【正文】 發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀里面貌一新的測距儀將發(fā)揮更大是的作用。 近年來隨著科技的飛速發(fā)展，單片機的應用正在不斷深入，同時帶動傳統(tǒng)控制檢測技術日益更新。在實時檢測和自動控制的單片 機應用系統(tǒng)中，單片機往往作為一個核心部件來使用，僅單片機方面知識是不夠的，還應根據(jù)具體硬件結(jié)構(gòu)軟硬件結(jié)合，加以完善。 本文的研究，就是以超聲波為測量工具，通過 C8051F410 單片機的控制，經(jīng)過一系列轉(zhuǎn)換、放大電路組成超聲波測距儀以實現(xiàn)對處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境中的被測物的測量 。以解除操作員用常規(guī)手段測量距離帶來的不便以及危險，提高測量的安全性。 測距儀的 現(xiàn)狀及超聲波測距 優(yōu)勢 隨著科學技術的發(fā)展和工業(yè)生產(chǎn)水平 的提高， 石油、化工、機械、汽車工業(yè)等各類工業(yè) 都得到了迅猛的發(fā)展 ， 但隨 之而來的技術落后嚴重制約著工業(yè)的發(fā)展步伐，其中，距離的測量尤為突出。 目前國內(nèi)一般使用專用集成電路設計超聲波測距儀，但是專用集成電路的成本很高，并且顯示距離也比較困難，操作使用也不是很方便，而本設計研究的測距器成本低廉，性能優(yōu)良，市場前景極為廣闊，對提高我國 超聲波測距 工業(yè)實際水平，具有較大的意義，在整個 距離變化過程中 自動測量 距離的遠近 ，并用數(shù)字顯示出來，在 距離 到極限距離時會發(fā) 2 出急促的警告聲，提醒 操作 員注意 采取措施 。本設計 對于被測物處于黑暗、有灰塵 、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此在距 離 測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，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，因而其準確度也較其它方法為高 。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 超聲波距離測量儀能測量并顯示液位的高度 ,同時用間歇嘟嘟聲報警 ,間歇時間隨障礙物距離縮短而縮短。操作員不但可以直接觀察被顯示的距離 ,還可以用聽覺判斷距離的遠近。 利用超聲測距技術與單片機設計制作出超聲波距離測量儀。該系統(tǒng)在常見的 距離測量裝置的基礎上采用計算機控制技術和超聲波測距技術，通過顯示距離的遠近并根據(jù)其距離遠近實時發(fā)出報警，解除了操作員用常規(guī)手段測量距離帶來的不便以及危險，提高了測量的安全性。 超聲波測距儀的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著工業(yè)水平 飛速發(fā)展 以及人民對物質(zhì)需求 水平的不斷提高超聲波測距儀作為一種新型的距離測量方式 已經(jīng)被越來越多的行業(yè)所應用。 同時由于 本設計 有著 對于被測物處于黑暗、有灰塵 、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力 特別是應用于空氣測距，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，因而其準確度也較其它方法為高 ， 而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 相信在不久的將來超聲波測距將會更加廣闊的應用前景。 在工業(yè)生產(chǎn)中超聲波 測量占據(jù)著極為重要的地位，具有廣闊的應用領域液位測量數(shù)據(jù)是實際生產(chǎn)和過程控制的重要參數(shù)儲液罐儲存液體的總量就是利用液位測量進行管理和控制的。 超聲波液位測量技術在石油、化工等工業(yè)領域中得到廣泛應用，闡述了該技術涉及的傳感器結(jié)構(gòu)、安裝方式、遠程控制及信號處理軟件等方面的進展，隨著網(wǎng)絡通信技術的應用， 預計該技術將向數(shù)字網(wǎng)絡是的灌區(qū)液位定位系統(tǒng)發(fā)展 。 3 2 超聲波測距原理概述 超聲波的發(fā)展史 超聲波的含義及其應用 當物體振動時會發(fā)出聲音，科學家們將每秒振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，他的單位是HZ。我們?nèi)祟惗淠苈牭铰暡l率為 2020200HZ，當聲波的頻率大于 20200HZ 或小于 20HZ時，我們便聽不到。因此我們把頻率高于 20200HZ 的聲波稱為超聲波。 超聲波的含義及其應用 超聲效應已廣泛用于實際，主要有如下幾方面： (1)超聲檢驗。超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的 方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術 。把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出 的超聲波攜帶了被照部位的信息 ，經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電 信號輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上， 上述裝置稱為超聲顯微鏡。 聲全息術 是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術。 用同一超聲信號源激勵兩個放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過 被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照射聲 全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時產(chǎn)生的衍射效應而獲得物的重現(xiàn) ，通常用攝像機和電視機作實時觀察。 (2)超聲處理。利用超聲的機械作用、空化作用、熱效應和化學效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。 (3)基礎研究。超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過程，聲弛豫過程伴隨著能量在分子各自電度間的 輸運過程，并在宏觀上表現(xiàn)出對聲波的吸收（見聲波）。通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學這一聲學分支。對頻率在 1012 赫 茲 以上的超聲波 ，波長可與固體中的原子間距相比擬，此時必須把固體當作是具有空間周期性的點陣結(jié)構(gòu)。點陣振動的能量是量子化的 ，稱為聲子（見固體物理學）。特超聲對固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準粒子的相互作用。對固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體 —— 液態(tài)氦中 ，聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學的新領域 —— 量子聲學。 4 國際方面 自 19世紀末到 20 世紀初，在物理學上發(fā)現(xiàn)了壓電效應與反壓電效應之后，人們解決了利用電子學技術產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲技術的歷史篇章。 1922 年，德國出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專利。 1939 年發(fā)表了有關超聲波治療取得臨床效果的文獻報道。 40 年代末期超聲治療在歐美興起，直到 1949 年召開的第一次國際醫(yī)學超聲波學術會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學的發(fā)展奠定了基礎。 1956 年第二屆國際超聲醫(yī)學學術會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進入了實用成熟階段。 國內(nèi)方面 國內(nèi)在超聲治療領域起步稍晚，于 20 世紀 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開展超聲治療工作，從 1950 年首先在北京開始用 800KHz 頻率的超聲治療機治療多種疾病，至 50 年代開始逐步推廣，并有了國產(chǎn)儀器。公開的文獻報道始見于 1957 年。到了 70 年代有了各型國產(chǎn)超聲治療儀，超聲療法普及到全國各大型醫(yī)院。 40 多年來，全國各大醫(yī)院已積累了相當數(shù)量的資料和比較豐富的臨床經(jīng)驗。特別是20 世紀 80年代初出現(xiàn)的超聲體外機械波碎石術和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。如今已在國際范圍內(nèi)推廣應用。高強度聚焦超聲無 創(chuàng)外科，已使超聲治療在當代醫(yī)療技術中占據(jù)重要位置。而在 21世紀 (HIFU)超聲聚焦外科已被譽為是 21 世紀治療腫瘤的最新技術。 超聲波的特點 (1)超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。 (2)超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 (3)超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應）。 超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如 B 超等用作診斷）。 聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲 波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。 超聲效應 當超聲波在介質(zhì)中傳播時，由于超聲波與介質(zhì)的相互作用，使介質(zhì)發(fā)生物理的和化 5 學的變化，從而產(chǎn)生一系列力學的、熱的、電磁的和化學的超聲效應，包括以下 4種效應： (1)機械效應。超聲波的機械作用可促成液體的乳化、凝膠的液化和固體的分散。當超聲波流體介質(zhì)中形成駐波時 ,懸浮在流體中的微小顆粒因受機械力的作用而凝聚在波節(jié)處，在空間形成周期性的堆積。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時，由于超聲波的機械作用而引起的感生電極 化和感生磁化（見電介質(zhì)物理學和磁致伸縮）。 (2)空化作用。超聲波作用于液體時可產(chǎn)生大量小氣泡 。 一個原因是液體內(nèi)局部出現(xiàn)拉應力而形成負壓，壓強的降低使原來溶于液體的氣體過飽和，而從液體逸出，成為小氣泡。另一原因是強大的拉應力把液體“撕開”成一空洞，稱為空化?？斩磧?nèi)為液體蒸汽或溶于液體的另一種氣體，甚至可能是真空。因空化作用形成的小氣泡會隨周圍介質(zhì)的振動而不斷運動、長大或突然破滅。破滅時周圍液體突然沖入氣泡而產(chǎn)生高溫、高壓，同時產(chǎn)生激波。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。在液 體中進行超聲處理的技術大多與空化作用有關。 (3)熱效應。由于超聲波頻率高，能量大，被介質(zhì)吸收時能產(chǎn)生顯著的熱效應。 (4)化學效應。超聲波的作用可促使發(fā)生或加速某些化學反應。例如純的蒸餾水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生過氧化氫；溶有氮氣的水經(jīng)超聲處理后產(chǎn)生亞硝酸；染料的水溶液經(jīng)超聲處理后會變色或退色。這些現(xiàn)象的發(fā)生總與空化作用相伴隨。超聲波還可加速許多化學物質(zhì)的水解、分解和聚合過程。超聲波對光化學和電化學過程也有明顯影響。各種氨基酸和其他有機物質(zhì)的水溶液經(jīng)超聲處理后，特征吸收光譜帶消失而呈均勻的一般吸收，這表明空化作用 使分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。 超聲波測距的 優(yōu)勢 和原理 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(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)。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，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，因而其準確度也較其它方法為高 。而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠等特點。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。 超聲波測距的方法有多種，本超聲波 測中系統(tǒng)的 原理為 : 檢測 出從超聲波發(fā)射器發(fā)出 6 的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，將這個 時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時單片機開始計時，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立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度隨溫度變化， 其對應值如表 ，根據(jù)計時器記錄的時間 t (見圖 )，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 ( s )， 即 : s = v t / 2 。 溫度 (℃ ) － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 表 聲速與溫度的關系 圖 超聲波測距時序圖 超聲波傳感器 超聲波發(fā)生器 及其原理 為了研究和利用超聲波，人們 已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類 : 一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等 。 機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器 。 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是 利用壓電效應的原理，壓電效應有逆效應和順效應，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應的原理。所謂壓電逆效應如圖 所示，是在壓電元件上施加電 壓，元件就變形，即稱應變。若在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖 c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。 7 圖 單片機超聲波測距系統(tǒng)構(gòu)成 圖 超聲波測距系統(tǒng)框圖 單片機 C8051F410 發(fā)出短暫的 40kHz 信號，經(jīng)放大后通過 超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機中斷程序，讀出時間 t，再由系統(tǒng)軟件對其進行計算、判別后，相應的計算結(jié)果被送至LCD 液晶屏 進行顯示。 限制超聲波系統(tǒng)的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度、反射物的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小可測距離。 開 始 測 量 超聲波信號 開定時器 關定時器 數(shù)據(jù)運算 顯示器 接收檢測 電聲換