【正文】 波信號的接收、溫度補償?shù)葞撞糠纸M成。本章涉及了AT89C51單片機為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波傳感器模塊測距系統(tǒng)，將通過單片機外圍擴展硬件電路來升高計數(shù)參考頻率，以提高對時間t的測量精度，以最終實現(xiàn)系統(tǒng)設計并優(yōu)化系統(tǒng)，提高測距精度。西南科技大學本科生畢業(yè)論文13第 3 章 超聲波傳感器測距模塊的硬件設計由超聲波測距公式（23）知： ，其中c為超聲波的傳播速度， t為超聲波2ts?從發(fā)射到接收的往返時間。芯片內部包括：脈沖調制C類振蕩器、高增益接收器、脈沖調制檢測器及噪音抑制器。雖然它們作為驅動電源輸出功率較小，只能實現(xiàn)近距離的測量，回波觸發(fā)部分精度也較低，但是由于集成電路有使用簡單，成本低的優(yōu)點，仍經常被用在一般工業(yè)領域中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是用來捕捉并采集回波信號的，一般由觸發(fā)器、采樣電路和微處理器組成。超聲波傳感器的主要作用是發(fā)射和接收超聲波信號。另外本設計作為一個工程系統(tǒng)，還考慮其可行性、可靠性的要求。超聲波傳感器測距簡單模塊圖如圖22 所示。利用超聲波傳感器采取渡越時間法測量距離的基本原理是：超聲波測距模塊單片機控制器通過發(fā)送一定頻率的脈沖信號，激勵超聲波發(fā)射器產生超聲波，超聲波通過介質到達物體表面，形成反射波，反射波再經介質傳播返回到接收器，由接收器把聲波信號轉換成電信號，由控制器測出超聲波從發(fā)射聲波到接收所需的時間，再根據(jù)超聲波在介質中的傳播速度用距離公式計算出被測距離。 超聲波傳感器模塊設計原理超聲波測距的常用方法有渡越時間法、頻差法、幅值法等。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。因此，在一段較長時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平V ；另外，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使M在離探頭較近的表面發(fā)射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。根據(jù)阻塞區(qū)內的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需西南科技大學本科生畢業(yè)論文11要注意的。此時，在短時間內放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)公式22計算出為340mm/ms。聲速隨溫度變化公式為 （2)(431V??2）式中，T是溫度。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本次設計成本，在不降低空間分辨率的情況下，選用國產現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑r=，故 =75)(2r??????o 聲 速由公式（23 ）可以看出，聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。當f 選定后，指向角θ近似于傳感器半徑成0 0fC??0反比。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，傳感器半徑r有關。聲光效應構成的超聲波傳感器有利于光纖的波導部分的形變敏感構成的結構，也有利于利用對彈性體表面或內部彈性波束的衍射品格作用形成的結構?；诜创胖律炜s效應的超聲波接收器構造主要有用磁致性伸縮材料構成的線圈狀結構，適用于低頻。電磁效應型接收器的結構是將磁性受音板作為磁路的一部分，在磁路中設置拾音線圈。在壓電膜上制作梳狀電極，可以構成檢測超高頻段的聲表面波的傳感器。電致伸縮型微音器的接受器用反電壓效應大的電介質板作為接收器。優(yōu)點是與空氣的聲阻抗匹配良好，頻帶寬。超聲波發(fā)射器的驅動機構包括，反壓電效應、電致伸縮效應、動電效應、電磁效應、磁致伸縮效應等它恰好是上述超聲波接收的相反作用，所以從結構上來看，發(fā)射與接收呈一一對應關系。西南科技大學本科生畢業(yè)論文8表23 超聲波發(fā)射器工作原理 變換元件效應 機理傳感器名發(fā)射元件 典型材料反電壓高頻電致形變，微波諧振腔中置入壓電棒，使之振蕩壓電型發(fā)射器，壓電型微波聲波發(fā)射器壓電型晶體板壓電型晶體膜壓電晶體棒 石英、鈮酸鋰、硫酸鋰、羅歇爾鹽、硫酸鎘、氧化鋅電致伸縮在極化電致伸縮材料上加以高頻電壓起振電致伸縮發(fā)生器高分子電致伸縮膜無機電致伸縮板、無機電致伸縮膜PVDF鈦酸鋇鈦酸鋯酸鉛（PZT）PZT動電將動圈與振動板固定，放入恒磁場中，加交流電使之振動動圈發(fā)射器 振動板與動圈 硬鋁電磁在磁性振蕩所處的激勵線圈中加入交流電、使交流磁場引起振動板振動電磁型發(fā)射器 軟磁性薄板 坡莫合金磁致伸縮偏置磁場上加交流磁場使磁致伸縮板變形振動、在靜磁場偏置下通過微波的強磁性共振產生超聲波磁致伸縮發(fā)射器磁致伸縮薄板磁致伸縮鐵氧體鎳、阿爾費羅超聲波發(fā)射器的作用是形成與被檢測相作用的超聲波束，他的特性包括共振頻率、方向性、電聲變換效率、穩(wěn)定性等。 高頻性超聲波傳感器上述各類型傳感器的中心頻率只有十kHz，但是中心頻率高于100kHz的傳感器近年來也有銷售。因此，在很寬頻帶范圍內具有較高的靈敏度。所以，一個傳感器可以兼作發(fā)送傳感器和接收傳感器。因為寬頻帶傳感器發(fā)送和接收是以各探頭的傳感器輸出開路時，其輸出電壓較高，但是阻抗也高，易受噪聲的影響，通常要接入一個幾k到幾百k的電阻。但是通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的，測量中必須成對兒使。電極 壓電晶片共振極圖21 超聲波傳感器結構西南科技大學本科生畢業(yè)論文7 超 聲 波 傳 感 器 的 分 類超聲波傳感器根據(jù)應用范圍的不同可以分為以下四類： 通用性超聲波傳感器超聲波傳感器的帶寬一般為幾kHz，并具有選頻特性。通過上述超聲波傳感器結構，配以適當?shù)氖瞻l(fā)電路，可以使超聲能量定向傳輸，并按預期接收反射波，實現(xiàn)超聲遙控、測距、防盜等檢測功能。在電—聲變換部分的前面的超聲波束整形板，使對應圓錐狀諧振子的振動模式設置幾個開口。兩芯片之間，芯片與金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片，作為焊接電極引線用，芯片，電極銅片用強力膠粘合。超聲波傳感器是產生超聲波必需的能量轉換裝置，它能把超聲波電磁振蕩的能量轉換為聲波。壓電組件在超聲振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，但是這種振動加速度很大，于是把電磁振蕩能量轉化為振動能量，這種巨大的超聲波能量 沿著特定方向傳播出來。利用正壓電效應制成將機械能（即聲能）轉換成電能，并用來接收超聲波的裝置，稱為接收傳感器。將適當?shù)慕蛔冸娦盘柺┘拥骄w上，晶體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產生振動，振動頻率與交變電壓的頻率相同，若把晶體耦合到彈性介質中，晶體將充當一個超聲源的作用，超聲波將被輻射到該彈性介質中。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應。壓電效應原理： 逆壓電效應將具有逆壓電效應的介質置于電場中，由于電場作用介質內部正負電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產生了形變，形變與電場強度成正比。同時，由于壓電超聲波傳感器作為高頻聲源的出現(xiàn)，使得高頻聲的研究成為現(xiàn)實，而聲學的應用也被迅速的擴展，一個重要的聲學分支——超聲學也迅速發(fā)展起來，并得到了越來越多的重視。在朗之萬發(fā)明的傳感器中，壓電石英晶片被夾在兩塊厚鋼板中，后來這種傳感器被廣泛應用于超聲探測儀中。壓電傳感器的發(fā)展和應用是以壓電效應的發(fā)現(xiàn)和壓電材料發(fā)展為前提條件的，1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電效應，但是直到電子管放大器的發(fā)明，壓電材料的壓電效應才真正用于電聲轉換上來。另外由于工作頻率與應用目的不同，超聲波傳感器的結構形式也是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲波傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型超聲波傳感器稱為“哨” 或“ 笛” 。西南科技大學本科生畢業(yè)論文5 超 聲 波 傳 感 器 的 原 理 及 結 構超聲波傳感器是一種將其他形式交變的電信號，轉變?yōu)樗璩曨l率范圍內的超聲波信號或者是把外界聲場中的超聲波信號，轉變?yōu)橥l率的其他形式的電信號的能量轉換器件。 超聲波傳感器本設計用超聲波作為檢測距離的手段，必須要發(fā)射超聲波信號和接收超聲波回波。80 年代中期, 由于功率超聲波設備的普及與應用, 超聲波的研究應用才迅速展開。70年代，人們又研制出PLZT 透明壓電陶瓷。20 世紀40 年代，人們發(fā)現(xiàn)了壓電多晶材料——鈦酸鋇壓電陶瓷。表22 超聲波的五種效應效應 作用力學效應攪拌作用，分散作用，去氣作用，成霧作用，凝聚作用，定向作用，沖擊破碎作用，疲勞破壞作用等熱學效應吸收引起的整體加熱，邊界面處的局部加熱，形成激波時波前處的局部加熱等光學效應 引起光衍射、折射、雙折射、聲致發(fā)光等電學效應在亞電、壓磁材料中產生電場和磁場，引起電子逸出和電化學效應等化學效應促進化學反應，促進氧化還原，促進高分子物質的聚合或解聚，引起照相底片的感光，引起生化學發(fā)光等總之超聲波技術是一門以物理、電子、機械及材料科學為基礎的、各行各業(yè)都要使用的通用技術之一。在流體中進行的超聲處理技術, 幾乎大多數(shù)都與空化作用有關。在聲場中,液體中的氣泡可能逐步生成和擴大, 然后突然破滅,在這急速的氣泡崩潰過程中, 氣泡內出現(xiàn)高壓高溫,氣泡附近的流體中也形成局部強烈的激波。9表21 聲波的種類及特點聲波種類 頻率/赫茲 特點次聲波 20 人耳聽不到船舶衰減很小，傳播距離很遠可聞波 20—2 410?人耳可以聽到超聲波 2 —1 9傳播頻率較高，傳播方向性較強，介質振動強度大，在流體中傳播可產生空化現(xiàn)象特聲波 1 —1902傳播衰減很大波長短，頻率大致與微波相對應1893 年 Golton 發(fā)現(xiàn)了超聲哨子，此時建立了超聲波領域。人們習慣上常以工程應用為目的, 而不是以聽覺為目的, 把某些可聽聲的應用亦列入超聲技術的研究范圍。西南科技大學本科生畢業(yè)論文3第 2 章 超聲波傳感器模塊測距方案分析 超聲波與超聲波的應用聲學作為物理學的一個分支，它是研究聲波的發(fā)生、傳播、接收、效應的一門科學，聲學全部頻率為 10 Hz～10 Hz , 通常把頻率為 2 10 Hz～10 Hz 的聲4?14 49波稱為超聲波。 課題設計研究范圍及成果本課題研究的超聲波傳感器模塊測距技術是一種非接觸式的測量物體間距離的方法，它是基于無目視能力的生物( 如蝙蝠等) 防御及捕捉獵物生存的原理, 利用超聲波在空氣等媒質中傳播, 通過遇到障礙物反射回來的時間間隔長短及被反射超聲波的強弱判斷障礙物性質和位置的方法，它在現(xiàn)在機器人中有著舉足輕重的作用。培養(yǎng)抽象思維能力，分析問題和解決問題的能力。了解超聲技術與其他學科的關系與應用，擴大知識面。理解超聲波傳感器的超聲波發(fā)生機制及發(fā)射、接受，放大裝置和以單片機AT89C51為中心控制單元，實現(xiàn)超聲波發(fā)射及其遇到障礙物發(fā)生反射形成回波信號，并根據(jù)超聲波在介質中的傳播速度及超聲波從發(fā)射到接收到回波的時間，計算出發(fā)射點距障礙物的距離，以完成設計目標，熟悉51單片機軟件編程及調試環(huán)境KeilC51軟件。西南科技大學本科生畢業(yè)論文2有人說，計算機與傳感器的協(xié)調發(fā)展，才能決定技術的將來，這句話是有一定道理的 [2]。特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路出現(xiàn)之后，計算機的核心部件有了驚人的發(fā)展，同時也要求外部設備與之相配合。于是，作為一種替代和延伸工具，采用了能代替或者補充感覺器官功能的各種傳感器，傳感器是人類五官的延長，所以也被稱作“電五官”。與其它動物一樣，為了把生命維持下去，人類只是有選擇地捕捉一些重要信息。 傳 感 器 技 術 概 況人類為了從外界環(huán)境中獲取有用信息，必須借助于自身的感覺器官。視覺、紅外、激光、超聲波等傳感器都在行走機器人中得到應用。在簡單的自主行走機器人系統(tǒng)中, 機器人要實現(xiàn)在未知和不確定環(huán)境下行走, 必需實時采集環(huán)境信息, 以實現(xiàn)避障和導航。機器人系統(tǒng)廣泛融合了機器人學、機電一體化、通訊與計算機技術、圖像處理、傳感器數(shù)據(jù)融合、決策與對策、模糊神經網(wǎng)絡與智能控制等諸多學科內容，是研究多智能系統(tǒng)理論的良好實驗平臺。關鍵詞：51 單片機；超聲波；測距西南科技大學本科生畢業(yè)論文 IIDesign of Ultrasonic Distance Measurement Based on AT89C51 MCUAbstract: The thesis introduces a kind of singlepulserefection ultrasonic distance meter system module in detail based on Microcontroller. The system could measure certain distance with the reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave is fixed. This paper summarizes the development and foundational principle of ultrasonic detections. Then it presents the theory and characters of ultrasonic sensor. At the same time, it discusses a number of main technical parameters. Moreover, it proposes the whole structure of the system by introducing the function o