【正文】 多超聲波傳感器的距離測(cè)量系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄第1章 緒論 ……………………………………………………………… 1 課題的提出 ………………………………………………………… 1 超聲測(cè)距技術(shù)的研究情況及其發(fā)展…………………………………2 本課題的研究?jī)?nèi)容及其意義…………………………………………3第2章 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述……………………………………………5……………………………………………………………5………………………………………6……………………………………7第3章 超聲測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案…………………………………14 總體設(shè)計(jì)方案概述 …………………………………………………14 ………………… 16 溫度信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì) …………………………………………17 ……………………………………………… 18 ……………………………………19第4章 超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件及軟件的實(shí)現(xiàn) ………………………21………………………………………………………21 ……………………………… 24 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ………………………………………………………30第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析………………………………………………43 …………………………………………………………… 43 ……………………………………………………… 44參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………… 46致謝……………………………………………………………………………47附錄……………………………………………………………………………48第1章 緒論 課題的提出隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人的不斷發(fā)展，測(cè)距與識(shí)別問(wèn)題在工業(yè)中變得十分重要。比如，傳統(tǒng)的接觸式測(cè)量?jī)x器(如鋼卷尺)在測(cè)量巷頂與底板距離及巷道的變形量時(shí)，這種儀器對(duì)高于3m的頂板安設(shè)困難，且測(cè)量不準(zhǔn)確。對(duì)于巷道橫向變形量的測(cè)量，若安設(shè)于巷道兩側(cè)之間，則妨礙人、車(chē)來(lái)往，若不固定安設(shè)裝，則測(cè)量精度低，難以監(jiān)測(cè)微小變形。又如在自動(dòng)化裝配、檢測(cè)、分類(lèi)、加工與運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，要對(duì)隨意放置的工件進(jìn)行作業(yè)，這就必須對(duì)工件的位置、形狀、姿勢(shì)、種類(lèi)自動(dòng)地進(jìn)行判別，尤其在工件運(yùn)輸過(guò)程中進(jìn)行識(shí)別，則問(wèn)題更為復(fù)雜與困難，因此人們急切需要非接觸式測(cè)距儀。目前，非接觸式測(cè)距儀器常采用超聲波、激光和雷達(dá)。但激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn):，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離。、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)。，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。作為一種非接觸式的測(cè)量方式，超聲波測(cè)距器可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如水庫(kù)液位、工業(yè)測(cè)井、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。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，因此超聲波測(cè)距系統(tǒng)在移動(dòng)機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配及檢測(cè)、自動(dòng)測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)等方面也得到了廣泛的應(yīng)用。 超聲測(cè)距技術(shù)的研究情況及其發(fā)展超聲檢測(cè)主要是利用超聲波作為載體，即通過(guò)超聲在媒質(zhì)中的傳播、散射、吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)本身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測(cè)媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是從無(wú)到有，從低級(jí)階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律而發(fā)展變化。上世紀(jì)五六十年代，我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器，如英國(guó)的UCT2超聲波檢測(cè)儀；后來(lái)國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出CTS10型非金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約20Kg，該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門(mén)使用不多。七十年代中期，因無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以?xún)x器沒(méi)有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT2，CTS10型儀器。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，硬件電路的簡(jiǎn)化更有利于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞N2701型超聲波測(cè)試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量10Kg；。 隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲波檢測(cè)儀測(cè)量時(shí)帶來(lái)的較大測(cè)試誤差,進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯并帶有單片機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。如今學(xué)術(shù)研究多采用美國(guó)Polaroid 公司的6500系列超聲波傳感器。我國(guó)煤炭科學(xué)研究院研制的2000A型超聲波分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來(lái)，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶(hù)對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開(kāi)發(fā)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。 本課題的研究?jī)?nèi)容及其意義在許多距離測(cè)量工作中，外界光線(xiàn)、色彩、電磁場(chǎng)以及有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境等因素往往會(huì)造成測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，同激光或紅外線(xiàn)等測(cè)距方法相比，超聲波方向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，對(duì)外界光線(xiàn)、色彩、電磁場(chǎng)不敏感，也更適用于黑暗、有毒、灰塵或煙霧的惡劣環(huán)境，且在識(shí)別透明及漫反射性差的物體上也更有優(yōu)勢(shì)；作為一種非接觸式的測(cè)量方式，超聲波測(cè)距器可以廣泛應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于如液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合。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。本設(shè)計(jì)在理論方面對(duì)超聲波傳感器的工作原理，單片機(jī)對(duì)傳感器工作的控制處理等方面內(nèi)容進(jìn)行了深入的分析研究，同時(shí)對(duì)超聲波測(cè)距結(jié)果的LED顯示和溫度補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題也做出了較實(shí)際的分析處理，在此基礎(chǔ)上，以Atmel89C51單片機(jī)為核心的超聲收發(fā)控制電路及數(shù)據(jù)采集處理和顯示電路，采用由Polaroid600系列傳感器和6500系列驅(qū)動(dòng)模塊的超聲波測(cè)距儀。Polaroid600系列傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，測(cè)距范圍從6英寸到35英尺，絕對(duì)精度177。1%，最大工作周期80 ms，本設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)多（單）傳感器多（單）目標(biāo)測(cè)量等多種模式測(cè)量、溫度補(bǔ)償。具有電路簡(jiǎn)單，集成度高，體積小，功耗低，溫度補(bǔ)償，測(cè)量精度及靈敏度高，調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，適合非接觸測(cè)距的廣泛應(yīng)用。第2章 超聲波測(cè)距技術(shù)綜述在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，聲學(xué)是最早發(fā)展的學(xué)科之一。早在19世紀(jì)，聲學(xué)已成為具有現(xiàn)代意義的科學(xué)并發(fā)展到相當(dāng)高的水平。然而由于超聲波是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框稹⒑ｋ嗟葎?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。人們可聽(tīng)到的聲音頻率為20Hz～20KHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱(chēng)為低頻聲波，頻率高于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限頻率(約20KHz)的聲波，稱(chēng)為超聲波。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般有以下幾種:：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱(chēng)為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波，稱(chēng)為橫波。它只能在固體中傳播。：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速地衰減，稱(chēng)為表面波。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑?。總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi):一類(lèi)使用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)是用機(jī)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(dòng)型等。機(jī)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、功率和聲波特性各有不同，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。由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波必須要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波功率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成4OKHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立刻停止計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法TOF（time of flight）[9]。首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間t，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離，即 公式() 其中為傳感器與被測(cè)障礙物之間的距離，為聲波在介質(zhì)中的傳輸速率。在空氣中聲波傳輸速率為 ，其泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)式（僅保留到一次項(xiàng)）為：c=c0＋, 其中為絕對(duì)溫度。由于溫度變化，可通過(guò)溫度傳感器自動(dòng)探測(cè)環(huán)境溫度、也可以通過(guò)標(biāo)定距離來(lái)確定計(jì)算距離的波速，較精確地得出該環(huán)境下的超聲波經(jīng)過(guò)的路程，提高測(cè)量精度。在測(cè)距精度不是很高的情況下，一般認(rèn)為c為常數(shù)340m/s。超聲波探測(cè)方法主要有脈沖反射法（把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來(lái)自物體中的反射波的方法）、穿透法（利用穿過(guò)被檢物體的超聲波的穿透率和有無(wú)聲影進(jìn)行探傷檢驗(yàn)的方法）、聲阻法（利用被測(cè)物件的振動(dòng)特性，即被測(cè)物對(duì)探頭所呈現(xiàn)的機(jī)械阻抗的變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)）等；本次超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用的是脈沖反射法。中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。常見(jiàn)超聲波傳感器的中心頻率有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)到+290℃時(shí)靈敏度可降低6%。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)（573℃），就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在20℃至+70℃溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。超聲波傳感器是實(shí)現(xiàn)聲、電轉(zhuǎn)換的裝置，又稱(chēng)超聲換能器或超聲波探頭。這種裝置能發(fā)射超聲波和接受超聲波回波，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電信號(hào)。本設(shè)計(jì)選用Polaroid 600系列傳感器、Polaroid 6500系列超聲波測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊。 Polaroid 600系列傳感器[2]該超聲波測(cè)距傳感器采用了6500系列的測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊和能夠發(fā)出高頻超聲波的陶瓷振蕩器(ceramic oscillator)，當(dāng)給驅(qū)動(dòng)模塊以觸發(fā)信號(hào)，此振蕩器便以狹小的圓錐形式發(fā)出40Khz的超聲波，當(dāng)遇到障礙物時(shí)超聲波會(huì)有回波，那么該振蕩器又變成了一個(gè)超聲波接收器，當(dāng)接收回波時(shí)，Polaroid 6500內(nèi)有一個(gè)調(diào)諧電路，并把接受到的信號(hào)放大變成電信號(hào)，而其它頻率的信號(hào)則被過(guò)濾。如果記下從發(fā)出觸發(fā)信號(hào)到接到回波信號(hào)的時(shí)間t，根據(jù)公式s=ct/2即可得距離。Polaroid 600超聲傳感器發(fā)送的超聲波具有角度為30度的波束角，： 波束角超聲波傳感器既可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一串超聲波束，只有待發(fā)送結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為D，則在D時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無(wú)法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)的工作。因此，在余振未消失以前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍。此超聲波最近可以測(cè)量20cm。 Polaroid 6500系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊[3]Polaroid 6500系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的特點(diǎn)： ⊙精確的聲納測(cè)量范圍， 米 ⊙可選擇的工作方式 ⊙精確的時(shí)鐘輸出 ⊙與TTL電平的兼容 ⊙多功能的測(cè)量能力 ⊙帶插槽的數(shù)字芯片 ⊙方便的終端連接 ⊙有可調(diào)的電位計(jì) Polaroid ： Polaroid 6500系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的硬件電路TL851是一個(gè)經(jīng)濟(jì)的數(shù)字12步測(cè)距控制集成電路[4]。內(nèi)部有一個(gè)420KHz的陶瓷晶振，Polaroid 6500系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊開(kāi)始工作時(shí)，在發(fā)送的前16個(gè)周期，，后通過(guò)三極管Q1和變壓器T1輸送至超聲波傳感器。TL852是專(zhuān)門(mén)為接收超聲波而設(shè)計(jì)的芯片[5]。因?yàn)榉祷氐某暡ㄐ盘?hào)比較微弱，需要進(jìn)行放大才能被單片機(jī)接收，TL852主要提供了放大電路，當(dāng)TL852接收到4個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)，就通過(guò)REC給TL851發(fā)送高電平表明超聲波已經(jīng)接收。 Polaroid 6500系列超聲波傳感器測(cè)距驅(qū)動(dòng)模塊的描述：該系列是一種非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的聲納驅(qū)動(dòng)模塊，它可以驅(qū)動(dòng)所有的Polaroid生產(chǎn)的超聲波傳感器而不用其他的額外的器件。這個(gè)模塊有一個(gè)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，～ m，在整個(gè)測(cè)量范圍內(nèi)它的精確度是+/1%，該模塊有外部消隱輸入可以使其工作在多回聲模式。在多回聲模式下，它能區(qū)分開(kāi)距離僅有3英寸的兩個(gè)目標(biāo)。這種把回波以數(shù)字形式輸出和可變帶寬的放大器能很大地減小噪聲。，它工