基于單片機的超聲測距儀畢業(yè)設計

1、中北大學2012屆畢業(yè)設計說明書畢業(yè)設計說明書基于單片機的超聲測距儀設計信息與通信工程學院學生姓名： 學號： 通信工程學 院： 丁永紅專 業(yè)： 指導教師： 2012年 6月基于單片機的超聲測距儀設計摘 要隨著科學技術的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應用越來越廣。超聲測距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。查閱大量資料了解了超聲測距儀研究的目的和意義及國內外的發(fā)展狀況，通過對超聲傳感器的工作原理及特性的研究，以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時間差來測量待測距離，完成了超聲測距儀的

2、硬件和軟件的設計，硬件電路主要包括發(fā)射電路、接收電路、前置放大電路、比較檢測電路，實現(xiàn)了短距離的超聲波測距。關鍵詞：超聲波，單片機，超聲傳感器microcontroller-based design of the ultrasonic range finderabstractwith the rapid development of science and technology, ultrasound will be more widely applied in the range finder. ultrasonic range finder

3、 as a new, very important and useful tool in every respect, there will be much room for development, it will be the direction of more high positioning precision to meet the growing needs of the community.lot of information to understand the purpose and significance of the ultrasonic range finder res

4、earch and development at home and abroad, the working principle and characteristics of the ultrasonic sensor, ultrasonic propagation velocity of the air to determine the conditions for use of transmission ultrasound and is reflected backwave time to measure the test distance to complete the ultrason

5、ic range finder hardware and software design, hardware circuit includes a transmitter circuit and receiver circuit, the preamplifier circuit, comparison detection circuit, a short distance of the ultrasonic ranging.keywords ：ultrasound,mcu,ultrasonic sensors目 錄1 緒論11.1 課題研究目的意義11.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀11.3

6、課題內容及預期目標51.4 論文結構安排52 超聲波測距簡介62.1 超聲波和超聲波傳感器62.1.1 超聲波62.1.2 超聲波傳感器結構82.1.3 超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇102.2 超聲測距儀原理及測量方法112.3 超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)論述122.3.1 工作頻率122.3.2 指向角介紹132.3.3 溫度介紹132.3.4 發(fā)射脈沖寬度介紹133 超聲測距儀硬件設計143.1 總體設計143.2 發(fā)射電路設計143.2.1 發(fā)射電路的方案論述143.2.2 發(fā)射電路153.2.3 分析計算163.3 接收電路設計173.3.1 前置放大電路173.3.3 比較檢測電路2

7、13.4 顯示電路213.5 超聲波距離探測器總體電路213.5.1 超聲測距儀設計具體細節(jié)223.5.2 總體電路設計234 超聲測距儀軟件設計244.1 軟件設計原理及總體設計244.1.1 軟件設計原理244.1.2 軟件總體設計254.2 測距儀單片機主程序254.3 測距儀子程序274.3.1 超聲波發(fā)射子程序274.3.2 距離計算284.3.3 比較程序304.3.4 乘法計算程序304.3.5 外部中斷子程序314.3.6 定時器中斷子程序32附錄 超聲測距儀設計電路圖33總 結34參 考 文 獻35致 謝37第 ii 頁，共 頁1 緒論1.1 課題研究目的意義隨著科學技術的快

8、速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應用越來越廣。在人類文明的歷次產業(yè)革命中，傳感技術一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術和應用領域的關鍵技術，在人們可以想象的所有領域中，它幾乎無所不在。傳感器是世界各國發(fā)展最快的產業(yè)之一，在各國有關研究、生產、應用部門的共同努力下，傳感器技術得到了飛速的發(fā)展和進步。但就目前技術水平來說，人們可以具體利用的傳感技術還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術及產業(yè)領域1。超聲波測距與其它非接觸式的檢測方式方法相比，如電磁的或光學的方法它不受光線，被測對象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對于被測物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一

9、定的適應能力2。因此在液位測量，機械手控制，車輛自動導航，物體識別等方面有廣泛應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結構簡單，體積小，信號處理可靠等特點3。超聲波是一種指向性強，能量消耗慢的波。它在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量，可解決超長度的測量4。 超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?、反射、折射、干涉、衍射、散射與物理緊密聯(lián)系，應用靈活。并且更適合與高溫、高粉塵、高濕度和高強電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。超聲波可用于非接觸

10、測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點，是利用計算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的，對被測目標無損害5。而且超聲波傳播速度在相當大范圍內與頻率無關。超聲波的這些獨特優(yōu)點越來越受到人們的重視。1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀社會在進步，隨著經濟生活的發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，在當今社會，車輛已經逐漸成為了人們日常生活中至關重要的一部分，我們知道我們越來越離不開汽車了，以車代步已經成為生活的一部分。關于汽車的各種新技術也層出不窮，但是放眼望去，絕大多數(shù)的廠家和研究機構的研究方向過多的集中在了設備本來已經相當高級的車上。而在平日的生活當中我經常會遇到這樣的問題，如來到一個

11、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6。然而現(xiàn)在通常在有的有顯示空車位停車場當中又不能智能引導汽車走到空著的車位。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，又譬如浪費了很長時間找到車位又被其他車輛所占據(jù)，會導致打架的事情，直接導致家用車貨車的擱淺，引起極大的不便。再如長時間駕駛后在沒有需要的停車位置的情況下停車休息，由于極度疲勞導致的貴重錢物丟失現(xiàn)象以及大型長途貨車在停車場門口馬路很窄的情況下由于很多待于停車的車輛堵車引起的倒車不便等等。針對這些具體而實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

12、車輛引導系統(tǒng)更具有現(xiàn)實意義。隨著計算機技術、自動化技術發(fā)展，測距與識別問題在工業(yè)中變得十分重要。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的頂板安設困難，且測量不準確；對于橫向變形量的測量，若安設于兩側之間，則妨礙人、車來往，如果不固定安設裝，則測量精度很低，難以監(jiān)測微小變形。在自動化裝配、檢測、分類、加工與運輸?shù)冗^程中，要對隨意放置的工件進行作業(yè)，這就必須對工件的位置、形狀、姿勢、種類自動地進行判別，尤其在在工件運輸過程中進行識別，則問題更為復雜與困難，因此人們急切需要各種非接觸式的測距儀7。我們目前的非接觸式測距儀常采用超聲波、激光和雷達，紅外線等。但激光和雷達

13、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用，在某些應用領域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點：1.對于設計停車場來說，超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指向性強，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標的距離，很合適；2.針對停車場停車當中有的車有天窗，是玻璃或其他透明物質制的。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)；3.停車場應該是日夜工作的，超聲波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、有毒等惡劣環(huán)境中；4.超聲波傳感器結構簡單、體積小、費用低、信息處理簡單可靠，易于小型化與集成化

14、，并且可以進行實時控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測和識別的手段，已越來越引起人們的重視。在機器人避障、導航系統(tǒng)、機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有了廣泛的應用8。智能車輛引導系統(tǒng)是近年來隨著汽車在生活中的普及而發(fā)展起來的一個研究熱點。有效的車輛探測裝置對智能車輛引導系統(tǒng)的后續(xù)設計起著至關重要的作用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變同頻率的其他形式的能的器件9。超聲檢測的原理主要是利用超聲波作為載體，即通過超聲在媒質中的傳播、散射、吸收、波形轉換等，提取反映媒質木身特性或內部結構的信息，達到

15、檢測媒質性質、物體形狀或幾何尺寸、內部缺陷或結構的目的。我國無損檢測技術是從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研制生產，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化10。五十年代，我國開始從國外引進超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國的uct-2超聲波檢測儀，重達24kg，各單位積極開展試驗研究工作，在一些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國內科研單位進口了波蘭產超聲儀，并進行仿制生產。隨后，上海同濟大學研制出cts-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。但當時這種儀器只有個別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年

16、代中期，因無損檢測技術仍處于試驗階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的uct-2，cts-10型儀器。1976年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術列為重點攻關項目，組織全國6個單位協(xié)作攻關。從此，無損檢測技術開始進入有計劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術的推廣普及。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。七十年代，英國cn.s公司推出僅有 3.5kg重的pljndit便攜式超聲儀11。1978年10月，中國建

17、筑科學院研制出jc-2型便攜式超聲波檢測儀。該儀器采用ttl線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有sc-2型，cts-25型，syc-2型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產的超聲波儀器，為推廣一應用無損檢測技術奠定了良好的基礎。隨著檢測技術研究的不斷深入，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。進一步要求以后生產的超聲儀能夠具有雙顯及內帶有單板機的微處理功能。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。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象12。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單.，可靠性高，具有斷

18、電存儲功能，其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進行后處理及有關程序的開發(fā)。與國內同類產品相比，設計新穎合理，功能齊全，在儀器設計上有重大突破和創(chuàng)新，達到了國際先進水平。目前，計算機市場價格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，計算機可發(fā)揮它一機多用的各種功能，實際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設置，還不如單獨的超聲儀，計算機可充分發(fā)揮各自特點。高智能化檢測儀器只能滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復性測試內容等基木情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設計也應從實際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求13。綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產，有較大發(fā)展，有的型號已超過國外同類儀器水平目前常用的超聲傳

19、感器有兩大類，即電聲型與流體力型。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。流體動型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感的結構形式是多種多樣的，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” 14。電子測距儀要求測量范圍在0.105.00m，測量精度1cm，測量時與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測量結果。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，公式l=(t/2)*c簡單易算，因而超聲波經常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)

20、。超聲波測距器，可以應用于汽車倒車、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長度的測量等場合15。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。所以就順其自然的選擇用超聲波探測儀來進行探測停車位是否有車了。1.3 課題內容及預期目標本文在理論方面對超聲測距實際方案做了深入研究，在此基礎上，以atmel89c51單片機為核心，采用4okhz壓電超聲傳感器完成超聲測距儀的設計。在軟件上，獨特的采用了每次開機時進行初始化，將第一次的測量距離放入單片機內的某個單元。在以后的測量中，始終以初始化后存于內存中的數(shù)據(jù)為標準來進行

21、比較，判斷車位是否有車。若相差較大則有車，否則無車。1.4 論文結構安排第一章，緒論。介紹課題研究的意義及國內外發(fā)展現(xiàn)狀等內容。第二章，超聲波測距簡介。介紹超聲波測距儀的原理綜述及傳感器的參數(shù)選擇。第三章，超聲測距儀硬件設計。介紹超聲波測距儀的總體硬件設計，和各部分電路的組成。第四章，超聲測距儀軟件設計。介紹超聲波測距儀的軟件設計原理及總體設計、單片機主程序及各子程序代碼。2 超聲波測距簡介2.1 超聲波和超聲波傳感器2.1.1 超聲波1.超聲波及超聲波波形的介紹在科學史上，人們很久以前對聲音信號就有了認識，我們生活的世界充滿了各種可聽的聲信號。聲學是最早發(fā)展的學科之一。我國兩千多年前的先秦時

22、期，在樂律和樂器的研究方面，對聲學的發(fā)展作出了重要的貢獻。在國外，19世紀，聲學已成為具有現(xiàn)代意義的科學并發(fā)展到相當高的水平。然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對晚一點了。由于超聲是人耳聽不到的信號，直到18世紀，人們在研究蝙蝠、海豚等動物時，才推測自然界中存在超聲。我們知道以前在物理課中學過，人們可聽到的聲音頻率為20hz-20khz，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。聲波的速度越高，越與光學的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似。由于聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般

23、有以下幾種:（1）縱波質點振動方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。（2）橫波質點的振動方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播。（3）表面波質點的振動介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速地衰減，稱為表面波。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァ?.反射與折射當聲波從一種介質傳播到另一種介質時，在兩介質的分界面上，一部分能量反射回原介質的波稱為反射波;另一部分則透過分界面，在另一介質能繼續(xù)傳播的波稱為折射波，如圖2.1所示。 圖2.1 波的反射與折射原理圖其反射與折射滿足如下規(guī)律:（1）反射定律入射角的正弦與反射角的正弦之比，等于波束之比。當入

24、射波和反射波的波形一樣時，波速一樣，入射角即等于反射角。 （2）折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波中介質的波速v，與折射波中介質的波速v2之比，即 (2.l)（3）反射系數(shù)當聲波從一種介質向另一種介質傳播時，因為兩種介質的密度不同和聲速在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會產生反射和折射，反射聲強ir與入射聲強i0之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)r的大小為 (2.2)式中:ir為反射聲強;i0為射聲強;z1為第一介質的聲阻抗;z2為第二介質的聲阻抗。在聲波垂直入射時，=0，上式可化簡為: (2.3) 若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為z1=1.44*106，z2=4*

25、102，代入上式則得r=0.999。這說明當聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反得情況下，由于兩種介質得聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。3.聲波的衰減聲波在介質中傳播時會被吸收而衰減，氣體吸收最強而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對于一給定強度的聲波，在氣體中傳播的距離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外聲波在介質中傳播時衰減的程度還與聲波的頻率有關，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。衰減的大小用衰減系數(shù)表示，其單位為db/m，通常用10-3db/mm表示。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(1-4)

26、*l03db/mm。假如為 1db/mm，則聲波穿透lmm距離時，衰減為10%;穿透20mm距離時，衰減為90%。2.1.2 超聲波傳感器結構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就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。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。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傳感器中電聲型的一種。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

27、現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性:把這種材料置于電場之中，它就產生一定的應變;相反，對這種材料施以外力，則由于產生了應變就會在其內部產生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產生交變的應變，從而產生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應。前者用于超

28、聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。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中。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，就會使壓電陶瓷晶片產生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會產生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產生機械變形，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生頻率與超聲機械波相同的電信號7。 圖2.2 雙

29、壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2.2所示，當在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2.3 雙壓電晶片的等效電路雙壓電晶片的等效電路如圖2.3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為機械共振回路的電容和電感，rm為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率兒。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。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。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。圖2.4

30、超聲波傳感器結構超聲波傳感器的結構如圖2.4所示，它采用雙晶振子，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。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。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。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波;接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產生高效率的高頻電壓。2.1.3超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇1.主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧

31、振頻率。當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。中心頻率最高，測距越短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有有30khz、4okhz、75khz、200khz、400khz等。（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝(db)，數(shù)值為負，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角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。一般為幾度至幾十度。（4）工作溫度工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應遠于居里點溫度。以石英晶片為例，當溫度達到+290時靈敏度可降低6%。一旦達到居里溫度點(-573)，就完全喪失壓電性能。供診斷用

32、的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在-20一+70溫度范圍內可以長期工作。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。2. 超聲傳感器的選擇超聲波傳感器有多種結構形式，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。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品。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。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;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。在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的

33、雜音干擾較多;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。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ucm-t40和一支接收傳感器ucm-r4o組成，其特性參數(shù)如表2.1所示。表2.1 傳感器特性參數(shù)表型號ucm-t40ucm-r40使用方式發(fā)射接收中心頻率40±1khz38±1khz頻帶寬2±0.5khz2±0.5khz聲壓115dbmin(0db=0.02mpa)70dbmin(0db=1v/ubar)指向角7580容量2500±25%pf2500±25%pf最大輸入電壓20vp-p

34、20vp-p2.2 超聲測距儀原理及測量方法超聲測距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。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，用電路來實現(xiàn)。hds 障礙物發(fā)射端接收端圖2.5超聲測距原理圖如圖2.5所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用: (2.4)即可計算得傳感器與反射點之間的距離s，測量距離 （2.5）當s>>h時，則ds，即: （2.6）2.3超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)論述2.3.1工作頻率空氣中超聲波的衰減對頻率f很敏感，

35、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。傳感器的上作頻率是測距系統(tǒng)的主要技術參數(shù)，它直接影響超聲波的擴散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮:1.如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。2.工作頻率越高，對相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量障礙物復雜表面越準，而且波長短，尺寸分辨率高，“細節(jié)”容易辨識清楚，因此從測量復雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。3.從傳感器設計角

36、度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。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。這樣傳感器方i句性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。2.3.2指向角介紹傳感器的指向角是聲束半功率點的夾角，是影響測距的一個重要技術參數(shù)，記為，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長，傳感器半徑r有關。2.3.3溫度介紹由2.2可知，聲速的大小線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C械振動產生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)

37、超聲波在空氣中傳播。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)用于室內測量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫20下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為344m/s。但當需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。2.3.4發(fā)射脈沖寬度介紹發(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。根據(jù)資料，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。最終采用短距離(2m內)發(fā)射200us(8個40khz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長距離(2m外)發(fā)射 800us(32個40khz脈沖

38、方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時單片機編程避開盲區(qū)。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中，并且接收準確響應速度快。然而，在智能停車場當中則選擇800us的脈沖寬度。3 超聲測距儀硬件設計3.1 總體設計系統(tǒng)計劃在室內實現(xiàn)小范圍測距，測試距離約在4米以內，系統(tǒng)整體結構如圖3.1所示。顯 示 電 路單 片 機 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 圖3.1 系統(tǒng)設計方案圖由單片機發(fā)出40khz的方波信號進入超聲波發(fā)射電路，經功率放大器放大后進入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時間后經前方被檢測物體反射回來，由超聲波接收頭接收，超聲波電

39、路中的接收芯片對信號放大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個下拉電平使單片機進入中斷程序，在中斷程序中，單片機從檢測電路讀取數(shù)值并換算成當前聲速，應用時差法計算所檢測的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在led顯示電路上顯示。3.2 發(fā)射電路設計3.2.1 發(fā)射電路的方案論述為獲得較高的分辨力，發(fā)射電路的設計應保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復性。此外，發(fā)射波形應盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應近似為統(tǒng)一頻率的振動波，以便于接受時可以采用濾波器進行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動波峰。以避免超聲波在障礙物表面反射時造成的各種干擾和損失。由于超聲波是換能器壓電晶片振動附近空氣產生的疏密波，其波形與晶片振動規(guī)

40、律相同。發(fā)射電路的設計是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為:單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。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。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近；本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠近，設置發(fā)射脈沖個數(shù)。3.2.2 發(fā)射電路發(fā)射電路采用功率放大電路。如圖3.2圖3.2 發(fā)射電路圖1.功率放大電路的特點功率放大電路的主要任務是向負載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號電壓，同時還要輸出大幅度的信號電流，通常是在大信號狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大

41、電路上沒有出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是:（1）要求輸出功率盡可能大為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。（2）效率由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個效率問題。所謂效率就是負載得到的有用功率po與電源供給晶體管功率pe的比值，用表示。% （3.1）直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外，剩余部分變成晶體管的管耗pc(pc=pe-po)。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供給功率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所以，對于功率放大器，提高效率也是一個重要問題。3.2.3 分析計算功率

42、放大電路不可避免會出現(xiàn)交越失真的問題，但是交越失真在本設計中不會產生很大的影響，所以不予考慮。對于這部分電路的分析計算基本如下：首先計算輸出功率po，對于整個功率放大電路可知： （3.2）輸出功率po與輸入電壓u和輸入電流i有關，就是與激勵信號有關系。我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為： （3.3）最大輸出功率則為： （3.4）功放管的耐壓降為： ucemx=2vcc （3.5）最大集電極功率損耗為： （3.6） 集電極效率：% （3.7）最大集電極允許電流： （3.8）采用一個電源的互補對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的vcc，而是vcc/2(輸出電壓最大也只能達到約vcc/2)，

43、所有前面導出的計算公式，只要用vcc/2代替其中的vcc即可。本系統(tǒng)設計時，采用實驗室穩(wěn)壓電源12v供電,也可采用獨立5v電源。選用100uf最大耐壓值為5ov的電解電容，負載電阻為45，功放管選用2sc1815，2sa1015兩匹配三極管，其耐壓為50v，大于每管電源電壓的兩倍即2×(5/2)=5v；根據(jù)公式3-8，管的集電極最大允許電流為150ma，大于ma，符合設計要求。最大輸出功率為po=,所以符合設計要求。概括起來說，功率放大電路就是要在保證晶體管安全運用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。3.3接收電路設計接收換能器晶片接收到超聲波垂直

44、作用后，因諧振而形成逐步加強的機械振動。因壓電效應晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變電壓信號，而不能提供電流信號。接收換接收電路的任務是將這一微小交變電壓信號充分放大，同時考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大同時加入濾波電路，驅動后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時刻。3.3.1 前置放大電路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)電路的設計。圖3.3 前置放大電路圖考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗;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

45、小的輸入偏置電壓。前置放大電路是由一個高精度、高輸入阻抗放大器tl082及電阻u13、u15和u14構成，組成一反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。由電路的基本知識，可列出: （3.9） (3.10)根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念:1.集成運放兩個輸入端之間的靜輸入電壓通常接近于零即u=u_-u+o，若把它理想化，則有u=0，當不是短路，故常稱為虛短。2.集成運方兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流，如把它理想化，則有i=o，但不是斷開，故常稱為虛斷。故可知本電路中:u+=0，u-=u+=0，且iiif，所以有 (3.11)上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運算關系，式中的負號表示u

46、0與ui反相。電路的電壓放大倍數(shù)為: (3.12)利用反相比例放大器可實現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結構簡單，只需要調節(jié)u13和u15阻值即可實現(xiàn)調節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運放的同相輸入端接有電阻u14，參數(shù)選擇時應使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即靜態(tài)時使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運算放大器兩個輸入端的外接電阻上產生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移的對輸出端的影響，故u14又稱為平衡電阻。根據(jù)本設計系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小,數(shù)十毫伏，故分別取r2=lk;r3=20ok;rp=lk，即放大電路將輸入信號放大200倍。3.3.2帶通濾波電路超聲波接受電路接收的

47、信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲，而前端放大電路在放大有用信號的同時，會將一部分的噪聲信號同時放大。于是設計出一高品質因素的濾波器對于整個系統(tǒng)十分重要。集成運放非常流行，由它和r、c組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。所以采用有源濾波電路濾除無用的干擾雜波信號。有源濾波電路通?？梢苑譃橐韵聨最?1.低通濾波電路它的功能是通過從零到某一截止角頻率w的低通信號，而對于大于w的所有頻率則完成衰減。2.高通濾波電路它的功能是通過從高于某一角頻率w的高通信號，而對于低于w的所有頻率則完成衰減。3.帶阻濾波電路它的功能是通過從零到某一截止角頻率wh的低通信

48、號，和大于wl的所有頻率信號，其他的完成衰減。4.帶通濾波電路它的功能是低邊截止角頻率wl和高邊截止角頻率wh之間所有頻率信號通過，其它頻率信號則完成衰減。在本設計中我們需要采用帶通濾波濾除除40khz意外的其他雜波。所以我們采用如下面圖示的有源帶通濾波電路濾除雜波。圖3.4 帶通濾波電路為了計算簡便，設u12=u8=r，u11=2r,c5=c6=c則可由kcl列出方程，導出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為: （3.13）設a為所要的波，波動范圍為3khz左右。令 (3.14)本電路要求帶通濾波器的中心頻率f0=40khz，設計其品質因數(shù)q為3，選用電容為l000pf。根據(jù)(3.23)可得：帶寬為bw

49、=3.3khz根據(jù)（3.13）a=8/3,則a0=8，所以u9=5/3u10.又因為u11=u9/u10=8k,所以可以得出u10=12.8k,u9=21.3k.所以u12=u8=4k,u11=8k.3.3.3 比較檢測電路當接收電路經過放大濾波后，就需要進行檢測，這就需要一個檢測電路。這個部分非常關鍵，關系到以后電路是否能正常工作，還決定系統(tǒng)的精度問題。檢測電路設計的要求是保證每次接收信號都能被準確的鑒別出來，通常利用比較器將輸入信號與某一固定電平進行比較，輸出不同的電平來產生上升或下降沿觸發(fā)，轉換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機的外中斷引腳。 圖3.5 比較檢測電路由于lm393具有集電極開路輸出的

50、結構，所以在電源與輸出之間，加一上拉電阻，電容c4起簡單濾波作用。具體設計時考慮到前級放大濾波電路輸出是峰峰值為5v左右的連續(xù)正弦波信號的疊加，所以分別取u7=20k和u6=1k，則參考電壓為v=vcc×u7/(u6+u7)=5×1/21=238mv;上拉電阻u4=1k,電容c=1000pf。當進入比較器的輸入信號高于238mv時，比較器輸出電壓為5v;輸入信號低于238mv時，比較器輸出電壓為0v，利用此邊沿跳變來控制單片機中斷int0，停止計時。3.4 顯示電路本設計中的顯示電路以74hc373做驅動電路，因為單片機的接口夠用所以不必考慮接口問題。圖3.6 顯示模塊本顯

51、示部分的電路設計是為了更人性化,例如這個系統(tǒng)除了為智能停車場服務以后,還可將此系統(tǒng)轉化為普通的超聲波距離探測器時作為測量顯示，只需要將軟件進行重新的編輯即可。3.5 超聲波距離探測器總體電路3.5.1超聲測距儀設計具體細節(jié)在硬件電路設計當中我們所用到的元器件如下表3.1所示：表3.1元器件清單元件名稱元件值個數(shù)電阻三極管電阻電阻電解電容晶振瓷片電容電阻芯片單片機電解電容瓷片電容發(fā)光二極管接口共陰七段發(fā)光二極管芯片按鍵開關集成運放超聲波發(fā)射探頭超聲波接受探頭1k2sa10154k8k10uf/25v12mhz30pf4574hc37389c51100uf/50v1000pfbt201con3dp

52、y_7-seg_lm393 dpsn7406sw-pbtl082cp(8)ucm40-r 522111211131131212113.5.2總體電路設計通過我們在以上部分中對于超聲波距離探測器的各部分電路設計敘述，我們得到總體電路圖?？傠娐分邪ㄇ爸梅糯箅娐?，帶通濾波電路，比較檢測電路，發(fā)射電路，必要時可以加入顯示電路。設計詳細總體電路圖見附錄。4 超聲測距儀軟件設計4.1軟件設計原理及總體設計4.1.1 軟件設計原理在系統(tǒng)硬件構架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應用。根據(jù)第三章所述系統(tǒng)硬總體設計方案和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實現(xiàn)以下功能:1.信號發(fā)射控制在系統(tǒng)硬件中，已經完成了發(fā)射電路、接收放大電路、濾波及