【正文】 ............................................................................................................... 8 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案 .......................................................................................................... 9 接收電路設(shè)計(jì) ..................................................................................................................... 9 單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì) ....................................................................................................... 11 LCD 顯示部分 ............................................................................................................ 15 第 4 章 軟件設(shè)計(jì)和測 量結(jié)果分析 ........................................................................................... 16 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 16 實(shí)現(xiàn)重要功能的程序分析 ............................................................................................... 20 實(shí)現(xiàn)溫度讀取功能 .................................................................................................... 20 實(shí)現(xiàn)根據(jù)溫度轉(zhuǎn)化聲速 ............................................................................................ 20 實(shí)現(xiàn)距離計(jì)算 ............................................................................................................ 21 系統(tǒng)原理圖 ................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 1基于單片機(jī)的超聲測距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第 1章 緒論 課題背景及重要意義 近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運(yùn)用超聲波作出精確測量已成可能。超聲波是指頻率在 20kHz以上的聲波，它屬于機(jī)械波的范疇。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。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。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。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。因此超聲波測距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣 泛的應(yīng)用。 2第 2章 超聲波測距原理與方法 超聲波簡介 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。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。 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(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟?。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。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。 超聲波對(duì)聲場產(chǎn)生的作用 (1) 機(jī)械作用 超聲波傳播過程中，會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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)。 (2) 空化作用 3在流體動(dòng)力學(xué)指出，存在于 液體中的微氣泡在聲場的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時(shí)，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程稱為空化。 超聲波傳感器介紹 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。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。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上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(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。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。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 作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，就成為超聲波 4接收器。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(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。本設(shè)計(jì)采用往返時(shí)間檢測法測距。測試傳輸時(shí)間可以得出距離。 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(duì)超聲波傳播速度的影響，按式 (22)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。 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)就可制成超聲波傳感器。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。 。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的 一種。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。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 。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。 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(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。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(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。 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(shí)，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(dòng)。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率? o。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。 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。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。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。 6 超聲波傳感器選擇 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。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。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。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。 表 25傳感器特性參數(shù)表 型號(hào) UCMT40K1 UCMR40KQ 結(jié)構(gòu) 開放式 開放式 使用方式 發(fā)射 接收 中心頻率 ZKH140? ZKH138? 頻帶寬 ? ? 靈敏度 ubardBV110 ubardBV65? 聲壓 ) n(115 m P adBdB ? )10m in (70 ub arVdBdB ?? 指向角 o75 o80 容量 pF%252500 ? pF%252500 ? 超聲波測距的原理 超聲波測距方法主要有三種： 1）相位檢測法：精度高， 但檢測范圍有限； 2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響； 3）渡越時(shí)間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)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(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。表 27 列出了幾種溫度下的聲速： 表 27 聲速與溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為 340m/s。 在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時(shí)器測量超聲波傳播時(shí)間，利用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償） 如果為了進(jìn)一步提高測量精度，本設(shè)計(jì)中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)： 2 2 2s l h?? 。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25181。s(4 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 200181。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)。s(8個(gè) 40KHz方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度 。s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和溫度補(bǔ)償電路四部分組成。不論超聲 波 傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都有是一樣的 （ 都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲 波 ）， 要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計(jì)超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點(diǎn) 所在 。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM40T1 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。這里使用 CX 20206A集成電路對(duì)接 收探頭 接受 到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波 ，信號(hào)經(jīng)過 端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理 。通過單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過 三 位 LED 數(shù)碼管顯示。 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由 555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。發(fā)射部分的電路，如圖 31 所示。 9 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案 一、發(fā)射電路輸出波形分析 為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性 。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是 否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。此方法測試距離太近 。 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失 。 接收電路設(shè)計(jì) 接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大有用信號(hào)的同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。 L S 2U C M 4 02314111T L 0 8 2R2R3RpV C C V C CU0UiIfIi 圖 33前置放大電路圖 電路如圖 33 所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大 (一般數(shù)百兆歐姆以上 )，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗 (Input Impedance))。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器 TL082 及電阻 R2 、 3R 和R? 構(gòu)成，組成反向比例放大電路，這樣可以減