【正文】 串超聲波，按照在粗測距中設(shè)定的閡值，精測距中的回波前沿被捕捉，實現(xiàn)精確測距目的。這樣，把遠(yuǎn)程測距與近程測距分開進(jìn)行，就可以克服測距范圍與測距精度之間的固有矛盾。西北工業(yè)大學(xué)應(yīng)用擴(kuò)頻原理設(shè)計了一種液位測量系統(tǒng)，可控聲源被使用在其中 [9]。國內(nèi)外的研究成果使得超聲波檢測的精度得到了提高，這些處理方法都得到了很好的效果。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。采用 AT89S52 來實現(xiàn)對各個 子模塊的控制。軟件部分主要有主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 4 第二章 超聲測距技術(shù)方案分析 超聲與超聲的特性 聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。人的聽覺范圍如圖 所示。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進(jìn)入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強(qiáng)。 （ 3）超聲波的能量傳遞特性 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 5 超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強(qiáng)大得多的功率。因為當(dāng)聲波進(jìn)入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率 — 樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。物資分子由于振動所獲得的能量除了與 分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的 ,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。 （ 4）超聲波的聲壓特性 當(dāng)聲波進(jìn)入某物體時 ,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。 超聲的應(yīng)用 目前各種超聲波儀器和裝置已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了工業(yè)、通信、醫(yī)療等許多行業(yè)中。正是在這種工作原理下，我們可以充分地利用超聲波的各種特性來研制超聲波傳感器，配合不同的信號處理與顯示電路完成許多待測量的檢測工作。 ，對于相同的頻率波長短，容易提高測量的分辨率。 超聲波傳感器 為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) [13] 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 6 超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者 將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。目前壓電式換能器的理論研究和實際應(yīng)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。在 第一次世界大戰(zhàn)期間，法國物理學(xué)家朗之萬于 1916 年研制成功了第一個真正實用的壓電換能器，并將其應(yīng)用于潛艇的探測中。直到現(xiàn)在，朗之萬型換能器仍在得到廣泛的應(yīng)用，如功率超聲和水聲中。 壓電效應(yīng)包括逆壓電效應(yīng)和正壓電效應(yīng)。如電場反向，則形變亦相反。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 7 (2)正壓電效應(yīng) 當(dāng)對某電介質(zhì)施加應(yīng)力時，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛 電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。 常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等。壓電組件在超聲振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，但這種振動加速度很大，于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動能量，這種巨大的超聲波能量，沿著特定方向傳播出來。 超聲波換能器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置，它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。兩芯片之間，芯片與金屬該班之間通常夾以薄黃銅片，作為焊接電極引線用 。在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻 匹配作用。使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。 超聲波傳感器的種類 超聲波傳感器根據(jù)應(yīng)用范圍的不同可分為以下四類 (1)通用型超聲波傳感器 超聲波傳感器的帶寬一般為幾 kHz，并具有選頻特性。但通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分 開使用的，測量中必須成對使。因為寬頻帶傳感器發(fā)送和接收是共用一個探頭的傳感器輸出開路時，其輸出電壓較高，但阻抗 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 8 也高，易受噪聲的影響，通常要接入幾 千歐 到幾百千歐的電阻。所以，一個傳感器可以兼作接收傳感器與發(fā)送傳感器。因此，在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高的靈敏度。 (4)高頻型超聲波傳感器 上述各種類型傳感器的中心頻率只有數(shù)十 kHz，但中心頻率高于 100kHz 的傳感器近來也有銷售。按照應(yīng)用領(lǐng)域的不同，超聲波束可以是強(qiáng)方向性的、扇狀的、無方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層，以便發(fā)射器與媒質(zhì)的音內(nèi)阻抗相匹配。 圖 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 超聲波接收器 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 9 超聲波接收器接收原理基于伴隨聲波而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動電、電磁、反磁致伸縮聲光效應(yīng)等。 壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。結(jié)構(gòu)上有采用 PVDF 膜作為受音體、也有采用欽酸、鎬酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶狀受音體的形式結(jié)構(gòu)。 動圈式接受器的結(jié)構(gòu)為在磁場中防止帶有受音板的可動線圈或?qū)w帶，當(dāng)它們因超聲波而運(yùn)動時，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻。當(dāng)超聲波傳來時，受音板發(fā)生唯一，使磁路磁場發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動勢。聲光效應(yīng)構(gòu)成的超聲波傳感器有利用光纖的波導(dǎo)部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利用對彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射品格作用形成的結(jié)構(gòu)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 S，即： S=340t/2。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。如下圖所示： 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 10 圖 超聲波的測距原理 ?cosSH? )(HLarctg?? 式中 :L 為兩探頭之間中心距離的一半 . 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。當(dāng)需要測量的距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時 , 公式 變?yōu)?: vtH 21? 所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H。距離過遠(yuǎn)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(yuǎn)限存在的原因。 在使用一個探頭同時充當(dāng)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(qiáng)達(dá)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(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當(dāng)強(qiáng)的，可以達(dá)到限幅電路，引起探頭振動，不能進(jìn)行正確的測量。當(dāng)液面離探頭越來越遠(yuǎn)時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值相應(yīng)的越 來越小。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，不能能有輸出信號。 而使用雙探頭方式 [15]，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應(yīng)，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。 提高測距儀性能的方法 要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速 C 必須恒定，實際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進(jìn)行修正的方法 [16]，可以測得比較準(zhǔn)確的距離。空氣中聲速 C 與溫度 T 的關(guān)系在常溫下可由下面近似公式表 示 : TC ?? (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震 (拖尾 )減少，此法常用于距離測量距離。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信 號的幅增大，以提高測量的精度。量程主要決定于接收信號的幅值應(yīng)大于規(guī)定闡值。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀一樣，另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。這時要求對環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長元 λ，傳感器半徑 r有關(guān)。當(dāng) f選定后，指向角 θ近似與傳感器半徑成反比。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑。 )** rc s in(*2 r??? ? 測距儀的工作頻率 空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在 40KHz 左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在 40KHz[5]。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 13 聲速 聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度，傳播介質(zhì)中聲速的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測距 儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。 測量盲區(qū) [18] 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進(jìn)入接收部分。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下 : 圖 輸入電壓對超聲信號的影響關(guān)系圖 如圖所示，當(dāng)發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振 (由于機(jī)械慣性作用。另一方面，接收 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 14 探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。由圖 可見，從 b 點(diǎn) 以后，接收的信號低于閾值，相當(dāng)于測距的遠(yuǎn)限。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。b 點(diǎn)就為測距遠(yuǎn)限，其外部就為測量不到的區(qū)域。下面兩圖是這次設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)圖和整體 電路圖。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。 單片機(jī)控制發(fā)射模塊發(fā)出 40kHZ 的超聲波信號并開始記時，通過超聲波發(fā)射器輸出超聲波信號；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號送至接收模塊，經(jīng)處理后，送至中斷信號至單片機(jī)，單片 機(jī)啟動中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計算和修正，得出距離數(shù)并送 LCD 顯示。如下圖所示： 圖 顯示示意圖 :其中溫度單位為“攝氏度”，距離單位為“米” 各功能模塊介紹設(shè)計 單片機(jī)處理單元 [19] AT89S52 簡介： 圖 AT89S52 實物圖 AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 17 器。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位 定時器 /計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。空閑模 式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。 圖 AT89S52引腳分布圖 AT89S52 芯片共 40 引腳 : 1~8 腳 : 通用 I/O 接口 ~ 9 腳 : RST 復(fù)位鍵 10 ~11 腳 :RXD 串口輸入 TXD 串口輸出 12~19:I/O p3接口 (12,13 腳 INT0中斷 0 INT1中斷 1 14~15 : 計數(shù)脈沖 T0 T1 16,17: WR 寫控制 RD 讀控制輸出端 ) 18~19: 晶振諧振器 20 地線 21~28 p2 接口 高 8 位地址總線 29: