【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 超聲波；測(cè)距；單片機(jī) XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） Abstract With the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar，range finder and level measurement and so of the strong point of ultrasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus i t is practical and significant to measure distance by ultrasonic. In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the theory is based on the principles of reflection of ultrasonic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosonic spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display module. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get the disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 2 cm。 Key Words ： Ultrasonic ； Distance measurement ； Microcontroller XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 課題的研究背景 超聲波測(cè)距作為一種典型的非接觸測(cè)量方法，在很多場(chǎng)合，諸如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺識(shí)別等方面得到廣泛的應(yīng)用。和其他方法相比，如激光測(cè)距、微波測(cè)距等，由于聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無線電波的傳播速度，對(duì)于時(shí)間測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)小于激光測(cè)距、微波測(cè)距等系統(tǒng)，因而超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低，且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響，在各種場(chǎng)合均得到廣泛應(yīng)用。然而超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用也有很多局限性，這都影響了超聲波測(cè)距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測(cè)量距離的不同，造成回波信號(hào)的起伏，使回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過程中被極大地展寬，影響了測(cè)距的分辨率，尤其是對(duì)近距離的測(cè)量造成較大的影響。其他還有一些因素，諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響，這些因素都限制了超聲波測(cè)距在一些對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用，如何解決這些問題，提高超聲波測(cè)距的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。 研究的目的和意義 超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流和無線電測(cè)距方法相比， 具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。但由于超聲波傳播聲時(shí)難于精確捕捉，溫度對(duì)聲速的影響等原因，使得超聲波測(cè)距的精度受到了很大的影響，限制了超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求更高的場(chǎng)合下的應(yīng)用。 距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù)，測(cè)距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問題。而由于超聲波的速度相對(duì)光速小的多，其傳播時(shí)間比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利 用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以它就能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡劣的情況下使用。比如要測(cè)量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 超聲波測(cè)距是一種極有潛力的方法，本文結(jié)合超聲波的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 超聲測(cè)距系統(tǒng)。 研究的主要內(nèi)容 本課題主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng) ,由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差，最 終計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。 課題研究方案是根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用單片機(jī)作為主控制器，控制超聲波的接收和發(fā)射，并用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成因?yàn)椴煌某暡òl(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，本設(shè)計(jì)要進(jìn)行近距離測(cè)量，所以選用利用電氣方式產(chǎn)生超聲波的超聲波發(fā)生器 — 壓電式超聲波換能器。 XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理 超聲波概述 聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對(duì)聲音早有認(rèn)識(shí)，在人們的日常生活中存在 著各式各樣的聲音。在科學(xué)史上，聲學(xué)是發(fā)展最早的學(xué)科之一。然而，由于超聲是人耳聽不到的信號(hào)，直到 18 世紀(jì)，人們才開始研究海豚、蝙蝠等動(dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界存在超聲。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳的頻率極限時(shí)，人們就覺察不出聲的存在，我們稱這種高頻率的聲為超聲。頻率高于人類聽覺上限頻率 (約 20210Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|(zhì)的聲速。它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距 離，與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于液體介質(zhì)，只能傳播縱波。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關(guān)系。 聲速是隨著介質(zhì)及其狀態(tài) (如溫度 )的不同而不同。如在常溫下，空氣中的聲速約為334m/s，在水中的聲速約為 1440m/s，而在鋼鐵中約為 5000m/s。除水以外，大部分液體的聲速隨溫度的升高而增加。 流體中的聲速隨壓力的增加而增加。聲速與介質(zhì)的許多特性有關(guān)，有的關(guān)系非常直接，可有精確的理論公式，有的關(guān)系比較間接而復(fù)雜，但在特定條件下，也可建立一些經(jīng)驗(yàn)公式，例如介質(zhì)的成分、混合物的比例、溶液的濃度、某些 液體的比重等，都可以與聲速建立一定關(guān)系，這樣就可以通過聲速來測(cè)定這些特性參數(shù)。由于介質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)和流速等狀態(tài)參量的變化都會(huì)引起響應(yīng)的聲速變化，因此出現(xiàn)了超聲溫度計(jì)和超聲流量計(jì)等。在聲速已知的介質(zhì)中，可以利用身波傳播距離 L和傳播時(shí)間 t的關(guān)系 L=vt，進(jìn)行超聲測(cè)距，超聲液位計(jì)和超聲測(cè)厚計(jì)就是這方面的典型應(yīng)用。 聲阻抗是當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。 由物理學(xué)可知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射 時(shí)，入射角的正弦之比等于波速之比，當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，波速相同，入射角度等于反射角。當(dāng)波在界面處生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速與折射波在第二介質(zhì)中的波速之比。超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。聲阻抗定義為傳聲介質(zhì)的密度ρ與聲速 c的乘積，用 Z表示。它是介質(zhì)固有的一個(gè)常數(shù)，它的數(shù)值對(duì)超聲波在介質(zhì)中的傳播非常重要，單位為瑞利XX 理工 大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） (rayl)。 超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的衰減，其產(chǎn)生原因可分為三個(gè)方面 : (1)由于波前的擴(kuò)展而產(chǎn)生的能量損失； (2)超聲波在介質(zhì)中的散射而產(chǎn)生的能量損失，即散射衰減； (3)由于介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。 壓電式超聲波傳感器原理及特性 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭 [ 4]。壓電式超聲波傳感器如圖 。 圖 2,1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖 壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換器件。超聲換能器的 種類很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。目前壓電式換能器的理論研究和實(shí)際應(yīng)用最為廣泛，本文超聲波測(cè)距選用的也是壓電式超聲波換能器。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)是指將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)壓