倒車?yán)走_(dá)實(shí)訓(xùn).doc

超聲波測(cè)距原理1 超聲波檢測(cè)概述超聲波是一種頻率超過20的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦苑瓷?、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(diǎn)，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(huì)反射。利用超聲檢測(cè)往往比較迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)使用的要求，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(chǎng)，例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。超聲波在介質(zhì)（固體、液體、氣體）中傳播時(shí)，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響來探查物體和進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)稱為超聲波檢測(cè)。當(dāng)超聲波以脈沖形式在介質(zhì)中傳播時(shí)，利用反射這一性質(zhì)，在金屬、非金屬中用來探測(cè)缺陷的位置和性質(zhì)，從而對(duì)鋼板、鍛件、焊縫、混凝土等進(jìn)行探傷檢驗(yàn)；在水中，根據(jù)反射波可以探測(cè)潛水艇和魚群，測(cè)量海底深度以及探查海底低層等；在人體中則可以協(xié)助臨床診斷疾病和探測(cè)胎兒等。利用超聲波連續(xù)性的共振性質(zhì)，可以測(cè)量高壓電容器，鍋爐，輪船甲板等的厚度或者腐蝕程度，也可制成機(jī)械濾波器。利用超聲波的衰減特性，可以研究或測(cè)量材料的物理特性。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動(dòng)體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測(cè)量流速流量，探測(cè)心臟血管搏動(dòng)等。若將超聲波作為載波傳送某些信號(hào)，則可制成水中電話，水中遙測(cè)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，可制成超聲波延遲線和存儲(chǔ)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(cè)量液位、粘度、硬度和溫度等。超聲波測(cè)量在國(guó)防、航空航天、電力、石化、機(jī)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(cè)相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測(cè)物體內(nèi)部情況。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號(hào)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(cè)的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。2 超聲波傳感器介紹超聲波傳感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(dòng)力型。電聲型主要包括壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動(dòng)力型包括有氣體和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(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲波傳感器稱為探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。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(cè)中最常用的實(shí)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(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英、鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。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(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，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(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，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。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加上有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)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交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)產(chǎn)生超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應(yīng)來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)錐形振子，當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)錐形振子振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)錐形振子接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波傳感器。圖1 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率。發(fā)射超聲波時(shí)，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，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，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。利用這一特性可制作成各種頻率的超聲波傳感器。一般常用的超聲波傳感器有兩種：專用型和兼用型。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。本設(shè)計(jì)選用的超聲波傳感器是專用型，其型號(hào)為TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示傳感器工作的中心頻率為40,16表示傳感器的外徑為16，T和R分別表示發(fā)射器和接收器1。3 超聲波測(cè)距的原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到發(fā)射波就立即停止計(jì)時(shí)。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，如圖2所示圖2 超聲波測(cè)距原理圖2中被測(cè)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表示，由圖可得： (1) (2)將式(2)帶入式(1)得： (3)在整個(gè)傳播過程中，超聲波所走過的距離為： (4)式中：為超聲波的傳播速度，為傳播時(shí)間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。將式(4)帶入式(3)可得： (5)當(dāng)被測(cè)距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，式(5)變?yōu)椋?(6)這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離2。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。4 系統(tǒng)主框圖及各模塊電路超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示超聲波發(fā)射超聲波接收單片機(jī)控制器4位數(shù)碼管顯示圖3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中用超聲波傳感器作為測(cè)量器件，用單片機(jī)中的程序進(jìn)行處理，最后通過LED數(shù)碼管顯示出測(cè)量的距離值。超聲波測(cè)距儀由四部分組成，包括單片機(jī)、超聲波接收電路、超聲波發(fā)送電路和數(shù)碼管顯示。由系統(tǒng)的主框圖，可以把系統(tǒng)分成三部分：4.1 發(fā)射框圖和電路圖圖4為系統(tǒng)發(fā)射框圖。超聲波發(fā)射部分由發(fā)射調(diào)制電路和超聲波發(fā)射探頭構(gòu)成。調(diào)制電路用作電流放大。主控芯片STC89C52發(fā)射調(diào)制電路超聲波發(fā)射探頭圖4 系統(tǒng)發(fā)射框圖超聲波在空氣中傳播功率與頻率成正比，比較和分析幾種常用的超聲波頻率的特點(diǎn)，最終選取頻率為38.5。超聲波發(fā)射電路主要由反相器74LS04和超聲波發(fā)射器T構(gòu)成，74LS04用于增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，使輸出方波更加標(biāo)準(zhǔn)。單片機(jī)端口輸出的38.5的間斷方波信號(hào)，此時(shí)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，該方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波發(fā)射器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波發(fā)射器的另一個(gè)電極，用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波發(fā)射器的兩級(jí)，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，可以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻、可以提高反相器輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，還可以增加超聲波發(fā)射器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖5所示。圖5 超聲波發(fā)射電路4.2 接收框圖和電路圖圖6為系統(tǒng)接收框圖。超聲波接收探頭接收反射回來的聲波信號(hào)，經(jīng)放大后把信號(hào)引進(jìn)一個(gè)帶通濾波器，然后把信號(hào)再次放大后引入比較電路，最后進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理。超聲波接收探頭放大電路濾波電路放大電路比較電路主控芯片STC89C52圖6 系統(tǒng)接收框圖超聲波接收電路采用CX20106A集成電路，對(duì)超聲波接收器收到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。它是一款紅外線檢波接收的專用芯片，有較強(qiáng)的抗干擾性和靈敏度。超聲波接收器將收到的返回超聲波轉(zhuǎn)成微弱電信號(hào)，經(jīng)CX20106A放大、整形后再輸出。通過外接電阻，將CX20106A內(nèi)部帶通濾波電路的中心頻率設(shè)置為40，就可接收和放大超聲波電信號(hào)，并整形和輸出。采用CX20106A實(shí)現(xiàn)超聲波放大和整形，可避免采用多級(jí)集成運(yùn)放組成高增益放大電路帶來的自激等問題。超聲波接收電路原理圖如圖7所示。圖7 超聲波接收電路4.3 顯示框圖和電路圖圖8為系統(tǒng)顯示框圖。單片機(jī)對(duì)經(jīng)處理過的反射信號(hào)進(jìn)行最終的數(shù)學(xué)處理，把最終結(jié)果顯示在數(shù)碼管上。經(jīng)處理的反射信號(hào)主控芯片STC89C52數(shù)碼管顯示圖8 系統(tǒng)顯示框圖顯示器是一個(gè)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，其差別僅僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使用LED發(fā)光二極管，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。綜合設(shè)計(jì)的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用4位LED數(shù)碼管顯示。其顯示電路如圖9所示。圖9 系統(tǒng)顯示電路4.4 單片機(jī)復(fù)位電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作中，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，為需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠的復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平，只要RST保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路通常采用以下幾種方式：上電自動(dòng)復(fù)位，上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的點(diǎn)容充電來實(shí)現(xiàn)的，在電容充電的過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位。系統(tǒng)復(fù)位，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。適用于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)干擾大、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠的同步復(fù)位。按鍵電平復(fù)位，按鍵電平復(fù)位是通過使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的?？紤]本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，干擾小，故采用按鍵電平復(fù)位。電路圖如圖10所示。圖10 按鍵電平復(fù)位電路4.5 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號(hào)，單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下嚴(yán)格的按時(shí)序進(jìn)行工作。該時(shí)鐘電路由兩個(gè)電容和一個(gè)晶體振蕩器構(gòu)成。XTAL1是接外部晶體管的一個(gè)引腳，在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。輸出端為引腳XTAL2，在芯片的外部通過這兩個(gè)引腳接晶體振蕩器和微調(diào)電容，形成反饋電路，構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。電路中的電容一般取30左右，而晶體振蕩器的頻率范圍通常是1.2到12，電路中采用12，晶體振蕩器的頻率越高，振蕩頻率就越高。其電路如圖11所示。圖11 時(shí)鐘電路4.6 超聲波測(cè)距電路電路中用P1.0口輸出超聲波傳感器所需的38.5方