【正文】 purpose and significance of the ultrasonic range finder research and development at home and abroad the working principle and characteristics of the ultrasonic sensor ultrasonic propagation velocity of the air to determine the conditions for use of transmission ultrasound and is reflected backwave time to measure the test distance to plete the ultrasonic range finder hardware and software design hardware circuit includes a transmitter circuit and receiver circuit the preamplifier circuit parison detection circuit a short distance of the ultrasonic ranging Keywords UltrasoundMCUUltrasonicsensors 1 緒論 1 11 課題研究目的意義 1 12 國內外發(fā)展現(xiàn)狀 1 13 課題內容及預期目標 5 14 論文結構安排 5 2 超聲波測距簡介 6 21 超聲波和超聲波傳感器 6 211 超聲波 6 212 超聲波傳感器結構 8 213 超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇 10 22 超聲測距儀原理及測量方法 11 23 超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)論述 12 231 工作頻率 12 232 指向角介紹 13 233 溫度介紹 13 234 發(fā)射脈沖寬度介紹 13 3 超聲 測距儀硬件設計 14 31 總體設計 14 32 發(fā)射電路設計 14 321 發(fā)射電路的方案論述 14 322 發(fā)射電路 15 323 分析計算 16 33 接收電路設計 17 331 前置放大電路 17 333 比較檢測電路 21 34 顯示電路 21 35 超聲波距離探測器總體電路 21 351 超聲測距儀設計具體細節(jié) 22 352 總體電路設計 23 4 超聲測距儀軟件設計 24 41 軟件設計原理及總體設計 24 411 軟件設計原理 24 412 軟件總體設計 25 42 測距儀單片機主程序 25 43 測距儀子程序 27 431 超聲波發(fā)射子程序 27 432 距離計算 28 433 比較程序 30 434 乘法計算程序 30 435 外部中斷子程序 31 436 定時器中斷子程序 32 附錄 超聲測距儀設計電路圖 33 總 結 34 參 考 文 獻 35 致 謝 37 1 緒論 11[10] 五十年代我國開始從國外引進超聲波儀器多是笨重的電子管式儀器如英 國的 UCT2 超聲波檢測儀重達 24Kg 各單位積極開展試驗研究工作在一些工程檢測中取得了較好的效果 五十年代末六十年代初國內科研單位進口了波蘭產(chǎn)超聲儀并進行仿制生產(chǎn)隨后上海同濟大學研制出 CTS10 型非金屬超聲檢測儀也是電子管式儀器重約20Kg 該儀器性能穩(wěn)定波形清晰但當時這種儀器只有個別科研單位使用建工部門使用不多直至七十年代中期因無損檢測技術仍處于試驗階段未推廣普及所以儀器沒有多大發(fā)展仍使用電子管式的 UCT2CTS10 型儀器 1976 年國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后國家建委將混凝土無 損檢測技術列為重點攻關項目組織全國 6 個單位協(xié)作攻關從此無損檢測技術開始進入有計劃有目的的研究階段隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展半導體元件逐漸代替了電子管器件更有利于無損檢測技術的推廣普及如羅馬尼亞 N2701型超聲波測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 七十年代英國 CNS 公司推出僅有 35Kg 重的 PLJNDIT 便攜式超聲儀 [11] 1978 年 10 月中國建筑科學院研制出 JC2 型便攜式超聲波檢測儀該儀器采用 TTL 線路數(shù)碼顯示儀器重量為 5Kg 同期研制出的超聲檢測儀器還有 SC2 型CTS25 型 SYC2 型超聲波檢測儀從此我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器為推廣一應用無損檢測技術奠定了良好的基礎隨著檢測技術研究的不斷深入對超聲檢測儀器的功能要求越來越高單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差進一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能隨后具有檢測記錄存儲數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象 [12] 其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定操作簡單可靠性高具有斷電存儲功能其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進行后處理及有關程序的開發(fā)與國內同類產(chǎn)品相比設計新 穎合理功能齊全在儀器設計上有重大突破和創(chuàng)新達到了國際先進水平 目前計算機市場價格大幅度下降采用非一體化超聲波檢測儀器計算機可發(fā)揮它一機多用的各種功能實際上是最大的節(jié)約過去那種全功能的儀器設置還不如單獨的超聲儀計算機可充分發(fā)揮各自特點高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件使用環(huán)境重復性測試內容等基木情況一樣才可充分發(fā)揮其特有功能儀器設計也應從實際情況出發(fā)才能滿足用戶的要求 [13]綜上所述我國超聲波儀器的研制與生產(chǎn)有較大發(fā)展有的型號已超過國外同類儀器水平目前常用的超聲傳感器有兩大類即電聲型與流體力型電聲型主要有 1壓電 傳感器 2磁致伸縮傳感器 3靜電傳感器流體動型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛由于工作頻率與應用目的不同超聲傳感的結構形式是多種多樣的并且名稱也有不同例如在超聲檢測和診斷中習慣上都超聲傳感器稱作探頭而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為哨或笛 [14]電子測距儀要求測量范圍在 010～ 500m 測量精度 1cm 測量時與被測物體無直接接觸能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果由于超聲波指向性強能量消耗緩慢在介質中傳播的距離較遠公式 L △ t2 C簡單易算因而超聲波經(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)超聲波測距 器可以應用于汽車倒車建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控也可用于液位井深管道長度的測量等場合 [15]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到工業(yè)實用的要求所以就順其自然的選擇用超聲波探測儀來進行探測停車位是否有車了 課題內容及預期目標 本文在理論方面對超聲測距實際方案做了深入研究在此基礎上以Atmel89C51 單片機為核心采用 4OKHz 壓電超聲傳感器完成超聲測距儀的設計在軟件上獨特的采用了每次開機時進行初始化將第一次的測量距離放入單片機內的某個單元在以后的測量中始 終以初始化后存于內存中的數(shù)據(jù)為標準來進行比較判斷車位是否有車若相差較大則有車否則無車 論文結構安排 第一章緒論介紹課題研究的意義及國內外發(fā)展現(xiàn)狀等內容 第二章超聲波測距簡介介紹超聲波測距儀的原理綜述及傳感器的參數(shù)選擇 第三章超聲測距儀硬件設計介紹超聲波測距儀的總體硬件設計和各部分電路的組成 第四章超聲測距儀軟件設計介紹超聲波測距儀的軟件設計原理及總體設計單片機主程序及各子程序代碼 2 超聲波測距簡介 21 超聲波和超聲波傳感器 211 超聲波 1 超聲波及超聲波波形的介紹 在科學史上人們很久以前對 聲音信號就有了認識我們生活的世界充滿了各種可聽的聲信號聲學是最早發(fā)展的學科之一我國兩千多年前的先秦時期在樂律和樂器的研究方面對聲學的發(fā)展作出了重要的貢獻在國外 19 世紀聲學已成為具有現(xiàn)代意義的科學并發(fā)展到相當高的水平 然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對晚一點了由于超聲是人耳聽不到的信號直到18 世紀人們在研究蝙蝠海豚等動物時才推測自然界中存在超聲 我們知道以前在物理課中學過人們可聽到的聲音頻率為 20HZ20KHz 即為可聽聲波超出頻率范圍的聲音即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波頻率高于人類聽覺上限頻率 約 20KHz 的聲 波稱為超聲波或稱超聲聲波的速度越高越與光學的某些特性如發(fā)射定律折射定律相似由于聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向不同聲波的波形也不同一般有以下幾種 1 縱波 質點振動方向與傳播方向一致的波稱為縱波它能在固體液體和氣體中傳播 2 橫波 質點的振動方向與傳播方向相垂直的波稱為橫波它只能在固體中傳播 3 表面波 質點的振動介于縱波和橫波之間沿著表面?zhèn)鞑フ穹S著深度的增加而迅速地衰減稱為表面波表面波只在固體地表面?zhèn)鞑? 2 反射與折射 當聲波從一種介質傳播到另一種介質時在兩介質的分界面上一部分能量反射回原介質的波稱為反 射波另一部分則透過分界面在另一介質能繼續(xù)傳播的波稱為折射波如圖 21 所示 圖 21 波的反射與折射原理圖 其反射與折射滿足如下規(guī)律 1 反射定律 入射角α的正弦與反射角α的正弦之比等于波束之比當入射波和反射波的波形一樣時波速一樣入射角α即等于反射角α 2