【正文】 onic； Distance measurement；Microcontroller目 錄1 緒 論 1 研究背景和意義 1 本領域的研究歷史與現狀 2 課題主要內容和課題研究方案 22 超聲波測距系統(tǒng)的工作原理 4 超聲波概述 4 壓電式超聲波傳感器原理及特性 5 超聲波測距 7 超聲測距原理 8 超聲波測量中盲區(qū)及近限和遠限 8 提高測距儀性能的若干措施 93 系統(tǒng)硬件設計 10 電路工作原理及設計 10 主要電路具體設計及主要元器件介紹 10 電源電路 11 微處理器電路 13 超聲波發(fā)射電路 16 超聲波接收電路 17 顯示電路 204 系統(tǒng)軟件設計 24 軟件設計的總體方案 24 主程序流程圖 24 子程序流程圖 255 超聲波測距的誤差分析 28 28 結 論 31致 謝 32參考文獻 32附錄A 英文原文 33附錄B 中文翻譯 391 緒 論超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，在很多場合，諸如工業(yè)自動控制，建筑工程測量和機器人視覺識別等方面得到廣泛的應用。該系統(tǒng)可實現4米內測距，盲區(qū)20厘米。該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個模塊構成。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，因而超聲測距技術的研究和開發(fā)具有實際意義。摘 要隨著社會的發(fā)展，人們對距離或長度測量的要求越來越高。在社會生活中應用超聲波測距技術已很廣泛，如汽車倒車雷達、測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現。本文介紹了一種利用超聲波測距的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于STC12C2052 單片機的超聲波測距系統(tǒng)，它根據超聲波在空氣中傳播的反射原理，以超聲波傳感器為檢測部件，應用單片機技術和超聲波在空氣中的時間差來測量距離。通過單片機的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40KHz的超聲波，反射波經由超聲波檢測接收電路、放大電路送入單片機外部中斷端，通過計算超聲波的發(fā)射和返回的時間，確定超聲波發(fā)生器和反射物體之間的距離，完成測距。 關鍵詞： 超聲波；測距；單片機 Abstract
With the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar， range finder and level measurement and so of the strong point of ultrasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic. In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the theory is based on the principles of reflection of ultrasonic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosonic spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display module. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get the disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 20 cm。和其他方法相比，如激光測距、微波測距等，由于聲波在空氣中傳播速度遠遠小于光線和無線電波的傳播速度，對于時間測量精度的要求遠小于激光測距、微波測距等系統(tǒng)，因而超聲波測距系統(tǒng)電路易實現、結構簡單和造價低，且超聲波在傳播過程中不受煙霧、空氣能見度等因素的影響，在各種場合均得到廣泛應用。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測量距離的不同，造成回波信號的起伏，使回波到達時間的測量產生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過程中被極大地展寬，影響了測距的分辨率，尤其是對近距離的測量造成較大的影響。 研究背景和意義超聲波測距是一種傳統(tǒng)而實用的非接觸測量方法，和激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素的影響的優(yōu)點，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應能力，且結構簡單，成本低，因此在工業(yè)控制、建筑測量、機器人定位方面得到了廣泛的應用。距離是在不同的場合和控制中需要檢測的一個參數，測距成為數據采集中要解決的一個問題。超聲波測距是一種利用超聲波特性、電子技術、光電開關相結合來實現非接觸式距離測量的方法。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 本領域的研究歷史與現狀目前國內超聲波測距儀的發(fā)展主要采用引進加仿制等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應產品。深圳長泉機電Camp。可儲存2個測量數據或計算結果，可計算面積和體積?？墒‰姷淖詣雨P閉電源功能。 深圳市杰創(chuàng)立儀器有限公司生產的UD2500型超聲波測距儀，可以實現公英制直接轉換；測量基準選擇；記憶/調出記憶數據；計算面積和體積；五組不同的記憶體；累加長度和；自動關機功能；LED背光顯示；按鍵聲提示；出錯聲提示；確認聲音提示:面積測量功能；距離測量功能；體積測量功能；累加求和功能。許多人提出采用降低傳輸時間的不確定度來提高測量精度，目前，相位探測法和聲譜輪廓分析法或者二者的結合是主要的降低傳輸時間不確定度的方法。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應系統(tǒng)，發(fā)射特殊的波形來獲得好的回波包絡，設置一定的回波開啟電平，并采用自動增益的控制放大器。 課題主要內容和課題研究方案本課題主要內容是設計一個超聲波測距系統(tǒng),由于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，最終計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。2 超聲波測距系統(tǒng)的工作原理 超聲波概述聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現象，人們對聲音早有認識，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音。然而，由于超聲是人耳聽不到的信號，直到18世紀，人們才開始研究海豚、蝙蝠等動物時，才推測自然界存在超聲。根據聲波振動頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。頻率高于人類聽覺上限頻率(約20000Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。它是一秒鐘超聲波等相位面通過的距離，與介質的密度和彈性性質有關。聲速參數與聲介質、聲阻抗及生衰減等有很大關系。如在常溫下，空氣中的聲速約為334m/s，在水中的聲速約為1440m/s，而在鋼鐵中約為5000m/s。流體中的聲速隨壓力的增加而增加。由于介質的溫度、壓強和流速等狀態(tài)參量的變化都會引起響應的聲速變化，因此出現了超聲溫度計和超聲流量計等。聲阻抗是當聲波從一種介質傳播到另一種介質，在兩個介質的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過界面，在另一種介質內部繼續(xù)傳播。由物理學可知，當波在界面上產生反射時，入射角的正弦之比等于波速之比，當入射波和反射波的波型相同時，波速相同，入射角度等于反射角。超聲波在兩種介質的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質的聲阻抗之比。它是介質固有的一個常數，它的數值對超聲波在介質中的傳播非常重要，單位為瑞利(rayl)。 壓電式超聲波傳感器原理及特性為了以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。壓電晶片共振板電極 超聲波傳感器結構圖壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內將交變的電信號轉換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉換為電信號的能量轉換器件。目前壓電式換能器的理論研究和實際應用最為廣泛，本文超聲波測距選用的也是壓電式超聲波換能器。逆壓電效應是指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為產生了形變，形變與電場強度成正比。這一現象稱為逆壓電效應。將適當的交變電信號施加到晶體上，品體將發(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，若把晶體藕合到彈性介質中，晶體將充當一個超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質中。利用正壓電效應將機械能(即聲能轉換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。頻率特性 。而在f0兩測，聲壓能級迅速減小。由圖知，f0為中心頻率，曲線在f0處最尖銳，輸出電信號的幅度最大，信號f0處接收靈敏度最高。另外，超聲波接收器的頻率特性和輸出端外接電阻有很大關系，如果R很大，（如大于100K）頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動。12011010080700靈敏度KHZf=40KHZ 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性指向特性 實際的超聲波傳感器中壓電晶片是個小圓片，可以把表面上每個點看成1個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。指向特性用指向圖表示。超聲波傳感器的指向圖是由一個主瓣和幾個副瓣構成，其物理意義是Ф=0聲壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。 超聲波傳感器指向特性圖 超聲波測距 超聲測距原理超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。往返時間與氣體介質中的聲速相乘，就是聲波傳輸的距離。已知聲速v=344m/s(20℃時)。因此，實現超聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。目前使用的方法有信號過零檢測，包絡檢測和脈沖檢測等方法。這種方法實現起來較包絡檢測方便，電路實現簡單，精度也較高。利用查詢或者中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時間。距離過遠時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限存在的原因。在使用一個探頭同時充當發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量，同時，探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的液面反射信號也達不到限幅電路的限幅電平。同時，接收信號的衰減程度總是要比發(fā)射信號余振的衰減慢得多。這就構成了遠限的問題。所以把這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。但是，當探測距離很遠時，為了增大發(fā)射功率，須采用特殊形式的大功率超聲發(fā)射傳感器，但這些傳感器的接收靈敏度一般很低，甚至無法用于接收，在這種情況下，選用兩個換能器分別用于發(fā)送和接收。由于發(fā)射探頭上并不直接施加發(fā)射電壓，所以，從理論上說，可以沒有盲區(qū)。所以，在本實驗中，我們選取了雙探頭的工作方式，減小盲區(qū)，同時提高檢測的距離精度。一般情況下，由于大氣壓力變化很小，因此傳播速度主要考慮溫度的影響。通過對溫度修正來校正聲速的方法，即用測溫元件測量實際環(huán)境。(2)采用自動距離增益控制采用具有自動增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠距離時的增益較大，這樣一方面發(fā)射信號的余震幅度變小，相應的延續(xù)時間縮短，可以分辨出近處的接受回波信號，故可使盲區(qū)減少。(3)信噪比問題超聲波測距儀都有確定的量程。這個閡值決定信噪比。而氣介式超聲回波測距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。3 系統(tǒng)硬件設計 電路工作原理及設計 主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。單片機通過INT0引腳來控制超聲波的發(fā)送，然后單片機不停的檢測INT1引腳，當INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r就認為超聲波已經返回。超聲波接收超聲波發(fā)送掃描驅動LED顯示單片機控制 超聲波測距系統(tǒng)結構框圖 主要電路具體設計及主要元器件介紹電路采用L7805CV作為電源電路將+12V