【文章內容簡介】 應 工作 的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當的衰減，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 時應選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應用低頻率的傳感器。 在超聲波傳感器的采購過程中，所買到的是 TCT4010 系列超聲波換能器，其理論能測距的范圍是 4m，工作頻率為 40KHz。 在設計論證中期，將焊好的接收電路。供電，并用信號發(fā)生器產生最佳波形觸發(fā)發(fā)射探頭，用示波器及萬用表觀察輸出信號波形及測量芯片各引腳的電平。在此實驗MCU 單片機 控制器 穩(wěn)壓電源模塊 超聲波換能發(fā)生器 超聲波換能接收器 LED 數碼管顯示單元 報警指示 單元 驅動掃描 畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 7 頁 過程中，測得輸出腳的波形為近似標準的方波，能明顯看出下降沿，電平在有信號時為 ，無信號時為 。能夠正常觸發(fā)單片機的外部中斷。 經過以上實驗可以肯定，本方案可以實現超聲波測 距，并且在硬件和軟件上都可行。而且，由于單片機供電簡單，穩(wěn)定性好，其體積小，便于攜帶與安裝，所以完全可以放置于車內，通過車輛電瓶或者車載 USB 直接供電，其市場前景優(yōu)越。畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 8 頁 第 2 章 超聲波技術概述 超聲波是一種頻率高于人耳能聽到的頻率（ 20Hz～ 20KHz）的聲波 ，由于它可以通過機械震蕩產生，也屬于一種 機械波 ，但是 它在傳輸過程中 任 服從波的傳輸規(guī)律。超聲波在 介質 中保持直線行進；在兩種不同 介質 的界面處發(fā)生反射；傳播速度服從波的傳輸定理： ν ＝ λf （ ν 為波速， λ 為波長， f 為波的頻率）。為了以超聲波作為檢測手段，必須產 生和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲波換能 收發(fā) 器或超聲波探頭。超聲波傳感器是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉換成電信號。其上限頻率為 100KHz、下限頻率為 20KHz。 超聲波傳播的速度 超聲波的傳播速度是 指 超聲波在介質中傳播速度快慢的物理量，是與介質的彈性模量和密度相關的。不同的介質由于介質的彈性模量和密度不同，其聲速 也 不同。在固體介質中，影響聲速的主要因素有溫度、應力和材質及 成份的均勻性。一般情況下，隨著溫度的升高，介質的聲速降低；應力增加，速度增加，但增加緩慢；組織晶粒越大，速度越低；石墨含量增加和尺寸增加，聲速減少。 超聲波換能發(fā)生器發(fā)出的超聲波以速度 v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由換能接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 表 21 超聲波波速與溫度的關系表 超聲波的產生和使用頻率 聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質的質點在其畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 9 頁 平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質向四面八方傳播，這便是聲波。 超聲波是指振動頻率大于 20KHz 以上的 ,其每秒的振動次數（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（ 20KHz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲 波 本質上是一 致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質內會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內沿直線傳播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超聲 成像 所用的頻率范圍在 2~5MHz之間，常用為 3~（每秒振動 1次為1Hz， 1 兆 Hz=10^6Hz,即每秒振動 100 萬次，可聞波的頻率在 16~20KHZ 之間）。 超聲波在媒質中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聞聲 波 的規(guī)律并沒有本質上的區(qū)別。但是超聲波的波長很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聞聲 波 比較， 超聲波具有許多奇異特性：傳播特性 ── 超聲波的波長很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長大好多倍，因此超聲波的衍射本領很差，它在均勻介質中能夠定向直線傳播，超聲波的波長越短，這一特性就越顯著。功率特性 ── 當聲音在空氣中傳播時，推動空氣中的微粒往復振動而對微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的。 能夠產生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應方法、磁致伸縮效應方法、靜電效應方法和電磁效應方 法等。我們把能夠實現超聲能量與其他形式能量相互轉換的器件稱為超聲波換能器。 一般情況下，超聲波換能器既能用于發(fā)射又能用于接收。當工作頻率很低（在人的聽覺范圍內）就會產生噪音。當頻率低于 20KHz 時，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。在考慮到測距要有足夠的能量，通常選擇 40KHz 頻率的超聲波 [2]。 超聲波技術在距離測量中的應用 超聲測距是一種利用單片機控制超聲波的輪流發(fā)射，并且通過單片機記錄和讀取發(fā)射超聲波和接收回波的時間差，進而計算出測量的距離。由 于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物理定位儀等都可以通過超聲波來實現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 10 頁 算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面達到很高的要求。 目前超聲波測距已得到廣泛應用，國內一般使用專用集成電路根據超聲波測距原理設計各種測距儀器，但是專用集成電路的成本較高、功能單一。而以單片機為核心的測距儀器可以實現預置、多端口檢測、顯示、報警等多種功能，并且成本低、精度高、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠。本文主要論述了利用 S52 系列單片機實 現超聲波測距的原理以及實現的方法。該系統(tǒng)主要是利用超聲波探測傳感器發(fā)送超聲波來測試相對應的距離。工作時，超聲波發(fā)生器不斷的發(fā)出一系列連續(xù)的脈沖，并給單片機提供一個短脈沖。超聲波遇障礙物反射回來一個反射波，這個反射波被超聲波接收器收到，也向單片機提供一個短脈沖。最后由單片機裝置對接受信號依據時間差進行處理，自動計算出該設備與障礙物之間的距離。它不僅可以利用在車輛行駛輔助系統(tǒng)中，還可以單獨作為測距儀器或者與其他檢測設備結合使用。 隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。這是一個正在蓬勃發(fā)展而又 有無限前景的技術及產業(yè)領域。超聲波測距是一種極有潛力的測距方法，近距范圍內超聲測距有其不受光線影響，結構簡單，成本低等特點。超聲波測量的另一個突出優(yōu)點是：環(huán)境介質可以為空氣，液體或固體，適用范圍廣泛。更重要的是超聲波檢測降低了勞動強度，避免工人在惡劣工作環(huán)境下（高，低溫，強輻射等）受到傷害，還大大提高了測量精度，可靠性高；另外，超聲波測距還可以應用到其他的功能系統(tǒng)中，例如在機器人避障系統(tǒng)；移動機器人避障的超聲測距系統(tǒng)，智能機器人管家和簡易智能電動車自動避障系統(tǒng)；自動剎車系統(tǒng)和倒車雷達系統(tǒng)，液位測量系統(tǒng)中超聲 波測距也有其重要的應用。 超聲波傳感器基礎知識 超聲波 可以 由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動 而 產生，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，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。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。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，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 11 頁 是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器 ，或者超聲探頭。超聲波傳感器 正 是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。 超聲波傳感器的結構及原理 在本設計中，我們采用壓電效應實現超聲波信號與電信號的轉換，即壓電換能器，它是利用壓電材料的壓電效應實現超聲波的發(fā)射和接收。某些固體物質，在壓力（或拉力）的作用下產生變形，從而使物質本身極化，在物體相對的表面出現正、負束縛電荷，這一效應稱為壓電效應。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作。 圖 21 超聲波傳感器結構 如圖 21所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩級外加脈沖信號， 其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間為外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就是超聲波接收換能器了，超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結構上稍不同，使用時應分清器件上的標志。 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 [3]。 畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 12 頁 測距的公式表示為： s=vt/2 或 s=vT 式中 s 為測量的距離長度； v 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)射到接收時間數值的一半 )。 畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 13 頁 第 3 章 相關 知識介紹 單片機基礎知識 單片微型計算機簡稱單片機， 是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器 CPU、數據 存儲器 RAM、 程序 存儲器 ROM、 各種 I/O 端口 和 基本功能單元（ 定時器 /計數器 ）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的 微型 計算機系統(tǒng)。 特別適用于控制領域，故又稱為微控制器 (Microcontroller)。單片機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機種。單片機只需要與適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng) [4]。單片機內部結構如圖 31 所示。 圖 31 典型單片機內部結構示意圖 單片機的分類及發(fā)展 單片機的分類 A 單片機作為計算機發(fā)展的一個重要領域，根據目前的發(fā)展情況，從不同角度單片機大致可以分為通用型 /專用型、總線型 /非總線型及工控型 /家電型。 （ 1）通用型 /專用型 ： 中斷 內部總線 時鐘 OSC 中央處理器 CPU 程序存儲器 ROM 數據存儲器 RAM 各種 I/O 定時器 /計 數器 CTC 外部設備 畢業(yè)設計（論文）專用紙 第 14 頁 這是按單片機適用范圍來進行區(qū)分。通用型單片機不是為某種專門用途設計的；專用型單片機是針對一類產品甚至某一個產品設計生產的，例如為了滿足電子體溫計的要求，在片內集成 ADC 接口等功能的溫度測量控制電路。 （ 2）總線型 /非總線型 ： 這是按單片機是否提供并行總線來進行區(qū)分。總線型單片機普遍設置有并行地址總線、數據總線、控制總線，這些引腳用以擴展并行外圍器件都可通過串行口與單片機連接，另外，許多單片機已把所需要的外圍器件及外設接口集成于一單片內，因此在許多情況下可以不需要并行擴展總線，大大減省封裝成本和芯片體積，這類單片機稱為非總線型單片機。 （ 3）工控型 /家電型 ： 這是按照單片機大致應用的領域進行區(qū)分的。一般而言，工控型尋址范圍大，運算能力強；用于家電的單片機多為專用型，通常是小封裝、低價格，外圍器件和外設接口集成度高。顯 然，上述分類并不是惟一的和嚴格的，還可以按照多種方法進行劃分 [5]。 單片機的分類 B 20 世紀 80 年代以來，單片機有了新的發(fā)