【正文】 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)1 概 述 從技術(shù)上看，超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀(jì)70年代已經(jīng)實用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。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)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。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(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上到了廣泛的應(yīng)用。2 課題研究背景與意義 課題研究背景超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小Ｒ话愕某暡y距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。 課題研究意義由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。3方案設(shè)計和選擇根據(jù)本次設(shè)計的要求，方案的選擇應(yīng)力求實用性強(qiáng)，性價比高，使用簡單。 超聲波測距的基本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)換為電能。 超聲波發(fā)生器 　　為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，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(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。 壓電式超聲波發(fā)生器原理 　　壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信 號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波 時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 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為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖31所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ超聲波接收圖31 超聲波的測距原理 （31） （32）式中:L兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 33)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。 t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（3—2）、（3—3）代入（31）中得： ( 34)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=349m/s)。當(dāng)需要測量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時,則(3—4)變?yōu)? ( 35) 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.單片機(jī)一詞最初源于“SingleChip Microputer”，簡稱“SCM”。單片機(jī)也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一個邏輯功能的芯片（芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在Robert Noyce的領(lǐng)導(dǎo)下，科研小組發(fā)明集成電路后開始出現(xiàn)的一個名稱），而是把一個微型計算機(jī)系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機(jī)。它體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。近年來，微處理器已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其是在智能儀器儀表中的應(yīng)用更是如此，這不僅引起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器。基于微處理器的智能系統(tǒng)設(shè)計，已成為目前電子設(shè)計領(lǐng)域的一個熱點。智能系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機(jī)界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等基本功能部件，同時也包含與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的其他特殊部件。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的基礎(chǔ)上，其可靠性也是設(shè)計時需要考慮的一個方面，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于通信、雷達(dá)、遙控和自動控制等各個領(lǐng)域中。在本次畢業(yè)設(shè)計中我選用的是AT89S52單片機(jī)。 AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。 一般說明AT89S52具有如下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。AT89S52的數(shù)據(jù)存儲包括256字節(jié)的內(nèi)部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字節(jié)的片內(nèi)EEPROM和可擴(kuò)展至64K的外部數(shù)據(jù)存儲器。此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 極限參數(shù) 表31 AT89S52極限參數(shù)參數(shù)額定值單位操作溫度0～+70或40～+85176。C儲存溫度范圍65～+150176。CEA/Vpp腳相對于Vss的電壓0～+V其他任何腳相對于Vss的電壓～+V每個IO腳的最大IOL15mA 超聲波傳感器聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為20000赫茲)時，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽覺范圍如圖25所示。圖35 人的聽覺范圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。（2）吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強(qiáng)度會逐漸減弱，這是因為介質(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。（3）超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。為什么有這么強(qiáng)大的功率呢?因為當(dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率—樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。 超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等?！　〕曁筋^的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高?！　。?）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。　?。?）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz～20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多種超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(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。 共振板gon 壓電晶片 電極 電極圖36超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)