基于單片機的超聲波檢測設計畢業(yè)論文

1、西安郵電學院 畢 業(yè) 設 計（論 文）題 目： 院 （系）： 專 業(yè)： 班 級： 學生姓名： 導師姓名： 職稱： 摘 要隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟損失，針對這種情況，設計一種響應快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞預警系統(tǒng)勢在必行，超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，本文介紹的就是利用超聲波測距法設計的一種倒車防撞報警系統(tǒng)。論文的內容是基于AT89C51單片機倒車防撞系統(tǒng)的設計，主要是利用超聲波的特點和優(yōu)勢，將超聲波測距系統(tǒng)和AT89C51單片機結合于一體，設計出一種基于AT89C51單片

2、機的倒車防撞報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結合的方法，具有模塊化和多用化的特點。論文概述了超聲波檢測的發(fā)展及基本原理，闡述了超聲波傳感器的原理及特性。對于系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進行了討論，并且在介紹超聲波測距系統(tǒng)功能的基礎上，提出了系統(tǒng)的總體構成。通過多種發(fā)射接收電路設計方案比較，得出了最佳設計方案，并對系統(tǒng)各個設計單元的原理進行了介紹。對組成各系統(tǒng)電路的芯片進行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論文介紹了系統(tǒng)的軟件結構，通過編程來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過對系統(tǒng)的誤差分析，給出了系統(tǒng)的改進方案。關鍵字：單片機 超聲波 AT89C51 AbstractIs day by day prosperous a

3、long with the social economy development transportation shipping industry, the automobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion condition also day by day serious, the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of th

4、is kind of situation, designed one kind to respond quickly, the reliability was high also a more economical automobile guards against hits the early warning system imperative, the ultrasonic wave range finding was the most common one distance range finder method, this article introduces is guards ag

5、ainst using the ultrasonic wave range finding design one kind of back-draft hits the alarm system.The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and

6、the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outl

7、ines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple

8、 launch reception circuit design comparison, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through progr

9、amming to achieve system function. Finally, through the analysis of system error, giving the system improvement programme. Key word：monolithic integrated circuit；ultrasonic wave；AT89C51目 錄第1章 緒論11.1 超聲檢測發(fā)展綜述11.2 論文主要內容和章節(jié)安排31.3 本設計時間安排3第2章 超聲波測距原理52.1 超聲波傳感器介紹5 超聲波傳感器特性62.2 超聲波檢測概述72.2.1 超聲探傷82.3 超聲

10、測距原理及實現(xiàn) 9第3章 單片機超聲波測距系統(tǒng)構想103.1 超聲波測距系統(tǒng)總體方案103.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮11傳感器指向角11測距儀的工作頻率12聲速123.2.4 發(fā)射脈沖寬度123.2.5 測量盲區(qū)13第4章 單片機倒車防撞報警系統(tǒng)各組成單元方案設計144.1 發(fā)射接收電路方案設計144.2 顯示報警單元方案設計22系統(tǒng)顯示電路設計22系統(tǒng)報警電路設計234.3 單片機復位電路244.4 時鐘電路254.5 穩(wěn)壓電源25第5章 系統(tǒng)硬件及軟件實現(xiàn)275.1 單片機硬件介紹27單片機AT89C51介紹278155芯片介紹2874LS244芯片介紹295.1.4 74LS06芯片介紹 3

11、05.2 運算放大器315.3 LM567芯片介紹325.4 探頭UCM介紹 335.5 系統(tǒng)軟件結構 345.5.1 主程序 345.5.2 顯示子程序和蜂鳴報警子程序 37第6章 系統(tǒng)誤差分析及改進396.1 誤差產生原因分析396.1.1 溫度對超聲聲速的影響396.1.2 回波檢測對時間測量的影響406.1.3 超聲傳感器所加脈沖電壓對測量范圍和精度的影響406.2 針對誤差產生原因的系統(tǒng)改進方案40參考文獻42致謝43第1章 緒 論隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,交通運輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟損失，針對這種情況，

12、設計一種響應快，可靠性高且較為經(jīng)濟的汽車防撞報警系統(tǒng)勢在必行，超聲波測距法是最常見的一種距離測距方法，應用于汽車停車的前后左右防撞的近距離，低速狀況，以及在汽車倒車防撞報警系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦哉凵?，反射，干涉，衍射，散射。超聲波測距即是利用其反射特性，當車輛后退時，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測車輛后方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛人員，起到安全的作用。1.1 超聲波檢測發(fā)展綜述高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標志，而這是建立在高質量的基礎之上的。設計和工藝人員理應了解：非均一的組織結構，隨機出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常常

13、可以有時甚至是只能依靠無損檢測技術的運用方可予以發(fā)現(xiàn)，評價。當然，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，使無損檢測技術在這方面已具有一定的能力有關?，F(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達國家，無損檢測在產品的設計，研制，使用部門已被卓有成效的運用，1981 年美國前總統(tǒng)里根在給美國無損檢測學會成立 40 周年大會的賀信中就說過：“你們能夠給飛機和空間飛行器，發(fā)電廠，船舶，汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測，我們就不可能享有目前在這些領域和其他領域的領先地位?！睙o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。我國無損檢測技術是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應用普及

14、的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。五十年代，我國開始從國外引進超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國的 UCT-2 超聲波檢測儀，重達 24Kg，各單位積極開展試驗研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國內科研單位進口了波蘭產超聲儀，并進行仿制生產。隨后，上海同濟大學研制出 CTS-10 型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式，儀器重約20Hg。該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當時這種儀器只有個別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因無損檢測技術仍處于試驗階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的 UCT-2，CT

15、S-10 型儀器。1976 年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術列為重點攻關項目，組織全國 6 個單位協(xié)作攻關。從此，無損檢測技術開始進入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術的推廣普及。如羅馬尼亞 N2701 型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量 10Kg3.5Kg 重的 PUNDIT 便攜式超聲儀。1978 年 10 月，中國建筑科學院研制出 JC-2 型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用TTL 線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5Kg。同期研制出的超聲檢測

16、儀器還有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產的超聲波儀器，為推廣應用無損檢測技術奠定了良好的基礎。超聲波檢測技術是我國重點發(fā)展和推廣的新技術，其具有高精度，無損，非接觸等優(yōu)點。目前，已經(jīng)廣泛地應用在機械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領域。此外，在材料科學，醫(yī)學，生物科學等領域中也占具重要地位。國外在提高超聲波測距方面做了大量研究，國內一些學者也做了相關研究。對超聲波測距精度主要取決于所測的超聲波傳播時間和超聲波在介質中的傳播速度，二者中以傳播時間的精度影響較大，所以大部分文獻采用降低傳播時間的不確定度來提高測距精度。目前，相位探

17、測法和聲譜輪廓分析法或二者結合起來的方法是主要的降低探測傳輸不確定度的方法。超聲波檢測技術作為無損檢測技術的重要手段之一，在其發(fā)展過程中起著重要的作用，它提供了評價固體材料的微觀組織及相關力學性能、檢測其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用方法。由于其信號的高頻特性，超聲波檢測早期僅使用模擬量信號的分析，大部分檢測設備僅有A掃描形式，需要通過有經(jīng)驗的無損檢測人員對信號進行人工分析才能得出正確的結論，對檢測和分析人員的要求較高，因此，人為因素對檢測的結果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自動化檢測。八十年代后期，由于計算機技術和高速器件的不斷發(fā)展，使超聲波信號的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國內

18、也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波檢測設備，并已成為超聲波檢測的發(fā)展方向。廈門大學的某位學者研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測距中通過兩次探測求取回波包絡曲線來得到回波的起點，通過這樣處理后超聲波傳播時間的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來獲得好的回波包絡，同時采用對環(huán)境噪聲進行估測，設置一定的回波開平電路，且采用自動增益的控制放大器，通過這些措施來提高超聲波的探測精度。另外，也有大量的文獻研究采用數(shù)字信號處理技術和小波變換理論來提高傳輸時間的精度。這些處理方法都取得了較好的效果。目前國內外在超聲波檢測領域都向著數(shù)字化方向發(fā)展，數(shù)字式超聲波檢

19、測儀器的發(fā)展速度很快。國內近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。國際上對超聲波檢測數(shù)字化技術的研究非常重視，國外生產類似產品和研究的公司有美國的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德國的K-K公司、法國的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述這些公司生產的超聲波檢測采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術水平較高，在世界上處于領先水平。隨著檢測技術研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。進一步要求以后生產的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能。隨后具有檢測，

20、記錄，存儲，數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學研究院研制的 2000A 型超聲分析檢測儀，是一種內帶微處理器的智能化測量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測量值，處理結果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進行后處理及有關程序的開發(fā)。與國內同類產品相比，設計新穎合理，功能齊全，在儀器設計上有重大突破和創(chuàng)新，達到了國際先進水平。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

21、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置，還不如單獨的超聲儀，計算機可充分發(fā)揮各自特點。綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產，有較大發(fā)展，有的型號已超過國外同類儀器水平。1.2 本論文的主要內容，章節(jié)安排本論文第一章緒論部分主要介紹了超聲波的發(fā)展狀況，以及目前的現(xiàn)狀和前景。第二章超聲波測距原理主要介紹了超聲波傳感器，超聲波傳感器的特性，傳感器的檢測概述和超聲波測距的原理及實現(xiàn)。第三章單片機倒車防撞報警系統(tǒng)總體構想主要介紹了超聲測距系統(tǒng)的總體方案，系統(tǒng)主要參數(shù)考慮和超聲測距系統(tǒng)的總體構成。第四章超聲波測距系統(tǒng)各組成單元方案設計(包括發(fā)射接收電路設計、顯示電路設計、報警電路設

22、計、晶振電路設計、復位電路設計等)。并詳細介紹了最終確定的各單元設計方案以及最終方案的設計原理。第五章系統(tǒng)硬件軟件實現(xiàn)部分主要介紹了各模塊中的硬件部分以及軟件的實現(xiàn)。第六章給出系統(tǒng)的誤差分析和系統(tǒng)改進。1.3 本設計時間安排第01周至第01周：熟悉設計題目，查閱中文及收集相關資料；第02周至第02周：解超聲波測距技術和單片機技術；第03周至第03周：完成畢業(yè)設計（論文）開題報告，并開始進行畢業(yè)設計；第04周至第05周：完成超聲測距方案論證與比較設計；第06周至第07周：完成控制模塊的電路設計和方案論證；第08周至第09周：完成外圍電路和電路控制模塊的硬件設計；第10周至第12周：完成電路控制模

23、塊的軟件設計；第13周至第14周：整理相關資料，完成畢業(yè)設計（論文）初稿；第15周至第16周：修改、完善畢業(yè)論文，完成打印、裝訂工作；第17周至第17周：準備答辯。第2章 超聲波測距原理2.1超聲波傳感器介紹超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點，而經(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)。超聲波測距主要應用于倒車雷達、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。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到工業(yè)實用的要求，因此在測控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)?/p>

24、所需頻率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：1 壓電傳感器；2 磁致伸縮傳感器；3 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。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電傳感器屬于超聲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)電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類

25、。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之中，它就產生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。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。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。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

26、材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質中。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，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內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 f0交流電壓，它就會產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生頻率與超聲機械波相同的電信號。圖2.1壓電式超聲波傳感器結構圖壓電式超聲波發(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)生器內部結構如圖

27、2.1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板，當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，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。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，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當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。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。超聲波傳感器的內部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻

28、射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構成，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。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。超聲波傳感器的特性超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以SZW-S40-12M 發(fā)射型超聲波傳感器為例進行說明。一、頻率特性圖2.2超聲發(fā)射傳感器頻率特性圖 2.2是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中，f040KHz 為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 f0處，超聲發(fā)射傳感器所產生的超聲機械波最強，也就是說在 f0處所產生的超聲聲壓能級最高。

29、而在 f0兩側，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 f0的交流電壓來激勵。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 f0處曲線最尖銳，輸出電信號的幅度最大，即在 f0處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻R 也有很大關系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏

30、度。二、指向特性實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果（衍射），卻有指向性。2.2 超聲波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，可產生較大力量，并且在不同的媒質介面，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到工業(yè)實用的要求，主要應用于倒車雷達、建筑施工

31、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（固體、液體、氣體）中傳播時，利用不同介質的不同聲學特性對超聲波傳播的影響來探查物體和進行測量的技術稱為超聲檢測。當超聲波以脈沖形式在介質中傳播時，利用反射這一性質，在金屬，非金屬中用來探測缺陷的位置和性質，從而對鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進行探傷檢驗；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?。ㄈ绺文撃[、腫瘤、膽結石等）和探測胎兒等。利用超聲連續(xù)波的共振性質，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

32、研究或測量材料的物理性質。當超聲波射到運動體時，利用多普勒效應，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，以進行水中通信。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠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行電視制式的轉換。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（包括聲全息成像技術）的發(fā)展更大大豐富了超聲檢測的內容。超聲波測量在國防、航空航天、電力、石化、機械、材料等眾多領域具有廣泛的作用，它不但可以保證產品質量、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

33、比，其最大特點是穿透力強，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體內部情況。超聲檢測設備還具有結構簡單，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、現(xiàn)代電子技術、信號處理技術以及超聲波產生和接收新技術的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進一步開拓了其適用范圍。 超聲探傷超聲波在被檢材料（金屬、非金屬）中傳播時，利用材料本身或內部缺陷所示的聲學性質對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內部缺陷的方法，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部各種缺陷（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。超聲探傷具有靈敏度高、快速方

34、便、易實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，因此廣泛應用于機器制造、冶金、化工設備、國防建設等部門，已成為保證產品質量、確保安全的一種重要手段。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種：一、脈沖反射法把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來自物體中的反射波，這種探傷方法稱為脈沖反射法。它是超聲探傷中最基本的方法。在脈沖反射法中，根據(jù)聲束傳播情況可分為直探法和斜探法；根據(jù)探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法和板波探傷法；根據(jù)探頭個數(shù)和作用可分為單探頭法和雙探頭法；根據(jù)聲耦合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。由于這些方法具有各自的特點，所以廣泛用來對金屬和非金屬材料及其制品進行無損檢驗。二、穿透法利用穿過被檢物體

35、的超聲波的穿透率和有無聲影進行探傷檢驗的方法稱為穿透法。穿透法有連續(xù)波穿透法，脈沖穿透法和共振穿透法等。此方法的優(yōu)點是適用于薄工件；由于超聲波傳播路程僅為反射法的一半，故適用于檢查衰減大的材料；探傷圖形直觀，只要定好檢查標準就可以進行作業(yè)；易實現(xiàn)自動探傷、檢查速度快。缺點是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探測靈敏度一般比反射法低，難以檢查較小缺陷。三、共振法把頻率連續(xù)改變的超聲波射入被檢材料，根據(jù)材料的共振狀況測量其厚度或檢查有無缺陷等材料性質的方法稱為共振法。共振法一般用來測量金屬板、管壁、容器壁的厚度或腐蝕程度，測量聲速，檢查板中的分層和進行材質判定。四、聲阻法聲阻法是利用被測物件的振動特性，

36、即被測物對探頭所呈現(xiàn)的機械阻抗的變化來進行檢測的一種無損檢測法。它多用于檢測物體表面的成層情況，例如用來檢查基體材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作頻率范圍一般都較低（如幾千赫茲）。用這種方法工作時，把探頭和被測件直接接觸，使被測件和探頭結合在一起構成一個共振體，探頭一方面是振動源，同時也是檢測部件，當被測件的有效厚度不同時（例如，若膜片未粘上，則有效厚度僅為膜片的厚度，若已完好的粘接上，則有效厚度包括膜片和基體材料的厚度），該共振體頻率特性就不同，從而可根據(jù)其頻率特性來判定膜片在某個小區(qū)域的粘接情況。2.3 超聲波測距的原理及實現(xiàn)超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應用要求限

37、定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(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停止計時。常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為 C=340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(S)，即：S=C*t/2=C*t0 （2-1）其中，t0就是所謂的渡越時間?？梢钥闯鲋饕糠钟校?(1) 供應電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）；(2) 使接收和發(fā)射隔離的開關部分；(3) 轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質中的發(fā)射傳感器；(4) 接收反射聲能（回波）和轉換聲能為

38、電信號的接收傳感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設備；(6) 記錄/控制設備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數(shù)據(jù)，并將時間間隔轉換成距離。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大。故在超聲波測量中，常使用 40KHz 的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內測量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。距離測量系統(tǒng)常用的頻率范圍為 25KHz300KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，或

39、者兩個是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收/發(fā)隔離則使接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄/控制部分啟動或關閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。第3章 單片機超聲波測距構想該超聲測距系統(tǒng)的應用背景是基于 DSP 的超聲信號檢測中的先期部分。因此初步計劃是在室內小范圍的測距，限定在 4 米之內。本章從整體結構角度討論了測距系統(tǒng)的組成及一些系統(tǒng)主要參數(shù)。3.

40、1超聲波測距系統(tǒng)的總體方案系統(tǒng)的設計及器件的選擇也正是在這個基礎上進行的，系統(tǒng)結構如圖 3.1 所示。圖 3.1 超聲波測距硬件電路圖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)營超聲產品的廠商去購買或者定制。鑒于有限的條件，擬選用的探頭是 40KHz 的超聲傳感器，有一支接收傳感器 SZW-R40-10P和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M，其特性參數(shù)如表 3.1所示。發(fā)射電路通常有調諧式和非調諧式。在調諧式電路中有調諧線圈（有時裝在探頭內），諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶

41、較窄。在非調諧式電路中沒有調諧元件，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。電路頻率的選擇應該滿足發(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，即當工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的內部電路造成不可回復的損害。因此，工作電壓不能超過這個極限值。同時，發(fā)射

42、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對分辨力有較高要求時應予采用。表3.1傳感器特性參數(shù)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生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由三級放大電路，檢波電路及門限判別電路構成的，其中包括雜波抑制電路。最終達到對回波進行放大檢測，產生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對于

43、回波的接收和處理造成了相當程度的影響。3.2系統(tǒng)主要參數(shù)考慮系統(tǒng)的主要參數(shù)有傳感器的指向角、測距的工作頻率、聲速、脈沖寬度、測量盲區(qū)等，下面做介紹并闡述。 傳感器的指向角傳感器的指向角是聲束半功率點的夾角，是影響測距的一個重要技術參數(shù)，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長，傳感器半徑 r 有關。由(2/)*r*sin(/2)=1.615 (3-1)選 f0=40KHz 時，C/f0=8.5mm。當 f0選定后，指向角近似與傳感器半徑成反比。指向角愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑 r 愈大。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下

44、，選用國產現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑 r=6.3mm，故=2*arcsin(1.615/2*r)=75°。 測距儀的工作頻率由文獻5知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為=as=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右。太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。傳感器的工作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術參數(shù)，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮：(1) 如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播

45、損失，就必須降低工作頻率。(2) 工作頻率越高，對相同尺寸的換能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。(3) 從傳感器設計角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz，定為 44KHz。這樣傳感器方向性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比；雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。 聲速由公式(2-1)，聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。傳播介質中聲波的傳播速

46、度隨溫度，雜質含量，和介質壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為V=331.40.607T(mm/ms) (3-2) 式中，T 是溫度。由于該測距系統(tǒng)用于室內測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為 340 mm/ms。發(fā)射脈沖寬度發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設計中，比較了 24s (1 個 40KHz 脈沖

47、方波)，120s( 5 個 40KHz 脈沖方波)，240s (10 個 40KHz 脈沖方波)，720s( 30 個 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度作為發(fā)射信號后的接收信號，最終選用 120s (5 個 40KHz 脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中。測量盲區(qū)在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要

48、注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下：當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平 VM ；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收

49、信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定的閾值 Vm ，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。第4章 單片機倒車防撞報警系統(tǒng)各組成單元設計該超聲波測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機硬件接口電路、顯示報警電路組成，下面主要通過各個模塊的各種方案比較，確定設計的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的AT89C51單片機。4.1發(fā)射與接收電路的設計方案超聲波發(fā)射與接收電路是整個系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設計方案關系整個系統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過多種方案比較，以達到最佳方案確定。1、發(fā)射電路發(fā)射電路由555多諧振蕩器

50、和數(shù)字功率放大器組成。采用555 多諧振蕩器可以實現(xiàn)寬范圍占空比的調節(jié)，并且電路設計簡單占用面積小。如圖4.2所示，由單片機.P1.0口發(fā)出同步脈沖信號，該同步脈沖啟動多諧振蕩器，使其輸出20KHz的高頻電壓信號，經(jīng)過整形及功放電路加至超聲波換能器探頭，根據(jù)逆壓電效應，產生振動頻率為20KHz 的超聲波。2、接收電路接收電路主要由回波放大接收電路及比較電路組成。如圖4.3所示，首先調節(jié)可調電阻使比較器A1 同相端電位高于2.5V。由于D1輸出低電平， 而反相器N 輸出高電平，所以有RS 觸發(fā)器的=0，=1，Q=1，=0當P1.0發(fā)出啟動信號（如圖4.2中的（1）所示）經(jīng)過微分電路形成的同步脈沖

51、信號通過反相器N 的反相功能，=0，D1 箝位釋放=1，Q=0，=1（正跳變），T0 計數(shù)器開始記數(shù)，脈沖經(jīng)過之后=1，Q=0，=1。 回波信號經(jīng)過放大濾波送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V上的頻率為20KHz的高頻電壓信號。如圖4.2中的（3）所示，其前上升沿使A1輸出低電平，=0，=1，Q=1，=0（負跳變）；即獲得負跳沿信號，CPU 響應中斷請求，使T0計數(shù)器停止計數(shù)，記數(shù)值N 送存RAM。3、盲區(qū)干擾信號的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時接收換能器接收到的第一個波是串擾直通波，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(fā)射換能器直接到達

52、接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會引起強烈的感應信號。所以必須將其隱去,當P1.0輸出啟動信息,同步脈沖加至比較器A2時，A2 輸出一遠大于2.5V 的電壓， 經(jīng)D2降壓后大約等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延遲作用，A1同相端將產生一定寬度和高度的方波，如圖4.2中的（4）所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串擾信號，A1 輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串擾信號將被隱去，這段時間稱為盲區(qū)，約2毫秒。圖4.2 測距脈沖圖圖4.3 超聲波回波接收電路設計方案四:1、發(fā)射電路發(fā)射電路由脈沖產生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產生電路的主要任務是產生40KHz 脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構

53、成振蕩電路，由單片機P1.1 口控制其是否工作。其電路圖如圖1所示。脈沖產生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。2、接收電路接收電路的主要任務是檢測回波，并向單片機發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級電路放大；整形電路把回波信號整理為單片機系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所

54、以接收電路設置了兩級高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級和二級濾波放大電路采用相同的結構和參數(shù)。其電路如圖4.5所示。圖4.5 中，R11、R12、C13、C14、R15 和運算放大器Amp1A 組成了一級濾波放大電路；R21、R22、C23、C24、R25 和運算放大器Amp1B 組成了二級濾波放大電路。圖4.4 發(fā)射部分電路圖4.5 一次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應考慮的各種問題：發(fā)射波形如圖 4.6，傳感器的振蕩波形要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號的幅度時指數(shù)上升的，Q 各周期后達到滿幅度的 95%，1.5Q 個周期后達到 99%。為提高傳感器的

55、靈敏度，Q 值一般不能太低，為使傳感器充分振蕩起來，發(fā)射脈寬要求不能小于 Q 個振蕩周期，才能使發(fā)射幅度基本達到最大?？紤]到測量“盲區(qū)”，這里選擇脈寬為 120s，包含 5 個調制的 44KHz 的方波信號。圖 4.6 發(fā)射波形由文獻3知，測距儀的發(fā)射波形如圖 4.6，在規(guī)定時刻將一持續(xù)時間為的正弦波加到傳感器上，然后關閉發(fā)射電路，打開接收通道，接收來自障礙物的反射波。 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預放大單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，

56、以利檢測單元的正確檢測。如何達到信號的最佳接收關系整個系統(tǒng)的準確性和安全性，所以也應考慮到影響接收信號的各方面問題。在傳感器接收到的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲。室內環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠離回波信號頻率，因此系統(tǒng)的總噪聲系數(shù)主要有接收機的內部噪聲決定，其功率譜寬度遠大于接收機的通頻帶。我們可以近似的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識，輸入為已知信號加白噪聲的條件下，匹配濾波器的輸出信噪比最大。匹配 濾波器具有以下特點：(1) 輸出最大信噪比與信號波形無關(2) 匹配濾波器對信號的幅度和時延具有適應性，即對只有幅度和出現(xiàn)時間不同的信號，它們的匹配濾波器是相同的。(3) 匹配濾波器與相關接收和相關器具有等效性。實際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的，用普通的窄帶濾波器就能把其主峰部分(w 附近)濾波出來，適當?shù)倪x擇濾