【正文】 單 片機(jī)的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 框 圖 這種 以 單 片機(jī) 為 核心的超聲 波 測(cè) 距系 統(tǒng) 通 過(guò)單 片機(jī) 記錄 超聲波 發(fā) 射的 時(shí)間 和收到反射波的 時(shí)間 。 由于超聲波 發(fā) 球聲波范 圍 ，其波速 c 與溫度有 關(guān) ，表 21 列出了幾 種 不同溫度下的波速。通 過(guò) 超聲波發(fā) 射器向某一方向 發(fā) 射超聲波， 單 片機(jī)在 發(fā) 射 時(shí) 刻同 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反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止 計(jì)時(shí) 。 課題背景、目的和意義 傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的主要內(nèi)容之一，信息技術(shù)主要包括計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)相當(dāng)于人的大腦，通信相當(dāng)于人的神經(jīng)，而傳感器就相當(dāng)于人的感官。比如溫度傳感器、光電傳感器、濕度傳感器、超聲波傳感器、紅外線傳感器、壓力傳感器等等，其中超聲波傳感器在測(cè)量方面有著廣泛、普遍的應(yīng)用。超聲波在空氣中的 傳 播速度 為 V，根據(jù) 計(jì)時(shí) 器 記錄 的 時(shí)間 t，就可以 計(jì) 算出 發(fā) 射點(diǎn)距障礙物的距離。 表 21 聲速與溫度的 關(guān) 系 溫度（℃） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386 波速確定后，只要 測(cè) 得超聲波往返的 時(shí)間 t，即可求得距離 S。當(dāng)收到超聲波的反射波 時(shí) ，接收 電 路 輸 出端 產(chǎn) 生一個(gè) 負(fù) 跳 變 ，在 單片機(jī)的外部中斷源 輸 入口 產(chǎn) 生一個(gè)中斷 請(qǐng) 求信號(hào)， 單 片機(jī)響 應(yīng) 外部中斷 請(qǐng) 求， 執(zhí) 行外部中斷服 務(wù) 子程序， 讀 取 時(shí)間 差， 計(jì) 算距離， 結(jié) 果 輸 出 給 LED 顯 示利用 單 片機(jī)準(zhǔn)確 計(jì)時(shí) ， 測(cè) 距精度高，而且 單 片機(jī)控制方便， 計(jì) 算 簡(jiǎn)單 。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。 超聲波傳感器的 原理 人 們 可以聽(tīng)到的聲音 頻 率 為 20Hz～ 20kHz，即 為 可聽(tīng)聲波，超出此 頻 率范 圍 的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱 為 低 頻 聲波， 20kHz 以上的聲音稱 為 超聲波，一般 說(shuō)話 的頻 率范 圍為 100Hz～ 8kHz。所 謂壓電 逆效 應(yīng) 如 圖 22 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 7 頁(yè) 共 34 頁(yè) 所示，是在 壓電 元件上施加 電壓 ，元件就 變 形，即稱 應(yīng)變 。金屬板的中心有 圓錐 形振子。 表 22 超聲波 傳 感器 MA40S2R/S 的特性 種類(lèi) 特性 MA40S2R接收 MA40S2S 發(fā) 送 標(biāo) 稱 頻 率 40kHz 靈敏度 － 74dB 以上 100dB 以上 帶寬 6kHz 以上 (－ 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 電 容 1600pF 1600pF 絕緣電 阻 100MΩ以上 溫度特 性 － 20~+60℃范 圍 內(nèi)靈敏度 變 化在 10dB 以內(nèi) 超聲波 傳 感器的 帶寬較 窄，大部分是在 標(biāo) 稱 頻 率附近使用， 為 此，要采取措施 擴(kuò)展 頻帶 ，例如，接入 電 感等。若被 檢測(cè) 物體的 檢測(cè) 面 為 平面 時(shí) ， 則 可 檢測(cè) 透明體。 這種 超聲波 傳 感器可用脈沖市制的超聲波替代光 電傳 感器的光，因此，可 檢測(cè) 透明的物體。 10%，再經(jīng)傳 感器內(nèi)部 穩(wěn)壓電 路 變?yōu)榉€(wěn) 定 電壓 供 傳 感器工作。單片機(jī)通過(guò) ，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0引 腳，當(dāng) INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 12 頁(yè) 共 34 頁(yè) 發(fā)射換能器 T組成，單片機(jī) 端口輸出的 40 KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波華能器的另一個(gè)電極。 超聲波檢測(cè)接收電路 采用集成電路 CX20216A，這是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。由于采用 12MHz 的晶振，機(jī)器周期為 1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 14 頁(yè) 共 34 頁(yè) 的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 T0 中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離 ,設(shè)計(jì)時(shí)取 20℃ 時(shí)的聲速為 344 m/s 則有： d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中 T0為計(jì)數(shù)器 T0 的計(jì)數(shù)值） 測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制 BCD 碼方式 LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。先定 義 一個(gè)延 時(shí)函數(shù) delays()，然后可用 for 語(yǔ) 句循 環(huán) ，并且循 環(huán) 一次同 時(shí) 改 變 方波 輸 出口的 電 平高低，從而 產(chǎn) 生方波。 軟 件 編 程部分， 給 出了整個(gè)程序的思路以及程序流程 圖 。流體中的聲波常稱 為壓縮 波或壓強(qiáng) 波， 對(duì) 一般流體媒 質(zhì) 而言，聲波是一 種縱 波， 傳 播速度 為 C = ( E /? )2 （式 41） 式 41中 ,E為 媒質(zhì)的 彈性模量， 單 位 kg/mm2； ρ 為 媒 質(zhì) 的密度， 單 位 kg/mm3； E為復(fù) 數(shù)，其虛數(shù)部分代表 損 耗 ； c 也是 復(fù) 數(shù)，其 實(shí) 數(shù)部分代表 傳 播速度，虛數(shù)部分 則與衰減常數(shù) (每單 位距離 強(qiáng) 度或幅度的衰減 )有 關(guān) ， 測(cè) 量后者可求得媒 質(zhì) 中的 損 耗。相 對(duì) 而言， 單 片機(jī)的 時(shí)間 分辨率 還是太高，如晶振 頻 率 為 12MHz 時(shí) ， 時(shí)間 分辨率 為 1μ s。 如采用芯片 計(jì)時(shí) 器， 計(jì)時(shí) 器的 計(jì) 數(shù) 頻 率越高， 則時(shí)間 量化 誤 差造成的 測(cè) 距 誤 差就 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 19 頁(yè) 共 34 頁(yè) 越小。 由 LM92 溫度 傳 感器和 單 片機(jī) 組 成的高精度超聲波 測(cè) 距已 應(yīng) 用在各 種 高精度 測(cè) 距的 場(chǎng) 合，如自 動(dòng) 氣象站中水氣日 蒸 發(fā) 量的 測(cè)試 、自 動(dòng) 任意形狀物體密度 測(cè)試儀 等，它具有 測(cè)試 速度快，能達(dá)到毫米 級(jí) 的 測(cè) 量精度等 優(yōu) 點(diǎn)，在工程上的 開(kāi)發(fā) 與 應(yīng) 用前景廣 闊 。 了解了超聲波傳感器的原理 ,學(xué)會(huì)了各種放大電路的分析 ,設(shè)計(jì) ,也掌握了單片機(jī)的開(kāi)發(fā)過(guò)程和利用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路的方法 。 這些對(duì)我今后的學(xué)習(xí)和工作都會(huì)有很大幫助的 。 給出了硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案 。若采用外部硬件 計(jì)時(shí)電 路， 則計(jì) 數(shù) 頻 率可 直接引用 單 片機(jī)的晶振 頻 率， 時(shí)間 量化 誤 差更小 。提高 測(cè) 距精度的方法上 節(jié) 分析了超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng)誤 差 產(chǎn) 生的一些原因，如何提高 測(cè) 量精度是超聲 測(cè) 距的 關(guān)鍵 技 術(shù) 。 從式 (41)可知，聲波 傳輸 速度與媒介的 彈 性模量和密度相 關(guān) ，因此，利用聲速測(cè) 量距離，就要考 慮這 些因素 對(duì) 聲速影響。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。在中斷程序中，先 讓 定 時(shí) 器停止 計(jì) 數(shù)，然后讀 取 時(shí)間 ，通 過(guò)時(shí)間計(jì) 算出所 測(cè) 距離， 輸 出 結(jié) 果。 主程序框圖如 圖 34所示 ： 圖 34 主程序框圖 超聲波發(fā)生子程序和超聲波接收中斷程序 超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò) 2個(gè)左右的超聲波信號(hào)頻率約40KHz的方波，脈沖寬度為 12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 T0打開(kāi)進(jìn)行計(jì)時(shí)。實(shí)驗(yàn)證明其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。 軟件部分 主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分?？捎卸?種 方法 產(chǎn) 生超聲波，其中最 簡(jiǎn)單 的方法就是用直接敲 擊 超聲波振子，但 這種 方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。 發(fā) 送器常使用 直徑 為 15mm左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的 電 振 動(dòng) 能量 轉(zhuǎn)換為 超聲波能量并向空中 輻 射。若被 檢測(cè) 物體不是平面形狀， 實(shí)際 使用超聲波 傳 感器 時(shí) 一定要確 認(rèn) 是否能 檢測(cè) 到被 測(cè)物體。 MA40S2R/S 傳 感器的 發(fā) 送與接收的靈敏度都是以 標(biāo) 稱 頻 率 為 中心逐 漸 降低， 為此， 發(fā) 生超聲波 時(shí) 要充分考 慮 到 這 一點(diǎn)以免逸出 標(biāo) 稱 頻 率。 采用雙晶振子的超聲波 傳 感器 ,若在 發(fā) 送器的雙晶振子 (諧 振 頻 率 為 40kHz)上施加 40kHz 的高 頻電壓 ， 壓電 陶瓷片就根據(jù)所加的高 頻電壓 極性伸 長(zhǎng) 與 縮 短，于是就能發(fā) 送 40kHz 頻 率的超聲波。由于相斥的作用， 壓電 陶瓷在厚度方向上 縮 短，在 長(zhǎng) 度方向上伸 長(zhǎng) 。另外，超聲波在空氣中 傳 播的速度 較 慢，約為 330m/s， 這 就使得超聲波 傳 感器使用 變 得非常 簡(jiǎn)單 。 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(lái)工作的。 基于 CPLD 的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng) 這種測(cè) 距系 統(tǒng) 采用 CPLD(Complex Programmable Logic Device)器件，運(yùn)用HDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware DescriptionLanguage)編 寫(xiě)程序，使用 MAX+plusII 軟 件 進(jìn) 行 軟 硬件 設(shè)計(jì) 的仿真和 調(diào)試 ，最 終實(shí)現(xiàn)測(cè) 距功能。 圖 21 超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 3 頁(yè) 共 34 頁(yè) 電 路的 輸 出端接 單 片機(jī)的外部中斷源 輸 入口。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車(chē)的倒車(chē)?yán)走_(dá)、機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè) 現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。 本 課題詳細(xì) 介 紹 了超聲波 傳 感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的 AT89C51 單 片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波 測(cè) 距的原理的基 礎(chǔ) 上，指出了 設(shè)計(jì)測(cè) 距系 統(tǒng) 的思路和所需考 慮 的 問(wèn)題 ， 給 出了以 AT89C51單 片機(jī) 為 核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字 顯 示超聲波 測(cè) 距 儀 的硬件 電 路和 軟 件 設(shè)計(jì) 方法。 課題主要內(nèi)容 通 過(guò) 上 節(jié) 介 紹 我 們 知道，以 單 片機(jī) 為 核心的超聲波 測(cè) 距系 統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單 、方便，而且 測(cè) 精度能達(dá)到工 業(yè) 要求。 2 系統(tǒng)概述 超聲波測(cè)距儀的原理 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)。超聲波波 經(jīng) 反射物反射回來(lái)后，由 傳 感器接收端接收，再 經(jīng) 接收 電 路放大、整形，控制 單 片機(jī)中斷口。 超聲波的介紹 超聲波的應(yīng)用 超聲波是頻率高于 20210 赫茲的聲波 ,它方向性好 ,穿透能力強(qiáng) ,易于獲 得較集 淮陰工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) （論文） 第 5 頁(yè) 共 34 頁(yè) 中的聲音 ,在水中傳播距離遠(yuǎn) ,可用于測(cè)距 ,測(cè)速 ,清洗 ,焊接 ,碎石 , 殺菌消毒等 .在醫(yī)學(xué) ,軍事 ,工業(yè) ,農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用 . .超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短 ,具有較好的方向性 ,而且 能透過(guò)不透明物質(zhì) ,這一特性已被廣泛用于超聲波探傷 ,測(cè)厚 ,測(cè)距 ,遙控 和超聲波成像技術(shù) .超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi) 部形象的技術(shù) . 把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上 ,從試樣透出的超聲 波攜帶了被照部位的信息 (如對(duì)聲波的反射 ,吸收和散射的能力 ) ,經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上 ,所得電信號(hào)輸入放大器 ,利用掃描系統(tǒng)可把不透明 試樣的形象顯示在熒光屏上 . .利用超聲的機(jī)械作用 ,空化作用 ,熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng) ,可 進(jìn)行超聲焊接 ,鉆孔 ,固體的粉碎 ,乳化 ,脫氣 ,除塵 ,去鍋垢 ,清洗 , 滅菌 ,促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等 ,在工礦業(yè) ,農(nóng)業(yè) ,醫(yī)療等各個(gè)部 門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用 . .超聲波作用于介質(zhì)后 ,在介 質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過(guò)程 ,聲弛豫 過(guò)程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過(guò)程 ,并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收 超聲波的發(fā)展 一 、 國(guó)際方面 : 自 19 世紀(jì)末到 20 世紀(jì)初 , 在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之 后 ,人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法 ,從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與 推廣超聲技術(shù)的歷史篇章 . 1922 年 ,德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專(zhuān)利 . 1939 年發(fā)表了有關(guān)超聲波治療取得臨床效果的文獻(xiàn)報(bào)道 . 40 年代末期超聲治療在歐美興起 ,直到 1949 年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué) 超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議 上 ,才有了超聲治療方面的論文交流 ,為超聲治療學(xué)的發(fā)展 奠定了基礎(chǔ) .1956 年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表 , 超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段 . 二 、 國(guó)內(nèi)方面 : 國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚 , 20 世紀(jì) 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開(kāi) 于 展超聲治療工作 ,從 1950 年首先在北京開(kāi)始用 800KHz 頻率的超聲治療機(jī) 治療多種疾病 ,至 50年代開(kāi)始逐步推廣 ,并有了國(guó)產(chǎn)儀器 .公開(kāi)的