【正文】 8 2． 1． 2 超聲 波測距傳感器的分類和選擇 .......................8 2． 1． 3 超聲波測距傳感器的探測方式 ........................12 2． 1． 4 超聲波傳感器頻率的選擇 ............................13 2． 2 超聲波測距原理 .........................................13 2． 2． 1 常見的測距法 ......................................13 2． 2． 2 超聲波測距基本原理 ................................13 2． 3 幾種常見的 40kHZ 超聲波發(fā)射和接收電路 ...................14 3 單片機基本單元結(jié)構(gòu)與操作原理 ................................21 3． 1 定時器 /計數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)與操作方式 ......................21 3． 1． 1 定時器 /計數(shù)器的基本組成 ...........................21 3． 1． 2 定時器 /計數(shù)器的 SFR...............................21 3． 1． 3 定時器 /計數(shù)器的工作方式 ...........................23 3． 2 中斷系統(tǒng)的基本原理與操作方式 ...........................25 3． 2． 1 中斷系統(tǒng)的基本組成 ................................25 3． 2． 2 中斷系統(tǒng)中的 SFR..................................26 3． 2． 3 中斷系統(tǒng)的自主操作過程 ............................27 4 超聲波測距儀的軟硬件設(shè)計 ....................................29 4． 1 超聲波測距儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計 .............................29 4． 1． 1 超聲波發(fā)射電路 ....................................29 4． 1． 2 超聲波接收電路 ....................................31 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 4． 1． 3 單片機系統(tǒng)及顯示電路 ..............................33 4． 2 超聲波測距儀的軟件設(shè)計 .................................35 4． 2． 1 主程序 ............................................35 4． 2． 2 超聲波發(fā)射子程序 ..................................36 4． 2． 3 超聲波接收中斷程序 ................................37 4． 2． 4 延時子程序 ........................................37 4． 2． 5 顯示子程序 ........................................38 4． 2． 6 距離計算子程序 ....................................38 4． 2． 7 調(diào)試及性能分析 ....................................39 4． 3 結(jié)論 ...................................................40 總結(jié) ..........................................................41 致謝 ..........................................................41 參考文獻 ......................................................42 附錄一 集成電路 CX20216A 引腳功能與維修數(shù)據(jù) ....................43 附錄二 元件清單 ...............................................43 附錄三 超聲波測距儀控制源程序 .................................45 1 緒論 1． 1 引言 超聲波技術(shù)的聲學特性早已為人們所認識。但是，把超聲波技術(shù)運用到工業(yè)測量中，則是近一、二十年來，隨著我國選煤自動化的不斷提高，選煤廠對于各類參數(shù)有了更高的要求，尤其是倉位的準確性，要求更加嚴格。我們知道煤倉中的結(jié)構(gòu)是相當復雜的再加上傳統(tǒng)的粉倉加料方式又各種各樣，諸如：皮帶給料機、刮板機、斗式提升機等。被測介質(zhì)也各不相 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 同，比重，顆粒度等給測量帶來 很大困難，超聲波料位計在固體顆粒和塊狀物料的測量中已經(jīng)被普遍采用，并且得到一定的認可。超聲波物位計是利用聲波傳播的物理特性，對液體或者顆粒狀固體的料位 /料空進行非接觸連續(xù)測量和控制。采用單片機處理技術(shù)對物位進行精確計算，并由一體化溫度變送器檢測環(huán)境溫度。該儀表應(yīng)用范圍廣，可測量液體介質(zhì)、固體介質(zhì)、各種不同渠道的流量等，不受介質(zhì)密度、導電性、介電常數(shù)等的影響，牢固耐用，測量數(shù)據(jù)較為準確。 采用超聲波式料位計連續(xù)檢測原料庫、生料庫、熟料庫和水泥庫等大型圓庫的料位，將料位信號輸入計算機系統(tǒng)，為生產(chǎn)控制及生產(chǎn)管理提 供準確的庫存數(shù)據(jù)。料位計在液面測量和容積較小的煤倉使用中數(shù)值比較精確 ， 容積較大的煤倉的測量可選擇多個點進行測量通過計算可得出比較準確的數(shù)值。 1． 2 單片機簡介 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機技術(shù)已成為計算機技術(shù)中的一個獨特的分支，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域特越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制和儀器儀表智能化中扮演著極其重要的角色。 單片機屬于計算機的一個種類。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，單片機主要用于控制，所以也稱它為微控制器（ Microcontroller）。從單片機呈現(xiàn)給用戶的供應(yīng)狀態(tài)來看，單片機產(chǎn)品僅是一塊集成電路芯片，即它的所 有功能部件都是集成在一塊芯片上，所以稱之為單片機（ SingleChip Microputer）。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 圖 51 系列單片機封裝圖 1． 3 超聲波產(chǎn)生和特性 1． 3． 1 超聲波的定義 通常把振動頻率 20kHz以上的機械波稱為超聲波，超聲波是人耳聽不見的一種機械波，它波長較短，穿透性較強，繞射小，具有一定的方向性，能夠成為射線而定向傳播。傳輸過程中衰減較小，反射能力較強。它的用途廣泛，可用于探傷、測距、測厚和自動控制等。它的頻率越高，就越與光波的某些特性 (如反射、折射等 )相 似。 1． 3． 2 聲波的波型 由聲源在介質(zhì)中施力方向與聲波傳播方向的不同，聲波的波型也不同，通常有下列幾種 : (1) 縱波。質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波。它能在固體、液體和氣體中傳播。 (2) 橫波。質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波。它只能在固體中傳播。 (3) 表面波。質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 圖 聲波的頻率界限圖 由以上分類可以看出，只有縱波可以在氣體中傳播。因此，目前在空氣中的超聲波測量系統(tǒng)大多依靠縱波實現(xiàn)。聲波的頻率界限如圖 。從低頻到高頻依次為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波，而實際測量用的超聲波主要集中在頻率 2x1042x106 Hz的范圍內(nèi)。其中，靠近低頻段主要用于空氣和液體介質(zhì)中的測量系統(tǒng)，中頻和高頻段主要用于固體介質(zhì)的測量。這主要是由于介質(zhì)對聲波能量的吸收隨聲波頻率的升高而增加，頻率越高，聲波在介質(zhì)中衰減就越快。而在固體介質(zhì)中，測量的量程比較短 (例如超聲波探傷，測工件厚度等 )，在液體和氣體中，測量的量程比較長 (例如空氣中的超聲波測距，海洋中測深度等 )，因此，氣體和液體中測量所選擇的聲波頻率就要比固體介質(zhì)中低。 1． 3． 3 超聲波的產(chǎn)生和特性 超聲波發(fā)生器分為機械型和機電型兩大類，現(xiàn)在用的超聲波傳感器大多數(shù)是機電型的 .機電型超聲波發(fā)生器利用三種物理現(xiàn)象 :磁致伸縮、壓電效應(yīng)、電致伸縮。 磁致伸縮是指在磁場的作用下，某些物質(zhì) (如 :鐵、鉆、鎳及其合金 )能改變自己的形狀和大小的現(xiàn)象 。壓電效應(yīng)是指有些結(jié)構(gòu)上不對稱的晶體 (如石英、電石等 )在受到外界壓力時，晶體的兩個表面分別出現(xiàn)正負電荷的現(xiàn)象 。反過來，當壓電晶體的兩個表面受到電場作用時，它將沿一個方向膨脹，而沿另一個方向收縮，既電致伸縮現(xiàn)象 . 超聲波和其它波動一樣，可以在固體、液體和氣體 中傳播，并且和聲 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 波具有相同的速度，在兩種媒質(zhì)的交界面上，可以發(fā)生反射和折射 。兩列超聲波相遇時，可以生干涉現(xiàn)象。除此之外，超聲波還有其它特性 : (1) 超聲波頻率高、波長短，所以和光波一樣，可以集中向一個方向傳播，并用適當?shù)姆椒ㄊ顾鼤奂虬l(fā)散，另外，由于波的強度和頻率的平方成正比，所以在同樣振幅的條件下，超聲波的強度比聲波大的多。 (2) 超聲波在媒質(zhì)中傳播時，由于部分能量被媒質(zhì)吸收變?yōu)闊幔瑥姸入S波逐漸減弱。如果超聲波的頻率不太高時，媒質(zhì)對超聲波的吸收和頻率的平方成正比，和速度的三次方成反比。聲波在液體和固 體中的聲速比在氣體中的聲速大。所以超聲波在氣體中傳播，比在液體和固體中傳播能量衰減快。因此超聲波的許多技術(shù)應(yīng)用都是在液體或固體中進行的。 (3) 超聲波的聲壓幅很大，一個強度為 的聲壓幅達到 ，壓縮區(qū)和稀疏區(qū)之間的壓強差超過 10個大氣壓，而它們的相隔只有半個波長。 (4) 超聲波從一種媒質(zhì)進入另一種媒質(zhì)時，在交界面上發(fā)生反射和折射。反射波的強度工。與入射波的強度工之比 (聲強反射系數(shù)日 )由下式?jīng)Q定 . （ ） Z Z2分別代表入射媒質(zhì)和反射媒質(zhì)的聲阻抗 率。根據(jù)這一公式，當超聲波由空氣到達水面或水中進入空氣時， %的能量都被反射。在媒質(zhì)阻抗率差值不太大時，即使反射的強度只有原來強度的萬分之一，但由于入射超聲波的強度一般很高，反射波仍然可以測量出來。 1． 4 超聲波測距技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 1． 4． 1 超聲波測距的優(yōu)勢 我們知道，任何彈性介質(zhì)的機械振動都會發(fā)出聲波，聲波是一種機械波。根據(jù)振動頻率的不同，可分為次聲波、聲波和超聲波，超過 1億 Hz的為特超聲波。人聽不見看不著超聲波，它具有許多特點 : (1) 超聲波在均勻的氣體、液體和固體介質(zhì)中沿直線傳播。當 遇到密度不同的另一種媒質(zhì)時，便在其界面上發(fā)生反射和折射 。 (2) 超聲波具有良好的指向性。指向性由聲源直徑和頻率來決定，聲212121 ）（ ZZ ZZII ????? 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 源的直徑越大或頻率越高，指向性就越好 。 (3) 超聲波傳播能童由換能器功率、頻率和介質(zhì)特性來決定。超聲波在傳播時，隨著被介質(zhì)吸收、散射和擴散，能量不斷降低。高的超聲波頻率和低的介質(zhì)密度都會加速其衰減 。 (4) 檢測靈敏度高。超聲波的頻率越高，波長越短，靈敏度就越高 。 (5) 檢測成本低，效率高，對人畜無害，可實現(xiàn)自動化檢測 。 (6) 超聲是聽不見的，在高強度應(yīng)用中，這一點為超聲波帶來了很 大優(yōu)勢。在這些應(yīng)用中，如果使用可聽聲，效率也許會更高，但同時會產(chǎn)生巨大的噪聲，對人體造成傷害。 正因為它的這些優(yōu)點，超聲波被廣泛用于各行各業(yè)，超聲波測距就是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。其測量方式很多，不僅能夠定點測量，還能實現(xiàn)連續(xù)測量，而且還能提供遙控、遙測所需的信號。一般說來，超聲波測距技術(shù)不需有運動的部件，所以在安裝、維修上有很大的優(yōu)勢，特別是超聲波測距方法可以選擇氣體、液體和固體作為傳聲媒質(zhì)，因此應(yīng)用范圍寬廣，具有較大的適應(yīng)性。在有些條件特殊的場合，一般測距技術(shù)不能使用時，超聲波往往照用不誤。 1． 4． 2 超 聲波測距的應(yīng)用 利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等生物作為防御和捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不能被人們聽到的超聲波 (20Hz以上的機械波 )，借助空氣或其它介質(zhì)傳播。通過被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短和反射回來的信號強弱來判斷反射物的類型及距離的遠近。人類采用仿生學，人工發(fā)射出超聲波。 目前，超聲波已應(yīng)用在民用及國防工業(yè)中。例如 :用超聲波探測海洋潛艇位置、魚群以及確定海底暗礁等障礙物形狀及位置。利用超聲