【正文】 工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離l。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率?o。 圖23雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖23所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時，若A片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。A壓電晶片B傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。流體動力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。s－1表示，則有關(guān)系式(21)s=vt／2 (21)在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(22)對超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。測試傳輸時間可以得出距離。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器其結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。它有兩個壓電晶片和一個共振板。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 21超聲波傳感器外部結(jié)構(gòu) 圖 22超聲波傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波測距原理及結(jié)構(gòu)電能或機(jī)械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。他們所產(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。 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：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。(2) 空化作用在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。 超聲波的三種形式超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。圖 13時序圖第2章 超聲波測距原理與方法超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。由時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在T0時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖剑x取單片機(jī)中定時器的值。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 發(fā)射電路接收電路AT89C51LCDDS18B20報警電路圖12系統(tǒng)設(shè)計總框圖由單片機(jī)AT89C51編程產(chǎn)生10us以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。本系統(tǒng)硬件部分由AT89C51控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路、聲音報警電路和LCD顯示電路組成。這樣可以在視覺有限或不宜用眼觀察的情況下發(fā)揮更大的用處，或近距離配合視覺系統(tǒng)會此測距儀的優(yōu)點或方便之處得到最大程度的發(fā)揮，使用起來非常的靈活方便。通過單片機(jī)編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離信息，通過3位LED數(shù)碼管顯示，數(shù)據(jù)XXX，單位cm。由于放大電路輸出的信號是連續(xù)的正弦波疊加信號，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號常為下降沿脈沖信號，故信號在放大電路后通過LM393構(gòu)成的比較電路，將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號，內(nèi)部計數(shù)器停止計時。從接收傳感器探頭UCM40T傳來的超聲回波很微弱(幾十個mV級)，又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。圖11系統(tǒng)設(shè)計方案圖發(fā)射電路采用單片機(jī)端口編程輸出40kHz左右的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器TO。本節(jié)在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。由于超聲波具有強度大，方向性好等特點，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機(jī)器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不可克服的缺陷。因此超聲波測距在移動機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中。一般的超聲波測距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇?；趩纹瑱C(jī)的超聲測距系統(tǒng)設(shè)計方案第1章 緒論近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長壽命等特點?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機(jī)器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。例如，液面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測液面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。超聲波測距電路可以由傳統(tǒng)的模擬或者數(shù)字電路構(gòu)建，但是基于這些傳統(tǒng)電路構(gòu)建的系統(tǒng)往往可靠性差，調(diào)試?yán)щy，可擴(kuò)展性差，所以基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)被廣泛的應(yīng)用。我就影響超聲測距誤差的幾個因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCMT40KI和一支接收探頭UCMR40KI的收發(fā)分體式傳感器。系統(tǒng)計劃在實驗室內(nèi)實現(xiàn)小范圍測距，—3m米，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖所示。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為使測量距離滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器UCM40T發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，故在此電路上加功率放大電路。本系統(tǒng)設(shè)計此部分電路時采用一級放大和帶通濾波電路，中心頻率4OKHz左右，放大濾波電路均采用了高速精密運算放大器TL082，輸出信號大約在5V左右。顯示電路采用動態(tài)掃描顯示，主要是處于節(jié)省硬件的考慮。語音播報部分就是將所測得的距離實時地，以模擬真人發(fā)音的形式報出來，例如“現(xiàn)在距離目標(biāo)物還有XXXcm”或“現(xiàn)在所測得距離為XXXcm”。本系統(tǒng)采用一種長時間非易失性語音芯片ISD2560,它采用模擬存儲技術(shù)，音質(zhì)好，錄放音方便，且可以方便地進(jìn)行任意語音元素的組合。汽車行進(jìn)時LCD顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過AT89C51數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到LCD上，如果距離小于設(shè)定值時，報警電路會鳴叫，提醒司機(jī)注意車距。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波。單片機(jī)利用聲波的傳播速度和發(fā)射脈沖到接收反射脈沖的時間間隔計算出障礙物的距離，并由單片機(jī)控制顯示出來。計算時間差，即可得到超聲波在媒介中傳播的時間t，由此便可計算出距離。超聲波技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。 超聲波的物理性質(zhì)(1) 超聲波的反射和折射當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，一部分超聲波被反射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。超聲波引起質(zhì)點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點的加速度卻很大，有時足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。本次設(shè)計超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式　超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來工作的。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，產(chǎn)生超聲波。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個數(shù)越多，能量越大，所能測的距離也越遠(yuǎn)。超聲波測距的方法有多種：如往返時間檢測法、相位檢測法、聲波幅值檢測法。其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測量目標(biāo)或障礙物后反射回來，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時間即往返時間，往返時間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān)。假定s為被測物體到測距儀之間的距離，測得的時間為t／s，超聲波傳播速度為v／mv=331．4+0．607T (22)式中，T為實際溫度單位為℃，v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為m／s。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。電聲型主要有:。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和