【正文】 ....................... 33 致 謝 .......................................................... 34 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 1 第一章 緒論 高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，而這是 建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。在介紹超聲傳感器原理與特性和超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ) 上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 )正文 題 目 基于 AT89S51 單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 班 級 姓 名 學(xué) 號 指導(dǎo)教師 職 稱 基于 AT89S51 單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 摘要 ： 本文主要研究開發(fā)了一種基于單片機(jī)微處理器的超聲波測距系統(tǒng)。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離。介紹了具體的軟硬件設(shè)計(jì)以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)情況 ,針對測距系統(tǒng)發(fā)射、接收、檢測、顯示部分的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證，對測距系統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)和工藝人員理應(yīng)了解非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機(jī)出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常常可以有時(shí)甚至是只能依靠無損檢測技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn)和評價(jià)。無損檢測正在以迅猛之勢向縱深發(fā)展，客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以發(fā)展的最大動力。當(dāng)時(shí)Galton 哨在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá) 3 X 100Hz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、宇航、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。 五十年代，我國開始從國外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。 1976 年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術(shù)交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國 6個單位協(xié)作攻關(guān)。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術(shù)的推廣普及。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣無損檢測技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求 [1]。 1883 年Galton 首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。由于 這類換能器成本低，所以經(jīng)過不斷改進(jìn)，至今仍廣泛地用于超聲處理技術(shù)中。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測量、過程檢測、機(jī)器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。 (2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中 。 因此超聲檢測法己經(jīng)越來越多地引起人們的重視，并且被廣泛應(yīng) 用在液位測量、機(jī)械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面。 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 3 第二章 超聲波測距技術(shù)綜述 這一章首先從超聲波的基本性質(zhì)對超聲波做了介紹，隨后又對超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、種類及特性做了介紹，為本論文后面章節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。 超聲波簡單的說就是音頻超過了人類耳朵所能夠聽到的范圍。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。 衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 2af?? (23) 式中 a 為介質(zhì)常數(shù)， f 為振動頻率。若 f=30kHz，則 1/α =56m。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動摩擦等原因，能量被吸收損耗。 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 4 2)由于超聲波與電磁波相比速度慢，對于相同的頻率波長短，容易提高測量的分辨率。 聲波是一種傳遞信息的媒體，它與機(jī)械振動密切相關(guān)，可以由物體的撞擊、運(yùn)動所產(chǎn)生的機(jī) 械振動以波的形式向外傳播。 波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì) [4]: (1)、超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進(jìn)行測量、定位、探傷和加工處理等。 (2)、超聲波的波長很短，與發(fā)射器、接收器的幾何尺寸相當(dāng)，由發(fā)射器發(fā)射出來的超聲波不向四面八方發(fā)散，而成為方向性很強(qiáng)的波束，波長愈短方向性愈強(qiáng)，因此超聲用于探傷、水下探測 ，有很高的分辨能力，能分辨出非常微小的缺陷或物體 。 (4)、功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量。超聲頻率高，故可以給出大的功率。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為 344m/s。目前常用的超聲波傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。流體動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波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)生超聲波振動。壓電效應(yīng)有兩種類型 [7]: (1)逆壓電效應(yīng) 將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場中，由于電場作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)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(chǎn)生了形變，形變與電場強(qiáng)度成正比。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。將適當(dāng)?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(chǎn)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(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質(zhì)中。利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能 (即聲能 )轉(zhuǎn)換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。當(dāng)壓電晶片受發(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)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。這種超聲波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 }D 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。 圖 雙壓電晶片如圖 所示，當(dāng)在 AB間施加交流電壓時(shí)，與極化方向相同，則下面的方向相反，雙壓電晶片的等效電路如圖 23 所示，因此，上下一伸一縮，若 A片的電場方向形成超聲波振動。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率句。這樣，超聲波傳感器才有 較高的靈敏度。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感 器。由圖 分析可知， Q 恰好是電路的串聯(lián)支路的 Q 值。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力 量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞 [10]。 超聲波是一種頻率超過 20kHz 的機(jī)械波。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會反射。 超聲波在介質(zhì) (固體、液體、氣體 )中傳播時(shí)，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對超聲波傳播的影響來探查物體和進(jìn)行測量的技術(shù)稱為超聲檢測。在水中，根據(jù)反射波可以探測潛水艇和魚群，測量海底深度以及探查海底底層等 。利用超聲連續(xù)波的共振性質(zhì)，可以測量高壓容器，鍋爐，輪 船甲板等的厚度或腐蝕程度，也可制成機(jī)械濾波器。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測量流速流量，探測心臟血管搏動等。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠(yuǎn)小于電磁波這一特性，可制成超聲延遲線和存儲裝置以及進(jìn)行電視制式的轉(zhuǎn)換。除此之外、聲發(fā)射、聲成像技術(shù) (包括聲全息成像技術(shù) )的發(fā)展也大大豐富了超聲檢測的內(nèi)容。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測物體內(nèi)部情況。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。超聲波在被檢材料 (金屬、非金屬 )中傳播時(shí)，利用材料本身或內(nèi)部缺陷所示的聲學(xué)性質(zhì)對超聲波傳播的影響來檢測材料的組織和內(nèi)部缺陷的方法，稱為超聲探傷。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器制造、冶金、化工設(shè)備、國防建設(shè)等部門，已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保安全的一種重要手段 [11]。在這一章中，將對超聲波測距系統(tǒng)的原理進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的總體方案。 超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時(shí)間法 [12]。 將 (34)式代入 (33)式可得 : )](c o s [21 HMa rctgvtH ? （ 35） 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 10 式中，超聲波的傳播速度 v 在一定溫度下是一常數(shù)。當(dāng)被測距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M時(shí)， 1)](c o s [ ?HMarctg ，于是 (35) 式變?yōu)?: vtH 21? （ 36） 由此可見，要想測得距離 H，只要測得超聲波的傳播時(shí)間 t即可。 脈沖發(fā)生器的輸出信號 fl 通過脈沖放大器后 ，其輸出信號為 f2。 單片機(jī)在超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖的時(shí)刻開始計(jì)時(shí) 。當(dāng)單片機(jī)接收到 f7 時(shí)，單片機(jī)立即停止計(jì)數(shù) 。 f2 f5 f5 f1 f3 f4 f6 單片機(jī) 選頻放大器 門限電路 門限電路 選頻放大器 選頻放大器 門限電路 門限電路 選頻放大器 脈 沖放大器 脈 沖 發(fā)生器 R T 超聲波發(fā)射換能器 超聲波信號 超聲波接收換能器 f7 f6 f1 激發(fā)電路 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 11 單片機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù) 顯示 電子市場上常見的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為 40kHz。鑒于有限的條件，本文中選用的探頭是 40kHz 的超聲傳感器，有一支接收傳感器 SZWR401 OP 和一支發(fā)射傳感器 SZWS4012M,其特性參數(shù)如表 31所示。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈 (有時(shí)裝在探頭內(nèi) )，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動發(fā)出超聲波。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢Оl(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接 收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。因此，工作電壓不能超過這個極限值。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。接收部分就是由四級放大電路構(gòu)成，最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機(jī)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。 (1}截止條件 圖 截止晶體管的基極部分等效電路圖 當(dāng)一個晶體管截止時(shí)，另一個飽和。因此截止晶體管的基極部分等效電路圖如圖 所示。反之，截止較淺，當(dāng)三極管截止時(shí)，使三極管的反向偏置電壓降在 01伏之間，式 38 可簡化為 : RRIUU EUR c bobocc e s bbocb ??? ?? (39) 這是選擇 Rb的條件。 (2)導(dǎo)通條件 圖 等效電路 圖 對導(dǎo)通三極管而言，要求基極電流大到保證使集電極電流飽和。這時(shí)，基極電壓為 Ubs，基極電流為 Ibs、集電極電壓為 Uces。式 311 可簡化為 : 襄樊學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告紙 第 頁 14 )00)(()( ))((csccbsc b occccbbscb UERRUIRER REURRR ????? ??