畢業(yè)設(shè)計_基于AT89S51單片機超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計.doc

畢業(yè)設(shè)計(論文)正文題 目 基于at89s51單片機超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計專 業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班 級姓 名學(xué) 號指導(dǎo)教師職 稱 基于at89s51單片機超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計摘要：本文主要研究開發(fā)了一種基于單片機微處理器的超聲波測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離。在介紹超聲傳感器原理與特性和超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。介紹了具體的軟硬件設(shè)計以及相關(guān)的實驗情況,針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計方案進(jìn)行了論證，對測距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論。關(guān)鍵字:超聲波，測距，測量精度the study and application ofdistance-measurement system based on ultrasonic waveabstract: this paper primarily investigates a kind of ultrasonic distance measurement device based on microprocessor. this device can measure certain distance with reflected wave on condition that the speed of transmitting wave is fixed. it generally specifies the theoretical foundation of the device, introduces the software and hardware design of the device and correlative experiments. the design of the distance measurement is targeted on high precision and little blind area. then it proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter and presenting the theory and characters of ultrasonic sensor. and then the transmission, receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out. at the same time, a number of main technical parameters are discussed.key words: ultrasonic,measuring distance, measurement accuracy目 錄第一章 緒論11.1.引言11.2.超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展11.3.超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用2第二章 超聲波測距技術(shù)綜述32.1.引言32.2.超聲波介紹32.2.1.超聲波的基本性質(zhì)42.3.超聲波傳感器介紹42.3.1.超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)42.4.超聲檢測概述7第三章 超聲波測距系統(tǒng)的原理與設(shè)計93.1.引言93.2.超聲波測距的原理及實現(xiàn)93.3.超聲波測距系統(tǒng)的總體方案103.4.超聲波測距系統(tǒng)硬件電路設(shè)計123.4.1.超聲波發(fā)射電路設(shè)計123.4.2.超聲波接收電路設(shè)計193.4.3.比較電路213.4.4.電源電路223.4.5.顯示電路233.4.6. at89s52單片機最小系統(tǒng)243.5.超聲波測距系統(tǒng)軟件設(shè)計273.5.1.系統(tǒng)軟件設(shè)計總體框圖273.5.2.軟件程序模塊化設(shè)計28第四章 結(jié)論及展望32參考文獻(xiàn)33致 謝34 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙第一章 緒論 1.1.引言 高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，而這是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。設(shè)計和工藝人員理應(yīng)了解非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常?？梢杂袝r甚至是只能依靠無損檢測技術(shù)的運用方可予以發(fā)現(xiàn)和評價。當(dāng)然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力是分不開的，由于他們的努力使無損檢測技術(shù)在這方面已具有一定的水平，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，無損檢測在產(chǎn)品的設(shè)計，研制，使用部門已被卓有成效的運用。無損檢測正在以迅猛之勢向縱深發(fā)展，客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以發(fā)展的最大動力。1.2.超聲波檢測技術(shù)的發(fā)展 一般認(rèn)為，關(guān)于超聲波的研究最初起始于1876年f.galton的氣哨實驗。當(dāng)時galton哨在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá)3 x 100hz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。這些年來，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。 五十年代，我國開始從國外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。五十年代末六十年代初，國內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。1976年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術(shù)交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術(shù)列為重點攻關(guān)項目，組織全國6個單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無損檢測技術(shù)開始進(jìn)入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術(shù)的推廣普及。1978年10月，中國建筑科學(xué)院研制出jc-2型便攜式超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣無損檢測技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。目前，計算機市場價格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計算機可發(fā)揮它一機多用的各種功能，實際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨的超聲儀，計算機可充分發(fā)揮各自特點。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計也應(yīng)從實際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求1。1.3.超聲波技術(shù)的廣泛應(yīng)用 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。1883年galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機械型超聲換能器。由于這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍廣泛地用于超聲處理技術(shù)中。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20khz以上的機械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。 超聲波方法在某些方面具有突出的優(yōu)點2:(1)超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體(如玻璃、拋光體);(2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中;(3)超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化。因此超聲檢測法己經(jīng)越來越多地引起人們的重視，并且被廣泛應(yīng)用在液位測量、機械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面。特別是在空氣測距中，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)確度也較其它方法高。第二章 超聲波測距技術(shù)綜述2.1.引言 這一章首先從超聲波的基本性質(zhì)對超聲波做了介紹，隨后又對超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、種類及特性做了介紹，為本論文后面章節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計提供理論基礎(chǔ)。尤其是超聲波傳感器是超聲波測距系統(tǒng)的重要部件，用于超聲波的發(fā)射和接收，所以超聲傳感器的工作原理也是整個測距系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，這些將是本章討論的重點。2.2.超聲波介紹 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。一般而言是指聲音超過了20khz以上時稱之為超聲波。與光波不同，超聲波是一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。超聲波在相同的傳播媒體里(如大氣條件)傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，是縱向振動的彈性機械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運動而傳播的，波動方程描述方法與電磁波是類似的: (2-1) (2-2)式中，a(x)為振幅，a0為常數(shù)，w為圓頻率，t為時間，x為傳播距離，為波數(shù)，a為波長，a為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為: (2-3)式中a為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣里，a = 2x10-13s2 /cm，當(dāng)振動的聲波頻率f=40khz(超聲波)代入式(2-3)可得, =3.2x10-4/cm，即1/=3lm;若f=30khz，則1/=56m。它的物理意義是:在1/長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的e分之一，由此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。超聲波除了具有與電磁波相似的一面外，同時還具有其自身的一些特點:1)能以各式各樣的傳播模式(縱波、橫波、表面波、薄板波)在氣體、液體、固體或它們的混合物等各種媒質(zhì)中傳播，也可在光不能通過的金屬、生物體中傳播，是探測物質(zhì)內(nèi)部的有效手段。2)由于超聲波與電磁波相比速度慢，對于相同的頻率波長短，容易提高測量的分辨率。3)由于傳播時受介質(zhì)聲速、聲阻抗和衰減常數(shù)的影響大，所以，反過來可由超聲波傳播的情況測量物質(zhì)的狀態(tài)3。2.2.1.超聲波的基本性質(zhì) 聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機械振動密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運動所產(chǎn)生的機械振動以波的形式向外傳播。根據(jù)振動所產(chǎn)生波的頻率高低分為可聞聲波、次聲波和超聲波，高于20khz的聲波稱為超聲波。波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)4:(1)、超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進(jìn)行測量、定位、探傷和加工處理等。在傳播中，超聲波的速度與聲波相同;(2)、超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強的波束，波長愈短方向性愈強，因此超聲用于探傷、水下探測，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體;(3)、能夠產(chǎn)生窄的脈沖，為了提高探測精度和分辨率，要求探測信號的脈沖極窄，但是一般脈沖寬度是波長的幾倍(如要產(chǎn)生更窄的脈沖在技術(shù)上是有困難的)，超聲波波長短，因此可以作為窄脈沖的信號發(fā)生器;(4)、功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強大的能量。聲波作用于物體時，物體的分子也要隨著運動，其振動頻率和作用的聲波頻率一樣，頻率越高，分子運動速度越快，物體獲得的能量正比于分子運動速度的平方。超聲頻率高，故可以給出大的功率。聲波在真空中不能進(jìn)行傳播，必須通過氣體、液體、固體或者三者的組合體作為介質(zhì)才能傳播。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為344m/s。2.3.超聲波傳感器介紹2.3.1.超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器(也稱作超聲波換能器)是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有:壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”5。壓電傳感器屬于超聲波傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分6。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變;相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲波振動。因此，用這種材料可以制成超聲波傳感器。壓電效應(yīng)有兩種類型7:(1)逆壓電效應(yīng)將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場中，由于電場作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變，形變與電場強度成正比。如電場反向，則形變亦相反。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。將適當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘柺┘拥骄w上，晶體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產(chǎn)生振動，振動頻率與交變電壓的頻率相同，若把晶體藕合到彈性介質(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質(zhì)中。(2)正壓電效應(yīng)當(dāng)對某電介質(zhì)施加應(yīng)力時，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)將機械能(即聲能)轉(zhuǎn)換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲波傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為d交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號8。圖2.1雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2.1所示，當(dāng)在ab間施加交流電壓時，與極化方向相同，則下面的方向相反，雙壓電晶片的等效電路如圖2-3所示，因此，上下一伸一縮，若a片的電場方向形成超聲波振動。c0靜電電容，r聯(lián)電阻，cm和lm為機械共振回路的電容和電感，rm為陶瓷材料介電損耗并為損耗串聯(lián)電阻。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率句。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲波傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率9。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。圖2.2雙壓電品片等效電路超聲波傳感器的機械能用qm表示，電能用qe表示。由圖2.2分析可知，q恰好是電路的串聯(lián)支路的q值。設(shè)換能器在空載(rm=0)和有載(rm=rl)時的q值分別為qm0 、qm 則 (2-12) (2-13) (2-14) (2-15)超聲波換能器的工作效率為: (2-16) 可見，在有負(fù)載時，負(fù)載的阻值關(guān)系到超聲波換能器的工作效率，阻值越大，工作效率越高，反之，越低。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞10。金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。2.4.超聲檢測概述 超聲波是一種頻率超過20khz的機械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦砸环瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會反射。利用超聲波檢測往往比較迅速，方便，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，主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如:液位、井深、管道長度等場合。 超聲波在介質(zhì)(固體、液體、氣體)中傳播時，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對超聲波傳播的影響來探查物體和進(jìn)行測量的技術(shù)稱為超聲檢測。當(dāng)超聲波以脈沖形式在介質(zhì)中傳播時，利用反射這一性質(zhì)，在金屬、非金屬中用來探測缺陷的位置和性質(zhì)，從而對鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進(jìn)行探傷檢驗;在水中，根據(jù)反射波可以探測潛水艇和魚群，測量海底深度以及探查海底底層等;在人體中則可以協(xié)助臨床診斷疾病(如肝膿腫、腫瘤、膽結(jié)石等)和探測胎兒等。利用超聲連續(xù)波的共振性質(zhì)，可以測量高壓容器，鍋爐，輪船甲板等的厚度或腐蝕程度，也可制成機械濾波器。利用超聲波的衰減特性，可以研究或測量材料的物理性質(zhì)。當(dāng)超聲波射到運動體時，利用多普勒效應(yīng)，可以測量流速流量，探測心臟血管搏動等。若將超聲波作為載波傳送某些信號，則可制成水中電話，水中遙測儀等，以進(jìn)行水中通信。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠(yuǎn)小于電磁波這一特性，可制成超聲延遲線和存儲裝置以及進(jìn)行電視制式的轉(zhuǎn)換。還可利用超聲波檢漏、測量液位、粘度、硬度和溫度等。除此之外、聲發(fā)射、聲成像技術(shù) (包括聲全息成像技術(shù))的發(fā)展也大大豐富了超聲檢測的內(nèi)容。 超聲波測量在國防、航空航天、電力、石油化工、機械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障安全，還可起到節(jié)約能源、降低成本的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點是穿透力強，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體內(nèi)部情況。超聲檢測設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的優(yōu)點，有利于工程實際使用。近十幾年來，由于微機技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。利用超聲波除了可以測量距離、液位高度以外，還可以用于超聲探傷。超聲波在被檢材料(金屬、非金屬)中傳播時，利用材料本身或內(nèi)部缺陷所示的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內(nèi)部缺陷的方法，稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實驗方法，即不需破壞被檢材料或工件就能探測其內(nèi)部的各種缺陷(如裂紋、氣泡、夾雜物等)的大小、形狀和分布狀況以及測定材料性質(zhì)。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此廣泛應(yīng)用于機器制造、冶金、化工設(shè)備、國防建設(shè)等部門，已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保安全的一種重要手段11。 第三章 超聲波測距系統(tǒng)的原理與設(shè)計3.1.引言 在上一章中，我們己經(jīng)知道超聲波的基本特性和超聲波傳感器的工作原理。在這一章中，將對超聲波測距系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了基于單片機的超聲波測距系統(tǒng)的總體方案。本章將介紹超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計及軟件設(shè)計，并對整個超聲波測距系統(tǒng)的各個功能部分給出了具體的設(shè)計和說明。3.2.超聲波測距的原理及實現(xiàn) 超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時間法12。圖3.1波測距原理圖超聲波測距原理如圖3.1，圖中被測距離為h，兩探頭中心距離的一半用m表示，超聲波單程所走過的距離用l表示，由圖中關(guān)系可得: (3-1) (3-2)將（3-2）式代入（3-1）式可得： （3-3）在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為: （3-4）式中v為超聲波的傳播速度，t為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。 將(3-4)式代入(3-3)式可得: （3-5）式中，超聲波的傳播速度v在一定溫度下是一常數(shù)。如:在溫度t=0時，v=331.45m/s。當(dāng)被測距離h遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于m時，于是(3-5)式變?yōu)? （3-6）由此可見，要想測得距離h，只要測得超聲波的傳播時間t即可。3.3.超聲波測距系統(tǒng)的總體方案 系統(tǒng)的設(shè)計及器件的選擇也正是在這個基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.2所示f1f7門限電路選頻放大器f6單片機f6選頻放大器門限電路f5選頻放大器門限電路激發(fā)電路f1f5超聲波信號f2f3f4門限電路脈沖放大器脈沖發(fā)生器rt選頻放大器超聲波接收換能器超聲波發(fā)射換能器圖3.2超聲波測距硬件電路圖超聲波測距系統(tǒng)的具體工作過程計劃如下:1、由單片機發(fā)出40khz的脈沖串; 2、脈沖發(fā)生器的輸出信號fl通過脈沖放大器后，其輸出信號為f2。 f2被施加于超聲波發(fā)射換能器t上，這時超聲波發(fā)射換能器t發(fā)出超聲波信號;3、單片機在超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖的時刻開始計時;4、超聲波信號被超聲波接收換能器r收到，并超聲波接收換能器r的輸出信號為f3, f3通過4級選頻放大器和4級門限電路后，其輸出信號為f7。當(dāng)單片機接收到f7時，單片機立即停止計數(shù); 5、單片機讀得時間值; 6、單片機計算數(shù)據(jù) 7、顯示電子市場上常見的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為40khz。如果需要更高頻率的超聲探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營超聲產(chǎn)品的廠商去購買或者定制。鑒于有限的條件，本文中選用的探頭是40khz的超聲傳感器，有一支接收傳感器szw-r40-1 op和一支發(fā)射傳感器szw-s40-12m,其特性參數(shù)如表3-1所示。中心頻率靈敏度聲壓指向性容量最低使用溫度最高使用溫度最小探測距離0.2m0.2m最大探測距離10m10m分辨率9mm9mm最大輸入電壓20vp-p連續(xù)信號表3-1傳感器特性參數(shù)發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈(有時裝在探頭內(nèi))，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動發(fā)出超聲波。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率40khz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計就相對簡單一些。但是，每一支實際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個極限值。同時，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時應(yīng)予采用。發(fā)射部分的點脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由四級放大電路構(gòu)成，最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。3.4.超聲波測距系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.4.1.超聲波發(fā)射電路設(shè)計 1、超聲波發(fā)射電路要電路能正常工作，就要求在沒有加任何外加信號時，觸發(fā)器截止的晶體管能可靠地截止，導(dǎo)通的晶體管能可靠的飽和13。(1截止條件圖3.3截止晶體管的基極部分等效電路圖 當(dāng)一個晶體管截止時，另一個飽和。由于導(dǎo)通晶體管飽和，導(dǎo)通管集、射極之間的管壓降可以用電壓uces(三極管的集電極飽和電壓降)來等效。因此截止晶體管的基極部分等效電路圖如圖3.3所示。設(shè)晶體管臨界截止的基極電壓為uboc，則保證晶體管截比的基極電壓ubo uboc，則 (3-7) (3-8) 從式3-8可以看出:rb 、 |uces|越小，|eb| r越大，基極和發(fā)射極之間反向偏電壓降越大，三極管截止越深;反之，截止較淺，當(dāng)三極管截止時，使三極管的反向偏置電壓降在0-1伏之間，式3-8可簡化為: (3-9)這是選擇rb的條件。對硅管而言，icbo很小( o.1a)可以忽略不計。(2)導(dǎo)通條件 圖3.4 等效電路圖 對導(dǎo)通三極管而言，要求基極電流大到保證使集電極電流飽和。而另一個三極管是工作在截止?fàn)顟B(tài)，但集電極仍有一小電流icbo，因此導(dǎo)通三極管基極部分的電流如圖3.4所示。這時，基極電壓為ubs，基極電流為ibs、集電極電壓為uces。因此 (3-10) (3-11)從上式可知，rb 、|ec|越大，|eb|、 r越小，三極管飽和較深。式3-11可簡化為: (3-12)對硅管而言，icbo很小可以忽略不計。當(dāng)，時，則上式可近似為: (3-13)這是選擇rb的另一個條件。根據(jù)以上理論依據(jù)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射電路如下:圖3.5超聲波發(fā)射電路(1)、三極管q1 1、當(dāng)q1截止時 此時a點電壓為零可將根據(jù)所設(shè)計的參數(shù)，三極管q1可以可靠截止。2、當(dāng)q1導(dǎo)通時a、 e1單獨作用時 b、a點電壓單獨作用時 由上面兩式可得， 于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管的q1可以深度飽和導(dǎo)通。 (2)、三極管q2 1、當(dāng)q2截止時a、e2單獨作用時 b、單獨作用時 可將根據(jù)所設(shè)計的參數(shù)，三極管q2可以可靠截止。2、當(dāng)q2導(dǎo)通時a、e3單獨作用時 b、e2單獨作用時 由上面兩式可得: 于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管q2可以處于深度飽和導(dǎo)通。(3)、三極管q3 1、當(dāng)q3截止時a、e5單獨作用時b、單獨作用時可將根據(jù)所設(shè)計的參數(shù)，三極管q3可以可靠截止。2、當(dāng)q3導(dǎo)通時a, e4單獨作用時b. e5單獨作用時由上面兩式可得：于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管q3可以處于深度飽和導(dǎo)通。 2、振蕩電路 振蕩電路目的是提供40khz的脈沖。當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號頻率與其固有頻率為同一頻率時，發(fā)生共振，電能可以高效率的轉(zhuǎn)化為機械機械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識的固有頻率是40khz，實際有偏差，如400.5khz。故可設(shè)計可調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。在超聲測距中，一般采用40khz的信號。振蕩電路可以通過硬件來產(chǎn)生，有多種設(shè)計方案比如555 , cmos電路cd4046等。由555芯片組成的振蕩電路外圍元件少，電路簡單，振蕩頻率可調(diào)，占空比可調(diào)，采用555構(gòu)成的振蕩電路原理圖如圖3.614。 圖3.6 ne555構(gòu)成的振蕩電路原理圖 當(dāng)555定時器輸出高電平時，放電管t截止。電源編對電容充電，充電回路為:地。充電時間常數(shù)。當(dāng)電容充電電壓時，定時器輸出變?yōu)榈碗娖剑烹姽躷導(dǎo)通，電容c1開始放電，放電回路為:放電管地，放電時間常數(shù)。當(dāng)電容放電電壓時，定時器輸出變?yōu)楦唠娖?，放電管t截止，電容c又開始充電，如此循環(huán)下去，便可穩(wěn)定地輸出矩形波。 兩個暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間分別為: (3-14) (3-15) 振蕩周期t為: （3-16） 占空比為: （3-17）其中 該電路通過調(diào)節(jié)可變電阻rw，可實現(xiàn)調(diào)節(jié)占空比的大小。 同時也可以采用一個更加簡便的方法，直接通過軟件編程方式使得單片機發(fā)送40khz的超聲波脈沖信號15。本方案就是采用單片機軟件產(chǎn)生。關(guān)于40khz脈沖信號的產(chǎn)生，如果用單片機定時器中斷產(chǎn)生，要特別注意中斷服務(wù)程序的編寫。中斷服務(wù)不能過長，如果過長，單片機在前一個中斷服務(wù)程序還沒執(zhí)行完之前，又會有下一個中斷產(chǎn)生。所以，單片機將會產(chǎn)生一個錯誤頻率的信號。往往這個錯誤的頻率會比預(yù)期的值偏低，比如:程序原本要產(chǎn)生一個40khz的信號，實際單片機只能產(chǎn)生一個20khz左右的信號。 40khz的信號可以用一個匯編語言子程序來產(chǎn)生。程序如下: name cs_t?pr? cs_t? cs_t segment code public cs_t rseg ?pr?cs_t?cs_tcs_t: push acc mov tho,#00h mov tl0,#ooh mov a, #4d setb tr0cst_1: cpl p1.0 nop nop nop nop nop nop nop nop nop djnz acc,cs_t1 pop acc ret end3.4.2.超聲波接收電路設(shè)計 根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求: (1)將微弱信號放大; (2)波形整形。 當(dāng)超聲波接收器將接收到的回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，信號經(jīng)過放大以后，被送入電壓比較器進(jìn)行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入into中斷口，該電信號作為at89s52外部中斷的中斷信號使at89s52產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)程序中停止計數(shù)器to的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。 在電子電路控制系統(tǒng)中，積分電路與微分電路常用作調(diào)節(jié)電路，此外也廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生和變換之中，以集成運放作為放大電路，利用電阻電容作為反饋網(wǎng)絡(luò)，可以實現(xiàn)此兩種運算電路16。 1、帶通濾波器設(shè)計 由于超聲波回波信號具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點，因此，本系統(tǒng)采用rc有源濾波方式，用于微弱回波信號的放大。有源濾波器是由有源器件(例如晶體管、集成運算放大器等)和阻容等元件組成的一類濾波器。由于集成運放技術(shù)已十分成熟，應(yīng)用已經(jīng)十分普及，所以有源濾波器中的有源器件，幾乎都是采用集成運放。與無源濾波器相比，有源濾波器一般具有下列特點17。 (1)由于使用了有源器件，信號在無源器件(例如電阻)上的損失可以在有源器件中得到補充。因而，可以在電路中優(yōu)先采用損耗較大而體積較小的電阻來代替無源濾波器中的電感器件，這樣不僅可以使濾波器的重量和體積大大縮小，而且可以避免由電感所帶來的非線性、參數(shù)調(diào)整困難以及制造成本高等缺點。另外從抑制干擾的角度考慮，這樣就從根本上排除了電感所具有的對電磁場敏感、易檢取外界噪聲和本身易向外界施放電磁干擾噪聲的弊端。 （2)由于運算放大器具有輸入阻抗高、輸出阻抗低以及高增益、高穩(wěn)定性和高閉環(huán)增益等參數(shù)調(diào)整靈活的一系列優(yōu)點，從而為有源濾波器的設(shè)計提供了很大的方便。 (3)有源濾波器頻率精度高，一般可達(dá)到;頻率穩(wěn)定性好，通?？勺龅?低頻濾波特性好，例如用集成運放和阻容元件組成的有源濾波器可使濾波頻率范圍低達(dá)10-3 hz，并且具有較好的頻率穩(wěn)定性，這些指標(biāo)，都是無源濾波器難以達(dá)到的。 (4)有源濾波器的上限頻率由于受有源器件(主要是集成運放)本身帶寬的限制，一般只用在幾十千赫以下的頻率范圍內(nèi)，其最高頻率也只接近1 mhz.因而在更高的頻率范圍內(nèi)一般均采用無源濾波器。這是有源濾波器的最大缺點。帶通濾波器的濾波性能主要取決于q(品質(zhì)因素)和w0(截止角頻率)。通常q值越高，通帶就越窄，頻率選擇性就越好。 本設(shè)計采用無限增益多路負(fù)反饋有源二階帶通濾波器，二階無限增益負(fù)反饋帶通濾波放大電路結(jié)構(gòu)如圖3.7所示 圖3.7無限增益反饋bpf其中:帶通濾波放大器傳遞函數(shù)為: (3-22)上式中: 為帶通濾波器的中心角頻率。w1,w2分別為帶通濾波的高，低截止角頻率，中心角頻率為: （3-23）且通帶中心角頻率。u處的電壓放大倍數(shù)aup: (3-24)中心頻率f0為: (3-25) (3-26)根據(jù)以上理論基礎(chǔ)，設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)接收電路具體如下: 圖3.8 超聲波接收電路3.4.3.比較電路 比較電路目的是將微弱信號放大整形后成為能被into辨識的脈沖信號，本文是下降沿引起中斷。根據(jù)硬件電路的設(shè)計思想18，要將回波信號轉(zhuǎn)換成cpu識別的高低中斷信號，所以在對回波信號(正弦波)經(jīng)過放大以后，需要將正弦波整形成方波，于是后面接了一個電壓比較電路如圖3.9。圖3.9 過零電壓比較電路3.4.4.電源電路 為了給控制電路及其他電路提供電源還需設(shè)計電源電路19。按照電路設(shè)計要求需要一個+5v電壓，士15v電壓，還需一個25v電壓?？烧{(diào)壓芯片lm317是三端穩(wěn)壓集成芯片，最大輸出電流為2.2a，輸出電壓范圍為1.25-37v。它具有輸出電壓可變、內(nèi)設(shè)保護功能、體積小、性價比高、工作穩(wěn)定可靠等特點，頗受廣大電子愛好者青睞。電子愛好者經(jīng)常用它制作輸出電壓可變穩(wěn)壓電源，調(diào)節(jié)可變電阻rw，便可從lm317輸出端獲得可變輸出電壓uo 。 +5 v電壓也是利用三端穩(wěn)壓集成電路7805芯片得到的，士15v電壓是利用7815得到。7805與7815的用法與lm317差別不大，本文電源連接如圖3.10。圖3.10電源電路圖3.4.5.顯示電路 顯示器是一個典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而已。最簡單的顯示器可以使led發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是crt，監(jiān)視器或者屏幕較大的lcd液晶屏。由于本次系統(tǒng)設(shè)計在顯示部分的要求并不是很高，從實用性與經(jīng)濟方面來考慮，完全可以采用led 來實現(xiàn)，這樣在程序設(shè)計與電路設(shè)計方面來說，都是更加方便的。而且在設(shè)計要求中也明確要求采用壓電式超聲波換能器作為傳感器，at89c52單片機作為主控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)4位led數(shù)字顯示，段碼采用74ls244驅(qū)動，位碼采用三極管8550驅(qū)動，顯示電路如下： 圖3.11 led顯示電路顯示電路主要用來顯示超聲波測量的結(jié)果，作為人機交流的界面。由電路圖知二極管需要顯示的段碼由單片機的p0口控制，而選擇led是否作用的位碼由p2.0-p2.3口控制。 顯示程序： display: mov r1, #40h;g mov r5,#0f7h;g play: mov a,r5 mov p0,#0ffh mov p2,a mov a,r1 mov dptr,#tab movc a,a+dptr mov p0,a lcall dl1ms inc r1 mov a,r5 jnb acc.0,endout;g rr a mov r5,a ajmp play endout: mov r2,#0ffh mov p0,#0ffh rettab: db 0c0h,0f9h,0a4h,0b0h,99h,92h,82h,0f8h,80h,90h,0ffh,88h,0bfh;共陽段碼管 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,不亮,a,-3.4.6. at89s52單片機最小系統(tǒng) at89s52單片機最小系統(tǒng)由at89s52單片機及其外圍電路組成，是整個超聲波測距儀的核心電路。本系統(tǒng)中最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和時鐘電路組成。 1, at89s52簡介 at89s52是一種低功耗、高性能的含有8k字節(jié)快閃可編程/擦除只讀存儲器(fperom- flash programmable and erasable read only memory)的8位cmos微控制器，使用高密度、非易失存儲技術(shù)制造，并且與at89s52指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。芯片上的fperom允許在線或采用通用的非易失存儲編程器對程序存儲器重復(fù)編程。 1) at89s52的主要性能包括: (1)與mcs-51單片機產(chǎn)品兼容 (2)8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程flash存儲器 (3)1000次擦寫周期 (4)全靜態(tài)操作:ohz-33hz (5)三級加密程序存儲器 (6)32個可編程vo口線 （7)三個16位定時器/計數(shù)器 (8)八個中斷源 (9)全雙工dart串行通道 (10)低功耗空閑和掉電模式 (11)掉電后中斷可喚醒 (12)看門狗定時器 (13)雙數(shù)據(jù)指針 (14)掉電標(biāo)識符 2), at89s52內(nèi)部分工 at89s52內(nèi)部有256個字節(jié)的ram，地址范圍是ooh-ffh，但實際提供給用戶使用的只有128個字節(jié)(ooh-7fh )別28個字節(jié)(80h-ffh)是特殊寄存器區(qū)。除rom和ram外，芯片內(nèi)部還有三個16位的定時器/計數(shù)器。在本系統(tǒng)中定時器to用來計時，定時器t1用來做波特率發(fā)生器。 2、時鐘電路 系統(tǒng)的時鐘電路設(shè)計是采用的內(nèi)部方式，即利用芯片內(nèi)部的振蕩電路。at89s52單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器。引腳xtal 1和xtal2分別是此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晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體諧振器以及電容c1和cz構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的