【文章內(nèi)容簡介】 ），所以控制程序可采用C語言編程。超聲波測距儀主程序利用外中斷1檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（即INT0引腳出現(xiàn)低電平），立即進入中斷程序。進入中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。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T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。超聲波測距的算法設計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務子程序，讀取時間差，計算距離。第2章 系統(tǒng)的總體方案設計 系統(tǒng)設計內(nèi)容和功能本設計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制，I/O口輸出控制信號從NE555振蕩器輸入到CD4069驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。輸出由LED數(shù)碼管顯示，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關系，采用AT89C51單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設計出了能精確測量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試，采集當時的環(huán)境溫度獲得精確的速度，計算出液面距離。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。設計具體內(nèi)容：(1)AT89C51主控單元電路(2)超聲波發(fā)射電路(3)超聲波接收電路(4)溫度補償電路(5)報警及顯示電路 課題設計的任務和要求：(1) 測量距離范圍要求為≤ m； (2) 精度要求1 cm；(3) 有溫度補償；(4) 顯示方式為數(shù)碼管顯示；(5) 具有較強的抗干擾能力。(6) 盲區(qū)問題有一定的解決方法。 系統(tǒng)方案選擇為使基于單片機的超聲波液位測量控制系統(tǒng)具有較好的實用性，并且具有較高的性能/價格比，對該系統(tǒng)的硬件電路作了精心設計。該系統(tǒng)的硬件設計采用了模塊化的設計方法。按實現(xiàn)的功能來分可分為以下幾個部分。其中AT89C51 單片機是整個電路的核心，它控制其他模塊來完成各種復雜的操作。外圍電路包括溫度補償電路、超聲波發(fā)射及接收電路、報警及顯示電路等等。方案一:我們可以用NE555振蕩產(chǎn)生40KH的方波信號，它是基于硬件的基礎上，便于我們可以通過示波器觀察到40KH的方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于電路的檢測。方案二:我們可以通過單片機產(chǎn)生40KH的脈沖信號，在通過CD4069驅(qū)動，將40KH的脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，準確度比較高。經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設計是比較經(jīng)濟實惠而且比較方便，但方案二中的軟件設計使發(fā)射超聲波時間比較容易控制，而且超聲波的頻率準確度比較高，本設計要求測量精度在1cm以內(nèi)，在方案二中我們通過采用CX20106可以將信號進行放大和整形處理，在CX20106的5腳和7腳串聯(lián)一個200K的電阻可以將頻率穩(wěn)定在40KH。因此在本次設計中，我們選用的是方案二，以提高測量結(jié)果的準確度，并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機做計算和顯示。 系統(tǒng)總體方案的設計本設計基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由單片機、溫度檢測電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED顯示電路、報警電路等組成。本設計采用模塊化設計思想，以單片機AT89C51為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)。報警系統(tǒng)超聲波接收超聲波發(fā)送 AT89C51 單片機LED顯示溫度檢測555電路 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖 超聲波和超聲波傳感器科學家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為20～20000赫茲。當聲波的振動頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”。超聲波的兩個主要參數(shù)： 頻率：F≥20K/Hz； 功率密度：p=發(fā)射功率(W)/發(fā)射面積(cm2)。通常p≥。 在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物進行清洗，其原理可用“空化”現(xiàn)象來解釋：超聲波振動在液體中傳播的音波壓強達到一個大氣壓時，這時超聲波的音波壓強峰值就可達到真空或負壓，但實際上無負壓存在，因此在液體中產(chǎn)生一個很大的壓力，將液體分子拉裂成空洞—空化核。此空洞非常接近真空，它在超聲波壓強反向達到最大時破裂，由于破裂而產(chǎn)生的強烈沖擊將物體表面的污物撞擊下來。這種由無數(shù)細小的空化氣泡破裂而產(chǎn)生的沖擊波現(xiàn)象稱為“空化”現(xiàn)象。 太小的聲強無法產(chǎn)生空化效應。 一 、超聲波的特性 （1）超聲波可在氣體、液體、固體、固熔體等介質(zhì)中有效傳播。 （2）超聲波可傳遞很強的能量。 （3）超聲波會產(chǎn)生反射、干涉、疊加和共振現(xiàn)象。 （4）超聲波在液體介質(zhì)中傳播時，可在界面上產(chǎn)生強烈的沖擊和空化現(xiàn)象。二 、超聲波的特點（1）超聲波在傳播時，方向性強，能量易于集中。 （2）超聲波能在各種不同媒質(zhì)中傳播，且可傳播足夠遠的距離。 （3） 超聲波與傳聲媒質(zhì)的相互作用適中，易于攜帶有關傳聲媒質(zhì)狀態(tài)的信息（診斷或?qū)髀暶劫|(zhì)產(chǎn)生效應）。超聲波是一種波動形式，它可以作為探測與負載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時又是一種能量形式，當其強度超過一定值時，它就可以通過與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。 超聲波傳感器的主要應用超聲波傳感技術應用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其最主要的應用之一，下面以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在醫(yī)學上的應用主要是診斷疾病，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波診斷的優(yōu)點是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的準確率高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。超聲波診斷可以基于不同的醫(yī)學原理，我們來看看其中有代表性的一種所謂的A型方法。這個方法是利用超聲波的反射。當超聲波在人體組織中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質(zhì)界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。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。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多技術因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地安裝在不同的裝置上，“悄無聲息”地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結(jié)合起來，將出現(xiàn)更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。 超聲波傳感器測距原理超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。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(chǎn)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。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。 以超聲波作為檢測手段，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，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。一 、超聲波傳感器的性能指標超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不會失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。二、 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。如超聲波傳感器，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內(nèi)側(cè)。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。對應用于工業(yè)機器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達到1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動器的彎曲振動，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能達到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動模式的壓電陶瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。107kg/m2s，102kg/m2s。5個冪的差異會導致在壓電陶瓷振動輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹配層，可實現(xiàn)與空氣的聲阻抗相匹配。這種結(jié)構(gòu)可以使超聲波傳感器在高達數(shù)百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。 超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 超聲波液位測量示意圖 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=CT式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數(shù)量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。 超聲波發(fā)生器選擇超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設計采用反射波方式。測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應用低頻率的傳感器。一 、超聲波接收傳感器及處理芯片CX20106A超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路CX20106A，CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上二 、溫度傳感器的選擇大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償?shù)膯栴}。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測溫范圍為55℃～+150℃。A