【文章內(nèi)容簡介】 的電壓。 超聲波 距離 測量的方案 超聲波傳感器測距 原理 利用超聲波裝置的發(fā)射器往任意一個方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的時候同時按下計時器開關開始計算時間，超聲波在空氣中的傳播規(guī)律就是只要碰到任何障礙物便會反射回來，因此超聲波裝置中的接收器在接受到反射波的同時就會立刻停止計時。在空氣中超聲波傳播的速度為 V，聲波傳播的時間為 T，所以我們能通過計算得到發(fā)射點距離障礙物的長度 S=VT。本儀器在超聲波 發(fā)射以后，對超聲波的發(fā)射一直到接收進行計時。 系統(tǒng)總體方案設計 7 系統(tǒng)定時發(fā)射出超聲波，在啟動發(fā)射超聲波的同時打開系統(tǒng)內(nèi)部的定時器，然后再利用定時器的計數(shù)功能來記錄超聲波發(fā)射的時間和收到的反射回來的超聲波的時間。當收到超聲波的反射波的同時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，控制系統(tǒng)在檢測到這個負跳變信號后，會停止計時器記時，讀取時間，計算距離 ,測量結果輸出給顯示設備。 超聲波測距由于多種方法，例如：有渡越時間檢測法、相位檢測法以及聲波幅值檢測法等。聲波幅值檢測法受到反射波的干擾相對來說比較大。相位檢測法雖然得出的結果精度非常的高但 是所能檢測范圍相當有限。所以渡越時間法最為適合超聲波測距儀。渡越時間檢測法的原理：檢測超聲波（超聲波發(fā)射裝置所發(fā)射的），渡越時間就是超聲波通過空氣傳播返回超聲波接受裝置的時間。在氣體介質中的聲速與渡越時間相乘，就是超聲波所經(jīng)過的路程，也就是測得的距離。目前超聲波測距已經(jīng)得到了相當高的重視，國內(nèi)一般使用專用集成電路根據(jù)超聲波測距的原理設計各種各樣的測距儀器，然后專用集成電路的成本相對來說比較高、而且功能單一。而以單片機為核心的測距儀器則可以實現(xiàn)預先設置、多端口檢測、顯示數(shù)據(jù)、蜂鳴報警等多種功能，并且成本低廉、精度較高、操作簡便、工作穩(wěn)定性高、可靠。以 8052 為內(nèi)核的單片機系列，其硬件結構系統(tǒng)具有功能部件齊全、性能強大等特點。尤其值得一提的是，除了 8 位 CPU以外，還具備一個很強的 8 位處理器，它本質上是一個完整的 8 位微計算機，即包含完整的位CPU，位 RAMROM（ EPROM），位尋址寄存器、 I/O 口和指令集。因此， 8052 是雙CPU的單片機。位處理在開關決策、邏輯電路仿真、過程測控等方面相當有效，而 8位處理則在數(shù)據(jù)采集和處理等方面具有相當明顯的優(yōu)勢。 超聲波傳感器的原理 能夠發(fā)射超聲波以及能夠接收 超聲波的裝置 就 叫 超聲波傳感器， 一般稱之為 為超聲換能器， 有些時候也叫 超聲波探頭。超聲波 傳感器 主要 是 由壓電晶片 所構 成，既可以發(fā) 出 超聲波，也 能夠收到 超聲波。小功率 的 超聲 換能器 多 用于一些勘探 方面。它有 很多不同的結構部分 ， 可以 分 成 直探頭（ 發(fā)射 縱波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收） 、 斜探頭（ 發(fā)射 橫波）、表面波探頭（ 發(fā)射 表面波）、蘭姆波探頭（ 可以發(fā)射 蘭姆波）等。 超聲 傳感器 的核心是 一塊壓電晶片一般處于他的塑料外套中或者有的是存在于金屬外套中 。構成晶片 可以利用很多種材料，因為 晶片的 直徑、大小 和 密度、厚度都會有所差 異 ，因此 不同的傳感器 的性能都是不同的， 在 我們 準備操作 前必須預先了解清楚該探頭的 屬性以及性能情況 。 超聲波傳感器的主要性能指標包括： （ 1） 工作頻率 ： 壓電晶片 在工作時產(chǎn)生的振動頻率 就是工作頻率。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， 可以輸出最大的能量 ， 在這時靈敏度也是 系統(tǒng)總體方案設計 8 最大值 。 （ 2）工作溫度 ： 壓電材料的居里點一般都很高 ，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， 可以長時間的工作而且也不會失去效果 。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。 圖 11超聲波傳感器結構 系統(tǒng)主控芯片的方案與選擇 系統(tǒng)芯片的選型影響到系統(tǒng)總體性能，根據(jù)要求提出了兩個可行的芯片選型方案： （ 1） 51 單片機 主控芯片為 STC90C516RD+單片機 ， 該款芯片工作電壓 為 Flash 64K, SRAM 1280 字節(jié)， 51 單片機一共有 39 個 I/O 口 并且 機器周期可選擇，有 EEPROM、看門狗功能，共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器，外部中斷 4 路，掉電模式可由外部中斷喚醒。該芯 片具有低廉的價格，相關技術資料成熟全面，但只有 8 位的處理能力。 （ 2） 52 單片機 52 單片機使用的是 MCS51 內(nèi)核而且具有低能耗、高性能 CMOS8 位微控制器具8k 字節(jié)系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。 相比與 51 單片機， 52 單片機有著更多的優(yōu)勢。相比較與 51 單片機， 52 單片機多了一個定時器， 在串行通信中可以設置更高的波特率 ， RAM方面 51 是 128 而 52 卻是 256。 51 單片機的晶振只有 24MHz， 而 52 單片機 最高可以達到 33MHz， 而且在 看門狗 ,在掉電、數(shù)據(jù)指針等方面 也遠遠勝過 51 單片機。 系統(tǒng)總體方案設計 9 系統(tǒng)設計方案 本次的超聲波測距儀的設計包括了軟件以及硬件兩個部分，主要的相關模塊分成了數(shù)據(jù) 信息的收 集 模塊 、 鍵盤 按鍵 的 控制 模塊 、四位數(shù)碼 顯示管顯示模塊、 報警等子模塊等 。 而在電路結構方面則分成了 3 個部分，分別是： 超聲波傳感器 的相關電路、蜂鳴器相關電路以及單片機的控制電路。就對本次設計來說，本次的 核心模塊 也就是 中心單元則是靠單片機完成， 所以 本次的設計 系統(tǒng)也 算是 單片機應用系統(tǒng)的 相關應用。單片機的組成包括了硬件以及軟件， 硬件 部分主要是由 單片機 本身還有相關的 輸入、輸出設備以及 外部電路 等 所 組成。 軟件則是各種各樣的程序所構成。 單片機 的 系統(tǒng)研 發(fā) 過程 主要 包括總體 的 設計 以及對軟硬件分別進行設計 等 3 個 階段。 本次設計的超聲波測距儀利用了STC89C52 單片機作為核心的控制單元 ,每次當測距儀所測到的距離小于所設定的距離時，主控芯片則將測到的數(shù)據(jù)與我們開始設置的距離進行計算比較然后處理。最后控制蜂鳴器產(chǎn)生報警。系統(tǒng)總體的設計方框圖如下圖所示： 圖 12 系統(tǒng)設計方案框圖 STC89C52 主控制器模塊 電源 超聲波傳感器模塊 按鍵控制 四位數(shù)碼管顯示模塊 蜂鳴器報警模塊 系統(tǒng)總體方案設計 10 結合需求分析與系統(tǒng)總體方案的選擇 ，本設計的總體流程圖 13 如下： 圖 13本設計的總體流程圖 本章小結 本章首先介紹了整個系統(tǒng)的功能實現(xiàn) 的要求與目標 ，闡明了在總體目標基礎的系統(tǒng)設計大致步驟，接著對比分析了各個可行性方案的優(yōu)劣，最后提出了實現(xiàn)系統(tǒng)設計功能的最終方案。 超聲波測距原理分析 11 2. 超聲波 測距儀 的原理分析 在 確定 了超聲波測距 系統(tǒng)的總體設計方案之后， 想 要 達到 超聲波 測距 的具體功能，我們還需要了解以及掌握超聲波以及超聲波傳感器的一些 基本 理論與知識 。本章主要 介紹了超聲波的相關信息以及超聲波傳感器的相關信息 ，并詳細的闡述理論條 件下的測量公式， 從而進行實驗，以達到預期的效果 。 超聲波的 基本概念 及其特性 超聲波 是一種人耳無法聽到的波因為它的 頻率超過 20KHz， 超聲波 分橫向振蕩和縱向振蕩兩種 形式 ，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播， 超聲波在不同的介質中傳播的速度也會有所差異 。 超聲波的特性如下： 波長 ： 電磁波波的傳播速度為 3 108m/s， 而聲波的傳播速度卻很慢約 340m/s。 一來說波的傳播速度是用其 頻率乘以波長 然后得出來的，然而在僅僅只有 340m/s的傳播速度的情況下波長比較短也就意味著可以在方向上獲得很高的分辨率以 及對距離的清晰判斷。正因如此使得我們在測量時獲得了高精準度。 反射：超聲波只有通過反射才能確定物體的存在，因為 金屬 材料 、木材、 泥土 、玻璃、 塑料產(chǎn)品 和 紙制品 等 幾乎可以把所有超聲波所反射 ，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。 然而有些材料會吸收超聲波使得我們很難探測到他們例如： 布、棉花、絨毛等 ，同時， 在一些特殊情況的不規(guī)則反射 ， 往往 可能很難探測到凹凸 不平的 表面以及 存在于傾斜角度過大地方 的物體， 正是 這些 原因 決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且測試物體必須反射超聲波。 溫度效應 ： 聲波的傳播速度一般用 “ c” 表示 ，一般用公式 c=+ (m/s) 式中， t=溫度 (℃ )表示，由此公式可以看出波的傳播速度與溫度是密切相關的，溫度會影響到波的傳播速度。因此為了測量的精確性，我們在使用超聲波進行測距時必須將溫度這一重要因素考慮進去。 衰減 ： 超聲波 在 空氣中 傳播會隨著傳播距離的增加 超聲波強度變化成比例地減弱 ，這是衍射現(xiàn)象 而造成的聲波 在球形表面上的擴散損失 。 如圖 21所示， 頻率越高的超聲波，衰減率 也就會 越高，超聲波的傳播距離也就越短， 因此 超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。 超聲波測距原理分析 12 圖 21 聲壓在不同距離下的衰減特性 超聲波傳播速度 本 次 課題 是要對距離進行 測量 ， 因此所考慮的問題則是超聲波在介質中中的傳播速度 ，現(xiàn)對 空氣中 超聲波傳播速度進行分析 ： 空氣中聲速公式： c=+ (m/s) 式中， t=溫度 (℃ )表示，由此看出聲速度與溫度成正比，溫度越高聲速越快。 水中聲速公式 ： hSTTTTC )35)((0 0 0 2 4 4 9 32 ???????? （ 21） （其中 C=聲速， T=水溫， S=含鹽量， h=水深） （ T=[0,35℃ ],S=[0,45%]） 根據(jù) 資料的 分析得 到 的超聲波在水 中傳播速度與溫度 T，含鹽量 S 及水深 h 有關，但是其中水深 h 多用于水下聲速計算，因此在流量測量中水深 h 可忽略不計。 )35)(( 32 ??????? STTTTC （ 22） 使用 MATLAB 對其兩個變量水溫和含鹽量進行曲線繪制： 超聲波測距原理分析 13 圖 21 聲速與溫度變化關系曲線 圖 22 聲速與含鹽量變化關系曲線 由圖可以看出在給定變化區(qū)間內(nèi)，聲速隨著溫度或含鹽量的增加而增大。 超聲波測距原理分析 14 回聲探測法 超聲波 測距儀 原理簡介 利用 超聲 波 測距 中最長見的方法便是回聲探測法?；芈曁綔y法的原理： 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在超聲波發(fā)射出去的同時，定時器也同時開始 計時 ，超聲波在空氣中傳播， 中途如果碰到障礙物會馬上返回 ， 超聲波在接收到返回波的同時停止計時器的計時 。超聲波在空氣中的 一般 傳播速度為 340m/s， 然后按照 計時器 所 記錄的時間t，就可以計算出 該位置離測距儀的距離 s，即： s=340t/2。 因為 超聲波也是一種聲波， 所以它的速度 V和 溫度 密切相關 。 在測量時 ，如果傳播所經(jīng)過的 介質溫度變化 不是很大 ，則可 以 近似 的將 超聲波 的 速度 認定為保持 不變。 但 如果對測 量的結果要求 精度很 高 ，則 可以 通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這 就是超聲波測距儀的基本原理。 超聲波發(fā)射 t 障礙物 S H θ