【正文】 .............................. 36 附錄： ........................................................................................................................................ 37 1 1 緒 論 課題設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀 當(dāng)我們的測距技術(shù)日漸趨于成熟，我們對測距的精度要求也日漸嚴(yán)苛，傳統(tǒng)的測距技術(shù)在某些場合已經(jīng)不能夠滿足人們的需要， 如在井道，水位，管道等的長度 測量方面，傳統(tǒng)的測距方式已然不再適用。為此我們需要一種可以精確測量的非接觸式的測距方式，于是超聲波測距儀應(yīng)用而生。 它利用超聲波測距傳感器的發(fā)射探頭與接 收探頭工作時(shí)的時(shí)間差來計(jì)算出障礙物的距離，對被測目標(biāo)無任何影響， 再者超聲波傳播速度也在一定范圍內(nèi)與其頻率無關(guān)。這也就是超聲波常被用于測距的原因，如測距儀或物們測量儀等等都是通過超聲波來實(shí)現(xiàn)的。超聲波測距傳感器按其可實(shí)現(xiàn)的檢測距離可以分為大、中、小三種量程，小量程探測距離小于 2m，工作頻率 60kHz～300kHz之間；中量程探測距離約為 2m～ l0m，工作頻率在 40kHz～ 60kHz之間； 大量程探測距離約為 20m～ 50m，工作頻率處在 16kHz～ 30kHz之間。 不論在國內(nèi)還是在國外，超聲波測距都占有著相當(dāng)重要的地位，而它的應(yīng)用也已經(jīng)越來越廣泛，但在國內(nèi)，它的發(fā)展尚處于初期階段，利用超聲波測距技術(shù)還十分有限，在不久的未來，超聲波測距儀也必將作為重要的測距手段而被社會廣泛需要。 2 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 課題設(shè)計(jì)的任務(wù) 此 次課題的研究方向是超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)。 軟件系統(tǒng)總體劃分為：主程序模塊，顯示子程序模塊，定時(shí)子程序模塊，外部中斷子程序模塊。 顯示部分完成數(shù)據(jù)在 LED 數(shù)碼管的顯示。 故總體而言，此次選題的要求可概括為以下幾點(diǎn)： (1).設(shè)計(jì)出超聲波測距儀的硬件結(jié)構(gòu)電路。 (3).以數(shù)字的形式顯示測量距離。 課題設(shè)計(jì)的要求 通過介紹我們知道，以單片機(jī)為核心的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單、方便，而且測精度能達(dá)到工業(yè)要求。 通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā) 射超聲波，單片機(jī)在發(fā)射時(shí)刻同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。 本系統(tǒng)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)。系統(tǒng)定時(shí)發(fā)射超聲波，在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應(yīng)在 20cm～ 200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在 5cm。 超聲波測距技術(shù)是一種原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)的非接觸測量技術(shù)，被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事及日常生 活等諸多領(lǐng)域 [4]。 而本次研究的就是以 AT89C52單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)測距，有著非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。其次，有利于學(xué)生進(jìn)一步理解所學(xué)的專業(yè)知識，將自身所學(xué)與實(shí)踐相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)自身能力的鍛煉與提高。此題是分為兩人一起來做的，目的在于使學(xué)生學(xué)會在團(tuán)隊(duì)中擺正自己的位置，根據(jù)自己的能力分擔(dān)工作；培養(yǎng)同組內(nèi)的合作意識及學(xué)習(xí)別人的長處，既能當(dāng)好主角，也甘于當(dāng)好配角，能腳踏實(shí)地的做好本職工作。該裝置是由超聲波發(fā)射模塊、接收模塊、顯示模塊、及控制模塊組成。當(dāng)打開通電開關(guān)時(shí)，裝 置即開始測距，從發(fā)射傳感器發(fā)射出的脈沖串會在 4 碰到障礙物后反射至接收傳感器，經(jīng)過一系列的處理或計(jì)算過程就會在顯示模塊顯示出來。包括選題意義、選題任務(wù)、選題要求和選題的研究背景及其相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀。主要是講超聲波的測距原理。 第 3章為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。包括 了主程序、顯示子程序、定時(shí)器子程序和外部中斷子程序。 第 4章為系統(tǒng)整體調(diào)試及誤差分析。本章的最后是對可能出現(xiàn)的誤差進(jìn)行分析并提出改進(jìn)意見。 (2)可聞 波：振動(dòng)頻率在 16～ 20kHz 之間，這個(gè)頻率范圍內(nèi)的聲波可 以為人類的耳朵所聽到。 描述聲波的物理量有兩點(diǎn)：（ 1）聲壓：介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)介質(zhì)中有聲波傳播時(shí)的壓強(qiáng)與無聲波傳播時(shí)的靜壓強(qiáng)之差稱為聲壓 。 (3)聲強(qiáng)：聲強(qiáng)又稱為聲波的能流密度 ， 即單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于聲波傳播方向的單位面積的聲波能量 。 超聲波的聲學(xué)特性 描述聲波的聲學(xué)特性的物理量有 三 點(diǎn)： （ 1）聲速 ： 聲波在介質(zhì)中的傳播速度取決于介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì) 。 流體中的聲速隨壓力的增加而增加。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。 表 21 聲速與溫度關(guān)系表 [5] 溫度 （ ℃ ） 30 20 10 0 10 20 30 聲速（ m/s） 349 344 338 331 325 319 313 6 （ 2）聲阻抗特性 : 聲阻抗特性能直接表征介質(zhì)的聲學(xué)性質(zhì) ， 其有效值等于傳聲介質(zhì)的密度 ρ 與聲速 c 之積 ， 記作 cZ ?? 聲波在兩種介質(zhì)的界面上反射能量與透射能量的變化 ,， 取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗特性 。 例如 ， 氣體與金屬材料的聲阻抗特性之比 ， 接近于 1:80000， 所以當(dāng)聲波垂直入射在空氣與金屬的界面上時(shí) ， 幾乎是百分之百地被反射 。 （ 3）聲的吸收 ： 傳聲介質(zhì)對聲波的吸收是聲衰減的主要原因之一，固體介質(zhì)的結(jié)構(gòu)情況對聲波在其中的吸收有很大的影響。 超聲波的發(fā)生原理 通常正常人耳朵的聽力的聲波范圍是 20Hz～ 20kHz，超聲波是指振動(dòng)頻率在 20kHz以上的聲波 [6]。超聲波和可聞聲在本質(zhì)上其實(shí)是一致的，它們的共同點(diǎn)都是 機(jī)械振 動(dòng)波， 是一種縱波，在彈性介質(zhì)內(nèi)傳播。 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(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路 [7]。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等 [8]。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)生器它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。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(shí)，將壓迫壓電晶片 7 作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時(shí)它就成為超聲波接收器了 。可將超聲波與電量做轉(zhuǎn)換的裝置稱為超聲波傳感器。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (或稱壓電式超聲波探頭 )和磁致伸縮式超聲波傳感器。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。 在實(shí)際應(yīng)用中 ， 壓電式超聲波傳感器的發(fā)射器和接收器也可合成為一體 ， 由一個(gè)壓電元件作為 發(fā)射 和 接收 兼用，其工作原理為：將脈沖交流電壓加在壓電元件上 ， 使其向被測介質(zhì)發(fā)射超聲波，同時(shí)又利用它接收從該介質(zhì)中反射回來的超聲波，并將反射波轉(zhuǎn)換為電信號輸出。 （ 2）磁滯式 超聲波傳感器 磁滯式超聲波傳感器主要由鐵磁材料和線圈組成 。 其接收原理是 ： 當(dāng)超聲波作用在磁致材料上時(shí) ， 使磁滯材料振動(dòng) ,引起內(nèi)部磁場變化 ， 根據(jù)電磁感應(yīng)原理 ， 使線圈產(chǎn)生相應(yīng)的感應(yīng)電勢輸出。 壓電式超聲波換能器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(shí)，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲 波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；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(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號， 8 這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了 [9]。 圖 21 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波測距原理為：超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波 的雙重作用，即為可逆元件。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等 [10]。 圖 22 超聲波測距示意圖 9 特性 現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表22 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。 表 22 超聲波傳感器 MA40S2R/S 的特性 種類特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 發(fā)送 標(biāo)稱頻率 40kHz 靈敏度 － 74dB 以上 100dB 以上 帶寬 6kHz 以上 (－ 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 電容 1600pF 1600pF 絕緣電阻 100MΩ 以上 溫度特性 － 20~+60℃ 范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi) 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。 MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。 超聲波測距儀的測距原理 超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間法三種。 聲波幅值檢測法易受反射介質(zhì)的影響 [11]。 本系統(tǒng)的特點(diǎn)是 采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制器，控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時(shí)間的計(jì)時(shí)， 用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)測距的LED 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號用單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生，超聲波測距系統(tǒng)組成框圖見 10 圖 24。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓為 +5V 左右，再經(jīng)傳 感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。 圖 25 超聲波 測距 系統(tǒng)的構(gòu)成 單片機(jī)最小系統(tǒng) 其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。在外部振蕩電路中，單片機(jī)的 XTAL1和 XTAL2 管腳分別接至由 12MH。在復(fù)位電路中，單片機(jī) RST 管 腳一方面經(jīng) 10μF 的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開關(guān) s 接電源。 而且單片機(jī)最小系統(tǒng)也是本次課題設(shè)計(jì) 的控制中心，由它負(fù)責(zé)超聲波的發(fā)出與接收，計(jì)算并處理測量結(jié)果，最后將結(jié)果通LED顯示電路 電源電路 AT89C52 系統(tǒng)控制電路 超聲波 發(fā)射電路 超聲波接收電路 12 過 P0 口顯示出來。如圖 26 即為單片 機(jī)最小系統(tǒng)。由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比 ， 為了使測距范圍足夠遠(yuǎn) ， 可對振蕩信號進(jìn)行功率放大后再加在超聲波傳感器上。驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射探 頭工作的方式很多，只要在探頭上施加一串其頻率與探頭中心頻率一致且能量足夠大的脈沖即可。本設(shè)計(jì)中采用的是由單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波，單片機(jī) 輸出的 40kHz 方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極。用這種推 13 挽形式將方波信號加到超聲波 換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。 加 上拉電阻一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力， 另一方面可以增加超聲波換能器 的阻尼效果 ，縮短其自由振蕩的時(shí)間。s，半周期為 。 圖 27 發(fā)射部分電路圖 超聲波接收電路 超聲波接收器接收反射的超聲波轉(zhuǎn)換為 40KHz 毫伏級的電壓信號 ,需要經(jīng)過放大、處理、用于觸發(fā)單片機(jī)中斷 INT0。參考各種資料最后選用了 SONY 公司的專用集成前置放大器 CX20206 達(dá)到了比較好的效果。其中的前置放大器具有自動(dòng)增益控制功能，可以保證在超聲波傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號輸出微弱電壓時(shí)放大器有較高的增益 ， 在近距離輸入信號強(qiáng)時(shí)放大器不會過載。功能可描述為 ： 在接收到與濾波器中 14 心頻率相符的信號時(shí) ， 其輸出腳 7腳輸出低電平。 如圖 28所示： 圖 28 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 超聲波接收及信號處理電路是此系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的一個(gè)難點(diǎn)。超聲波探頭必須采用與發(fā)射探頭對應(yīng)的型號，關(guān)鍵是頻率要一致，否則將因無法產(chǎn)生共振而影響接收效果，甚至無法接收。 圖 29 接收部分電路圖 15 超聲波測距儀顯示電路 超聲波測距系統(tǒng)的顯示要求比較簡單，測量結(jié)果采用十進(jìn)制數(shù)字顯示。因此顯示部分采用七段半導(dǎo)體數(shù)碼管即 LED。在共陰極接法中， LED 數(shù)碼管的 ga 七個(gè)發(fā)光二極管因加正電壓而發(fā)亮，因加零電壓而不發(fā)亮。 LED 數(shù)碼管具有亮度大，響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)顯示方式，以實(shí)時(shí)顯示 距離 變化。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng) LED 的方法，從而簡化了顯示電路。 圖 210 顯示電路圖 本章小結(jié) 本章我們詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。 超聲波的測距原理，它包括對單片機(jī)的最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路及顯示電路的介紹。 超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生 器 T 在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲波信號，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器 R 所接收到。距離的計(jì)算公式為： 2/)(2/ tcsd ???