【正文】 要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，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稱為超聲波的空化作用。 超聲 波技術是一門以物理、電子、機械、以及材料科學為基礎的、各行各業(yè)都可使用的通用技術之一。 . 超聲波 主要參數(shù) 超聲波的兩個主要參數(shù)： 頻率： F≥20KHz （在實際應用中因為效果相似，通常把 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)細小的空化 氣泡 破裂而產生的沖擊波現(xiàn)象稱為 “ 空化 ” 現(xiàn)象。超聲波具有聲波所有的物理性質，但其頻率高，波長短。在近場的遠側超聲束逐漸增寬，此區(qū)稱為遠場。但如果兩種介質中的聲速不同，透射聲束將發(fā)生方向的轉折，稱為折射。超聲波在體內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 如果在一種介質中傳播幾個聲波，于是產生波的干涉現(xiàn)象。 (2) 空化作用 在流體動力學指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學過程稱為空化。他們所產生的超聲波的頻率、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，便產生超聲波。它有兩個壓電晶片和一個共振板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍有不同，使用時應分清器件上的標志。測試傳輸時間可以得出距離。 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，為此，利用超聲波的這種性質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之中，它就產生一定的應變 。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵后產生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質中。 圖 6 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 6 所示，當在 AB 間施加交流電壓時，若 A 片的電場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。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構形式，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 UCMT40K1 UCMR40KQ 結構 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的 時間差 就可以知道距離了。 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。 超聲波測距方法主要有三種： 1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限； 2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響； 3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經氣體介質傳播到接收傳感器的時間 t，這個時間就是渡越時間，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，如果溫度變化不大，則可認為聲速 c 是基本不變的，計算時取 c 為 340m/s。 （系統(tǒng)中應用該式進行溫度補償） 如果為了進一步提高測量精度，本設計中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補償?shù)脑O計： 2 2 2s l h?? 。在具體設計中，比較了 25181。s(32 個 40KHz 方波脈沖 )的 發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。s(32 個 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時單片機編程避開盲區(qū)。不同的檢測儀阻塞程度不 一樣。另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。由圖 28 可見，從 b 點以后，接收的信號低于閩值，相當于測距的遠限。因此， cb 為可測距范圍 。分析了超聲波測距的基本原理，并在此基 礎上給出了測距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、發(fā)射脈沖寬度和測量盲區(qū)對超聲測距精度的影響。另外還有溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調整，使測量精度能夠達到要求。用復位電路重置系統(tǒng)后可進行下一次測試。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 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 單片機主要特性 與 MCS51 兼容 4K字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz 三級程序存儲器鎖定 128 8位內部 RAM . . 32 可編程 I/O 線 兩個 16位定 時器 /計數(shù)器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 AT89C51 提供以下標準功能： 4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內部 RAM， 32 個 I/O 口線，兩個 16位定時 /計數(shù)器，一個 5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。 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 編程和校驗時， P1 口作為低八位地址接收。 P2口當用于外部程序存儲器或 16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。當 P3 口寫入“ 1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、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。 以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。它有許多不同的結構，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。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。每遇到一個 反射面時，回聲在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的振幅的高低。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，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用在物位（液位）監(jiān)測，機器人防撞，各種超聲波接近開關，以及防盜報警等相關領域，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。它的特點是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近開關用，它的性能較好?？刂撇糠种饕獙Πl(fā)送器發(fā)出的脈沖鏈頻率、占空比及稀疏調制和計數(shù)及探測距離等進行控制。上位電阻 R R2 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅動能力，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造成的各種損失和干擾。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，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)射信號損失及接收機的靈敏度，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非常微弱，兩級放大電路用于對傳感器接收到的信號進行放大。發(fā)送出的超聲波，在遇到障礙物后，會產生回波，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，相應的發(fā)光二極管恒定的截止或導通，這種方法，每一顯示位都需要一個 8 位的輸出口控制，一般 僅用于的場合是顯示位數(shù)較少，其特點是顯示穩(wěn)定不閃爍，程序編寫簡單，但占用端口資源多。所謂復位，就是強制單片機系統(tǒng)恢復到確定的初始狀態(tài)，并使系統(tǒng)重新從初始狀態(tài)開始工作。電路如 17 圖。 因為本設計對時間要求精度較高的部分全部由單 片機內部的定時器完成，而雖然溫度傳感器的讀寫對時間精度要求也高，但經詳細計算所得出的 C 程序已被廣泛應用，故直接借用已有程序也能作到對溫度的準確讀取，所心本設計全部使用 C 語言編程，這樣能使設計中所用到的公式能方便快捷的體現(xiàn)和實現(xiàn)，又縮短了論文的篇幅。發(fā)射電路是由單片機輸出端直接驅動超聲波發(fā)送。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號， 端口是監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。 單片機將會測得的時間與聲速相乘再除以 2 即可得到測量值，最后經過 3 位數(shù)碼管將測得的結果顯 示出來 然后根據(jù)溫度和傳輸時間計算距離，溫度補償措施使測量精度有了明顯提高，計算出距離后調用距離顯示子程序， LED 顯示距離。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T1 溢出中斷將外中斷 1 關閉，并將測距成功標志字賦值 0 表示此次測距不成功。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器 T1 溢出中斷開始 系統(tǒng)初始化 啟動定時器 發(fā)射超聲波， T1計時 接收到反射波 T1停止時，保持定時值 . . 將外中斷 1關閉，并將測距成功標志字賦值 0表示此次測距不成功。 TL0=0xf4。 TR1=0。 TH0=0x1f。 } else { b=0。 TL0=0xf4。 根據(jù)測量距離 ctD 21? ，而其中KTcMRTc 27310 ??? ?， 故 可 簡化 為 ：KTtKTtcD 0 ????，其實現(xiàn)程序 算法如下： include void distance(void) { double radical,dist,t。 } . . 超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接收，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。 C 語言程序有利于實現(xiàn)較復雜的算法，匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細計算程