【正文】 Key Words: Ultrasonic wave。Ultrasonic sensor。Signal chip puter.目 錄第一章 緒 論 1 1 5 5第二章 超聲測距系統(tǒng)設(shè)計 7 7 7 10 13 14 16 16 16 16 17 17 19第三章超聲波測距儀硬件設(shè)計 21 21 21 22 23 25 26 28 30 顯示模塊 31 32 32 34 34第四章 超聲波測距儀軟件設(shè)計 35 35 軟件設(shè)計原理 35 36 36 39 39 39 42 42 43 44 45第五章 結(jié)束語 47附錄 超聲波測距探測器設(shè)計電路圖 48參考文獻(xiàn) I致 謝 I第一章 緒 論社會在進(jìn)步，隨著經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，在當(dāng)今社會，車輛已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪兄陵P(guān)重要的一部分，我們知道我們越來越離不開汽車了，以車代步已經(jīng)成為生活的一部分。而在平日的生活當(dāng)中我經(jīng)常會遇到這樣的問題，如來到一個大型的停車場，要來購物或者有非常著急的事情，但是卻往往找不到要停車的位置。在這種特殊的情況下，有通常會發(fā)生各種各樣棘手問題而束手無策，譬如：有很多車會堵在停車場門口處，又譬如浪費(fèi)了很長時間找到車位又被其他車輛所占據(jù)，會導(dǎo)致打架的事情，直接導(dǎo)致家用車貨車的擱淺，引起極大的不便。針對這些具體而實(shí)際的問題提出解決方案，節(jié)約資源時間，所以我們做一個智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)更具有現(xiàn)實(shí)意義。例如，傳統(tǒng)的如鋼卷尺接觸式測量儀器在測量一定距離時，這種儀器對高于3m的頂板安設(shè)困難，且測量不準(zhǔn)確。在自動化裝配、檢測、分類、加工與運(yùn)輸?shù)冗^程中，要對隨意放置的工件進(jìn)行作業(yè)，這就必須對工件的位置、形狀、姿勢、種類自動地進(jìn)行判別，尤其在在工件運(yùn)輸過程中進(jìn)行識別，則問題更為復(fù)雜與困難，因此人們急切需要各種非接觸式的測距儀。但激光和雷達(dá)測距儀造價偏高，紅外線測量距離又太短，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn):，超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離，很合適。超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體(如玻璃、拋光體)。、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時控制[1]。在機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動化裝配及檢測、自動測距、無損檢測、超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測井、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用[2]。有效的車輛探測裝置對智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計起著至關(guān)重要的作用。超聲檢測的原理主要是利用超聲波作為載體，即通過超聲在媒質(zhì)中的傳播、散射、吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)木身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。超聲波檢測儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化[6]。如英國的UCT2超聲波檢測儀，重達(dá)24Kg，各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出CTS一10型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式，儀器重約20Kg，該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。直至七十年代中期，因無損檢測技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT2，CTS一10型儀器。從此，無損檢測技術(shù)開始進(jìn)入有計劃，有目的的研究階段。如羅馬尼亞N2701型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量10Kg。1978年10月，中國建筑科學(xué)院研制出JC2型便攜式超聲波檢測儀。同期研制出的超聲檢測儀器還有SC2型，CTS25型，SYC2型超聲波檢測儀。隨著檢測技術(shù)研究的不斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會帶來較大的測試誤差。隨后具有檢測，記錄，存儲，數(shù)據(jù)處理與分析等多項功能的智能化檢測分析儀相繼研制成功。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的Z000A型超聲分析檢測儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測量儀器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機(jī)打印。與國內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。儀器設(shè)計也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求。電聲型主要有：1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨”或“笛”[3]。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，公式L=(△t/2)*C簡單易算，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實(shí)時控制，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求[5]。本文在理論方面對超聲測距實(shí)際方案做了深入設(shè)計，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出以Atmel89C51單片機(jī)為核心，采用4OKHZ壓電超聲傳感器的超聲測距儀。在軟件上，獨(dú)特的采用了每次開機(jī)時進(jìn)行初始化，將第一次的測量距離放入單片機(jī)內(nèi)的某個單元。若相差較大則有車，否則無車。測量精度及靈敏度高，測量距離廣 (4cm到4m)。在本論文的第一章當(dāng)中，著重介紹課題的設(shè)計的相關(guān)意義目的目標(biāo)等；在接下來的第二章中，論文有詳細(xì)的介紹了超聲波測距儀的原理綜述及傳感器的參數(shù)選擇；在第三章又描述了超聲波測距儀的總體硬件設(shè)計，和各部分電路的組成，最后簡單介紹一下AT89C51單片機(jī)；第四章，介紹超聲波測距儀的軟件設(shè)計。第二章 超聲測距系統(tǒng)設(shè)計一、超聲波及超聲波波形的介紹在科學(xué)史上，人們很久以前對聲音信號就有了認(rèn)識，我們生活的世界充滿了各種可聽的聲信號。我國兩千多年前的先秦時期，在樂律和樂器的研究方面，對聲學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對晚一點(diǎn)了。我們知道以前在物理課中學(xué)過，人們可聽到的聲音頻率為20HZ20KHz，即為可聽聲波，超出頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，頻率高于人類聽覺上限頻率(約20KHz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。它能在固體、液體和氣體中傳播。它只能在固體中傳播。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァＡ硪徊糠謩t透過分界面，在另一介質(zhì)能繼續(xù)傳播的波稱為折射波，如圖21所示。當(dāng)入射波和反射波的波形一樣時，波速一樣，入射角α即等于反射角α’。I0為射聲強(qiáng)。Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗。這說明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反得情況下，由于兩種介質(zhì)得聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。另外聲波在介質(zhì)中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時的衰減更明顯。在一般探測頻率上，材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間，如水及其他衰減材料a為(14)*l03dB/mm。穿透20mm距離時，衰減為90%[5]。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。電聲型主要有:。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)生超聲振動。傳感器的主要組成部分是壓電晶片，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。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，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22雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖22所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時，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，形成超聲波振動圖23雙壓電晶片的等效電路雙壓電晶片的等效電路如圖2一3所示，C0為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻0”和Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感，Rm為損耗串聯(lián)電阻。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板(振動板)接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動的節(jié)點(diǎn)。接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。常見超聲波傳感器的中心頻率有有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。指向角是超聲波傳感器方向性的一個參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)(573℃)，就完全喪失壓電性能。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施[9]。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多。木文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCMT40和一支接收傳感器UCMR4O組成，其特性參數(shù)如表21所示。1kHz38177。2177。25%pf2500177。其中脈沖回波法測距最為常用，它主要基于超聲測距回波信號的識別，多采用模擬方法，用電路來實(shí)現(xiàn)。傳感器的上作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。，對相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。綜上所述，由于木測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在40KHz。傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測距的一個重要技術(shù)參數(shù)，記為θ，它直接影響測量的分辨率。，聲速的大小線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響，由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。但當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。根據(jù)資料[12]，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。長距離(2m外)發(fā)射 800us(32個40KHz脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時單片機(jī)編程避開盲區(qū)。然而，在智能停車場當(dāng)中則選擇800us的脈沖寬度。木章主要在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。顯 示 電 路單 片 機(jī) 處 理 部 分發(fā)射電路檢測電路接收電路發(fā)射探頭接收探頭障 礙 物