【正文】 18 8 結論 20 致謝 21 參考文獻 22附錄 23 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 1 1 引言 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構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構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。 本設計 采用 AT89s52 單片機進行控制及數據處理，設計出了能精確測量兩點間距離 的超聲波測距儀。該測距儀主要由單片機控制電路、超聲波發(fā)射器電路、超聲波接收器電路、及顯示電路構成。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 2 2 概述 超聲波測距系統(tǒng)概述 超聲測距儀是根據超聲波遇到障礙物反射回來的特性進行測量的。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射同時開始計時，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立即中斷停止計時。 通過不斷檢測產生波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射超聲波和接收到回波的時間差 T，然后求出距離 L?；镜臏y距公式為： L=(△ t/2)*C 式中 L— — 要測的距離 T—— 發(fā)射波和反射波之間的時間間隔 C—— 超聲波在空氣中的聲速，常溫下取為 340m/s 聲速確定后，只要測出超聲波往返的時間，即可求得 距離 L。 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限 。 聲波幅值檢測法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時間檢測法。其原理為 : 檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經氣體介質的傳播到接收器的時間，即渡越時間。渡越時間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。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。 超聲波測距 有以下幾個方面的發(fā)展趨勢： （ 1） 價格比較低廉 的超聲波測距儀 可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內部、液位高度的測量等 。 （ 2） 提高超聲波測距精度的方法，根據測距系統(tǒng)應用具體環(huán)境的不同提高精度的方法 ， 但基本都是圍繞著減小測量渡越時間的誤差和減小環(huán)境溫度的影響兩個方面提出的。 本設計方案思路 本設計以 AT89s52 單片機為控制核心，產生驅動信號，超聲波發(fā)射電路，接收電路 信號處理，檢測，完成時間的測量 為主要設計內容。 單片機 編程 用 引腳 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號 ，去觸發(fā)超聲波發(fā)射傳感器，接收傳感器接收到微弱信號后進行多級放大，濾波，整形，檢波，送到單片機引腳判斷低電平信號。計算測距時間采用定時器計時完成。由時間再轉化成距離顯示即可。 杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 3 研發(fā)方向和技術關鍵 （ 1） 三位數碼管動態(tài)顯示編程，軟件消影技術 （ 2）合理 設計產生 40KHZ 的方波信號 ，提高 超聲波發(fā)射傳感器的性能 ； （ 3） 接收傳感器收到微弱信號的處理，檢測 ； （ 4） 52單片機定時器，中斷子程序的控 制設計 。 主要技術指標 （ 1）盲區(qū) ： 小 于 30cm （ 2） 測量范圍 ： 30cm— 300cm （ 3） 測距誤差： 不超過 1cm （ 4） 顯示電路 ： 三位 LED 數碼管顯示杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 4 3 總體設計 按照系統(tǒng)設計的功能的要求，初步確定設計系統(tǒng)由單片機主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共四個模塊組成。單片機主控芯片使用 Atmel 公司的 AT89s52 系列單片機，該單片機工作性能穩(wěn)定，同時也是在單片機課程設計中經常使用到的控制芯片。發(fā)射電路由單片機輸出端直接驅動超聲波發(fā)送。接收電路使用 三極管組成的放大電路，電路簡單。 硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路 、 超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路 四 部分。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率， 從而 減小測量誤差。單片機用 40kHz 的方波信號， 端口 監(jiān)測 超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 3位共陽 LED數碼管， 段碼輸出端口為單片機的 P0口 ， 位碼輸出端口分別為單片機的 、 、 口 ,數碼管 位 驅運 用 PNP 三極管 8850 三極管 驅動。 超聲波接收頭接收到反射的回波后，經過接 收電路處理后，向單片機 輸入一個低電平 方波 。單片機控制著超聲波的發(fā)送，超聲波發(fā)送完畢后，立即啟動內部計時器 T0 計時，當檢測到 由高電平變?yōu)榈碗娖胶?，立即停止內部計時器計時。單片機將測得的時間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經 3 位數碼管將測得的結果顯示出來。 發(fā)射傳感器觸發(fā) 由于傳感器的中心頻率是 40KHZ，本系統(tǒng)采用的是高精度的 12MHZ 晶振， 方波的周期為 1/40ms，即 25181。s，半周期為 。每隔半周期時間，讓方波輸出腳的電平取反，便可產生 40kHz 方波。由于單片機系統(tǒng) 的晶振為 12M 晶振，因而單片機的時間分辨率是 1181。s，所以只能產生半周期為 12181。s 或 13181。s 的方波信號，頻率分別為 和 。本系統(tǒng)在編程時選用了后者，讓單片機產生約 的方波 信號來觸發(fā)超聲波發(fā)射傳感器。 超聲波發(fā)送部份為了簡化電路 ,沒加設置專門的超聲波驅動電路 ,而是用單片機的 引腳輸出端加了一個上拉電阻后，從而增加驅動電流，就直接驅動超聲杭州電子科技大學本科畢業(yè)設計 5 波發(fā)送頭。理論上，驅電電壓只有 5 伏。 超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐 漸減弱，這種現象叫超聲波的衰減。引起超聲波衰減的主要原因有： （ 1）擴散衰減 :超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴散能量逐漸分散，從而使單位面積內超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （ 2）散射衰減 :當聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質所組成的界面時，就將產生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散 射的超聲波在介質中沿著復雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋? （ 3）粘滯衰減 :聲波在介質中傳播時，由于介質的粘滯性造成近質點之間的內摩擦從而使一部分聲能轉化熱能。同時，由于介質的熱傳導，介質的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導致聲能的損耗，這就是介質的吸收現象。 超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數來表示。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數，底波次數多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數少，則聲波衰減比較嚴重。另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數來表示聲波的衰減。 接收信號處理 由于反射回來的超聲波信號非常微弱，所以接收電路需要 對 其進行放大。接收到的信號加到 BG1三極管、 BG2三極管組成的兩級放大器上進行放大。每級放大器的進行放大。放大的信號通過檢波電路得到解調后的信號，即把多個 方波 波解調成多個大 方波 波。這里使用的是 I N 4148檢波二極管，輸出的直流信號即兩 二極管之間電容電壓。 數碼管驅動顯示 顯示電路采用簡單實用的 3 位共陽 LED 數碼管， 段碼輸出端口為單片機的 P0口 ， 位碼輸出端口分別為單片機的 、 、 口 ,數碼管 位 驅運 用 PNP 三極管 8850 三極管 驅動。 軟件編程實現動態(tài)顯示，并且軟件消影。