【正文】 路發(fā)出 40KHz 的超聲波，反射波經(jīng)由超聲波檢測(cè)接收電路、放大電路送入單片機(jī)外部中斷端，通過(guò)計(jì)算超聲波的發(fā)射和返回的時(shí)間，確定超聲波發(fā)生器和反射物體之間的距離，完成測(cè)距。和其他方法相比，如激光測(cè)距、微波測(cè)距等，由于聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無(wú)線電波的傳播速度，對(duì)于時(shí)間測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)小于激光測(cè)距、微波測(cè)距等系統(tǒng)，因而超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低，且超聲波在傳播過(guò)程中不受煙霧、空氣能見(jiàn)度等因素的影響，在各種場(chǎng)合均得到廣泛應(yīng)用。 研究的目的和意義 超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流和無(wú)線電測(cè)距方法相比， 具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。 研究的主要內(nèi)容 本課題主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng) ,由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差，最 終計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。然而，由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到 18 世紀(jì)，人們才開(kāi)始研究海豚、蝙蝠等動(dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界存在超聲。頻率高于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限頻率 (約 20210Hz)的聲波，稱(chēng)為超聲波，或稱(chēng)超聲。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關(guān)系。 流體中的聲速隨壓力的增加而增加。 聲阻抗是當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。 壓電式超聲波傳感器原理及特性 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。超聲換能器的 種類(lèi)很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。如電場(chǎng)反向，則形變亦相反。 正壓電效應(yīng)是指當(dāng)對(duì)某XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱(chēng)為正壓電效應(yīng)。圖中， f0為超聲波發(fā)射器的中心頻率，在 f0 處，超聲波發(fā)射器產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)，在 f0 處所產(chǎn)生的超聲波聲壓能級(jí)最高。因此超聲波接收器具有很好的頻率選擇特性，在構(gòu)成遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)一般不再設(shè)置選頻電路。因此，超聲波接收器應(yīng)于輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。上圖 就是超聲波傳感器的指向圖。 XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 超聲波測(cè)距原理 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即停 止計(jì)時(shí)。在使用時(shí)，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(guò)程中是基本不變的。如圖 所示： 圖 超聲波測(cè)距原理圖 H=Scosθ （ ） θ=arctg(HL ) （ ） 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 : 2S=vt （ ） 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。 圖 超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 主要電路具體設(shè)計(jì)及主要元器件介紹 電路采用 L7805CV 作為電源電路將 +12V 電壓轉(zhuǎn)換為 +5V 電壓，控制器選用STC12C2052 單片機(jī) ,晶振為 ,單片機(jī) INT0 口輸出超聲波換能器所需的40KHz 方波信號(hào) ,由 CX20216A 紅外接收芯片和 TCT4010 系列超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的接受和發(fā)射控制，經(jīng)計(jì)算，距離由顯示電路顯示，采用簡(jiǎn)單的 3 位共陽(yáng)極 LED數(shù) 碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。 圖 L7805CV 的外形圖 這是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路，整流濾波后得到的 +12V 電壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓 +5V，為了改善紋波電壓，在輸入端接入電容 C0，其值為 100uF。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值。這個(gè)電源就是根具其基本原組成在其基礎(chǔ)上按實(shí)際需要和實(shí)際情況設(shè)計(jì)的 。 表 實(shí)際距離與測(cè)量距離誤差關(guān)系 實(shí)際距離（ cm） 15 20 40 60 120 150 180 200 230 XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 根據(jù)文中電路參數(shù)和程序，測(cè)距器可測(cè)量的范圍為 ~，在試驗(yàn)中對(duì)測(cè)量范圍~ 內(nèi)的物體做了多次測(cè)試， 經(jīng)過(guò)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下有如下規(guī)律 : (1)對(duì)于同一距離進(jìn)行多次測(cè)量取平均值的方法，所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好 2m范圍內(nèi)變化平均值誤差最大不超過(guò) 20mm。 (3)20mm 以內(nèi)是盲區(qū)。一般超聲波在固體傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度 最慢。 超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系 。若超聲波在 30℃ 的環(huán)境下以 0℃ 的聲速測(cè)量 100m 距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到 5m，測(cè)量 1m 誤差將達(dá)到 5mm。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 硬件電路引起的時(shí)間誤差 由于收發(fā)電路對(duì)信號(hào) 的處理會(huì)對(duì)回聲時(shí)間產(chǎn)生 y個(gè)固定的延遲時(shí)間從而引出一定的測(cè)量誤差 . 另外，在測(cè)量過(guò)程中測(cè)量的起始位置與探頭的壓電晶片所在位置之間一定的距離，也對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的誤差，但是這種誤差不隨測(cè)量環(huán)境距離的變化而變化，屬于固定誤差。本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀，可以對(duì)不同距離進(jìn)行測(cè)試，并可以進(jìn)行 一定的 誤差分析 。 (2)設(shè)計(jì)了以 STC12C2052 單片機(jī)為核心的超聲波界面檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的特點(diǎn)。 (2)由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)未能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，所有 實(shí)驗(yàn)僅局限于實(shí)驗(yàn)室，這與實(shí)際測(cè)量有一定差距。 uint data Ttime。 uchar data kk。 sbit VOUT=P3^2。論文的字里行問(wèn)都傾注了導(dǎo)師的關(guān)懷和心血。 最后，衷心感謝在百忙之中抽出時(shí)間審閱本論文的專(zhuān)家教授。 此謹(jǐn)向老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。值此畢業(yè)論文完成之際，我謹(jǐn)向所有關(guān)心、愛(ài)護(hù)、幫助我的人們表示最誠(chéng)摯的感謝與最美好的祝愿。 uint data delay。 //距離值變量 uint data dis=0。 XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 參考文獻(xiàn) [1] 王瑩 .高精度超聲波測(cè)距儀的研究設(shè)計(jì) [D].華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 ,2021:18 頁(yè) [2] 童峰，許水源等 .一種高精度超聲波測(cè)距處理方法 [J].廈門(mén)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版 ） .1998,34（ 4）： 507512 頁(yè) [3] 林書(shū)玉 .超聲波換能器的原理設(shè)計(jì) [M].科學(xué)出版社 ,2021:612 頁(yè) [4] 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隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)距離或長(zhǎng)度測(cè)量的要求越來(lái)越高。根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定聲速，以提高測(cè)距的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到 1mm 時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。 溫度對(duì)聲速的影響 在空氣中測(cè)量距離時(shí)， 根據(jù)超聲波測(cè)距公式 L=CT，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)引密變化，氣體中聲速主要受密度影響。 這里的誤差包含兩種 :一種是固定誤差 — 測(cè)量的起始位置與探頭的壓電 晶片所在位置之間的距離，這種誤差不隨測(cè)量環(huán)境和距離的變化而變化 。 根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。濾波器由電容電感等儲(chǔ)能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動(dòng)電壓中的