要重視對學(xué)生動手能力、工程實踐能力的培養(yǎng)，增強學(xué)生將所學(xué)基礎(chǔ)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(chuàng)造能力。

例如現(xiàn)代機(jī)械制造加工中心需要機(jī)械手完成不同的任務(wù)，這個就可以為學(xué)生的實習(xí)實訓(xùn)提供選題，學(xué)生自己對課題進(jìn)行分析、設(shè)計，自己動手編程、調(diào)試、安裝、并最后調(diào)試完成一個機(jī)械手加工系統(tǒng)，對設(shè)計過程中涉及到相關(guān)課堂教學(xué)內(nèi)容，必須加以理解和消化，最終提交的是機(jī)械手能完成的任務(wù)和設(shè)計報告。這樣學(xué)生不但能夠?qū)⒄n堂上學(xué)到的理論知識與實際應(yīng)用結(jié)合起來，而且能夠?qū)C(jī)械傳動、電子電路、電子元器件等方面的知識綜合應(yīng)用，同時在單片機(jī)編程、排錯調(diào)試、機(jī)構(gòu)運動、相關(guān)儀器設(shè)備的使用技能等方面得到較全面的鍛煉和提高。為了促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”項目和實習(xí)實訓(xùn)相結(jié)合，我們先后和多家企業(yè)建立了長期、穩(wěn)定的校企合作。

3.“產(chǎn)學(xué)研”項目和畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合

畢業(yè)設(shè)計與畢業(yè)實習(xí)，是時間最長最具綜合性與創(chuàng)新性的實踐，是實踐教學(xué)的核心。工科專業(yè)學(xué)生的畢業(yè)實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計時間長達(dá)近半年，是學(xué)生走向工作崗位的最后一個重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，如果淡化工程意識，假題假做，由書本到圖樣可能對發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)造力極為不利。為了促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研”項目和畢業(yè)設(shè)計相結(jié)合，我們具體采取了以下方法：

（1）利用生產(chǎn)中的真實題目或參與指導(dǎo)教師的實際課題研究，提前布置畢業(yè)設(shè)計題目。以畢業(yè)論文課題研究等形式參與科研活動，在科研實踐培養(yǎng)創(chuàng)新精神以及分析和解決問題的能力方面，實現(xiàn)了以科研促進(jìn)教學(xué)的理想效果。[6]

（2）利用工廠待解決的技術(shù)問題，讓學(xué)生走出去，到工廠做畢業(yè)設(shè)計。由于受教師手頭的真實題目的限制，不可能所有的同學(xué)都在學(xué)校做真題目，我們通過與科研機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)單位的結(jié)合，即產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，讓同學(xué)們到工廠去，到科研機(jī)構(gòu)去，根據(jù)具體情況安排畢業(yè)設(shè)計題目。這樣做，不僅發(fā)展了生產(chǎn)也培養(yǎng)了技術(shù)人才，發(fā)揮了學(xué)生的創(chuàng)造能力。

三、以“工程測試”為例，探索“產(chǎn)學(xué)研”提升大學(xué)生實踐創(chuàng)新能力

利用科研項目將實驗、實習(xí)實訓(xùn)、畢業(yè)設(shè)計等串聯(lián)起來，把各個實踐環(huán)節(jié)緊密聯(lián)系在一起又起著承上啟下的作用。激活大學(xué)生參加實踐的積極性，加強培養(yǎng)綜合運用能力。

測試技術(shù)是獲取信息、分析和處理測量數(shù)據(jù)的關(guān)鍵技術(shù)與手段，是從事科學(xué)研究、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗與自動控制不可缺少的工具。[7]本人在學(xué)校主要承擔(dān)《機(jī)械工程測試技術(shù)》實驗教學(xué)，并在這幾年負(fù)責(zé)工程測試的一些科研項目，例如：2008年在廈門金龍聯(lián)合汽車工業(yè)有限公司、2011年在東風(fēng)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(xué)結(jié)合起來，開拓學(xué)生的創(chuàng)新思維，實現(xiàn)了科研成果與實踐教學(xué)雙豐收。

1.開設(shè)開放性實驗，吸引學(xué)生加入到科研項目

由于《機(jī)械工程測試技術(shù)》實驗項目與工程實際相結(jié)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(xué)生開放。把《機(jī)械工程測試技術(shù)》一系列實驗連續(xù)起來，要求學(xué)生按照工程上測試的要求，把應(yīng)變片粘貼好，并且對自己粘貼好的應(yīng)變片作靜態(tài)應(yīng)變測量和動態(tài)應(yīng)變測量。圖1為學(xué)生在粘貼應(yīng)變片，圖2為粘貼好的應(yīng)變片。這樣，學(xué)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(xué)生到現(xiàn)場測試，豐富學(xué)生的實訓(xùn)實習(xí)

充分發(fā)揮工程測試科研項目的優(yōu)勢，鼓勵學(xué)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(lián)合汽車工業(yè)有限公司，還是2011年在東風(fēng)杭州汽車有限公司作全承載整車強度測試，都有不少學(xué)生加入到測試。圖3是正在作整車測試的客車，圖4為學(xué)生在現(xiàn)場測試。由于科研課題多與工程應(yīng)用緊密結(jié)合，解決生產(chǎn)實際問題，任務(wù)本身具有挑戰(zhàn)性，學(xué)生在參與科研的過程中，可切身體會到理論與實踐結(jié)合的價值，激發(fā)起他們內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，應(yīng)用所學(xué)知識解決實際問題。[8]

3.測試項目為學(xué)生畢業(yè)設(shè)計課題提供來源

多年來，我們都高度重視學(xué)生畢業(yè)設(shè)計等實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，強化學(xué)生實踐能力的培養(yǎng)，形成了良好的傳統(tǒng)和特色。大學(xué)生所完成的這些工程測試項目，可以直接為他們的畢業(yè)設(shè)計提供選題來源。通過強化過程管理，保證了畢業(yè)設(shè)計（論文）的教學(xué)質(zhì)量。這對培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力方面有示范作用。圖5為大學(xué)生以某大客車測試為畢業(yè)設(shè)計題目所采集處理的數(shù)據(jù)。

四、“產(chǎn)學(xué)研”融合實踐教學(xué)取得的成果

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

機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計總結(jié)范文第2篇

摘要：創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的提升是我國教育改革的主旋律和根本目標(biāo)，將TRIZ理論引入本科生培養(yǎng)體系中，有利于提升學(xué)生的創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力。本文提出基于TRIZ理論的“一線三段”式本科生培養(yǎng)模式，在課程體系設(shè)置中貫穿創(chuàng)新主線，通過基礎(chǔ)課、技術(shù)基礎(chǔ)課培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，通過專業(yè)課、創(chuàng)新大賽和科研訓(xùn)練計劃培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，通過實踐課、畢業(yè)設(shè)計、科研立項培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新人格，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人格三個層次上構(gòu)建新型的面向機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計全過程的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。

關(guān)鍵詞：TRIZ；創(chuàng)新主線；一線三段；人才培養(yǎng)模式

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）52-0099-02

一、引言

創(chuàng)新的關(guān)鍵在于人才，人才的成長靠教育，因此，如何使高校學(xué)生具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，適應(yīng)時展的要求成為當(dāng)今社會的要務(wù)。開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和提升創(chuàng)新能力成為我國教育改革的主旋律，也是教學(xué)改革的根本目標(biāo)，貫穿于教育的全過程。關(guān)于本科學(xué)生創(chuàng)新思維及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，存在很多觀點及論述。諸如：轉(zhuǎn)變教育觀念[1]、構(gòu)建合理的課程體系[2-3]、改革教育方式[4]、營造創(chuàng)新教育環(huán)境、充分尊重學(xué)生的首創(chuàng)精神、改革考試方法等。但如何能夠加速創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力培養(yǎng)的步伐呢？發(fā)明問題解決理論TRIZ方法是一種知識化、系統(tǒng)化、科學(xué)化的創(chuàng)新方法，被世界公認(rèn)為引導(dǎo)創(chuàng)新的最佳工具，近幾年紛紛掀起了國內(nèi)眾多學(xué)者研究的熱潮。將TRIZ理論引入本科生培養(yǎng)體系中，開展以技術(shù)創(chuàng)新能力培養(yǎng)為目標(biāo)的教學(xué)改革與工程實踐活動，可以真正將創(chuàng)新思維與能力培養(yǎng)落到實處。河北工業(yè)大學(xué)在機(jī)械專業(yè)本科教學(xué)中開設(shè)發(fā)明問題解決理論TRIZ方面的課程走在了各高校的前列，結(jié)合機(jī)械專業(yè)對創(chuàng)新能力培養(yǎng)與實踐能力培養(yǎng)的要求，提出了基于TRIZ理論的“一線三段”式本科生培養(yǎng)模式，為培養(yǎng)能夠從事機(jī)械領(lǐng)域創(chuàng)新設(shè)計方面的應(yīng)用型高級專業(yè)人才奠定了基礎(chǔ)。

二、TRIZ理論與本科課程教學(xué)的融合

TRIZ發(fā)明問題解決理論，是前蘇聯(lián)G.S.Altshuller及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國大量專利的基礎(chǔ)上，歸納總結(jié)出的指導(dǎo)創(chuàng)新的最佳理論。通常認(rèn)為TRIZ理論由以下九大部分組成：技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化法則；最終理想解（IFR）；40個發(fā)明原理；39個標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)和矛盾矩陣；物理矛盾和四大分離原理；物一場模型分析；發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法；發(fā)明問題解決算法（ARIZ）；科學(xué)效應(yīng)和現(xiàn)象知識庫。

將TRIZ理論等創(chuàng)新方法引入到機(jī)械專業(yè)課程體系中，在課程體系設(shè)置中貫穿創(chuàng)新主線，在課堂教學(xué)、課程設(shè)計、實踐教學(xué)、畢業(yè)設(shè)計等教學(xué)環(huán)節(jié)融理論教學(xué)、項目教學(xué)、科學(xué)研究、工程實踐和實驗教學(xué)為一體，同時結(jié)合大學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃，創(chuàng)新大賽等實踐環(huán)節(jié)，構(gòu)建面向?qū)W生創(chuàng)新能力提升的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式，搭建實踐創(chuàng)新平臺，通過課堂教學(xué)和實踐訓(xùn)練潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維方式和方法，獨立分析、解決問題的能力，提升學(xué)生的創(chuàng)新意識及創(chuàng)新能力，進(jìn)而塑造學(xué)生的創(chuàng)新人格。

三、構(gòu)建一線三段式教學(xué)體系

1.將發(fā)明問題解決理論TRIZ引入到機(jī)械專業(yè)課程體系中，在課程體系設(shè)置中貫穿創(chuàng)新主線，構(gòu)建了面向機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計全過程的學(xué)生創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力、創(chuàng)新人格的培養(yǎng)模式，對現(xiàn)有的專業(yè)課程體系進(jìn)行規(guī)劃、調(diào)整，將TRIZ基本原理、概念和工具引入到專業(yè)基礎(chǔ)課課堂教學(xué)中，并積極引導(dǎo)學(xué)生選修創(chuàng)新思維類課程，使學(xué)生建立創(chuàng)新概念，重點培養(yǎng)創(chuàng)新意識，理解創(chuàng)新理論及創(chuàng)新意識在產(chǎn)品設(shè)計中起到的重要性。開設(shè)《創(chuàng)新設(shè)計》――TRIZ創(chuàng)新課程，使學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)TRIZ理論中的理想解、沖突理論、資源分析、技術(shù)進(jìn)化、物質(zhì)―場分析等創(chuàng)新方法及工具，并通過案例式教學(xué)和項目式教學(xué)，增強學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和科學(xué)的思維方式。并通過引導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新大賽、科研訓(xùn)練計劃等環(huán)節(jié)，運用TRIZ工具進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計工作，重點培養(yǎng)創(chuàng)新能力。

2.將TRIZ基本原理、概念和工具引入到專業(yè)基礎(chǔ)課課堂教學(xué)中，并積極引導(dǎo)學(xué)生選修創(chuàng)新思維類課程，使學(xué)生建立創(chuàng)新概念，重點培養(yǎng)創(chuàng)新意識，理解創(chuàng)新理論及創(chuàng)新意識在產(chǎn)品設(shè)計中起到的重要性。目前我校開設(shè)了《創(chuàng)新設(shè)計》、《創(chuàng)新思維與現(xiàn)代設(shè)計》、《科研技能與創(chuàng)新思維》、《創(chuàng)新思維與訓(xùn)練》等創(chuàng)新思維學(xué)習(xí)及訓(xùn)練類的校選課，其中《創(chuàng)新設(shè)計》課程介紹TRIZ理論的基本概念及經(jīng)典創(chuàng)新工具，如理想解、資源、創(chuàng)新分級等重要基本概念，沖突理論、物質(zhì)-場分析等創(chuàng)新工具。

3.在專業(yè)課程、實踐環(huán)節(jié)和畢業(yè)設(shè)計中，應(yīng)用TRIZ理論，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。《創(chuàng)新設(shè)計》課程授課采用案例式教學(xué)和項目式教學(xué)，每班分多組，每組3―5人，要求學(xué)生運用所學(xué)的TRIZ理論知識和工具，就自己熟悉的案例進(jìn)行練習(xí)，要求課程結(jié)束時完成并答辯。項目引導(dǎo)式的教學(xué)方式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、主動性。學(xué)生提交課題涉及生活、交通、日常品、建筑、軍事等多方面，培養(yǎng)了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新思維能力。在第七學(xué)期的專業(yè)實踐課中，為了提高學(xué)生的工程創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，在傳統(tǒng)的數(shù)控編程、仿真及加工內(nèi)容基礎(chǔ)上，增加了基于PLC控制的工業(yè)產(chǎn)品裝置研發(fā)內(nèi)容。學(xué)生自己提設(shè)計方案，經(jīng)與指Ю鮮溝通、討論最后確定方案，開發(fā)了繪圖機(jī)、電梯、立體車庫、刷墻機(jī)、搬運機(jī)器人、分揀機(jī)械手、刻章機(jī)等機(jī)電裝置。該實踐課要求學(xué)生從任務(wù)出發(fā)，首先擬定系統(tǒng)功能，進(jìn)行功能分解及結(jié)構(gòu)求解，備件選型及方案評估。設(shè)計過程中應(yīng)用TRIZ理論解決存在的問題，進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、原理創(chuàng)新性的方案設(shè)計。在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，部分老師的畢業(yè)設(shè)計課題，要求學(xué)生應(yīng)用TRIZ理論，進(jìn)行方案的理想解分析、設(shè)計沖突解決、技術(shù)預(yù)測分析等，培養(yǎng)了學(xué)生獨立分析問題、解決問題的能力，提升了學(xué)生的工程創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，搭建了TRIZ理論實習(xí)、實踐基地，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力提供了實踐平臺。依托我校的國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實施工具工程技術(shù)研究中心，搭建了TRIZ理論學(xué)習(xí)、實踐平臺，與機(jī)械學(xué)院合作，通過引導(dǎo)大學(xué)生參加校內(nèi)外的大學(xué)生創(chuàng)新實踐活動，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用TRIZ理論提出創(chuàng)新設(shè)計方案。近幾年學(xué)生共進(jìn)行課題研究幾十項，鍛煉了學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題及解決問題的能力，創(chuàng)新能力得到進(jìn)一步提升。

4.指導(dǎo)學(xué)生積極參加創(chuàng)新類大賽及科研訓(xùn)練實踐活動，進(jìn)一步提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，塑造創(chuàng)新人格。近幾年積極鼓勵學(xué)生參加以“TRIZ杯”、“挑戰(zhàn)杯”、“機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新大賽”為代表的國家級、省級等各種創(chuàng)新設(shè)計大賽和科研訓(xùn)練計劃。通過實踐鍛煉、鞏固TRIZ理論相關(guān)知識，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思維習(xí)慣，鍛煉學(xué)生自主創(chuàng)新能力。

四、結(jié)論

通過以上的教學(xué)模式改革和實踐，以提升學(xué)生創(chuàng)新能力為目標(biāo)，構(gòu)建了將TRIZ理論和專業(yè)基礎(chǔ)課程、專業(yè)課程、課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計、創(chuàng)新實驗等教學(xué)環(huán)節(jié)相融合的課程體系。并在課程體系設(shè)置中貫穿創(chuàng)新主線，通過將創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法基本原理、概念和工具引入專業(yè)基礎(chǔ)課課堂教學(xué)、各類實踐環(huán)節(jié)和引導(dǎo)學(xué)生參加創(chuàng)新大賽、科研訓(xùn)練計劃及自主創(chuàng)業(yè)等環(huán)節(jié)，從培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力和創(chuàng)新人格三種層次上構(gòu)建新型的面向機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計的全過程的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式。通過以上教學(xué)及實踐過程，學(xué)生了解了創(chuàng)新思維及創(chuàng)新方法的基本概念、原理、方法和工具，并初步具有應(yīng)用創(chuàng)新方法發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1].和學(xué)新，張健.教育觀念轉(zhuǎn)變機(jī)制若干問題的探討[J].江西教育科研，2007，（08）：8-10.

[2].謝安邦.構(gòu)建合理的研究生教育課程體系[J].高等教育研究，2003，（05）：68-72.

機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計總結(jié)范文第3篇

關(guān)鍵詞:PLC教學(xué);創(chuàng)新意識;教學(xué)方法;評價機(jī)制

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的自動化程度越來越高，電氣自動化設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，企業(yè)對畢業(yè)生的開拓創(chuàng)新能力要求也不斷提高。這種狀況對技工教育提出了更高的要求，作為自動化專業(yè)核心課程PLC的教學(xué)，必須適應(yīng)社會生產(chǎn)發(fā)展的需要，以市場經(jīng)濟(jì)對人才的能力需求為導(dǎo)向，創(chuàng)新教學(xué)模式。為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)PLC的興趣和培養(yǎng)開拓創(chuàng)新思維能力，我們在PLC課程的教學(xué)中，作了以下幾點有益的嘗試。

一、更新教育理念，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識

從未來的趨勢看，生產(chǎn)一線對自動化人才需求的層次越來越高；既需求技能型人才，更需要具有積極進(jìn)取開拓創(chuàng)新能力的人才。現(xiàn)代教學(xué)理論認(rèn)為：傳統(tǒng)模式過分看重知識的傳授，強調(diào)教育在課堂上的核心作用，忽視了學(xué)生的個性差別，從而嚴(yán)重?fù)p失教學(xué)效率；過多強調(diào)學(xué)習(xí)，從而損失了學(xué)生的發(fā)現(xiàn)、創(chuàng)新興趣；傳統(tǒng)模式以教師為中心，學(xué)生成為被動的“填鴨”對象，或裝知識的容器，抹殺了學(xué)生的主動精神和創(chuàng)造潛能。這樣的模式很難培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，更不用說培養(yǎng)創(chuàng)造性人才。

因此，更新教育理念，變傳統(tǒng)教育模式為創(chuàng)造型模式及以學(xué)生為中心，加強學(xué)生在教學(xué)中的主體地位，是未來教育的發(fā)展趨勢。在教學(xué)中，不僅要傳授學(xué)生知識，更要授與學(xué)生探索問題和解決問題的方法和能力，啟發(fā)學(xué)生自覺運用知識、不斷創(chuàng)新的意識。

創(chuàng)新是一個人的才智因素和非才智因素的綜合發(fā)揮，創(chuàng)新并非神秘莫測，大多數(shù)人經(jīng)過學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，都會提高創(chuàng)新意識，開發(fā)出創(chuàng)新能力。創(chuàng)新思維一般程序為：發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、提出假設(shè)、解決方法及檢驗、否定、再另尋求解決方法及檢驗，直到真正解決并通過檢驗等。程序的每一過程，都要有良好的思維意識，創(chuàng)新教育強調(diào)的是“發(fā)現(xiàn)”知識的過程，而不是簡單的獲取結(jié)果，強調(diào)的是創(chuàng)造性解決問題的方法和形成探索的精神。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)教學(xué)理念已不適應(yīng)PLC課程的教學(xué)。因此，我們嘗試采用創(chuàng)新型教學(xué)模式，激發(fā)學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的積極性。

PLC教學(xué)核心內(nèi)容是根據(jù)控制要求進(jìn)行編程設(shè)計，編程設(shè)計是要強調(diào)個性化的，這就要充分發(fā)揮學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主觀能動性、積極性和創(chuàng)造性。通過提出各種課題來鼓勵學(xué)生自主思考，標(biāo)新立異，勇于質(zhì)疑，培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，引導(dǎo)學(xué)生想出更多的方法來解決問題。如在講解PLC的基本指令時，為了加深對指令的理解，每個指令都會引用一個例子來介紹。在講到綜合性應(yīng)用時，如用PLC控制交通燈、機(jī)械手時，會采用多種方法進(jìn)行設(shè)計，如：基本指令編程、順序控制指令編程、功能指令編程、比較指令編程等。為了提高學(xué)生的理性認(rèn)識，力求避免空洞、枯燥的理論闡述，經(jīng)常給學(xué)生分析講解實際的工程案例，如針對目前正在院內(nèi)使用的PLC控制恒壓供水應(yīng)用實例，進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，從可行性分析、設(shè)備選型、變頻器參數(shù)設(shè)定、控制程序設(shè)計、安裝調(diào)試過程中抗干擾因素的處理等多方面進(jìn)行分析，按照實際工程規(guī)范要求來引導(dǎo)學(xué)生，使學(xué)生形成理論與實際相結(jié)合的思維模式。

此外，在上實驗課之前，老師事先給出控制要求，使學(xué)生自己有足夠的時間進(jìn)行獨立思考、然后上機(jī)調(diào)試驗證。課外作業(yè)的批改也改變傳統(tǒng)做法，教師只負(fù)責(zé)指導(dǎo)，讓學(xué)生自己通過上機(jī)調(diào)試驗證來發(fā)現(xiàn)問題，老師通過討論、講評、贊揚、鼓勵，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的創(chuàng)新潛能，及時肯定編程作業(yè)中的創(chuàng)新思維。結(jié)果是學(xué)生的編程作業(yè)可謂思路各異，豐富多彩，其中不乏創(chuàng)新之處。幾年的實踐證明：通過這種方式，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識，又極大的提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自信心。這樣的訓(xùn)練使學(xué)生有了成就感，并為提高創(chuàng)新能力打下基礎(chǔ)。對于布置課外作業(yè)的內(nèi)容，不局限于課本知識，而是給出一些實際問題，讓學(xué)生獨立思考，尋找解決問題的方法，使學(xué)生自覺充分利用課余時間，通過圖書館、互連網(wǎng)等方式查詢資料，上機(jī)調(diào)試，這個過程提高了學(xué)生解決問題的能力，同時也開闊了學(xué)生的視野。

二、轉(zhuǎn)換教師角色 和創(chuàng)新教學(xué)方式

實施課程教學(xué)創(chuàng)新教育必須要發(fā)揮教師作用，教師把自身的創(chuàng)造品質(zhì)與人格、民主平等的教學(xué)理念直接、輕松活潑的課堂氣氛等傳遞給學(xué)生，給學(xué)生以長期不懈，潛移默化的感染，是提高學(xué)生對此門課程興趣的關(guān)鍵，也是創(chuàng)新教育的關(guān)鍵。學(xué)生對PLC課程感興趣，才會有創(chuàng)新的激情。

在我們以往的PLC教學(xué)中，擔(dān)任理論課教學(xué)的教師不用負(fù)責(zé)實驗、實訓(xùn)課，只是埋頭書本理論教學(xué)；而擔(dān)任實驗、實訓(xùn)課的教師，又不用擔(dān)任理論課教學(xué)；這樣的結(jié)果往往造成理論與實踐的脫節(jié)；理論課上講的內(nèi)容到了實驗、實訓(xùn)課不能及時反映，實驗、實訓(xùn)課學(xué)生提出的問題又不能及時得到理論上的指導(dǎo)，這樣往往造成學(xué)生無所適從。而理論課教師無法直接了解學(xué)生的動手能力，實驗、實訓(xùn)課教師也無法直接了解學(xué)生理論知識掌握進(jìn)度和程度，教師本身的創(chuàng)新精神也受到限制和壓抑，造成教學(xué)方法僵化、以分?jǐn)?shù)衡量一切，這樣的教師不可能培養(yǎng)出創(chuàng)新型的學(xué)生。為了解決這一矛盾，首先改變這種做法，要求教師既教理論課程，又負(fù)責(zé)實驗、實訓(xùn)課，既講理論，又親自動手，及時解答學(xué)生的疑問，及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的一些創(chuàng)新思想、創(chuàng)新意識，并及時給以肯定和贊揚。這樣安排的結(jié)果，無形之中建立了一種相互理解、相互尊重、相互信任、融洽、和諧的新型師生關(guān)系。

此外，在教學(xué)方式上，要求教師不局限于傳統(tǒng)方法，而是嘗試和采用了一下幾種新的教學(xué)模式：

（一）采用“一體化”教學(xué)模式

注重能力培養(yǎng)、強化技能訓(xùn)練、提高綜合素質(zhì)的一體化培養(yǎng)模式，理論課與實踐課交叉進(jìn)行的教學(xué)模式，實踐始終貫穿在整個教學(xué)過程。形成融知識傳授、能力培養(yǎng)、提高技能、素質(zhì)教育于一體的可編程控制器應(yīng)用“一體化教學(xué)模式”。突出實踐教學(xué)，理論教學(xué)為實際應(yīng)用服務(wù)的思想。整個教學(xué)過程圍繞PLC技能訓(xùn)練（實驗）、PLC綜合訓(xùn)練（課程設(shè)計訓(xùn)練）及PLC控制系統(tǒng)設(shè)計（畢業(yè)設(shè)計）三個主要實踐環(huán)節(jié)來完成。通過以上環(huán)節(jié)的訓(xùn)練學(xué)生能完成PLC的正確選型、PLC的程序設(shè)計與調(diào)試、PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試的整個過程。整個課程體系包括前期課程準(zhǔn)備、理論與實踐教學(xué)大綱、教學(xué)計劃、理論教學(xué)設(shè)計、實踐教學(xué)設(shè)計、課程考核方法。

（二）構(gòu)筑“立體化”的教學(xué)方法和手段

將教材、教學(xué)參考書、多媒體課件、現(xiàn)代化實驗平臺、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等融為一體，應(yīng)用多媒體技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等現(xiàn)代化教學(xué)手段，將課內(nèi)講授和課外自主式學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容互相滲透，突出PLC基本原理、基本編程方法及基本技能的培養(yǎng)。注重教學(xué)內(nèi)容、方法、實驗、技術(shù)與生產(chǎn)實際相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生掌握PLC技術(shù)解決實際問題的能力。

（三）案例教學(xué)法

通過一個個生動的單個實例引入，將PLC的定義、指令、程序設(shè)計的方法由枯燥變得生動，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣； PLC的系統(tǒng)設(shè)計從解決實際問題項目實例入手，層層分析，逐步完成，最后歸納總結(jié)系統(tǒng)設(shè)計的詳細(xì)思路，使難以理解的問題變得思路清晰、迎刃而解，從而激發(fā)起學(xué)生的創(chuàng)造潛力。

（四）“任務(wù)驅(qū)動式”實踐教學(xué)法

突出實踐教學(xué)，注重學(xué)生動手能力培養(yǎng)。實踐教學(xué)與理論教學(xué)學(xué)時數(shù)達(dá)到1:1以上，實踐內(nèi)容包括：利用課余時間通過社會實踐的形式完成的PLC應(yīng)用調(diào)查報告、圍繞課前提出任務(wù)完成PLC程序設(shè)計或?qū)嵱眯≈谱鳌⒄n程實驗（16學(xué)時）、兩周的課程設(shè)計、十周的畢業(yè)設(shè)計等。整個實踐教學(xué)環(huán)節(jié)圍繞最終學(xué)生能夠“完成一個PLC應(yīng)用系統(tǒng)”這一任務(wù)為主線，層層推進(jìn)，培養(yǎng)學(xué)生知識應(yīng)用的能力。

三、更新評價機(jī)制

在對學(xué)生學(xué)習(xí)PLC課程的成績進(jìn)行評定時，設(shè)法避免了以往一卷評終身的評分方式，以重視個性為指導(dǎo)原則，從重結(jié)果評價轉(zhuǎn)向重過程評價，不以成績的好壞來評價學(xué)生，而重視學(xué)生的再學(xué)習(xí)能力、獨立思考能力、解決問題的能力及創(chuàng)新思維能力等。

PLC理論課程成績和課程設(shè)計考核的評定是分開進(jìn)行的。理論課程考核的最終成績包含如圖1所示的四個部分。（1）平時成績指作業(yè)完成情況、上課出勤及課堂提問回答的表現(xiàn)。（2）實驗成績指完成課程實驗規(guī)定的實驗內(nèi)容及實驗報告的提交情況。（3）調(diào)查報告成績指學(xué)生利用課余時間完成的PLC應(yīng)用調(diào)查報告。（4）期末考試卷面成績。課程設(shè)計考核的最終成績包含五部分（1）平時成績指課程設(shè)計出勤及工作態(tài)度；（2）系統(tǒng)軟硬件設(shè)計；（3）系統(tǒng)安裝調(diào)試；（4）設(shè)計資料整理；（5）答辯成績。

總之，從傳授知識的教育理觀念向注重能力培養(yǎng)的教育理念轉(zhuǎn)變。注重對學(xué)生創(chuàng)新能力、綜合能力、實踐能力、合作能力的培養(yǎng)，從“教師如何教好”向“教師如何讓學(xué)生學(xué)好”轉(zhuǎn)變。教學(xué)各環(huán)節(jié)都應(yīng)該圍繞著幫助學(xué)生“如何學(xué)”、“如何學(xué)好”來開展是PLC教學(xué)中的改革與創(chuàng)新的最終目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

1.《可編程序控制器原理.應(yīng)用.實驗》 常斗南主編 機(jī)械工業(yè)出版社 1998年7月第1版第1次印刷

2.《互動式教學(xué)在可編程控制器教學(xué)中的應(yīng)用》[J]．鄧朝陽．職業(yè)教育研究，2006

3.《PLC教學(xué)存在的問題和解決對策》[J]．閆麗華．職教論壇，2004

機(jī)械手畢業(yè)設(shè)計總結(jié)范文第4篇

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，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)榉瓷湫盘枺欢菍⒔邮仗筋^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。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)椴豢赡埽绦虻谋Ｃ苄源蟠蠹訌姡@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。空閑模式下，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)通過溫度補償?shù)姆椒右孕ＵＢ曀俅_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。

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)

[1] 戴曰章.基于超聲波測距的汽車倒車報警器設(shè)計[J] .自動化與儀器儀表，2006，3.

[2] 趙文龍，苑鴻驥，熊麗云.汽車倒車測距儀中信號處理技術(shù)的研究[J] .廈門大學(xué)學(xué)報，2001，40(4)：106 110.

[3] 李建法等.超聲波測距的電路設(shè)計與單片機(jī)編程[N] .河南：安陽師范學(xué)院院報，2003.

[4] 姜志海，黃玉清等.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] .北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5] 王福瑞.單片機(jī)微機(jī)測控系統(tǒng)大全[M] .北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1998.

[6] 房曉翠，王金風(fēng).單片機(jī)實用系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[M] .北京：國防工業(yè)出版社，1999.

[7] 宋明耀.提高超聲測距精度的設(shè)計[Z] .電子產(chǎn)品設(shè)計，2004.7.

[8] 胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M] .清華大學(xué)出版社，1996.

[9] 劉樂善.微型計算機(jī)接口技術(shù)及其應(yīng)用[M] .華中科技大學(xué)出版社，2001.

[10] 張明友,呂幼新.信號與系統(tǒng)分析[M] .電子科技大學(xué)出版社，1999.

[11] Analog Devices. 3V/5V, 450mA 16-Bit , Sigma-Delta ADC AD7715[J].2000.

[12] Texas Instruments Incorporated. MAX3221 3V to 5.5V multichannelRS-232 line driver/ receiver[J].2000.

[13] Alessio Carullo and Marco Pavis. "An Ultrasonic Sensor for Distance Measurement in Automotive Application[J] ". IEEE SENSOR JOURNAL, 2001,1(2).

[14] Huelaman.l.p.Basic circuit Theory (2nd dition)[Z]. Prentice-Hall, Inc, 1984.

[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