超聲波測距論文(共30頁)

1、四川師范大學成都學院(xuyun)?？飘厴I(yè)設(shè)計(b y sh j) 基于51超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計學生姓名 學 號所在學院電子工程學院專業(yè)名稱電子信息工程/自動化班 級2011級指導(dǎo)教師 四川師范大學成都學院(xuyun)二一五年五月基于(jy)51超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(shj)學生(xu sheng)： 指導(dǎo)老師：內(nèi)容摘要：超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人

2、們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。系統(tǒng)的設(shè)計主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。硬件電路主要包括發(fā)射電路、接收電路、單片機電路、電源電路和顯示電路，另外還有LCD控制電路和復(fù)位電路等。我采用以AT89S51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測距儀的硬件電路。整個電路采用模塊化設(shè)計，由信號發(fā)射和接收、供電、溫度測量、顯示等模塊組成。發(fā)射探頭的信號經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機的計時器開始計時，超聲波被發(fā)射后按原路返回，在經(jīng)過放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié),然后被單片機接收，計數(shù)器停止工作并得到時間。溫度測量后送到單片機，通過程序?qū)λ俣冗M行校正，結(jié)合兩者實現(xiàn)超聲波測距的功能。軟件程序由主程序、發(fā)射子

3、程序、接收子程序、預(yù)置子程序、顯示子程序等模塊組成。它控制單片機進行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對超聲波速度的校正，還有實現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在LCD上。另外程序控制單片機消除各探頭對發(fā)射和接收超聲波的影響。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。實際的環(huán)境對超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對超聲波的速度影響也很大。此外供電電源也會使測量差生很大的誤差。在設(shè)計的過程中考慮了這些因素，并給出了一些解決方案。關(guān)鍵詞：AT89S51 超聲波 測距Design for The ultrasonic ranging systemAbstract: Is the frequency

4、 at 20kHz ultrasonic sound waves above , it is a mechanical wave . Also follow the general mechanical ultrasonic wave propagation in elastic media , such as reflection and refraction at the interface media into the media after the decay occurs , such as dielectric absorption . It is because of these

5、 properties , so that ultrasound can be used to measure the distance .With increasing levels of technology , ultrasonic ranging technology is widely used among peoples daily work and life.Design of the system consists of two parts , namely hardware and software programs. The hardware circuit include

6、s a transmitter circuit, a receiver circuit, the microcontroller circuit, a power supply circuit and a display circuit , in addition to the LCD control circuit and a reset circuit. I used to AT89S51 core, low-cost, high-precision, miniaturized ultrasonic rangefinder digital display hardware circuits

7、. The entire circuit is modular in design , the signal transmission and reception , power , temperature measurement and display module. Signal amplification and detection probe launch after launch out MCU timer is started , the original way back after the ultrasound was launched , after amplificatio

8、n bandpass filtering plastic and other sectors, then the microcontroller receives the counter to stop working and get the time . After the temperature measurement to the microcontroller, thespeed through the process of correcting a combination of both to achieve Ultrasonic Ranging function. Software

9、 program from the main program , launch subroutine receives subroutine ,preset routines, subroutines and other display modules . It controls the microcontroller for datatransmission and reception , at a certain temperature correction of ultrasonic velocity , as well as data on the LCD display correc

10、tly . Another procedure controls the microcontroller to eliminate the influence of the probe for transmitting and receiving ultrasonic waves Accompanied by the releva nt part of the hardware schematics, program flow . The actual environment of great influence on the ultrasonic wave , such as an exte

11、rnal electromagnetic interference power interference channel interference , etc., the temperature of the air is alsoa great influence on the speed of the ultrasonic wave . Besides measuring the power supply also make great error of poor students . Redesign process to consider these factors , and giv

12、es some solutions.Keywords: AT89S51 Ultrasonic wave Ranging 目 錄前言(qin yn) . . . .1 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料(zlio)目錄.doc l _Toc106949642#_Toc106949642 1 超聲波測距系統(tǒng)(xtng)介紹.2 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949643#_Toc1069496

13、43 1.1 超聲波測距系統(tǒng)的研究內(nèi)容2 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949645#_Toc106949645 1.2 超聲波測距原理與方法3 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949646#_Toc106949646 1.2.1 超聲波簡介4 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc1069496

14、47#_Toc106949647 1.2.2 超聲波的物理量性質(zhì)4 1.3. HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949648#_Toc106949648 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用5 1.4 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949649#_Toc106949649 超聲波傳感器介紹5 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.d

15、oc l _Toc106949650#_Toc106949650 1.5 超聲波的測距原理及結(jié)構(gòu)7 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949651#_Toc106949651 1.6 超聲波傳感器選擇9 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949652#_Toc106949652 1.6.1 超聲波測距的原理10 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdminis

16、trator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949655#_Toc106949655 1.7 發(fā)射脈沖波形13 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949657#_Toc106949657 1.8 本章小結(jié)15 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949658#_Toc106949658 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計15 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdmin

17、istrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949659#_Toc106949659 2.1 發(fā)射電路設(shè)計15 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949660#_Toc106949660 2.1.1 發(fā)射電路設(shè)計方案16 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949661#_Toc106949661 2.1.2 發(fā)射電路方案16 HYPERLINK C:Documents and S

18、ettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949662#_Toc106949662 2.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項16 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949663#_Toc106949663 2.2 接收電路設(shè)計16 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949664#_Toc106949664 2.3 單片機顯示電路設(shè)計17 HYPERLINK C

19、:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949665#_Toc106949665 3 軟件設(shè)計與測量結(jié)果分析17 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面(zhumin)娟資料目錄.doc l _Toc106949666#_Toc106949666 3.1 系統(tǒng)軟件(x tn run jin)設(shè)計17 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面(zhumin)娟資料目錄.doc l _Toc106949685

20、#_Toc106949685 4 結(jié)束語35 HYPERLINK C:Documents and SettingsAdministrator桌面娟資料目錄.doc l _Toc106949686#_Toc106949686 5 致謝35 HYPERLINK C:UserstuwenqiDesktop超聲波測距設(shè)計娟資料目錄.doc l _Toc106949685#_Toc106949685 附錄35 HYPERLINK C:UserstuwenqiDesktop超聲波測距設(shè)計娟資料目錄.doc l _Toc106949686#_Toc106949686 參考文獻35 基于51超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計

21、前言 近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波指的是20kHz以上的聲波。超聲波同樣遵循一般機械波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，比如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生折射及反射現(xiàn)象，進入介質(zhì)后而被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。 由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀

22、器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護、不污染、高可靠(kko)、長壽命等特點。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路(gngl)限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進行距離準確度在線標定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標要求，因此為了使移動機器人能夠

23、自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車雷達的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。國外超聲波測距儀技術(shù)領(lǐng)先，產(chǎn)品齊全，性能比較穩(wěn)定，市場(shchng)需求量大，測量精度高，測量誤差小 。超聲波測距系統(tǒng)(xtng)介紹1.1超聲波測距系統(tǒng)(xtng)的研究內(nèi)容本系統(tǒng)硬件部分由AT89C51控制器、超聲波發(fā)射電路(dinl)及接收電路、溫度測量電路DS18B2和LCD顯示電路組成。并采用LCD顯示環(huán)境溫度，當移動被測物體時，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過A

24、T89C51數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到LCD上。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如圖1.1-1所示。LCDDS18B12發(fā)射電路接收電路AT89C51圖 1.1-1 系統(tǒng)設(shè)計總框圖由單片機AT89C51編程產(chǎn)生10us以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)障礙物反射回來，超聲波接收頭接收此信號，然后通過接收電路的處理，指定接收口就變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機中定時器的值。 由圖1.1-2時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口，

25、單片機響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。 圖 1.1-2 時序(sh x)圖1.2超聲波測距原理(yunl)與方法1.2.1 超聲波簡介(jin ji)超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機械、以及材料科學為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。該技術(shù)在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。1.2.2 超聲波的三種形式超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點振動方向垂直于

26、 傳播方向的波；縱波，質(zhì)點振動方向、波的傳播方向一致；表面波，質(zhì)點振動介于縱波、橫波之間。橫波只能傳播在固體里，縱波能在氣體、液體和固體中傳播，表面波隨深度的增加而衰減更快。一般采用縱波形式的超聲波來測量各種狀態(tài)下的物理量。1.2.3 超聲波的物理性質(zhì)(wl xngzh) 超聲波的反射(fnsh)和折射：當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)(jizh)的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。 超聲波的衰減：超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。 超聲波：如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干

27、涉現(xiàn)象。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。1.3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用 機械作用:超聲波傳播過程中，一般會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的伸張與壓縮，造成了壓力的變化，引起機械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點的運動，盡管位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以破壞介質(zhì)。 空化作用:流體動力學指出，在聲場作用下振動的液體中的微氣泡在達到一定聲壓值的時候，氣泡會迅速膨脹，之后就突然閉合，而在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學過程就叫做為空化。 熱學作用:如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振

28、動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。1.4 超聲波傳感器介紹(jisho)總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是利用機械(jxi)方式產(chǎn)生出超聲波，一類是利用電氣方式產(chǎn)生出超聲波。機械方式有液哨、氣流旋笛和加爾統(tǒng)笛等；電氣方式則包括電動型、磁致伸縮型和壓電型等。他們產(chǎn)生出的超聲波頻率、功率和聲波特性都各自不相同，因此用途也不盡相同，壓電式超聲波發(fā)生器是目前比較常用的發(fā)生器。實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片、一個共振板。當壓電式超聲波發(fā)生器的兩極外加脈沖信號，頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率的時候，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板

29、振動產(chǎn)生超聲波。相反(xingfn)，未在兩極間加電壓時，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動來轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如圖1.4-1和圖1.4-2所示： 圖 1.4-1 傳感器的外部結(jié)構(gòu) 圖 1.4-2 傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)15超聲波的測距原理(yunl)及結(jié)構(gòu)在精度要求(yoqi)較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(1.2.2.1-1)對超聲波傳播速度加以(jiy)修正，以減小誤差。 (1.5-1)式中，V為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為ms，T為實際溫度單位為。超聲波指向性強，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，為直線傳播方式，頻率越高，繞射

30、能力越弱，但反射能力越強，因此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即流體動力型與電聲型。流體動力型中包括有氣體、液體兩種類型的哨笛。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和磁致伸縮傳感器。壓電傳感器的探頭由楔塊、壓電晶片和接頭等組成。壓電材料可分為壓電陶瓷和晶體兩類。屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等，屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的變化;相反，如果對它施以外力，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。超聲波傳感器通常由雙壓電陶瓷片制成的。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價格低廉，非常適合于氣體和液

31、體介質(zhì)。當壓電陶瓷改變交流電壓的大小和方向，根據(jù)壓電效應(yīng)，壓電陶瓷片將產(chǎn)生機械變形，機械變形是與在一定范圍內(nèi)所施加的電壓大小和方向成比例的。即在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓，它就會產(chǎn)生相同頻率的機械振動，以促進這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。如果在壓電陶瓷片上，這將使得機械變形時，壓電陶瓷片的機械變形，產(chǎn)生與機械超聲波相同頻率的電信號。 圖 1.5-1 雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片的等效電路如圖1.2.2.1-1所示， R是電損耗，C0為靜電電容，R是損耗串聯(lián)電阻，聯(lián)電阻Cm、Lm是機械共振回路的電容和電感。壓電陶瓷晶片有一個(y )固定的諧振頻率0，發(fā)射超聲波時，加在它兩端的交變電壓的頻

32、率必須和它的固有諧振頻率保持一致。在這種情況下，超聲波傳感器具有(jyu)很高的靈敏度。當改變壓電材料常數(shù)和改變壓電陶瓷片，由超聲波換能器的頻率特性很容易改變使用的固有諧振頻率的幾何形狀1.6 超聲波傳感器選擇(xunz)在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高；頻率取得太低，外界的雜音干擾會相應(yīng)的變多。文中所采用的探頭是40KHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由發(fā)射傳感器UCM-T40KI和接收傳感器UCM-R4OKI組成，其特性參數(shù)如表1.6-1所示。 表1.6-1 傳感器特性參數(shù)表型號UCM-T40K1UCM-R40KQ結(jié)構(gòu)開放式開放式使用方式發(fā)射接

33、收中心頻率401KHz381KHz頻帶寬20.5KHz20.5KHz靈敏度110dBV/ubar-65dBV/ubar聲壓115dBmin(0Db=0.02mPa)-70dBmin(0Db=1V/ubar)指向角7580容量250025%pF250025%pF1.6.1 超聲波測距的原理(yunl)超聲波測距方法(fngf)主要有三種：1）相位檢測(jin c)法：精度高，但檢測范圍有限；2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后

34、求出距離l。設(shè)l為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為c，則有l(wèi)=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計將采用渡越時間法。圖 1.2.2.3-1 測距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速c與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高1攝氏度，聲速就增加0.6米秒。表1.6.1-1列出了幾種溫度下的聲速：表1.6.1-1 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度）-30-20-100102030100聲速（米/秒）311319325331337343349389在使用時，假設(shè)溫度變化不是大的話，則可以當做聲速c不變，計算的時候取c的大小為340m/s。只是測距精度要求很高的時候，就可以在硬件電路基本上保持不變的情況

35、下通過軟件來加以校正以及改變硬件電路增加溫度補償電路的方法。在本系統(tǒng)中利用AT89S52中的定時器測量超聲波傳播時間，利用DS18B20測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度(jn d)?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為： （1.6.1-1）聲速確定后，只要測得超聲波往返(wngfn)的時間，即可求得距離：L=1/2(331.4+0.6T)t （系統(tǒng)中應(yīng)用(yngyng)該式進行溫度補償）。1.7 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖2.7所示有衰減振蕩脈沖、單個尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。單個尖脈沖 衰減振蕩脈沖窄等幅波脈沖(michng) 寬等幅波脈沖(michng) 圖 1.7-

36、1 超聲波測距常用發(fā)射脈沖(michng)波形 1.8 本章小結(jié) 本章介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減;通過詳細分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計中所用超聲傳感器的特性參數(shù)；析了超聲波測距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測距的 幾種常用方法以及傳感器指向角、環(huán)境溫度、工作頻率、發(fā)射脈沖波形。2 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和溫度補償電路四部分組成。隨著超聲波測量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測量任何目標物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。不論超聲波傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不

37、同，其工作原理都是一樣的（都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機械振動彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波），要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點所在。發(fā)射電路采用單片機P1.0端口編程輸出大概(dgi)40KHz的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器T0單片機端口輸出功率比較弱，所以加大加功率放大電路使測量距離能夠滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器UCM-40T發(fā)射超聲波距離足夠遠。由于從接收傳感器探頭UCM40T傳來的超聲波回波(hu b)很微弱，只有幾十個mV級，同時又有著較強的噪聲，所以必須考慮放大信號和抑制噪聲。這里使用CX20106A集成電路對接收

38、探頭接收濾波，信號經(jīng)過P2.7端口送入單片機中進行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動態(tài)掃描(somio)顯示。通過單片機編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過三位LED數(shù)碼管顯示。2.1發(fā)射電路設(shè)計40kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：使用軟件如單片機軟件編程輸出或采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用前者。編程由單片機P1.0端口輸出40kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠，40kHz方波脈沖信號分成兩路，送給一個由74HC04組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器TCT4016T以聲波形式發(fā)射到

39、空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖3-1所示。圖中輸出端上拉電阻R31，一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間，另一方面可以提高反向器74HC04輸出高電平的驅(qū)動能力。 圖2.1 超聲波發(fā)射電路2.1.1 發(fā)射(fsh)電路設(shè)計方案 一、發(fā)射電路(dinl)輸出波形(b xn)分析 1，發(fā)射波形電壓及功率 傳感器的發(fā)射電壓大小一般是由發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度決定；考慮實際發(fā)射傳感器最大輸入電壓為20V，而單片機輸出的最大正常工作電壓為5V，功率傳感器傳輸?shù)男盘栔苯記Q定超聲波距離傳感器信號的發(fā)射，所以在相同的時間內(nèi)電壓應(yīng)考慮如何增加他們的功率，以使發(fā)射電路是比較合理的。2.發(fā)射波

40、形的重復(fù)性各個振動的發(fā)射波應(yīng)是以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和接收相同的振動波峰，以避免由于反射面和干涉障礙物造成的各種損失。為了獲得高的分辨率，超聲發(fā)射器的電路設(shè)計應(yīng)確保良好的發(fā)射波形的重復(fù)性。為了保證發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性，發(fā)射電路的設(shè)計必須合理。一般發(fā)射電路通常按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。2.1.2 發(fā)射電路方案從上面的分析可以知道，發(fā)射電路設(shè)計的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。本系統(tǒng)單片機的P1.0發(fā)出了一組方波脈沖信號，輸出波形穩(wěn)定可靠，

41、但由于輸出電流和輸出功率非常低，所以還不足以推動發(fā)射傳感器發(fā)射足夠的超聲波信號，所以在這里加入了一個單電源乙類互補對稱功率放大電路，如圖2.1.2-1所示。 圖 2.1.2-1 超聲波發(fā)射(fsh)電路2.1.3 超聲波發(fā)射器的注意事項超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播(chunb)，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波后就會立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。存在4個因素限制了該系統(tǒng)的最大可

42、測距離：超聲波(shn b)的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。誤差一般由以下幾個方面引起的： 探測目標的入射角會受超聲波波束影響； 待測距離的遠近關(guān)系著超聲波回波聲強，就會導(dǎo)致實際測量時不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)； 傳播速度的影響。超聲波傳播速度的穩(wěn)定與準確度是保證測量精度的必要條件，而超聲波的傳播速度又受傳播媒質(zhì)特性的影響。傳播媒質(zhì)的壓力、溫度、密度都將對聲速產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。 由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，因而不可避免(b k b min)地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當很小的時候(sh hou)，可直接按

43、式S=2SCt/V進行距離(jl)的計算；當夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： （2.1.3-1） 實際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法。2.2 接收電路設(shè)計接收部分主要由接收換能器和放大電路組成。里面的放大電路是一個三級運算放大器A1，功能是將從目標處反射回來的微弱信號進行放大整形后送入計數(shù)控制

44、電路部分。由于在距離較遠的情況下，回波信號很小，轉(zhuǎn)換為電信號的幅度也較小，此要求將信號放大60萬倍左右。采用三級放大：前兩級放大100倍，用高精密放大器LM318，帶寬為15MHz，充分滿足要求；第三級采用LF353運算放大器，寬為4MHz。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形為一個方波信號，輸出信號送入555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。前置放大電路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，以利于后續(xù)電路的設(shè)計。 圖 2.2-1 前置(qin zh)放大電路圖電路(dinl)如圖2.2-1所示，超聲波換能器的輸出電阻比較大，因此要有足夠大的前

45、置(qin zh)放大器的輸入阻抗(Input Impedance);換能器的輸出電壓的前置放大電路是由一個高輸入阻抗及高精度放大器TL082和電阻Rp，R2和R3組成的反向放大電路，從而可降低在地上的噪聲。 由電路可列出： (2.2-1) (2.2-2)理想化放大器后；1.可以認為集成運放的兩個輸入端之間凈輸入的電壓U為零，若把它理想化，則有U=0，但不是短路，所以叫它為虛短。2.可以認為集成運放的兩輸入端沒有電流通過(tnggu)，則凈輸入電流I=0，但不是斷開，所以叫它為虛斷。故可知(k zh)本電路中：U+=0，U-=U+=0所以(suy)有 （2.2-3）上式表明，輸出電壓與輸入電壓

46、成比例運算關(guān)系，式中的負號表示U與iU反相。電路的電壓放大倍數(shù)為： (2.2-4)根據(jù)本設(shè)計需要，接收傳感器輸出電壓很小(數(shù)十毫伏)，故分別取=1K；=200K；=1K，即放大電路將輸入信號放大200倍。2.3 單片機顯示電路設(shè)計在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動和動態(tài)顯示驅(qū)動。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動，就是給要點亮的LED通以恒定的電流即每一位LED顯示器各引腳都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口。單片機只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方法單片機中CPU開銷小，但這種驅(qū)動方法需要寄存器

47、、譯碼器等硬件設(shè)備。當需要顯示的位數(shù)增加時，所需的器件和連線也相應(yīng)增加，成本也增加。而所謂動態(tài)顯示驅(qū)動就是給欲點亮的LED通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流點亮，這時LED的亮度就是通斷的平均亮度。考慮各種因素，本設(shè)計選用動態(tài)驅(qū)動顯示，其仿真電路如圖2.3-1所示。 圖 2.3-1 顯示(xinsh)部分電路圖但是聲音的速度在不同的溫度下可能會有所改變，所以采用了溫度補償功能了提高系統(tǒng)的精度。這里(zhl)采用的主要元器件是Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其具有智能化、體積小、精度高、線路簡單等特點。將DS18B20數(shù)

48、據(jù)線與單片機的P1.1口相連，就可以實現(xiàn)溫度測量，如圖2.3-2所示。 圖 2.3-2 DS18B20溫度測量(cling)電路3 軟件設(shè)計與測量結(jié)果分析3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計DS18B20溫度傳感器接口模塊，分為初始化程序、寫入命令以及讀取子程序等部分；基于數(shù)碼管的顯示模塊，分為初始化子程序、寫入子程序以及顯示子程序；溫度補償與距離計算模塊、分為超聲波發(fā)送控制程序、接收處理程序、溫度補償子程序等；本次設(shè)計使用C語言編寫程序，C語言相比匯編(hubin)有許多的優(yōu)勢；編譯器使用Keil Version4進行(jnxng)程序編譯，Keil功能強大使用方便12。 主程序，分為系統(tǒng)初始化、按鍵處理以及

49、各個子程序的調(diào)度(diod)管理等部分。如圖3.1-1 所示描述了各個模塊的關(guān)系： DS18B20初始化數(shù)碼管顯示超聲波接受超聲波發(fā)射 距離計算溫度補償溫 度 圖 3.1-1 系統(tǒng)軟件方框圖本設(shè)計程序的思想如下： 溫度為兩位顯示，距離為四位顯示單位為mm； 溫度每隔900ms采樣一次，DS18B20在12位精度下轉(zhuǎn)換周期為750ms,故900ms滿足該速度要求；超聲波每隔60ms發(fā)送一次。 按鍵S為測量啟動鍵； 系統(tǒng)(xtng)采用AT89S51的內(nèi)時鐘：12MHz； 沒有使用(shyng)看門狗功能； 超聲波發(fā)送一定時間后才開始啟動檢測，避免直達信號(xnho)造成誤判。所以系統(tǒng)最小測量約為

50、112mm；如圖3.1-2所示： 開 始單片機初始化定時中斷子程序有回波嗎？NY外部中斷子程序圖 3.1-2 主程序流程圖4 結(jié)束語本設(shè)計是以AT89C51為核心，借助于模數(shù)電技術(shù)和單片機技術(shù)的結(jié)合，解決了超聲波測距的一些難題。靈活的運用超聲波換能集成電路作為超聲波的接收電路，在討論了超聲波測距原理、硬件電路實現(xiàn)和軟件設(shè)計方法基礎(chǔ)上，完成了超聲波測距的設(shè)計要求。利用單片機的運算和控制功能，利用超聲波的特性設(shè)計出的一種簡單的測距系統(tǒng)。利用超聲波檢測往往比較(bjio)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，隨著科學技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波的應(yīng)用將越來越廣。但

51、就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在設(shè)計中，我們的設(shè)計思維，發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力(nngl)得到了很大的提高，也對電子設(shè)計有了很大的興趣?，F(xiàn)在的社會是科技的社會，在以后的學習生活中，我們會更加努力學習培養(yǎng)自己獨立思考的能力，從而更加適應(yīng)社會。5 致謝(zh xi)在一個學期的設(shè)計和學習當中，我逐步了解了整個設(shè)計內(nèi)容和過程，并且學到了很多新的東西。通過對實際工程的了解、設(shè)計不但使我加深了對理論知識的理解，對專業(yè)知識的全面認識，更重要的是將理論知識應(yīng)用到了實踐中，應(yīng)用到了實際工程中，真正做到了學以致用、理論與實踐相結(jié)合。同時，通過對設(shè)計中困難的克服，也鍛煉了我的思考問題、解決問題的能力以及自學能力，在這次設(shè)計中我也對本專業(yè)前沿的一些知識和發(fā)展方向有了了解，開闊了我的眼界、擴大了我的知識面，這些都將為我以后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。 在這次論文設(shè)計過程中，我學會了怎樣去根據(jù)課題的要求去設(shè)計電路和調(diào)試電路。動手能力得到很大的提高。從中我發(fā)現(xiàn)自己并不能很好的熟練去使用我所學到的知識。在以后工作和學習中我要加強對使用電路的設(shè)計和選用能力。附錄(fl)#include #define uchar unsigned char #de