【正文】 要比超聲波的波長(zhǎng)大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，該特性就越顯著。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。這種由 超聲波作用 在液體中所引起的各種效應(yīng)稱為超聲波的空化作用。 超聲 波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。 . 超聲波 主要參數(shù) 超聲波的兩個(gè)主要參數(shù)： 頻率： F≥20KHz （在實(shí)際應(yīng)用中因?yàn)樾Ч嗨?，通常?F≥15K 的聲波也稱為超聲波）； 功率密度 ： p=發(fā)射功率 (W)/發(fā)射面積 (cm2)。這種由無數(shù)細(xì)小的空化 氣泡 破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為 “ 空化 ” 現(xiàn)象。超聲波具有聲波所有的物理性質(zhì)，但其頻率高，波長(zhǎng)短。在近場(chǎng)的遠(yuǎn)側(cè)超聲束逐漸增寬，此區(qū)稱為遠(yuǎn)場(chǎng)。但如果兩種介質(zhì)中的聲速不同，透射聲束將發(fā)生方向的轉(zhuǎn)折，稱為折射。超聲波在體內(nèi)衰減是由于超聲波的反射、散射和超聲波吸收而引起的。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。 (2) 空化作用 在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場(chǎng)的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為空化。他們所產(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。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。測(cè)試傳輸時(shí)間可以得出距離。 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質(zhì)就可制成超聲波傳感器。 。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。其具有下列的特性 :把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變 。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。 圖 6 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 6 所示，當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏 度。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。 超聲波傳感器選擇 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受 超聲波。 表 1 傳感器特性參數(shù)表 型號(hào) UCMT40K1 UCMR40KQ 結(jié)構(gòu) 開放式 開放式 使用方式 發(fā)射 接收 中心頻率 ZKH140? ZKH138? 頻帶寬 ? ? 靈敏度 ubardBV110 ubardBV65? . . 聲壓 ) in (1 1 5 mP adBdB ? )10m in (70 u b a rVdBdB ?? 指向角 o75 o80 容量 pF%252500 ? pF%252500 ? 超聲波測(cè)距的原理 通過超聲波發(fā)射裝置發(fā)出超聲波，根據(jù)接收器接到超聲波時(shí)的 時(shí)間差 就可以知道距離了。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。 超聲波測(cè)距方法主要有三種： 1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限； 2）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響； 3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。表列出了幾種溫度下的聲速： 表 2 聲速與溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為 340m/s。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償） 如果為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)： 2 2 2s l h?? 。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25181。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的 發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)。s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不 一樣。另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。由圖 28 可見，從 b 點(diǎn)以后，接收的信號(hào)低于閩值，相當(dāng)于測(cè)距的遠(yuǎn)限。因此， cb 為可測(cè)距范圍 。分析了超聲波測(cè)距的基本原理，并在此基 礎(chǔ)上給出了測(cè)距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、發(fā)射脈沖寬度和測(cè)量盲區(qū)對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。另外還有溫度測(cè)量電路測(cè)量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測(cè)量精度能夠達(dá)到要求。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進(jìn)行下一次測(cè)試。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29R S T9P 0. 0/ A D 039P 0. 1/ A D 138P 0. 2/ A D 237P 0. 3/ A D 336P 0. 4/ A D 435P 0. 5/ A D 534P 0. 6/ A D 633P 0. 7/ A D 732P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78P 3. 0/ R X D10P 3. 1/ T X D11P 3. 2/ IN T 012P 3. 3/ IN T 113P 3. 4/ T 014P 3. 7/ R D17P 3. 6 /W R16P 3. 5/ T 115P 2. 7/ A 1 528P 2. 0/ A 821P 2. 1/ A 922P 2. 2/ A 1 023P 2. 3/ A 1 124P 2. 4/ A 1 225P 2. 5/ A 1 326P 2. 6/ A 1 427U1A T 89 C 5 1 圖 12 AT89C51 單片機(jī) 單片機(jī)主要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 128 8位內(nèi)部 RAM . . 32 可編程 I/O 線 兩個(gè) 16位定 時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16位定時(shí) /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 管腳說明 VCC：供電電壓。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的低八位。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為低八位地址接收。 P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN 信號(hào)將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。 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。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(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。每遇到一個(gè) 反射面時(shí)，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。在未來的應(yīng)用中，超聲波將與信息技術(shù)、新材料技術(shù)結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。另外，它也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過程中有衰減。 超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金（磁致伸縮）兩類。這里僅介紹小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為 2325KHZ 及 4045KHZ。它的特點(diǎn)是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關(guān)用，它的性能較好。控制部分主要對(duì)發(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調(diào)制和計(jì)數(shù)及探測(cè)距離等進(jìn)行控制。上位電阻 R R2 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。發(fā)射部分的電路，如圖 31 所示。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。測(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。 發(fā)射波形電壓及功率 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失 。超聲波傳感器接收到的反射波信號(hào)非常微弱，兩級(jí)放大電路用于對(duì)傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行放大。發(fā)送出的超聲波，在遇到障礙物后，會(huì)產(chǎn)生回波，反射回 來的回波由超聲波接收頭接收到。靜態(tài)顯示就是顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的截止或?qū)ǎ@種方法，每一顯示位都需要一個(gè) 8 位的輸出口控制，一般 僅用于的場(chǎng)合是顯示位數(shù)較少，其特點(diǎn)是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡(jiǎn)單，但占用端口資源多。所謂復(fù)位，就是強(qiáng)制單片機(jī)系統(tǒng)恢復(fù)到確定的初始狀態(tài)，并使系統(tǒng)重新從初始狀態(tài)開始工作。電路如 17 圖。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)對(duì)時(shí)間要求精度較高的部分全部由單 片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對(duì)時(shí)間精度要求也高，但經(jīng)詳細(xì)計(jì)算所得出的 C 程序已被廣泛應(yīng)用，故直接借用已有程序也能作到對(duì)溫度的準(zhǔn)確讀取，所心本設(shè)計(jì)全部使用 C 語言編程，這樣能使設(shè)計(jì)中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實(shí)現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。發(fā)射電路是由單片機(jī)輸出端直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送。單片機(jī)用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號(hào)， 端口是監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。 單片機(jī)將會(huì)測(cè)得的時(shí)間與聲速相乘再除以 2 即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)過 3 位數(shù)碼管將測(cè)得的結(jié)果顯 示出來 然后根據(jù)溫度和傳輸時(shí)間計(jì)算距離，溫度補(bǔ)償措施使測(cè)量精度有了明顯提高，計(jì)算出距離后調(diào)用距離顯示子程序， LED 顯示距離。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T1 溢出中斷將外中斷 1 關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 0 表示此次測(cè)距不成功。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器 T1 溢出中斷開始 系統(tǒng)初始化 啟動(dòng)定時(shí)器 發(fā)射超聲波， T1計(jì)時(shí) 接收到反射波 T1停止時(shí)，保持定時(shí)值 . . 將外中斷 1關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值 0表示此次測(cè)距不成功。 TL0=0xf4。 TR1=0。 TH0=0x1f。 } else { b=0。 TL0=0xf4。 根據(jù)測(cè)量距離 ctD 21? ，而其中KTcMRTc 27310 ??? ?， 故 可 簡(jiǎn)化 為 ：KTtKTtcD 0 ????，其實(shí)現(xiàn)程序 算法如下： include void distance(void) { double radical,dist,t。 } . . 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。 C 語言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程