【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 超聲波簡(jiǎn)介 超聲波是指頻率高于 20KHz的聲波，它因其頻率下限大約等于人耳的聽(tīng)覺(jué)上限而得名，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)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透性很強(qiáng)，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，可以穿透幾十米的深度，碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射回波，碰到活動(dòng)的物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播，在一定的距離內(nèi)沿直線傳播，具有良好的束射性，能量消耗緩慢，易于獲得較集中的聲能，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)。 超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī) 械及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)之一。超聲波有兩個(gè)主要應(yīng)用：一是用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱超聲功率，例如在液體中發(fā)生足夠大的能量，產(chǎn)生空化作用，能用于清洗、乳化；二是用超聲波得到若干信息，獲得通信應(yīng)用，稱檢測(cè)超聲波用超聲波在介質(zhì)中的脈沖反射對(duì)物體間的距離進(jìn)行測(cè)量稱超聲測(cè)距。 超聲波測(cè)距是一門成熟的高新技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。 超聲波傳感器 超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，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，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或者超聲探頭。當(dāng)處于發(fā)射狀態(tài)時(shí)，外加共振頻率的電壓能產(chǎn)生超聲波，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)處于接收狀態(tài)時(shí)，又能很靈敏地探測(cè)到共振頻率的超聲波，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。 超聲 波探頭主要有其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片組成，也是其核心，既可反射超聲波，也可以接收超聲波。按結(jié)構(gòu)可分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、雙探頭（一個(gè)探頭發(fā)射、一個(gè)探頭接收）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、表面波探頭（表面波）等。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 超聲波探頭的性能取決于構(gòu)成晶片的材料、晶片的大小等方面。其主要性能指標(biāo)為： （ 1）工作頻率 即壓電晶片的共振頻率，當(dāng)晶片的共振頻率與加到它兩端的交流電壓的頻率相等時(shí)，輸出地能量最大，靈敏度也最高。 （ 2）工作溫度 由于診斷用超聲波探頭使用功率較小，而且壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，因此工作溫度也較低，可以保持不失效的長(zhǎng)時(shí)間工作。 （ 3）靈敏度 主要取決于制造晶片本身，機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度越高；反之，靈敏度低。 T/R40XX 系列超聲波傳感器是采用壓電效應(yīng)工作的傳感器，通常稱換能器，適用于以空氣作為傳播介質(zhì)的遙控發(fā)射、接收電路中適用，在實(shí)際生活中比較常用，分為發(fā)射和接收兩種，發(fā)射器型號(hào)為 T40XX，接收器型號(hào)為 R40XX。 T/R40XX 的外形尺寸及符號(hào)如圖 21 所示。 圖 21 T/R40XX 外形、尺寸及電路符號(hào) 表 21 為四種型號(hào)的 T/R40XX 的尺寸，使用時(shí)可以根據(jù)具體情況選用。 表 21 T/R40XX 外形尺寸 型號(hào) A(mm） B(mm） C(mm） D(mm） T/R4012 T/R4016 T/R4018A T/R4024A 表 22 為四種型號(hào)的 T/R40XX 的電氣參數(shù)。 表 22 T/R40XX 電氣參數(shù) 型號(hào) 升壓電平 接收靈敏度 工作頻率（ kHz） 帶寬（ kHz） 電容（ pF） 在 40kHz 時(shí) 發(fā)送 接收 T/R4012 112dB 最小值為 67dB （ 40177。1） kHz 最小5/100dB 最小5/75dB (2500177。25)% T/R4016 115dB 最小值為 67dB （ 40177。1） kHz 最小6/103dB 最小6/71dB (2500177。25)% 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 T/R4018A 115dB 最小值為 67dB （ 40177。1） kHz 最小6/103dB 最小6/71dB (2500177。25)% T/R4024A 115dB 最小值為 67dB （ 40177。1） kHz 最小6/100dB 最小6/71dB (2500177。25)% 超聲波發(fā)生器 超聲波發(fā)生器通常稱超聲波發(fā)生源或者超聲波電源，作用是把我們的市電轉(zhuǎn)換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號(hào)，主要分為自激式和他激式兩類，也可以分為電氣方式產(chǎn)生超聲波和機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波兩大類，電氣方式包括磁致伸縮型、電動(dòng)型和壓電型等，機(jī)械方式包括氣流旋笛、液哨和加爾統(tǒng)笛等。因?yàn)楦鞣N超聲波發(fā)生器所產(chǎn)生的超聲波的聲波特性、功率和頻率不同，所以用途也不同，截止到目前，壓電式超聲波發(fā)生器是較為常用的超聲波發(fā)生器。 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。如圖 22 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)所示，它有一個(gè)共振板和兩個(gè)壓電晶片，當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，且頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板震動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波，反之，兩極間未加外電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，接收超聲波。 圖 22 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 超聲波測(cè)距的基本原理 超聲波測(cè)距概述 超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)量量程能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米級(jí)。超聲波測(cè)距采用最現(xiàn)代化的信號(hào)處理技術(shù)，高性能聲波傳感器的運(yùn)用可以獲得可靠而精確的測(cè)量結(jié)果。 超聲波測(cè)距原理 單片機(jī)控制超聲波傳感器向某一方向發(fā)射出超聲波束，同時(shí)在發(fā)射時(shí)刻由計(jì)時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波束在空氣中傳播，遇到障礙后返回，超聲波接收器收到反射波束后，計(jì)時(shí)器立即停止計(jì)時(shí)，此時(shí)單片機(jī)根據(jù)兩次計(jì)時(shí)的時(shí)間差和超聲波在空氣中的傳播速度就可以計(jì)算出障礙物距離超聲波傳感器的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的 測(cè)距的公式為： L=CT/2 （公式 21） 式中 L為測(cè)量距離的長(zhǎng)度， C 為超聲波在空氣中的傳播速度 340m/s， T 為兩次計(jì)時(shí)的時(shí)間差。 超聲波測(cè)距原理如圖 23 所示。 圖 23 超聲波測(cè)距原理圖 超聲波測(cè)距的工作方式 相位檢測(cè)法 相位檢測(cè)法是測(cè)量返回波和發(fā)射波之間相差多少個(gè)相位來(lái)計(jì)算距離，包括過(guò)零法、相關(guān)分析法、快速檢測(cè)法等，檢測(cè)精度高，但檢測(cè)范圍有限，且電路復(fù)雜，在信號(hào)采集、信 號(hào)變換、和控制等方面有重要意義。 L 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 聲波幅值檢測(cè)法 聲波幅值檢測(cè)法是測(cè)量回波幅度的大小來(lái)計(jì)算距離，電路簡(jiǎn)單，成本低，但易受反射波的影響，測(cè)量精度低。 渡越時(shí)間檢測(cè)法 渡越時(shí)間檢測(cè)法是檢測(cè)從超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波束開(kāi)始，經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收回波之間的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間。工作方式簡(jiǎn)單、直觀，電路簡(jiǎn)單易懂，測(cè)量距離和精度都不錯(cuò)，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都非常容易實(shí)現(xiàn)。 本文的設(shè)計(jì)就是應(yīng)用的渡越時(shí)間檢測(cè)法。在倒車的過(guò)程中超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波束，經(jīng)過(guò)空氣的傳播和障礙物的反射，超聲波發(fā)生器接收超聲波束的 反射信號(hào)，通過(guò)發(fā)射和接收超聲波束的時(shí)間差及超聲波的傳播速度來(lái)計(jì)算距障礙物的距離。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 第三章 方案設(shè)計(jì)與論證 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)要求 在汽車掛倒檔后，單片機(jī)控制超聲波發(fā)生器發(fā)出超聲波束，經(jīng)過(guò)空 氣的傳播后碰上障礙物反射回來(lái)，超聲波發(fā)生器接收到反射回波后，單片機(jī)根據(jù)發(fā)射和接收兩次計(jì)時(shí)計(jì)算時(shí)間差，同時(shí)結(jié)合超聲波在空氣中的傳播速度計(jì)算出距障礙物的距離，經(jīng)過(guò)數(shù)碼管顯示，提醒駕駛員不要碰上障礙物。 設(shè)計(jì)的電路做成產(chǎn)品后能正常工作，精度在允許的范圍內(nèi)，滿足駕駛員的實(shí)際需求，同時(shí)成本在消費(fèi)者的接受范圍內(nèi)，以免價(jià)格過(guò)高導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)人問(wèn)津。 系統(tǒng)的總體原理框圖 圖 31 系統(tǒng)的總原理體框圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的論證 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)汽車倒車測(cè)距并通過(guò)語(yǔ)言功能提醒駕駛員注意安全，為了實(shí)現(xiàn)這些功能，需要多方面結(jié)合，主要是超聲波發(fā)射和接收、距離計(jì)算、顯示報(bào)警等方面的結(jié)合。從設(shè)計(jì)全局來(lái)看，整個(gè)系統(tǒng)最核心的部分就是距離的測(cè)量，其他幾個(gè)方面都是圍繞距 障礙物 超聲波發(fā)生器 超聲波接收器 AT69C51 單片機(jī) 距離計(jì)算 計(jì)時(shí)器 數(shù)碼顯示 語(yǔ)音報(bào)警 倒車檔 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 離測(cè)量進(jìn)行展開(kāi)，距離測(cè)量的核心部分是超聲波測(cè)距傳感器，選擇合適的傳感器經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理才能保證需要的精度。 超聲波傳感器一般要在頻率為 40kHz時(shí)有最大的震蕩，超聲波才具有更大的能量，能傳的更