【文章內(nèi)容簡介】 波診斷、超聲波治療等。超聲波在工業(yè)中可用來對材料進(jìn)行檢測和探傷，可以測量氣體、液體和固體的物理參數(shù)，可以測量厚度、液面高度、流量、粘度和 硬度等，還可以對材料的焊縫、粘接等進(jìn)行檢查。超聲波清洗和加工處理可以應(yīng)用于切割、焊接、噴霧、乳化、電鍍等工藝過程中。超聲波清洗是一種高效率的方法，已經(jīng)用于尖端和精密工業(yè)。大功率超聲可用于機(jī)械加工，使超聲波在拉管、拉絲、擠壓和鉚接等工藝中得到應(yīng)用。應(yīng)用在醫(yī)學(xué)中的超聲波診斷發(fā)展甚快，已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)上三大影象診斷方法之一，與 X 線、同位素分別應(yīng)用于不同場合，例如超聲波理療、超聲波診斷、腫瘤治療和結(jié)石粉碎等。在農(nóng)業(yè)中，可以用超聲波對有機(jī)體細(xì)胞的殺傷的特性來進(jìn)行消毒滅菌，對作物種子進(jìn)行超聲波處理，有利于種子發(fā)芽和作物增產(chǎn) 。此外超聲波的液體處理和凈化可應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中，例如超聲波水處理、燃油乳化、大氣除塵等。微波超聲的重點(diǎn)放在微波電子器件，已經(jīng)制成了超聲波延遲線、聲電放大器、聲電濾波器、脈沖壓縮濾波器等。 超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如：液位、井深、管道長度等場合。在機(jī)器人作為一種能代替人工作業(yè)的智能機(jī)器，有著廣泛的應(yīng)用前景的前提下，其關(guān)鍵技術(shù)取決于機(jī)器人失卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的精確于否。超聲波傳感器以其價(jià)格低廉、硬件容易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用用作測距傳感器，實(shí)現(xiàn)定位以及環(huán)境建模。超聲波測距作為輔助視覺 系統(tǒng)與其它視覺系統(tǒng)（如CCD 圖像傳感器）配合使用，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)視覺功能，具有自動(dòng)探測前方障礙物、自動(dòng)減速或剎車的功能，是未來高級小汽車和載重車輛必備的安全行駛輔助裝置。日本、美國和歐洲等各大汽車公司都已投入了相當(dāng)?shù)娜肆?、物力開發(fā)在高級汽車上使用的防撞與安全預(yù)警系統(tǒng)，包括毫米雷達(dá)、 CCD 攝像機(jī)、 GPS、和高檔微機(jī)等。 超聲波測距的原理 及誤差分析 .1 超聲波測距的原理 超聲波測距原理：超聲波發(fā)射器在 MCU 控制下由 B1 向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙 物立即返回來，測距系統(tǒng)在 B2 接收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。在標(biāo)準(zhǔn)情況下，超聲波在空氣中的 SXPI 6 傳播速度為 340m/s，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 S，即： S=340t/2，聲速確定后，要測得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離，這就是超聲波測距的基本原理。 障 礙 物SHθ超 聲 波接 收 電 路B 1B 2MCU控 制顯 示超 聲 波發(fā) 射 電 路 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(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達(dá) 原理是一樣的。 測距的公式表示為： L=C179。 T 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(shí)間差 (T 為發(fā)射到接收時(shí)間數(shù)值的一半 )。 超聲波測距主要應(yīng)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(dá)到百米，但測量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級。 由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為液體高度測量的理想手段。在精密的液位測量中需要達(dá)到毫米級的測量精度，但是目前國內(nèi)的超聲波測距專用集成電路都是只 有厘米級的測量精度。通過分析超聲波測距誤差產(chǎn)生的原因，提高測量時(shí)間差到微秒級，以及用 LM92 溫度傳感器進(jìn)行聲波傳播速度的補(bǔ)償后，我們設(shè)計(jì)的高精度超聲波測距儀能達(dá)到毫米級的測量精度。 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 L=C179。 T，可知測距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測量距離傳播的時(shí)間誤差引起的。 1）時(shí)間誤差 當(dāng)要求測距誤差小于 1mm時(shí)，假設(shè)已知超聲波速度 C=344m/s (20℃室溫 )，忽略聲速的傳播誤差。測距誤差 s△ t() ≈ 即 s。 在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時(shí)間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。使用的 12MHz 晶體作時(shí)鐘基準(zhǔn)的 89C51 單片機(jī)定時(shí)器能方便的計(jì)數(shù)到 1μ s 的精度，因此系統(tǒng)采用 89C51定時(shí)器能保證時(shí)間誤差在 1mm的測量范圍內(nèi)。 2）超聲波傳播速度誤差 超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： 式中： r — 氣體定壓熱容與定容 熱容的比值，對空氣為 ， R — 氣體普適常量， 178。 mol1178。 K1， SXPI 7 M— 氣體分子量，空氣為 179。 103kg178。 mol1， T — 絕對溫度， 273K+T℃。 近似公式為： C=C0+179。 T℃ 式中： C0 為零度時(shí)的聲波速度 332m/s； T 為實(shí)際溫度 (℃ )。 對于超聲波測距精度要求達(dá)到 1mm 時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度 0℃時(shí)超聲波速度是 332m/s, 30℃時(shí)是 350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為 18m/s。若超聲波在 30℃的環(huán)境下以 0℃的聲速測量 100m距離所引起的測量誤差將達(dá)到 5m，測量 1m誤差將達(dá)到 5mm。 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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。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。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測距的原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時(shí)間 差 tr，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C為超聲波波速。 限制該系統(tǒng)的最大可測距離存在 4 個(gè)因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計(jì)方法。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 整體電路的控制核心為單片機(jī) AT89C51。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證 測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接 OUT口實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、放大電路、比較震蕩電路、單片機(jī)電路、鍵盤輸入電路、電源電路、復(fù)位電路、顯示電路、溫度測量電路及溫度補(bǔ)償電路等幾部分模塊組成。超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 31 所 SXPI 8 單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲 波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用比較電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測得時(shí)間為 t，用溫度測量電路測量當(dāng)時(shí)的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。用復(fù)位電路重置系統(tǒng)后可進(jìn)行下一次測試。 單片機(jī) AT89C52 最小系統(tǒng) 單片機(jī)功能 AT89C52 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)．片內(nèi)含 8K byTES的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 256 byTES 。的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 8052 產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（ CPU ）和 FLASH由存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大 AT89C52 單片適用于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場合。 超聲波 接收電路 放大 電路 超聲波 發(fā)射電路 放大 電路 比較 電路 震蕩 電路 單片機(jī) AT89C51 鍵盤 輸入 復(fù)位 電路 溫度傳感器 DS18B20 電源 電路 4 位 LED 顯示器 R40超聲波傳感器 T40 超聲波傳感器 SXPI 9 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2 主要性能參數(shù)： 與 Mcs51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。 8 字節(jié)可重擦寫 FLASH 閃速存儲(chǔ)器 1000 次擦寫周期 全靜態(tài)操作： 0HZ24MHZ 三級加密程序存儲(chǔ)器 256X8 字節(jié)內(nèi)部 RAM 32 個(gè)可編程 I/0 口線 3 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器 8 個(gè)中斷源 可編程串行 UART 通 功耗空閑和掉電模式低 8字節(jié) FLASH 閃速存儲(chǔ)器， 256 字竹內(nèi)部 RAM , 32 個(gè) I/O口線， 3 個(gè) 16 位定時(shí)／計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)， AT89c52 可降至 OHz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電上作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)／計(jì)數(shù)器．串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所 有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位 . AT89C52 管腳說明 Vcc:電源電壓 GND:地 P0： P0口是一組 8位漏極開路型雙向 1/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)．每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口 P0 寫“ 1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。 SXPI 10 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部 上拉電阻。 在 FLASH 由編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字 節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口： PI 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， Pl 的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流 IIL 與 AT89C51 不同之處是， 和 還可分別作為定時(shí) /計(jì)數(shù)器 2 的外部計(jì)數(shù)輸入（ ）和輸入（ ) , 參見表 1 FLASH 編程和程序校驗(yàn)期間， Pl 接收低 8位地址。 表 1 和 的第二功能 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯電路。對端口 P2 寫“ l，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（ llt ）。 在訪問外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOvx@DPTR 指令）時(shí)， P2 送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、如執(zhí)行MOVX@RI 指令）時(shí)， P2口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。 FLASH 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 亦 接收高位地址和一些控制信號。 178。 P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL) . P3 口除了作為一般的 I/0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示： 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口〕 TXD（串行輸出口〕 INTO（外中斷 0〕 INTO（外中斷 l) TO （定時(shí)／計(jì)數(shù)器 0 ) Tl （定時(shí)／計(jì)數(shù)器 l ) WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） 178。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器 (地址為0000HFFFFH ) , EA 端必須保持低電平 (接地）．需注怠的是：如果加密位 LBI被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存 EA 端狀態(tài)。 如 EA 端為高電平（接 Vcc 端） , CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 VPP ，當(dāng)然這 必須是該 SXPI 11 器件是使用 12V 編程電壓 VPP 。 178。 XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端． 178。