【正文】 用。因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。 國內(nèi)超聲檢測發(fā)展綜述在基于傳統(tǒng)的測力距離存在不可克服的缺陷。由于超聲波具有強度大，方向性好等特點，利用超聲波測量距離就可以解決這些問題，因此超聲波測量距離技術(shù)在工業(yè)控制、勘探測量、機器人定位和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。通過簡單的外圍電路發(fā)生和接收超聲波，單片機通過采樣獲取到超聲波的傳播時間，用軟件來計算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進行測距補償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。本節(jié)在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計本系統(tǒng)進行詳細分析。圖 11 系統(tǒng)設(shè)計方案圖發(fā)射電路采用單片機 端口編程輸出 40kHz 左右的方波脈沖信號，部計數(shù)器 TO。從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來的超聲回波很微弱 (幾十個 mV 級)，又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。由于放大電路輸出的信號是連續(xù)的正弦波疊加信號，而單片機所能接受的中斷響應(yīng)信號常為下降沿脈沖信號，故信號在放大電路后通過 LM393 構(gòu)成的比較電路，將正弦信號轉(zhuǎn)換成方波信號，用方波的負跳變作單片機的中斷輸入，使得單片機知道已接收到超聲信號，內(nèi)部計數(shù)器停止計時。通過單片機編程將內(nèi)部中北大學(xué)畢業(yè)論文 3計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為距離信息，通過 3 位 LED 數(shù)碼管顯示，數(shù)據(jù) XXX，單位cm。這樣可以在視覺有限或不宜用眼觀察的情況下發(fā)揮更大的用處，或近距離配合視覺系統(tǒng)會此測距儀的優(yōu)點或方便之處得到最大程度的發(fā)揮，使用起來非常的靈活方便。 本文主要研究內(nèi)容本系統(tǒng)硬件部分由 AT89C51 控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測量電路、聲音報警電路和 LCD 顯示電路組成。超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 12 系統(tǒng)設(shè)計總框圖由單片機 AT89C51 編程產(chǎn)生 10us 以上的高電平，由指定引腳輸出，就可以在指定接收口等待高電平輸出。發(fā)射出去的超聲波經(jīng)障礙物反射回來后，由超聲波接收頭接收到信號，通過接收電路的處理，指定接收口即變?yōu)榈碗娖?，讀取單片機中定時器的值。由時序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在 T0 時刻發(fā)射方波，同時啟動定時器開始計時，當收到回波后，產(chǎn)生一負跳變到單片機中斷口，單片機響應(yīng)中斷程序，定時器停止計數(shù)。發(fā)射電路接收電路AT89C51 LCDDS18B20報警電路中北大學(xué)畢業(yè)論文 4圖 13 時序圖中北大學(xué)畢業(yè)論文 5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)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，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)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波；表面波，質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟ā榱藴y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)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機械作用超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機械效應(yīng)。中北大學(xué)畢業(yè)論文 6(2) 空化作用在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(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)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。當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，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，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)電能或機械能轉(zhuǎn)換成聲能，接收端則反之。它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共中北大學(xué)畢業(yè)論文 7振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，就成為超聲波接收器。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，使用時應(yīng)分清器件上的標志。本設(shè)計采用往返時間檢測法測距。測試傳輸時間可以得出距離。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，需要考慮溫度對超聲波傳播速度的影響，按式(22)對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，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，即電聲型與流體動力型。感器。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(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)慣上都把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” 。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是正壓電效應(yīng)。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， 為靜電電容，R 為陶瓷材料介電損耗,并OC聯(lián)電阻 Cm 和 Lm 為機械共振回路的電容和電感， 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。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。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。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。本文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器 UCMT40KI 和一支接收傳感器 UCMR4OKI 組成，其特性參數(shù)如表 25 所示。設(shè) l 為測量距離，t為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。中北大學(xué)畢業(yè)論文 10圖 26 測距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米／秒。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為： )/(???? (23)聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離：L=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進行角度補償）22slh?? 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)。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。s(l 個 40KHz 方波脈沖)， 100181。s(8 個 40KHz 方波脈沖)， 800181。最終采用短距離(2m 內(nèi))發(fā)射 200181。長距離(2m 外)發(fā)射 800181。此時，從接收回波信號幅度和測量中北大學(xué)畢業(yè)論文 11盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中，并且接收準確響應(yīng)速度快。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。因此，在一段較長時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具一定幅值高度，可以達到限幅電路的限幅電平Vm。當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定的閾值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號。另外，從圖中 A點以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。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 點就為測距遠限，其外部就為測量不到中北大學(xué)畢業(yè)論文 12的區(qū)域。通過詳細分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計中所用超聲傳感器的特性參數(shù)。中北大學(xué)畢業(yè)論文 13第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(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)換為機械振動彈性能，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)計超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點所在。由于單片機端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測量距離滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器 UCM40T1 發(fā)射超聲波距離足夠遠。這里使用 CX 20226A集成電路對接收探頭接受到的信號進行放大、濾波，信號經(jīng)過 端口送入單片機中進行處理。通過單片機編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(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。中北大學(xué)畢業(yè)論文 14 發(fā)射電路設(shè)計方案一、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造成的各種損失和干擾。發(fā)射電路設(shè)計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)射信號損失及接收機的靈敏度，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。 發(fā)射電路常用方案由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設(shè)計的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖中北大學(xué)畢業(yè)論文 15其功率。Q2Q1VCCVCCC1R1LS1RF圖 32 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射器的注意事項超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。存在 4 個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。穩(wěn)定準確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為 2 ，當 很小的時候，可直接按式 進行距離的計?2SCt?V算；當夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： (31)costS???中北大學(xué)畢業(yè)論文 16 實際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為 45176。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變的電壓信號，而不能提供電流信號。前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計。同時，換能器的輸出電壓很小(數(shù)十毫伏 )，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。3?由電路的基本知識，可列出:中北大學(xué)畢業(yè)論文 17I （32)2RUii??I (33)3f??根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念: U 通常