【正文】 硬件電路來。對超聲波料位計來說，所需測量的距離一般為零點幾米到幾十米遠，因此測距傳感器的測量范圍一般都包含在這個范圍。磁場的變化引起特定導(dǎo)體兩端電壓的變化，根據(jù)這個原理可實現(xiàn)對距離的測量。電容式傳感器只能用來檢測很短的距離，一般僅為幾個毫米，超過這個距離，傳感器的靈敏度將急劇下降 。它的測量原理是基于測量原理是基于測量渡越時間，即測量從發(fā)射換能器的超聲波，經(jīng)目標(biāo)反射后，沿原路返回到接收換能器所需的時間。有些壓電材料不僅具有壓電效應(yīng)，而且還具有反壓電效應(yīng)。當(dāng)換能器的環(huán)境溫度升到居里點溫度 (臨界溫度 )時，電疇結(jié)構(gòu)解體，材料不再具有壓電性能，所以必須采用一定的冷卻系統(tǒng)，才能使之用于高溫環(huán)境。其原理為 :檢測從發(fā)射換能器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收換能器的時間，即渡越時間。因為這種方式是將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭置于兩處，沒有反射波可以被接收到，這樣使得超聲波在介質(zhì)中的傳播時間不易被準(zhǔn)確測出，所以，這種方式一般不被用來測 距。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，因此，主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。為 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法 。電容 C C2平衡 F3和 F4的輸出，使波形穩(wěn)定。 T4016兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由 T4016作為換能器發(fā)出 40kHZ的超聲波信號。振蕩信號分別控制由 YF YF3組成的差相驅(qū)動器工作，當(dāng) YF3輸出高電平時，YF4一定輸出低電平； YF3輸出低電平時， YF4輸出高電平。發(fā)射超聲波信號大于 8m。如圖 所示 :電路中，由 VT VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng) VT 4每導(dǎo)通 一次（發(fā)射機工作一次），觸發(fā)信號經(jīng) C C8 向雙穩(wěn)電路送進一個觸發(fā)脈沖， VT VT 6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng) VT 6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時， VD5截止， VT7截止，繼電器 K 釋放； 當(dāng)再來一個觸發(fā)信號時， VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)， VD5導(dǎo)通， VT 7導(dǎo)通，繼電器 K 吸合。電路不需調(diào)試即可工作。+V T1 9 0 1 3 2V T2V T3 9 0 1 8V T4 9 0 1 5( 3 V )V T5 9 0 1 3+ 3 VG N DV D1I N 4 1 4 8V D2I N 4 0 0 1 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 3 單片機基本單元結(jié)構(gòu)與操作原理 3． 1 定時器 /計數(shù)器的基本結(jié)構(gòu)與操作方式 3． 1． 1 定時器 /計數(shù)器的基本組成 圖 89C51 中定時器 /計數(shù)器的基本組成 89C51 中有兩個 16 位的加計數(shù)定時器 /計數(shù)器 T0、 T1，其組成入圖 所示。 C/T：計數(shù) /定時方式選擇。 TR1：定時器 /計數(shù)器 T1 運行控制位。 IT1：外中斷 1 觸發(fā)類型選擇位。 3． 1． 3 定時器 /計數(shù)器的工作方式 圖 方式 0 時 T0、 T1 的結(jié)構(gòu)圖 定時器 /計數(shù)器的工作方式有以下四種： (1) 方式 0 當(dāng) TMOD 中的 M0=0， M1=0 時，為 13 位計數(shù)或定時方式，其中 TLi 使用低 5位，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 方式 3時 T0的結(jié)構(gòu)圖 3． 2 中斷系統(tǒng)的基本原理與操作方式 89C51 中斷系統(tǒng)有五個中斷源，其中有兩個外部中斷源、兩個定時中斷和一個串行中斷，每個中斷源都可以選擇兩個優(yōu)先級。 (1) 串行口控制寄存器 SCON SCON 為可位尋址寄存器，直接地址為 98H，其各位如下： SM0 SM1 SM2 REN TB8 RB8 TI RI TI：發(fā)送中斷標(biāo)志。溢出時自動置 1，中斷響應(yīng)后自動復(fù)位，也可用軟件復(fù)位。 IT0=0 時為電平觸發(fā)， IT1=1 時為下降沿邊沿觸發(fā)。 (4) 中斷優(yōu)先級管理寄存器 IP IP 為可位尋址寄存器，直接地址為 B8H，用來設(shè)定優(yōu)先級別。 PT0、 PT1：定時器 /計數(shù)器溢出中斷優(yōu)先級擇位。當(dāng) EA=1 時， CPU 開放中斷。 CPU 響應(yīng)中斷后自動復(fù)位。 TI只能由程序清零。 （ 2） 中斷源：能產(chǎn)生中斷的外部事件和內(nèi)部事件叫中斷源。 圖 方式 1 時 T0、 T1 的結(jié)構(gòu)圖 T L i( 5 位 ）T h i( 8 位 ）1 / 1 2f o s cT F i 中 斷 請 求+T i 引 腳G A T EI N T iT R iC / T = 0C / T = 1T L i( 8 位 ）T h i( 8 位 ）1 / 1 2f o s cT F i 中 斷 請 求+T i 引 腳G A T EI N T iT R iC / T = 0C / T = 1 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 (3) 方式 2 當(dāng) TMOD 中的 M0=1， M1=1 時，為 8位自動重裝初值計數(shù)或定時方式，其結(jié) 構(gòu)如圖 所示。 IE0：外中斷 0中斷請求標(biāo)志位。 TF0：定時器 /計數(shù)器 T0 溢出標(biāo)志。 GATE：控制方式選擇。 (2) 計數(shù)輸入可選擇振蕩器的 12 分頻計數(shù)，也可從端口 Ti 對外部脈沖計數(shù)。經(jīng)實測，配合相應(yīng)的發(fā)射機，遙控距離可達 8m 以上。調(diào)試時，在 a點與 +6V（電源）之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無反應(yīng)，請檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。原理圖如圖 ： R25 1 0T 4 0 1 6Y F1C11 0 0 μ+9 VSR15 . 1 Kamp。電路中 YF1~YF4采用高速 CMOS電路 74HC00四與非T 4 0 1 6V D1I N 4 1 4 8V T1 9 0 1 3 2V T2C11 0 0 μ++9 VSR15 . 1 KC2 2 7 0 0L15 . 1 m H 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 門電路，該電路特點是輸出驅(qū)動電流大（大于 15mA），效率高等。本電路適應(yīng)電壓較寬（ 3~12V），且頻率不變。電路工作電壓 9V，工作電流約 25mA。電源用 9V疊層電池。 所以 列出了幾種不同溫度下的波速 ,請看表 所示。由 CCD(電荷禍合器件 )攝像機接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機光學(xué)特點計算出激光反射角。利用超聲波在兩種不同介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射的原理而工作。當(dāng)接收器直接收到發(fā)送器的超聲波信號時，認為被測物體不存在 。使用的探頭是多晶壓電陶瓷型，機械強度高，能耐溫耐濕，而且具有較高的能量轉(zhuǎn)化效率。若在圖 (a)所示的已經(jīng)磁化的壓電陶瓷上施加如圖 (b)所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。 （ 2）從材料上來看： 超聲波檢測設(shè)備中所使用的傳感器稱為超聲波傳感器。 ③ 紅外和光電傳感器 這類測距傳感器是依靠紅外線或是其它不可見光的直線傳播特性。檢測信號 (電壓、電流等 )與被測量 (距離 )之間不是線性的對應(yīng)關(guān)系 。 電磁感應(yīng)測距傳感器的核心由線圈和永久磁鐵構(gòu)成，當(dāng)傳感器遠離或靠近鐵磁性材料時，會引起永久磁鐵磁力線的變化，從而在線圈中產(chǎn)生電流。 現(xiàn)在超聲波料位計已經(jīng)普遍應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中，其在工業(yè)領(lǐng)域的重要性越來越得到體現(xiàn)，因此我們進行這個課題的研究，對以后的工作會有很大的幫助，我們發(fā)現(xiàn)硬件方面的設(shè)計不是很難，主要是軟件設(shè)計，尤其是編程，我對這方面沒多大把握，但是我們只是設(shè)計一個在實驗室演示的超聲波測距器，所以對環(huán)境的要求會低一點，我認為在規(guī)定的時間內(nèi)此方案是可以完成的。 意大利的 Carullo等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來獲得好的回波包絡(luò)，同時采用對環(huán)境的噪聲進行估測，設(shè)置一定的回波開門電平，且采用自動增益的控制放大器，通過這些措施來提高超聲波的探測精度。 1． 4． 3 超聲波測距的發(fā)展現(xiàn)狀 超聲波測距雖然被大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，但它在低信噪比下測距精度較低，多個超聲波測距條件下會產(chǎn)生相互影響，另外測距的盲區(qū)較大，這些固有的特點也限制其進一步廣泛應(yīng)用國外在提高超聲波測距性能方面做了大量的研究，國內(nèi)一些學(xué)者也做了相關(guān)研究。利用超聲波在固體里傳播的時間確定物體的長度以及超聲波在固體里遇到障礙物界面上的反射來確定物體內(nèi)部 損傷 (如裂縫、氣孔及雜質(zhì)等 )位置，稱之為無損探傷。其測量方式很多，不僅能夠定點測量，還能實現(xiàn)連續(xù)測量，而且還能提供遙控、遙測所需的信號。超聲波在傳播時，隨著被介質(zhì)吸收、散射和擴散，能量不斷降低。在媒質(zhì)阻抗率差值不太大時，即使反射的強度只有原來強度的萬分之一，但由于入射超聲波的強度一般很高，反射波仍然可以測量出來。聲波在液體和固 體中的聲速比在氣體中的聲速大。 1． 3． 3 超聲波的產(chǎn)生和特性 超聲波發(fā)生器分為機械型和機電型兩大類，現(xiàn)在用的超聲波傳感器大多數(shù)是機電型的 .機電型超聲波發(fā)生器利用三種物理現(xiàn)象 :磁致伸縮、壓電效應(yīng)、電致伸縮。質(zhì)點的振動介于縱波與橫波之間，沿表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波。它的頻率越高，就越與光波的某些特性 (如反射、折射等 )相 似。料位計在液面測量和容積較小的煤倉使用中數(shù)值比較精確 ， 容積較大的煤倉的測量可選擇多個點進行測量通過計算可得出比較準(zhǔn)確的數(shù)值。 Keyword ： Ultraaudible sound ， SingleChip Microputer ，ranging technique 目 錄 1 緒論 .........................................................1 1． 1 引言 ....................................................1 1． 2 單片機簡介 ..............................................1 1． 3 超聲波產(chǎn)生和特性 ........................................2 1． 3． 1 超聲波的定義 .......................................2 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 1． 3． 2 聲波的波型 .........................................2 1． 3． 3 超聲波的產(chǎn)生和特性 .................................3 1． 4 超聲波測距技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用 ..........................4 1． 4． 1 超聲波測距的優(yōu)勢 ...................................4 1． 4． 2 超聲波測距的應(yīng)用 ...................................5 1． 4． 3 超聲波測距的發(fā)展現(xiàn)狀 ...............................6 1． 5 本論文的主要研究內(nèi)容及可行性分析 ........................7 2 超聲波測距原理 ...............................................8 2． 1 超聲波測距傳感器 ........................................8 2． 1． 1 超聲波測距傳感器的工作原理 .........................8 2． 1． 2 超聲 波測距傳感器的分類和選擇 .......................8 2． 1． 3 超聲波測距傳感器的探測方式 ........................12 2． 1． 4 超聲波傳感器頻率的選擇 ............................13 2． 2 超聲波測距原理 .........................................13 2． 2． 1 常見的測距法 ......................................13 2． 2． 2 超聲波測距基本原理 ................................13 2． 3 幾種常見的 40kHZ 超聲波發(fā)射和接收電路 ...................14 3 單片機基本單元結(jié)構(gòu)與操作原理 ................................21