【正文】 laceandsomeindustriesspotsupervision.Keywords:AT89S52。SilentWave；MeasureDistance 第一章 緒論由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、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)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用[1]。 超聲波測(cè)距研究意義及發(fā)展概況由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、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)實(shí)用的要求，因此在移動(dòng)機(jī)器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。下面就介紹一下超聲波測(cè)距研究意義及發(fā)展概況。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)研究的意義道路交通事故是現(xiàn)代社會(huì)的一大公害,與之相關(guān)的先進(jìn)安全技術(shù)研究日益受到重視?；谥悄芙煌ㄏ到y(tǒng)的汽車防撞系統(tǒng)是先進(jìn)安全技術(shù)的一項(xiàng)重要內(nèi)容,國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了相關(guān)的研究,但迄今為止在該領(lǐng)域還存在許多尚未解決的問(wèn)題。探討和研究一種在高速公路汽車防撞系統(tǒng)。在正常行駛時(shí),該系統(tǒng)不報(bào)警,當(dāng)自車與前車之間的距離小于所設(shè)定的安全距離并有可能發(fā)生碰撞時(shí),該系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信息,提醒駕駛員采取相應(yīng)的措施,以避免碰撞事故的發(fā)生。高速公路汽車防撞系統(tǒng)的研究符合國(guó)內(nèi)外汽車智能化的發(fā)展趨勢(shì),該系統(tǒng)的應(yīng)用可以保證高速運(yùn)行車輛的安全性,提高公路運(yùn)輸效率,具有廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟(jì)前景[2]。特別是在空氣測(cè)距中，由于空氣中波速較快，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。如今，超聲測(cè)距技術(shù)在國(guó)防、汽車工業(yè)、公路監(jiān)測(cè)及日常生活中也無(wú)處不在。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外發(fā)展的概況迄今為止，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者均著眼于測(cè)距傳感器的研究。能夠全天候工作的毫米波雷達(dá)是最為理想的測(cè)距傳感器，這己是目前國(guó)際上公認(rèn)的結(jié)論。超聲測(cè)距傳感器也可以全天候工作，而且價(jià)格低廉、便于安裝使用，也是一種較為理想測(cè)距傳感器。因此，倘若不考慮從國(guó)外進(jìn)口價(jià)格昂貴的毫米波雷達(dá)，那么，超聲傳感器的作用距離問(wèn)題，就成了當(dāng)前開(kāi)發(fā)超聲測(cè)距系統(tǒng)的瓶頸制約。根據(jù)聲學(xué)理論，超聲換能器的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率、超聲波傳播過(guò)程的能量衰減和回波接收電路的處理增益是影響超聲傳感器作用距離的主要因素。因此，為擴(kuò)大超聲測(cè)距的范圍，不能僅僅依賴于大功率超聲測(cè)距傳感器，還必須從以下兩個(gè)方面采取措施：其一、優(yōu)化換能器的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電子線路和機(jī)電阻抗匹配參數(shù)，以提高換能器的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率；其二、增加濾波電路或采用基于微處理器的自適應(yīng)噪聲抵消器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，增大后續(xù)信號(hào)處理算法的處理增益，以提高超聲測(cè)距儀的輸出信噪比。只有這樣，才可能研制出功耗低、量程大（20～40m）而且價(jià)格低廉的超聲測(cè)距系統(tǒng)。毋庸置疑，超聲傳感器的研制成功，不僅有益于促進(jìn)科技進(jìn)步、加快國(guó)內(nèi)超聲測(cè)距系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程，而且具有相當(dāng)廣闊的市場(chǎng)前景。 超聲波特性及超聲換能器現(xiàn)狀具備發(fā)送和接收超聲波功能的裝置，稱為超聲換能器，習(xí)慣上稱為超聲傳感器或超聲波探頭。下面，簡(jiǎn)要介紹一下超聲波特性和超聲換能器現(xiàn)狀。 超聲波及其特性 超聲波具有較好的指向性—頻率越高，指向性越強(qiáng)。這在諸如探仿和水下聲通訊等應(yīng)用場(chǎng)合是主要的考慮因素。頻率高時(shí)，相應(yīng)地波長(zhǎng)將變短，因而波長(zhǎng)可與傳播超聲波的試樣材料的尺寸相比擬。甚至波長(zhǎng)可遠(yuǎn)小于試樣材料的尺．這在厚度尺寸很小的測(cè)量應(yīng)用中以及在高分辨率的探傷應(yīng)用中是非常重要的。 超聲波用起來(lái)很安靜,這一點(diǎn)在高強(qiáng)度工作場(chǎng)合尤為重要。這些高強(qiáng)度的工作用可聞?lì)l率的聲波來(lái)完成時(shí)往往更有效，然而遺憾的是，可聞聲波工作時(shí)所產(chǎn)生的噪聲令人難以忍受，有時(shí)甚至是對(duì)人體有害的。超聲波的應(yīng)用被嚴(yán)格地區(qū)分為低強(qiáng)度應(yīng)用和高強(qiáng)度應(yīng)用兩類”。在低強(qiáng)度應(yīng)用類中，超聲波或是用來(lái)研究試樣材料的特性，或是用來(lái)作為控制手段。絕大多數(shù)情況是被測(cè)材料本身經(jīng)受不起結(jié)構(gòu)上的持久變形或是經(jīng)受不起化學(xué)特性上的變化，才采用低強(qiáng)度超聲波作為測(cè)試手段的。許多低強(qiáng)度應(yīng)用場(chǎng)合中所用的超聲波，其頻率都很高，典型的工作頻率是在兆赫茲的范圍內(nèi)，而其聲功率的范圍則較寬，一般可從數(shù)微瓦到數(shù)十毫瓦。在高強(qiáng)度應(yīng)用類中，超聲波通常是用來(lái)改變它所通過(guò)的物質(zhì)的性質(zhì)。高強(qiáng)度應(yīng)用幾乎總是在低頻的情況下進(jìn)行的，通常就把工作頻率選在剛好高出可聞聲頻的上限處，而其聲功率則可以從數(shù)毫瓦至上千瓦。現(xiàn)代聲學(xué)已經(jīng)涵蓋了從“10～10”Hz 的頻率范圍，相當(dāng)于從大約3 小時(shí)振動(dòng)一次的次聲到波長(zhǎng)短于固體中原子間距的分子熱振動(dòng)。振動(dòng)頻率在16Hz ～20kHz 之間的機(jī)械波，能為人耳所聞，稱為聲波；低于16Hz 的機(jī)械波，稱為次聲波；高于20kHz 的機(jī)械波，稱為超聲波，而高于100 MHz 的機(jī)械波，則稱之為特超聲波。 由于人耳聽(tīng)域有限，所以在自然界中似乎超聲不存在，其實(shí)超聲是廣泛存在的。人耳聽(tīng)到的聲音只是自然界聲音的一部分，即可聽(tīng)聲部分，而即使是可聽(tīng)聲部分的聲音，有時(shí)仍然含有超聲成分，只是人耳聽(tīng)不到。比如：自然界中許多動(dòng)物發(fā)出的聲音中就含有超聲成分，蝙蝠是最出名的。它可以利用超聲進(jìn)行探測(cè)洞穴、捕獲昆蟲，人類從18 世紀(jì)就開(kāi)始研究它，一直延續(xù)至今，并利用仿生學(xué)的原理制造出雷達(dá)等探測(cè)工具。在我國(guó)，解放前超聲的研究是個(gè)空白。解放后不久，出現(xiàn)了很少量的超聲學(xué)研究。大規(guī)模的超聲研究開(kāi)始于1965 年。到目前，我國(guó)在超生學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展了研究和應(yīng)用。有不少的項(xiàng)目和成果達(dá)到了國(guó)際水平。 同其它聲波一樣，超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)密度和介質(zhì)的彈性常數(shù)。在大氣條件下，超聲波在相同傳播介質(zhì)中的傳播速度是一樣的，而且，在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)，聲速是固定不變的。空氣中的聲波傳播速度c 可近似地表示為： C≈≈+(m/s)　　　 () 其中T 是空氣介質(zhì)的溫度（C ）。因?yàn)槁暡ㄊ墙柚趥鞑ソ橘|(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)而傳播的，其傳播方向與其振動(dòng)方向一致，所以空氣中的聲波屬于縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波。在理想介質(zhì)中，描述簡(jiǎn)諧聲波向x 正方向傳播的質(zhì)點(diǎn)位移運(yùn)動(dòng)可表示為： S(t)=A(x)cos(t+kx)=Aecos(t+kx) () 式中，s (t）表示質(zhì)點(diǎn)的位移；A是振動(dòng)初始條件決定的常數(shù)；，t 分別表示角頻率和時(shí)間；x 為聲波的傳播距離（也稱為射程）；k = / c 稱為波數(shù)；a 為衰減系數(shù)。由此可見(jiàn)，在傳播過(guò)程中聲波的振幅A (x)將隨距離x 的增加而呈指數(shù)形式衰減。衰減系數(shù)與聲波頻率及傳播介質(zhì)的關(guān)系為： () 其中，A為介質(zhì)常數(shù)，在空氣中，A＝2 (), f 是聲波的振動(dòng)頻率。例如，當(dāng)超聲波的振動(dòng)頻率為25kHz 時(shí)，1/80m 。其物理意義是：超聲波在空氣介質(zhì)中傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在聲波的傳播距離等于1/ 時(shí)，聲波振幅將衰減到初始值的1/e 倍。顯然，聲波頻率愈高，聲能被吸收衰減愈大，聲波的傳播距離愈??；反之，聲波頻率愈低，聲能的吸收衰減愈小，聲波的傳播距離就愈大。聲波的另一種重要的性質(zhì)是：波的頻率越高，波束越窄，聲波定向傳播（或稱為直線傳播）和反射能力越強(qiáng)，其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于振幅相同的低頻聲波。超聲波的特性除了與其諧振頻率有關(guān)，還與發(fā)射換能器的輻射面積有關(guān)。換能器的輻射面積越大，超聲波的波束角就越小。因此，在設(shè)計(jì)大作用距離超聲測(cè)距傳感器時(shí)，必須選用恰當(dāng)?shù)膿Q能器工作頻率和換能器輻射面積。 超聲換能器現(xiàn)狀換能器就是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，是將一種形式的能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的裝置。通常所說(shuō)的換能器一般都是指的電聲換能器。用來(lái)發(fā)射聲波的換能器叫發(fā)射換能器。換能器處在發(fā)射狀態(tài)時(shí)，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成聲能。用來(lái)接受聲波的換能器叫接收器。換能器處在接受狀態(tài)時(shí)，將聲能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)換成電能。一般情況下，換能器既能用來(lái)發(fā)射，也能用來(lái)接收。通常換能器都有一個(gè)電的儲(chǔ)能元件和一個(gè)機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。按照實(shí)現(xiàn)機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同，可將換能器分成：電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式、電容式、壓電式和電磁致伸縮式等[1]。 課題的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本文所介紹的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)距的時(shí)候采用的是兩個(gè)超聲波探頭分別進(jìn)行超聲波發(fā)射和接收來(lái)進(jìn)行距離的測(cè)量的。本設(shè)計(jì)可以用于汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量出倒車方向的障礙物與汽車之間的距離, 并通過(guò)4位數(shù)碼管顯示單元模塊顯示兩者之間的距離,然后通過(guò)蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲響, 從而起到提示和報(bào)警的作用。本系統(tǒng)利用一片AT89S52單片機(jī)對(duì)超聲波信號(hào)循環(huán)不斷地進(jìn)行發(fā)送和采集。系統(tǒng)包括超聲波測(cè)距單元（超聲波集成模塊）、AT89S52單片機(jī)系統(tǒng)、蜂鳴器報(bào)警模塊、數(shù)碼管顯示模塊和供電電源模塊。 論文構(gòu)成主要由以下部分組成： 第1章主要介紹了本課題的背景意義和相關(guān)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。 第2章介紹的是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理，提出本系統(tǒng)的總體的設(shè)計(jì)方案，為硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。 第3章對(duì)硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹。首先介紹了AT89S52單片機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，包括各引腳功能和外設(shè)單元解析以及單片機(jī)的最小工作系統(tǒng)。然后對(duì)超聲波傳感器的工作原理進(jìn)行了分析，然后具體討論了超聲波測(cè)距模塊中的超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路的硬件設(shè)計(jì)，最后