超聲波傳感器編程：「AI教育名師談 VOL 12」唐輝宏：會(huì)作曲的人工智能老師哪里找？
還記得上節(jié)課程老師留的思考題嗎？揭曉答案的時(shí)間到啦~
從障礙物的分布特征我們可以分析得出，最佳的行走路徑應(yīng)該先直走、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)再直行、右轉(zhuǎn)、直行。只要根據(jù)這六個(gè)步驟對(duì)履帶小車進(jìn)行編程，就可以實(shí)現(xiàn)啦~
那么現(xiàn)在按照這個(gè)思路，讓小車按照我們?cè)O(shè)置的線路來繞行。
第一步：直行
第二步：右轉(zhuǎn)
第三步：原地左轉(zhuǎn)
第四步：直行
第五步：右轉(zhuǎn)
第六步：直行
編程設(shè)置完成后運(yùn)行是什么樣的效果呢？一起來看下吧~
這個(gè)時(shí)候大家可能在實(shí)際操作中會(huì)遇到一個(gè)問題——小車有可能會(huì)撞上原本設(shè)置的障礙物，那么如何解決呢？
大家有沒有注意到小車頭部的眼睛，這其實(shí)是小車的超聲波傳感器，我們可以利用它來有效避障。
在現(xiàn)實(shí)生活中，蝙蝠夜晚飛行的回聲定位利用的也是超聲波原理。
在夜晚飛行時(shí)，蝙蝠通過超聲波信號(hào)有效地避開危險(xiǎn)，他們?cè)陲w行時(shí)會(huì)發(fā)出一種人類無法聽到的尖叫聲，這些超聲波信號(hào)如果在飛行路線撞上別的物體，就會(huì)立刻反射回來，蝙蝠就可以改變它的飛行軌跡。
超聲波傳感器原理也是一樣，能夠監(jiān)測(cè)自己與前方障礙物的距離。
那么在編程中超聲波是怎么工作的？首先，點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)，選擇1號(hào)和2號(hào)電機(jī)，把2號(hào)電機(jī)調(diào)整為“逆時(shí)針”轉(zhuǎn)動(dòng)，以80的速度執(zhí)行，然后再點(diǎn)擊控制，選擇“重復(fù)執(zhí)行……直到”，把剛才的“直行”放到里面，直到傳感器檢測(cè)到障礙物。
點(diǎn)擊“感知”，選擇“超聲波傳感器與障礙物距離≤10”，在界面的右上角可以看到它所檢測(cè)的數(shù)值。
當(dāng)它檢測(cè)到數(shù)值≤10時(shí)，就能讓機(jī)器人停止運(yùn)動(dòng)。
了解了超聲波原理，結(jié)合上節(jié)課學(xué)習(xí)的編程知識(shí)，就可以解決小車行進(jìn)的大多數(shù)問題了，比如說“密室逃脫”、“避障小車”~
04:19
悄悄給大家劇透下，下節(jié)課我們的編程輕松學(xué)將給大家?guī)怼渡衿娴纳溟T裝置》~
機(jī)器人編程輕松學(xué)，我們下節(jié)課再見！
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超聲波傳感器編程：【雕爺學(xué)編程】Arduino動(dòng)手做（58）---SR04超聲波傳感器
37款傳感器與執(zhí)行器的提法，在網(wǎng)絡(luò)上廣泛流傳，其實(shí)Arduino能夠兼容的傳感器模塊肯定是不止這37種的。鑒于本人手頭積累了一些傳感器和執(zhí)行器模塊，依照實(shí)踐出真知（一定要?jiǎng)邮肿觯┑睦砟睿詫W(xué)習(xí)和交流為目的，這里準(zhǔn)備逐一動(dòng)手嘗試系列實(shí)驗(yàn)，不管成功（程序走通）與否，都會(huì)記錄下來—小小的進(jìn)步或是搞不定的問題，希望能夠拋磚引玉。
【Arduino】168種傳感器模塊系列實(shí)驗(yàn)（資料+代碼+圖形+仿真）
實(shí)驗(yàn)五十八： HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊（5針寬電壓）
超聲波探頭
是在超聲波檢測(cè)過程中發(fā)射和接收超聲波的裝置。探頭的性能直接影響超聲波的特性，影響超聲波的檢測(cè)性能。在超聲檢測(cè)中使用的探頭，是利用材料的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能、聲能轉(zhuǎn)換的換能器。探頭中的關(guān)鍵部件是晶片，晶片是一個(gè)具有壓電效應(yīng)的單晶或者多晶體薄片，它的作用是將電能和聲能互相轉(zhuǎn)換。
菲律賓眼鏡猴會(huì)用超聲波進(jìn)行交流
菲律賓眼鏡猴因?yàn)橐浑p又圓又大且水汪汪的茶色大眼睛而被人們所知，在人們的印象中它有著讓人難以置信的小型身材，在它們小小的臉龐上，長(zhǎng)著兩只圓溜溜的特別大的眼睛，眼珠的直徑可以超過1厘米，和它的小身體很不相稱，好像戴著一副特大的舊式老花眼鏡。所以，人們給它起了一個(gè)十分形象的名字：眼鏡猴。它們大多時(shí)候都是“沉默寡言”的形象。但來自加利福尼亞洪堡加州州立大學(xué)的科學(xué)家近日研究發(fā)現(xiàn)，其實(shí)菲律賓眼鏡猴是不折不扣的“話匣子”，它們時(shí)刻都在發(fā)出一種超聲波，只不過捕食者無法聽到而已。據(jù)了解，研究人員發(fā)現(xiàn)這種眼鏡猴發(fā)出聲音的“最小頻率”可達(dá)到67千赫，比陸地上任何一種嚙齒動(dòng)物和蝙蝠發(fā)出的音量都要高很多，甚至偶爾還能飆升到70千赫。眾所周知，任何聲音只要達(dá)到20千赫以上，就很難被人們所聽見，就連聽力一向很敏銳的狗，也只能聽到23千赫的聲音。而眼鏡猴甚至可以直接聽到90千赫的聲音。最為特別的是，在眼鏡猴的群體中彼此傳遞著一種秘密的語言，這種語言會(huì)提醒對(duì)方注意捕食者的危險(xiǎn)。研究人員表示，超聲波的音頻對(duì)信號(hào)發(fā)出者和接受者都十分有用，因?yàn)檫@樣捕食者就很難從聲音的來源進(jìn)行定位，這樣尋找起來就十分有難度了。甚至眼鏡猴還可以在獵物旁“竊竊私語”，它們所捕捉的典型獵物為蟋蟀、螳螂、以及蛾子等昆蟲，最為特別的是，眼鏡猴還能自動(dòng)屏蔽使它們分散注意力的低周波叢林噪音。研究人員表示，在動(dòng)物王國(guó)不僅眼鏡猴有這樣的超能力，鯨魚和貓也同樣能夠在超聲波范圍內(nèi)彼此溝通交流。
超聲波
蝙蝠和某些海洋動(dòng)物都能夠利用高頻率的聲音進(jìn)行回聲定位或信息交流。它們能通過口腔或鼻腔把從喉部產(chǎn)生的超聲波發(fā)射出去，利用折回的聲波來定向，并判定附近物體的位置、大小以及是否在移動(dòng)。超聲波是一種頻率高于赫茲的聲波，它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大于人的聽覺上限而得名?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲(Hz)。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20Hz-Hz。因此，我們把頻率高于赫茲的聲波稱為“超聲波”。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為1兆赫茲-30兆赫茲。理論研究表明，在振幅相同的條件下，一個(gè)物體振動(dòng)的能量與振動(dòng)頻率成正比，超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的頻率很高，因而能量很大.在中國(guó)北方干燥的冬季，如果把超聲波通入水罐中，劇烈的振動(dòng)會(huì)使罐中的水破碎成許多小霧滴，再用小風(fēng)扇把霧滴吹入室內(nèi)，就可以增加室內(nèi)空氣濕度，這就是超聲波加濕器的原理。如咽喉炎、氣管炎等疾病，很難利用血流使藥物到達(dá)患病的部位，利用加濕器的原理，把藥液霧化，讓病人吸入，能夠提高療效。利用超聲波巨大的能量還可以使人體內(nèi)的結(jié)石做劇烈的受迫振動(dòng)而破碎，從而減緩病痛，達(dá)到治愈的目的。超聲波在醫(yī)學(xué)方面應(yīng)用非常廣泛，可以對(duì)物品進(jìn)行殺菌消毒。
超聲效應(yīng)
當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化學(xué)的變化，從而產(chǎn)生一系列力學(xué)的、熱學(xué)的、電磁學(xué)的和化學(xué)的超聲效應(yīng)，包括以下4種效應(yīng)：
①機(jī)械效應(yīng)。超聲波的機(jī)械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當(dāng)超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時(shí)，懸浮在流體中的微小顆粒因受機(jī)械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，由于超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極化和感生磁化（見電介質(zhì)物理學(xué)和磁致伸縮）。
②空化作用。超聲波作用于液體時(shí)可產(chǎn)生大量小氣泡。一個(gè)原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應(yīng)力而形成負(fù)壓，壓強(qiáng)的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化?？斩磧?nèi)為液體蒸氣或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會(huì)隨周圍介質(zhì)的振動(dòng)而不斷運(yùn)動(dòng)、長(zhǎng)大或突然破滅。破滅時(shí)周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時(shí)產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液體中進(jìn)行超聲處理的技術(shù)大多與空化作用有關(guān)。
③熱效應(yīng)。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時(shí)能產(chǎn)生顯著的熱效應(yīng)。
④化學(xué)效應(yīng)。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學(xué)反應(yīng)。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮?dú)獾乃?jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會(huì)變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過程。超聲波對(duì)光化學(xué)和電化學(xué)過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機(jī)物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。
超聲探頭
是利用超聲波的特性而研制的傳感器，超聲波傳感器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。它是把成正方形的兩個(gè)壓電晶片(亦稱雙晶振子)按照相反的極性粘貼在一起，再引出兩個(gè)電極。壓電晶片上面有金屬震動(dòng)板和圓錐形振子。圓錐形振子具有很強(qiáng)的方向性，便于發(fā)送和接收超聲波。超聲波傳感器采用金屬或塑料外殼，其頂部有屏蔽柵。
超聲探頭性能指標(biāo)
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(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
1、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(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
2、工作溫度
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是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(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
3、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。
4、指向性
超聲波傳感器探測(cè)的范圍。
測(cè)距原理
超聲波具有頻率較高，沿直線傳播、方向性好、繞射小、穿透力強(qiáng)、傳播速度慢(約340m/s,與聲速相同)等特點(diǎn)。超聲波對(duì)固體和液體的穿透能力強(qiáng)，尤其對(duì)于在陽光下不透明的固體，可以穿透幾十m的深度。超聲波遇到雜質(zhì)或分界面時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射波，利用這一特性可構(gòu)成超聲波探傷儀或測(cè)距儀。超聲波遇到移動(dòng)物體時(shí)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)(DopplerEffect)，使接收到的頻率發(fā)生變化，由此可制成多普勒測(cè)距系統(tǒng)。超聲波測(cè)距原理是超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖，經(jīng)媒質(zhì)(空氣)傳到物體表面，反射后通過媒質(zhì)(空氣)傳到接收探頭，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接收所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，求得從探頭到物體表面之間的距離。設(shè)探頭到物體表面的距離為L(zhǎng),超聲在空氣中的傳播速為v,從發(fā)射到接收所需的傳播時(shí)間為t,則有：L=vt/2。由此可見，被測(cè)距離L與傳播時(shí)間之間具有確定的函數(shù)關(guān)系，只要能測(cè)出時(shí)間t,即可求出距離L,通過軟件實(shí)現(xiàn)直接在顯示器上顯示L的值。
位差測(cè)距
超聲波傳感器與單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行接口構(gòu)成距離檢測(cè)的硬件系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟件的控制下，單片機(jī)向位差超聲波傳感器發(fā)送的一個(gè)觸發(fā)脈沖，位差超聲波傳感器被此脈沖觸發(fā)后會(huì)產(chǎn)生一道短40 kHz的脈沖電信號(hào)，此40 kHz的脈沖電信號(hào)通過激勵(lì)換能器處理以后，將轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)的能量，其振動(dòng)頻率約在20 kHz以上，由此形成了超聲波，該信號(hào)經(jīng)錐形"輻射口"處將超聲波信號(hào)在空氣中以每秒約1 130英尺的速度向外發(fā)射出去。當(dāng)發(fā)射出去的超聲波信號(hào)遇到障礙物以后，立即被反射回來。接收器接收到反射回來的超聲波信號(hào)后，通過其內(nèi)部轉(zhuǎn)換，將超聲波變成微弱的電振蕩，并將信號(hào)進(jìn)行放大，就可得到所需的脈沖信號(hào)，此脈沖信號(hào)再返回給單片機(jī)，表示回波被探測(cè)，這個(gè)脈沖寬度就是對(duì)應(yīng)于爆裂回聲返回到傳感器所需時(shí)間，其時(shí)序如圖所示。
HC-SR04超聲波測(cè)距傳感器模塊（5針寬電壓）
主要技術(shù)參數(shù)
1：使用電壓：DC—5V
2：靜態(tài)電流：小于2mA
3：電平輸出：高5V
4：電平輸出：底0V
5：感應(yīng)角度：不大于15度
6：探測(cè)距離：2cm-450cm
7: 高精度 可達(dá)0.2cm
8: 接線方式：VCC、trig（控制端）、 echo（接收端）、 GND
模塊電原理圖
模塊特征
HC-SR04超聲波測(cè)距模塊具有測(cè)距距離精確，能和SRF05，SRF02等超聲波測(cè)距相媲美，測(cè)量距離 ** 2cm~450cm （小編實(shí)測(cè)：10cm~300cm）。工作原理——1）采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)。2）模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。3）有信號(hào)返回，通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。只需要提供一個(gè)10uS以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。公式： uS/58=厘米或者uS/148=英寸;或是：距離=高電平時(shí)間*聲速（340M/S） /2;建議測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。
注：
1、此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接，否則會(huì)影響模塊的正常工作。
2、測(cè)距時(shí)，被測(cè)物體的面積不少于05平方米且平面盡量要求平整，否則影響測(cè)量的結(jié)果。
使用高電平觸發(fā)
超聲波測(cè)距模塊接腳：
VCC -> 5V
GND -> GND
Trig （控制端）-> 2
Echo （接收端）-> 3
注： TRIP引腳是內(nèi)部上拉10K的電阻，用單片機(jī)的IO口拉低TRIP引腳，然后給一個(gè)10us以上的脈沖信號(hào)。模塊應(yīng)先插好在電路板上再通電，避免產(chǎn)生高電平的誤動(dòng)作，如果產(chǎn)生了，重新通電方可解決。
實(shí)驗(yàn)圖形編程（Mind+，編玩邊學(xué)）
實(shí)驗(yàn)仿真編程（linkboy3.6）
網(wǎng)上搜索了一下，超聲波模塊的型號(hào)還不少，比如還有HY-SRF05（五針高精度）；US-025和US-026（蘇州順憬志聯(lián)CS100芯片，距離6米穩(wěn)定性好些）；US-100（同時(shí)具有GPIO，串口等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠）；RCWL-1601（寬電壓，對(duì)棉質(zhì)及不規(guī)則物體探測(cè)精度高于SR-04）;RCWL-1603（含有UART,PWM,GPIO及UART AUTO OUT等多種接口模式，專業(yè)MCP9700溫度補(bǔ)償）；US-015（目前市場(chǎng)上分辨率最高，重復(fù)測(cè)量一致性最好的超聲波測(cè)距模塊）等，以后待手頭有實(shí)物了再做后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
超聲波傳感器編程：超聲波傳感器
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超聲波傳感器
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超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。超聲波是振動(dòng)頻率高于20kHz的機(jī)械波。它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。超聲波對(duì)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。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。
中文名
超聲波傳感器
外文名
Ultrasonic sensor
所屬類別
傳感器 物理學(xué)
原 理
超聲換能器
適用領(lǐng)域
工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)
產(chǎn) 地
中國(guó)-深圳
目錄
1
組成部分
2
性能指標(biāo)
?
工作頻率
?
工作溫度
?
靈敏度
?
指向性
3
相關(guān)應(yīng)用
?
主要應(yīng)用
?
具體應(yīng)用
4
工作相關(guān)
?
工作原理
?
工作程式
?
工作模式
5
系統(tǒng)構(gòu)成
6
檢測(cè)方式
7
檢測(cè)好壞
8
液位測(cè)試
9
其他
?
區(qū)分
?
注意事項(xiàng)
?
暴露問題
超聲波傳感器組成部分
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語音
中國(guó)制造的超聲波傳感器
常用的超聲波傳感器由壓電晶片組成，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(cè)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(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收）等。
超聲波傳感器性能指標(biāo)
編輯
語音
超聲波傳感器
超聲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(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：
超聲波傳感器工作頻率
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(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。
超聲波傳感器工作溫度
超聲波傳感器
由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別是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(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。
超聲波傳感器靈敏度
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。
超聲波傳感器指向性
超聲波傳感器探測(cè)的范圍
超聲波傳感器相關(guān)應(yīng)用
編輯
語音
超聲波傳感器主要應(yīng)用
超聲波傳感器
超聲波傳感技術(shù)應(yīng)用在生產(chǎn)實(shí)踐的不同方面，而醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一，下面以醫(yī)學(xué)為例子說明超聲波傳感技術(shù)的應(yīng)用。超聲波在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)受檢者無痛苦、無損害、方法簡(jiǎn)便、顯像清晰、診斷的準(zhǔn)確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學(xué)原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個(gè)方法是利用超聲波的反射。當(dāng)超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面時(shí)，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個(gè)反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。
超聲波傳感器
在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。過去，許多技術(shù)因?yàn)闊o法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。當(dāng)然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測(cè)人們所需要的信號(hào)。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器技術(shù)應(yīng)用超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。
超聲波傳感器具體應(yīng)用
一、超聲波傳感器可以對(duì)集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)。將超聲波傳感器安裝在塑料熔體罐或塑料粒料室頂部，向集裝箱內(nèi)部發(fā)出聲波時(shí)，就可以據(jù)此分析集裝箱的狀態(tài)，如滿、空或半滿等。二、超聲波傳感器可用于檢測(cè)透明物體、液體、任何表粗糙、光滑、光的密致材料和不規(guī)則物體。但不適用于室外、酷熱環(huán)境或壓力罐以及泡沫物體。三、超聲波傳感器可以應(yīng)用于食品加工廠，實(shí)現(xiàn)塑料包裝檢測(cè)的閉環(huán)控制系統(tǒng)。配合新的技術(shù)可在潮濕環(huán)如洗瓶機(jī)、噪音環(huán)境、溫度極劇烈變化環(huán)境等進(jìn)行探測(cè)。
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四、超聲波傳感器可用于探測(cè)液位、探測(cè)透明物體和材料，控制張力以及測(cè)量距離，主要為包裝、制瓶、物料搬檢驗(yàn)煤的設(shè)備運(yùn)、塑料加工以及汽車行業(yè)等。超聲波傳感器可用于流程監(jiān)控以提高產(chǎn)品質(zhì)量、檢測(cè)缺陷、確定有無以及其它方面。使用超聲波傳感器技術(shù)防止踩錯(cuò)踏板日產(chǎn)汽車開發(fā)出了防止在要踩剎車時(shí)誤踩成油門而使車輛加速的功能，使用攝像頭和超聲波傳感器推斷出“要在停車場(chǎng)上停車”的情況時(shí)，如果駕駛員踩成了油門就會(huì)強(qiáng)制剎車。該技術(shù)預(yù)定在2～3年內(nèi)實(shí)用化。超聲波傳感器技術(shù)就是為了防止在停車場(chǎng)停車時(shí)踩錯(cuò)剎車和油門造成事故而開發(fā)的。該技術(shù)是使用在車輛前后左右各配備一個(gè)的四個(gè)攝像頭和前保險(xiǎn)杠、后保險(xiǎn)杠各配備四個(gè)共八個(gè)超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)的。4個(gè)攝像頭沿用顯示車輛周圍俯瞰影像的“環(huán)視顯示器”的攝像頭。利用攝像頭識(shí)別出白線等以推斷汽車位于停車場(chǎng)，利用超聲波傳感器測(cè)量出汽車與周圍障礙物之間的距離來確定剎車時(shí)機(jī)。防止因踩錯(cuò)剎車和油門而造成事故分兩步實(shí)施。當(dāng)駕駛員在停車場(chǎng)想停車時(shí)，如果踩成了油門，則首先將車速減至蠕滑速度，用儀表板的圖標(biāo)來提示危險(xiǎn)，并響起警報(bào)聲。如果駕駛員仍繼續(xù)踩油門而即將撞上墻壁等物體時(shí)，則強(qiáng)制剎車。剎車時(shí)機(jī)為保證汽車在與障礙物相距20～30cm左右時(shí)可以停下來。
超聲波傳感器工作相關(guān)
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語音
超聲波傳感器工作原理
超聲波傳感器
人們能聽到聲音是由于物體振動(dòng)產(chǎn)生的，它的頻率在20HZ-20KHZ范圍內(nèi)，超過20KHZ稱為超聲波，低于20HZ的稱為次聲波。常用的超聲波頻率為幾十KHZ-幾十MHZ。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，有兩種形式：橫向振蕩（橫波）及縱向振蕩（縱波）。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHZ，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，并在通訊，醫(yī)療家電等各方面得到廣泛應(yīng)用。
超聲波傳感器
超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。有的超聲波傳感器既作發(fā)送，也能作接收。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為23-25KHZ及40-45KHZ。這類傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。該種有T/R-40-16，T/R-40-12等（其中T表示發(fā)送，R表示接收，40表示頻率為40KHZ，16及12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。另有一種密封式超聲波傳感器（MA40EI型）。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。超聲波應(yīng)用有三種基本類型，透射型用于遙控器，防盜報(bào)警器、自動(dòng)門、接近開關(guān)等；分離式反射型用于測(cè)距、液位或料位；反射型用于材料探傷、測(cè)厚等。由發(fā)送傳感器(或稱波發(fā)送器)、接收傳感器(或稱波接收器)、控制部分與電源部分組成。發(fā)送器傳感器由發(fā)送器與使用直徑為15mm左右的陶瓷振子換能器組成，換能器作用是將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換成超能量并向空中輻射；而接收傳感器由陶瓷振子換能器與放大電路組成，換能器接收波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換成電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波信號(hào)進(jìn)行檢測(cè).而實(shí)際使用中，用作發(fā)送傳感器的陶瓷振子也可以用作接收器傳感器社的陶瓷振子?？刂撇糠种饕獙?duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。
超聲波傳感器工作程式
超聲波傳感器
若對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為40KHz的壓電陶瓷片(雙晶振子)施加40KHz高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是發(fā)送40KHz頻率的超聲波，其超聲波以疏密形式傳播(疏密程度可由控制電路調(diào)制)，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為“+ ”極，另一面為“-”極的40KHz正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，故必須進(jìn)行放大。 超聲波傳感器使得駕駛員可以安全地倒車，其原理是利用探測(cè)倒車路徑上或附近存在的任何障礙物，并及時(shí)發(fā)出警告。所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)可以同時(shí)提供聲光并茂的聽覺和視覺警告，其警告表示是探測(cè)到了在盲區(qū)內(nèi)障礙物的距離和方向。這樣，在狹窄的地方不管是泊車還是開車，借助倒車障礙報(bào)警檢測(cè)系統(tǒng)，駕駛員心理壓力就會(huì)減少，并可以游刃有余地采取必要的動(dòng)作。
超聲波傳感器工作模式
超聲波傳感器
超聲波傳感器利用聲波介質(zhì)對(duì)被檢測(cè)物進(jìn)行非接觸式無磨損的檢測(cè)。超聲波傳感器對(duì)透明或有色物體，金屬或非金屬物體，固體、液體、粉狀物質(zhì)均能檢測(cè)。其檢測(cè)性能幾乎不受任何環(huán)境條件的影響，包括煙塵環(huán)境和雨天。檢測(cè)模式超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測(cè)模式。位于傳感器前面的被檢測(cè)物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測(cè)到被測(cè)物。還有部分超聲波傳感器采用對(duì)射式的檢測(cè)模式。一套對(duì)射式超聲波傳感器包括一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器，兩者之間持續(xù)保持“收聽”。位于接收器和發(fā)射器之間的被檢測(cè)物將會(huì)阻斷接收器接收發(fā)射的聲波，從而傳感器將產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。檢測(cè)范圍
超聲波傳感器
超聲波傳感器的檢測(cè)范圍取決于其使用的波長(zhǎng)和頻率。波長(zhǎng)越長(zhǎng)，頻率越小，檢測(cè)距離越大，如具有毫米級(jí)波長(zhǎng)的緊湊型傳感器的檢測(cè)范圍為300~500mm波長(zhǎng)大于5mm的傳感器檢測(cè)范圍可達(dá)8m。一些傳感器具有較窄的6o聲波發(fā)射角，因而更適合精確檢測(cè)相對(duì)較小的物體。另一些聲波發(fā)射角在12o至15o的傳感器能夠檢測(cè)具有較大傾角的物體。此外，我們還有外置探頭型的超聲波傳感器，相應(yīng)的電子線路位于常規(guī)傳感器外殼內(nèi)。這種結(jié)構(gòu)更適合檢測(cè)安裝空間有限的場(chǎng)合。調(diào)節(jié)幾乎所有的超聲波傳感器都能對(duì)開關(guān)輸出的近點(diǎn)和遠(yuǎn)點(diǎn)或是測(cè)量范圍進(jìn)行調(diào)節(jié)。在設(shè)定范圍外的物體可以被檢測(cè)到，但是不會(huì)觸發(fā)輸出狀態(tài)的改變。一些傳感器具有不同的調(diào)節(jié)參數(shù)，如傳感器的響應(yīng)時(shí)間、回波損失性能，以及傳感器與泵設(shè)備連接使用時(shí)對(duì)工作方向的設(shè)定調(diào)節(jié)等。重復(fù)精度
超聲波傳感器
波長(zhǎng)等因素會(huì)影響超聲波傳感器的精度，其中最主要的影響因素是隨溫度變化的聲波速度，因而許多超聲波傳感器具有溫度補(bǔ)償?shù)奶匦?。該特性能使模擬量輸出型的超聲波傳感器在一個(gè)寬溫度范圍內(nèi)獲得高達(dá)0.6mm的重復(fù)精度。輸出功能所有系列的超聲波傳感器都有開關(guān)量輸出型產(chǎn)品。一些產(chǎn)品還有2路開關(guān)量輸出（如最小和最大液位控制）。大多數(shù)產(chǎn)品系列都能提供具有模擬量電流或是模擬電壓輸出的產(chǎn)品。噪聲抑制金屬敲擊聲、轟鳴聲等噪聲不會(huì)影響超聲波傳感器的參數(shù)賦值，這主要是由于頻率范圍的優(yōu)選和已獲專利的噪聲抑制電路。同步功能
超聲波傳感器
超聲波傳感器的同步功能可防干擾。他們通過將各自的同步線進(jìn)行簡(jiǎn)單的連接來實(shí)現(xiàn)同步功能。它們同時(shí)發(fā)射聲波脈沖，象單個(gè)傳感器一樣工作，同時(shí)具有擴(kuò)展的檢測(cè)角度。交替工作超聲波傳感器 超長(zhǎng)掃描型以交替方式工作的超聲波傳感器彼此間是相互獨(dú)立的，不會(huì)相互影響。以交替方式工作的傳感器越多，響應(yīng)的開關(guān)頻率越低。檢測(cè)條件超聲波傳感器特別適合在“空氣”這種介質(zhì)中工作。這種傳感器也能在其它氣體介質(zhì)中工作，但需要進(jìn)行靈敏度的調(diào)節(jié)。盲區(qū)直接反射式超聲波傳感器不能可靠檢測(cè)位于超聲波換能器前段的部分物體。由此，超聲波換能器與檢測(cè)范圍起點(diǎn)之間的區(qū)域被稱為盲區(qū)。傳感器在這個(gè)區(qū)域內(nèi)必須保持不被阻擋。溫濕度
超聲波傳感器
空氣溫度與濕度會(huì)影響聲波的行程時(shí)間?？諝鉁囟让可仙?0oC，檢測(cè)距離至多增加3.5%。在相對(duì)干燥的空氣條件下，濕度的增加將導(dǎo)致聲速最多增加2%?？諝鈮毫ΤＲ?guī)情況下大氣變化±5%（選一固定參考點(diǎn)）將導(dǎo)致檢測(cè)范圍變化±0.6%。大多數(shù)情況下，傳感器在5Bar壓力下使用沒有問題。氣流氣流的變化將會(huì)影響聲速。然而由最高至10m/s的氣流速度造成的影響是微不足道的。在產(chǎn)生空氣渦流比較普遍的條件下，例如對(duì)于灼熱的金屬而言，建議不要采用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)，因?yàn)閷?duì)失真變形的聲波的回聲進(jìn)行計(jì)算是非常困難的。標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物采用正方形聲反射板用于額定開關(guān)距離sn的標(biāo)定。1mm的厚度垂直性：與聲束軸線垂直。防護(hù)等級(jí)外殼可防固體顆粒和防水。IP65：完全防塵；防水柱的侵入。IP67：完全防塵；在恒溫下浸入水下1m深處并放置30分鐘，能夠有效防護(hù)。IP69K：基于EN的符合DIN-9泵功能可施行雙位置控制，例如一個(gè)液位控制系統(tǒng)的泵入泵出功能。當(dāng)一個(gè)被測(cè)物遠(yuǎn)離傳感器到達(dá)檢測(cè)范圍的遠(yuǎn)點(diǎn)時(shí)，輸出動(dòng)作。當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器到達(dá)檢測(cè)范圍設(shè)定的近點(diǎn)時(shí)，輸出相反的動(dòng)作。
超聲波傳感器系統(tǒng)構(gòu)成
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超聲波傳感器主要由如下四個(gè)部分構(gòu)成：發(fā)送器：通過振子（一般為陶瓷制品，直徑約為15 mm）振動(dòng)產(chǎn)生超聲波并向空中幅射。接收器：振子接收到超聲波時(shí)，根據(jù)超聲波發(fā)生相應(yīng)的機(jī)械振動(dòng)，并將其轉(zhuǎn)換為電能量，作為接收器的輸出?？刂撇糠郑和ㄟ^用集成電路控制發(fā)送器的超聲波發(fā)送，并判斷接收器是否接收到信號(hào)（超聲波），以及已接收信號(hào)的大小。電源部分：超聲波傳感器通常采用電壓為DC12V ± 10 % 或 24V ± 10 %外部直流電源供電，經(jīng)內(nèi)部穩(wěn)壓電路供給傳感器工作。
超聲波傳感器檢測(cè)方式
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根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的體積、材質(zhì)、以及是否可移動(dòng)等特征，超聲波傳感器采用的檢測(cè)方式有所不同，常見的檢測(cè)方式有如下四種：穿透式：發(fā)送器和接收器分別位于兩側(cè)，當(dāng)被檢測(cè)對(duì)象從它們之間通過時(shí)，根據(jù)超聲波的衰減（或遮擋）情況進(jìn)行檢測(cè)。限定距離式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，當(dāng)限定距離內(nèi)有被檢測(cè)對(duì)象通過時(shí)，根據(jù)反射的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。限定范圍式：發(fā)送器和接收器位于限定范圍的中心，反射板位于限定范圍的邊緣，并以無被檢測(cè)對(duì)象遮擋時(shí)的反射波衰減值作為基準(zhǔn)值。當(dāng)限定范圍內(nèi)有被檢測(cè)對(duì)象通過時(shí)，根據(jù)反射波的衰減情況（將衰減值與基準(zhǔn)值比較）進(jìn)行檢測(cè)?；貧w反射式：發(fā)送器和接收器位于同一側(cè)，以檢測(cè)對(duì)象（平面物體）作為反射面，根據(jù)反射波的衰減情況進(jìn)行檢測(cè)。
超聲波傳感器檢測(cè)好壞
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超聲波傳感器用萬用表直接測(cè)試是沒有什么反映的。要想測(cè)試超聲波傳感器的好壞可以搭一個(gè)音頻振蕩電路，當(dāng)C1為390OμF時(shí)，在反相器⑧腳與⑩腳間可產(chǎn)生一個(gè)1.9kHz左右的音頻信號(hào)。把要檢測(cè)的超聲波傳感器(發(fā)射和接收)接在⑧腳與⑩腳之間;如果傳感器能發(fā)出音頻聲音，基本就可以確定此超聲波傳感器是好的。注：C1=3900μF時(shí)，為1.9kHZ左右；C1=0.O1μF時(shí)，約0.76kHZ。
超聲波傳感器液位測(cè)試
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超聲波測(cè)量液位的基本原理是：由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，在氣體中傳播，遇到空氣與液體的界面后被反射，接收到回波信號(hào)后計(jì)算其超聲波往返的傳播時(shí)間，即可換算出距離或液位高度。超聲波測(cè)量方法有很多其它方法不可比擬的優(yōu)點(diǎn)：（1）無任何機(jī)械傳動(dòng)部件，也不接觸被測(cè)液體，屬于非接觸式測(cè)量，不怕電磁干擾，不怕酸堿等強(qiáng)腐蝕性液體等，因此性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)；（2）其響應(yīng)時(shí)間短可以方便的實(shí)現(xiàn)無滯后的實(shí)時(shí)測(cè)量。系統(tǒng)采用的超聲波傳感器的工作頻率為40kHz左右。由發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖，傳到液面經(jīng)反射后返回接收傳感器，測(cè)出超聲波脈沖從發(fā)射到接收到所需的時(shí)間，根據(jù)媒質(zhì)中的聲速，就能得到從傳感器到液面之間的距離，從而確定液面?？紤]到環(huán)境溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度予以校正，以提高測(cè)量精度。計(jì)算公式為：V=331.5+0.607T （1）式中：V為超聲波在空氣中傳播速度；T為環(huán)境溫度。S=V ×t/2=V×（t1－t0）/2 （2）式中：S為被測(cè)距離；t為發(fā)射超聲脈沖與接收其回波的時(shí)間差；t1為超聲回波接收時(shí)刻；t0為超聲脈沖發(fā)射時(shí)刻。利用MCU的捕獲功能可以很方便地測(cè)量t0時(shí)刻和t1時(shí)刻，根據(jù)以上公式，用軟件編程即可得到被測(cè)距離S。由于本系統(tǒng)的MCU選用了具有SOC特點(diǎn)的混合信號(hào)處理器，其內(nèi)部集成了溫度傳感器，因此可利用軟件很方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的溫度補(bǔ)償。
超聲波傳感器其他
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超聲波傳感器區(qū)分
超聲波傳感器與聲納傳感器的區(qū)別聲納傳感器和超聲波傳感器是經(jīng)常聽說的兩種探測(cè)裝置，很多人認(rèn)為這兩種是一種傳感器，這兩種傳感器之間有什么區(qū)別呢？
高頻超聲波傳感器
聲納傳感器直接探測(cè)和識(shí)別水中的物體和水底的輪廓，聲納傳感器發(fā)出一個(gè)聲波信號(hào)，當(dāng)遇到物體后會(huì)反射回來，依據(jù)反射時(shí)間及波型去計(jì)算它的距離及位置。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(diǎn)。聲納傳感器主要用于探測(cè)生物，比如用于探測(cè)水底有哪些生物，生物體形有多大等。經(jīng)常問你聽說的用于探測(cè)水怪的裝置就是聲納傳感器。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。在工業(yè)方面，超聲波的典型應(yīng)用是對(duì)金屬的無損探傷和超聲波測(cè)厚兩種。超聲波傳感器在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。
超聲波傳感器注意事項(xiàng)
1：為確?？煽啃约伴L(zhǎng)使用壽命，請(qǐng)勿在戶外或高于額定溫度的地方使用傳感器
[2]
。2：由于超聲波傳感器以空氣作為傳輸介質(zhì)，因此局部溫度不同時(shí)，分界處的反射和折射可能會(huì)導(dǎo)致誤動(dòng)作，風(fēng)吹時(shí)檢出距離也會(huì)發(fā)生變化。因此，不應(yīng)在強(qiáng)制通風(fēng)機(jī)之類的設(shè)備旁使用傳感器。3：噴氣嘴噴出的噴氣有多種頻率，因此會(huì)影響傳感器且不應(yīng)在傳感器附近使用。4：傳感器表面的水滴縮短了檢出距離。5：細(xì)粉末和棉紗之類的材料在吸收聲音時(shí)無法被檢出（反射型傳感器）。6：不能在真空區(qū)或防爆區(qū)使用傳感器。7：請(qǐng)勿在有蒸汽的區(qū)域使用傳感器；此區(qū)域的大氣不均勻。將會(huì)產(chǎn)生溫度梯度，從而導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。
超聲波傳感器暴露問題
超聲波傳感器應(yīng)用起來原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問題，噪音，交叉問題。反射問題如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。其中可能會(huì)出現(xiàn)幾種誤差：三角誤差當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè)的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。鏡面反射這個(gè)問題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產(chǎn)生回波，也就無法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。多次反射這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距離值。這些問題可以通過使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數(shù)。噪音雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45Khz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng)，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。這個(gè)問題可以通過對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來解決，比如發(fā)射一組長(zhǎng)短不同的音波，只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。交叉問題交叉問題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來計(jì)算距離值，從而無法獲得正確的測(cè)量。解決的方法可以通過對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。
詞條圖冊(cè)
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參考資料
1.
超聲波傳感器的應(yīng)用
．傳感器交易網(wǎng)[引用日期2012-12-21]
2.
超聲波傳感器的使用注意事項(xiàng)
．傳感器[引用日期2012-12-21]
超聲波傳感器編程：超聲波傳感器測(cè)距c語言編程,如何DIY一個(gè)屬于你的超聲波測(cè)距傳感器三：程序的構(gòu)思和設(shè)計(jì)...
如何DIY一個(gè)屬于你的超聲波測(cè)距傳感器三：程序的構(gòu)思和設(shè)計(jì)
2009-02-09 20:35:43|分類：
單片機(jī)
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前文：
圖1 將被賦予“智慧”的東東
二、需求分析
測(cè)距傳感器的核心功能是測(cè)量距離，但當(dāng)其用于不同場(chǎng)合時(shí)，會(huì)有許多不同的需求。
如果是傳統(tǒng)的傳感器概念，只需將“非電量轉(zhuǎn)換為便于測(cè)量的電量”即可，這是一個(gè)比較通俗也基本正確的定義，“便于測(cè)量的電量”通常為：直流小電流、小電壓以及方波等。
這類傳統(tǒng)傳感器給系統(tǒng)帶來了不少“麻煩”，因?yàn)槠漭敵龅乃^“便于測(cè)量的電量”只是物理上的，充其量達(dá)到“可測(cè)”而已，由于其輸出的不統(tǒng)一、不靈活，甚至有些“粗糙”，使得系統(tǒng)不得不付出一些開銷去彌補(bǔ)之。
就拿GP2D12來說，其輸出是直流電壓，可與距離的關(guān)系是非線性的，且是反比例，輸出還是非連續(xù)的，就這三個(gè)特征就足以讓系統(tǒng)耗費(fèi)不少周折才能得到想要的距離值。
還有很多類似的例子，如熱電偶溫度測(cè)量傳感器、光敏傳感器等，在此就不一一枚舉了。
從系統(tǒng)設(shè)計(jì)的角度考慮，最好是傳感器將所測(cè)量的量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，系統(tǒng)不必再去理會(huì)這些“底層”的處理，專心于功能的實(shí)現(xiàn)。如同現(xiàn)在的PC操作系統(tǒng)，有統(tǒng)一的設(shè)備接口，系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用是“與硬件無關(guān)”的，設(shè)備的差異由各設(shè)備廠家通過驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)統(tǒng)一。
以往由于技術(shù)和成本的限制，為了節(jié)省開支，將很多功能都交給了主控系統(tǒng)完成，形成所謂“樹形”架構(gòu)，只有“主干”是有智能的，其余都是“末梢神經(jīng)”，只具備最低級(jí)的信號(hào)采集能力，也就是傳統(tǒng)傳感器的角色。
隨著單片機(jī)的功能提升、價(jià)格下降，新的構(gòu)架方式逐漸顯現(xiàn)：一個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)部分都自成體系，主控只是負(fù)責(zé)策略、協(xié)調(diào)，各個(gè)獨(dú)立的功能模塊“自行其事”。這就是“分布式”系統(tǒng)。
分布式系統(tǒng)概念的普及，催生了智能傳感器的需求。
所謂“智能傳感器”，至少有以下特征：
1) 能夠?qū)⒈粶y(cè)量轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，而非簡(jiǎn)單的模擬量；
2) 能夠根據(jù)要求獨(dú)立完成測(cè)量；
3) 能夠通過數(shù)字通訊接口接受命令、輸出數(shù)據(jù)。
具備此特征的傳感器已有很多，有些已制成IC，如常見的溫度傳感器 18B20。
智能傳感器除了降低了系統(tǒng)的軟硬件開銷外，附帶的一個(gè)好處就是便于傳送，傳統(tǒng)傳感器的輸出信號(hào)傳輸時(shí)的“干擾”和“衰減”是最令設(shè)計(jì)者頭痛的！
因此，智能傳感器是未來的方向。實(shí)際也是如此，讀者可搜索一下新興的MESM(微機(jī)電系統(tǒng))傳感器，不論是兩軸、三軸加速度，還是陀螺儀等，新產(chǎn)品幾乎都是I2C、SPI等數(shù)字總線接口。
所以，我們這個(gè)超聲波測(cè)距傳感器也是按智能傳感器理念設(shè)計(jì)的。
因本篇只是示范性軟件設(shè)計(jì)，沒有特定的應(yīng)用場(chǎng)合，所以只好就測(cè)量本身來定義需求：
在性能上，測(cè)量關(guān)注兩方面：一是得到數(shù)據(jù)的速度，二是數(shù)據(jù)的可靠度。
在功能上，測(cè)量有兩類：一是不斷的測(cè)量并輸出結(jié)果，二是觸發(fā)后開始測(cè)量。
所以至少應(yīng)滿足上述需求：
1) 可設(shè)置為快速測(cè)量模式，讓系統(tǒng)最快得到測(cè)量數(shù)據(jù)；
2) 可設(shè)置為精確測(cè)量模式，返回給系統(tǒng)比較可靠的數(shù)據(jù)；
3) 可以設(shè)置為連續(xù)測(cè)量模式，不斷提供給系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)；
4) 可以按照系統(tǒng)請(qǐng)求開始測(cè)量，返回即時(shí)數(shù)據(jù)。
三、功能設(shè)計(jì)
按上述需求，傳感器的功能設(shè)計(jì)如下：
傳感器上電處于待命狀態(tài)，等待系統(tǒng)命令做以下操作：
1) 可以支持連續(xù)測(cè)量，并存放最近8次數(shù)據(jù)，測(cè)量周期可以由系統(tǒng)設(shè)置。在此狀態(tài)下，系統(tǒng)根據(jù)需要讀取數(shù)據(jù)。
2) 可以支持連續(xù)測(cè)量，并且將每次的數(shù)據(jù)返回給系統(tǒng)，由系統(tǒng)進(jìn)行需要的后處理。
3) 可以接受系統(tǒng)命令，返回待命狀態(tài)。
4) 可以支持單輪測(cè)量，即系統(tǒng)發(fā)出命令通知傳感器，采集幾次數(shù)據(jù)，傳感器可做基本的數(shù)據(jù)處理，如取平均、剔除最大最小值，完成后返回這組數(shù)據(jù)后，恢復(fù)到待命狀態(tài)。
此外，為了便于調(diào)試，增加讀、寫單片機(jī)內(nèi)存的功能。
四、詳細(xì)設(shè)計(jì)
4.1 題外話
看懂別人軟件是件相當(dāng)困難的事，即使那些較正規(guī)的、有完善文檔的項(xiàng)目，也不是十分輕松，因?yàn)橛涗浵聛淼闹皇墙Y(jié)果，思維的過程無法再現(xiàn)，而讀者有時(shí)更多關(guān)注的是如何“想到的”，特別是初學(xué)者！
但描述軟件的構(gòu)思過程也并非易事！
前
期我寫過的“圓夢(mèng)小車StepbyStep”系列文章中，嘗試通過一步步“搭建”的方式來引導(dǎo)讀者理解思考過程，并在程序中特別注釋了每一步所增加的內(nèi)
容，程序中排版順序都放棄了邏輯關(guān)系而“屈從”于“搭建”的順序，可似乎收效甚微?。坎聹y(cè)是沒有交代最基本的思路所致，因?yàn)榧词故敲恳徊蕉己芫唧w，讀者仍
會(huì)問：怎么來的？為何？
本文不是技術(shù)論文，其目的是幫助有意學(xué)習(xí)者實(shí)現(xiàn)自己的愿望，所以本篇嘗試簡(jiǎn)述一下思考方式，看是否對(duì)學(xué)習(xí)者有幫助，但聲明一點(diǎn)：此乃個(gè)人觀點(diǎn)，并非“寶典”，不保證正確，僅供參考！
4.2 程序構(gòu)建思考過程
我開始涉足單片機(jī)編程時(shí)，由于只有匯編語言可用，且編譯環(huán)境較弱，變量名、標(biāo)號(hào)限制較多，所以那時(shí)很講究使用流程圖來表達(dá)程序的構(gòu)思，因?yàn)閺膮R編代碼上看懂程序?qū)嵲诶щy，畢竟那是為機(jī)器思維服務(wù)的邏輯順序，與人理解所需的表述相差甚遠(yuǎn)。
當(dāng)
我轉(zhuǎn)換到C語言編程時(shí)，開始還保持著畫流程圖的習(xí)慣，但逐漸覺得有些多余，因?yàn)镃語言的自注釋性(即語句和變量名的組合表達(dá)方式已接近人的理解需要)以及
編譯環(huán)境的提升，配合各類幾乎無限制的定義手段，使程序本身就可以方便的為人所理解。如今編輯器也在優(yōu)化，讀者可以嘗試一下
UltraEdit，其“折疊”、“展開”功能十分有助于理解程序的思路。所以漸漸的放棄了流程圖。但還維持著按實(shí)現(xiàn)過程來構(gòu)建程序的習(xí)慣。
自從我嘗試編寫PC環(huán)境下的VC程序后，逐漸構(gòu)思習(xí)慣有了很大變化，讀者如果沒有嘗試過，可以參照“圓夢(mèng)小車StepbyStep之二”做一次，然后再用類似的方式構(gòu)建幾個(gè)自己想象的題目，一定會(huì)有所感受！
在VC中構(gòu)建一個(gè)程序，其過程大致如下：
1) 設(shè)計(jì)功能 —— 這是機(jī)器所不能代替的，靠你的創(chuàng)造力實(shí)現(xiàn)之，需要用文本記錄之；
2) 構(gòu)思界面 —— 這就是VC為你提供的方便了，根據(jù)功能和工具可以實(shí)現(xiàn)你所要的界面
3) 變量定義 —— 構(gòu)建界面時(shí)VC會(huì)自動(dòng)生成變量，根據(jù)功能對(duì)這些變量進(jìn)行類型定義；
4) 編寫處理程序 —— 基于界面所產(chǎn)生的操作(按鈕等)編寫對(duì)上述變量進(jìn)行處理的程序，這是你的智慧展示的空間。
在PC上編程(默認(rèn)是Windows下)，由于很多事情都由Windows操作系統(tǒng)幫助做了，所以在VC環(huán)境下編程確實(shí)比較輕松，只需關(guān)注和功能相關(guān)的事，無創(chuàng)意的瑣碎事務(wù)都由系統(tǒng)和VC處理了。
單片機(jī)中雖沒有這么“美”的事，但是這種構(gòu)建過程倒是改變了我，我現(xiàn)在基本也是按此思路去構(gòu)建一個(gè)程序，只不過一些VC幫助自動(dòng)生成的過程由自己完成了。
首先，是確定所做的東西要完成哪些功能，這是基礎(chǔ)。在需求分析和概要設(shè)計(jì)階段基本搞定，在詳細(xì)設(shè)計(jì)的開始處將其具體化，用技術(shù)術(shù)語表達(dá)之。
之后根據(jù)這些功能定義相應(yīng)的變量。如需要記錄 8 次測(cè)量數(shù)據(jù)，就需要有一個(gè) 8元的數(shù)組，同時(shí)要有存放指針和取數(shù)指針(注意：此處所述“指針”，非C語言的指針，是指數(shù)組的下標(biāo)，只是個(gè)人表達(dá)習(xí)慣而已，下同)，以便于對(duì)數(shù)組操作。
根
據(jù)硬件的性能和需求確定數(shù)組的類型，是用整型還是字節(jié)型等；因?yàn)槲叶x的測(cè)量范圍為5米，即使用cm為單位字節(jié)型也不夠，所以用整型。因?yàn)椴豢赡苡胸?fù)數(shù)，
所以用無符號(hào)整型。數(shù)值表達(dá)范圍大了，將單位提高到mm，雖然不一定需要，但不增加工作量，感覺卻好多了 : P 何樂而不為？
在定義變量的同
時(shí)，定義一些與變量處理相關(guān)的常量，一方面為了程序的可讀性，同時(shí)也是為了日后便于修改。如現(xiàn)在設(shè)計(jì)是保留最近8次數(shù)據(jù)，但日后也許需要更多或較少，將數(shù)
組的單元數(shù)聲明為符號(hào)常量 ——
DATA_SAVE_NUM，定義為8，需要時(shí)只需修改此處定義即可，不用在程序中“遍地”去找，遺漏一個(gè)就形成一個(gè)bug！
在構(gòu)思服務(wù)于功能的
變量時(shí)順便考慮如何處理之，還是拿測(cè)量數(shù)據(jù)存放為例。既然需要存放最近N次的數(shù)據(jù)，可以這樣處理：存滿8個(gè)之后依次向前移，覆蓋序號(hào)最小的單元，騰出序號(hào)
最大的存放新數(shù)據(jù)。這樣處理效率太低，常用的方式是環(huán)形緩沖區(qū)的概念，即將數(shù)據(jù)存放區(qū)看成是個(gè)首尾相接的環(huán)，存放數(shù)據(jù)時(shí)指針不斷“加”，到尾時(shí)自動(dòng)環(huán)到
首，不用任何數(shù)據(jù)搬家操作，而取數(shù)也是同樣，只是從存數(shù)指針向回“減”，到首時(shí)自動(dòng)環(huán)到尾。
基于這個(gè)思路，自然2個(gè)指針變量的需求就產(chǎn)生了。這兩
個(gè)指針據(jù)需要能夠“加”到尾環(huán)頭，或“減”到頭環(huán)尾。如憑直覺，就用比較的方式判斷，每次運(yùn)算都作一次檢測(cè)，雖能完成，但似乎有些繁瑣。考慮一下有無更好
的方式？如果還記得二進(jìn)制的基本運(yùn)算，就可以理解我為何在程序中設(shè)計(jì)環(huán)形數(shù)據(jù)存放區(qū)的時(shí)候均要求單元數(shù)是2的冪，即4、8、16……
按上述方式，可以依次定義出功能用的變量。之后就要結(jié)合運(yùn)行定義一些處理用的變量，這就是VC和操作系統(tǒng)可以幫你完成的那部分。
嵌入式系統(tǒng)(或俗稱“單片機(jī)系統(tǒng)”)有以下幾個(gè)概念：
1)死循環(huán)
嵌入式系統(tǒng)是連續(xù)不斷運(yùn)行的，所以必然有一個(gè)“死循環(huán)”，一般用以下程序?qū)崿F(xiàn)：
While(1)
{
……
}
2)標(biāo)志驅(qū)動(dòng)對(duì)于嵌入式系統(tǒng)，小的應(yīng)用一般沒有操作系統(tǒng)，內(nèi)存不夠，開銷也大，所以需要自己設(shè)置一些標(biāo)志，以實(shí)現(xiàn)類似于PC上的“消息驅(qū)動(dòng)”。
在上述循環(huán)中，程序順序檢測(cè)各個(gè)標(biāo)志，根據(jù)標(biāo)志做相應(yīng)的處理。標(biāo)志的建立一般由中斷完成，或者是中斷處理后產(chǎn)生。
3)時(shí)基
多數(shù)程序都有按時(shí)間處理的需求，如延時(shí)、定時(shí)查詢、周期測(cè)量等等，所以一定有一個(gè)時(shí)基，由定時(shí)器中斷產(chǎn)生，建立標(biāo)志。在PC中也有類似的機(jī)制，DOS時(shí)代的PC我知道系統(tǒng)有一個(gè)18.2ms的時(shí)鐘信號(hào)，現(xiàn)在的PC不太清楚了 : (
我設(shè)計(jì)系統(tǒng)通常使用1ms時(shí)基，因?yàn)槎鄶?shù)處理不會(huì)小于這個(gè)間隔。由此，要設(shè)計(jì)一個(gè)1ms中斷標(biāo)志。所有與時(shí)間相關(guān)的處理都安排在1ms中斷標(biāo)志建立后的處理中。
4)狀態(tài)
一個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，往往不能“一蹴而就”。
就拿超聲波測(cè)距來說：首先得發(fā)出超聲波，之后等待回波，等待過程中要根據(jù)時(shí)間控制增益，逐漸增大，以彌補(bǔ)聲波隨距離增加的衰減。收到后再計(jì)算，至此才能得到一個(gè)測(cè)量結(jié)果。
按照聲波速度，2m距離約需要12ms(來回4m)。如果程序設(shè)計(jì)成順序依次處理模式，直到完成后再處理其它的任務(wù)，則大概通訊成功率只有一半了，因?yàn)镸CU的處理給測(cè)距過程獨(dú)占了。
也許有人說：可以用中斷來處理。
在
此，順便說一下：在成熟的程序中，中斷處理中盡量少安排操作。因?yàn)橐皇菚?huì)由于中斷內(nèi)、外同時(shí)處理相同變量產(chǎn)生錯(cuò)誤，除非你設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的“閉鎖”機(jī)制；二是
降低了其它中斷的響應(yīng)速度，也許會(huì)導(dǎo)致程序性能下降；如需要精確捕捉脈沖，則會(huì)由于延時(shí)響應(yīng)而降低精度。優(yōu)先級(jí)機(jī)制雖可彌補(bǔ)，但那更容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，而
且需要更多的堆棧空間。
為了避免上述問題，通常使用狀態(tài)來標(biāo)注一個(gè)功能做到了哪一步？設(shè)置一個(gè)狀態(tài)變量，記錄功能實(shí)現(xiàn)的進(jìn)程，每次輪回時(shí)根據(jù)狀態(tài)做相應(yīng)的事，把能做的做完后立刻退出，把MCU的處理能力交給別的任務(wù)。
這就是“分時(shí)”處理的概念，只不過分時(shí)是由自己寫的程序所調(diào)度，而非“操作系統(tǒng)”，隨著所做的項(xiàng)目復(fù)雜度加大，你會(huì)感到“操作系統(tǒng)”的重要！
而利用狀態(tài)控制大概就是所謂的“有限狀態(tài)機(jī)”，這在嵌入式系統(tǒng)中是常見的。
具體實(shí)施時(shí)，采用螺旋式步驟完成程序。
先構(gòu)建一個(gè)最基本的程序框架：(這一步在VC中，建立MFC工程時(shí)就自動(dòng)完成了，可在單片機(jī)上，得自己為之 ? )
圖 1 程序主框架
(使用圖片表示并非想阻礙拷貝，只是想借用編輯器的彩色表示方式，更直觀，下同)
從上圖可以看出，程序基本上由初始化和死循環(huán)組成，死循環(huán)中設(shè)計(jì)了三個(gè)處理：時(shí)基、通訊、測(cè)量(工作)，這三件事因?yàn)樾枰瑫r(shí)處理，所以設(shè)計(jì)在循環(huán)中依次得到MCU的處理時(shí)間。讀者可回憶一下流程圖格式，有了這個(gè)還需要嗎？
然后逐步充實(shí)，每構(gòu)思一個(gè)功能：
1) 定義相關(guān)變量
2) 在init_var()中初始化；
3) 根據(jù)需要定義相關(guān)常數(shù)；
4) 涉及硬件，在init_hardware()中初始化硬件；
5) 構(gòu)建處理方法，也就是函數(shù)，完成功能；
6) 如完成需要等待外部條件，則定義狀態(tài)變量，并定義狀態(tài)，轉(zhuǎn)換條件；
7) 處理時(shí)如涉及定時(shí)，則設(shè)置計(jì)時(shí)器，建立相應(yīng)標(biāo)志，在時(shí)基處理中添加處理；
不一定要一個(gè)螺旋就上到“頂”，可以逐步添加，首先是實(shí)現(xiàn)功能必備的處理，其次是防護(hù)出錯(cuò)的保護(hù)性處理。程序?qū)⒅鸩阶兊猛晟?、可靠。最終得到的程序自然比較復(fù)雜，而讀程序者通?？吹降氖沁@個(gè)版本，所以自然費(fèi)解！
讀
者如果接觸過編程，一定知道“面向?qū)ο蟆?，這個(gè)概念開始時(shí)我很不理解，匯編程序?qū)懚嗔耍季S更“接近”機(jī)器。在編寫幾次VC程序后，覺得“面向?qū)ο蟆钡故?/p>
一個(gè)不錯(cuò)的思維方式，即從你要做的事情開始思考，它要完成什么？它有什么特征？它怎么去做？可以類比一下，上述功能定義說明了它要完成什么？變量定義說明
了特征，而處理方法指明它如何去做。也許不太貼切，但是自我感覺有不小的幫助。
