超聲波測(cè)距的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)

1、一 超聲波測(cè)距的意義 一些傳統(tǒng)的距離測(cè)量方式在某些特殊場(chǎng)合存在不可克服的缺陷。利用超聲波就可以解決這些問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，超聲波測(cè)量精確度高，成本低，性能穩(wěn)定備受青睞。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。超聲波測(cè)距技術(shù)正在被廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品、防汛、水文、空間定位、公路限高等行業(yè)中。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的測(cè)距技術(shù)還十分有限， 這些年來(lái)，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，再加上

2、其具有的高精度、無(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來(lái)越普及。目前已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國(guó)外在提高超聲波測(cè)距方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也作了相關(guān)的研究。超聲波測(cè)距的精度主要取決于所測(cè)的超聲波傳輸時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳輸速度，二者中以傳輸時(shí)間的精度影響較大，所以大部分文獻(xiàn)采用降低傳輸時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)距精度。目前相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或二者結(jié)合起來(lái)的方法是主要的降低探測(cè)傳輸不確定度的方法。 因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。測(cè)距儀是一種新型非常重要有用的工具，尚有很大的發(fā)展空間。

3、在新世紀(jì)新的測(cè)距儀一定將發(fā)揮更大的作用。二 超聲波測(cè)距離的原理2.1 超聲波超聲波是一種超過(guò)人能聽(tīng)到的最高頻（2 萬(wàn)赫茲）的聲波。在一定距離內(nèi)傳播具有良好的束射性和方向性。根據(jù)波動(dòng)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向于波的傳播方向的不同關(guān)系，分為橫波、縱波、表面波、板波和蘭姆波。本文應(yīng)有的主要是超聲縱波。 超聲波傳感器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(qiáng)。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱(chēng)為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能、又可以把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵(lì)下可將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時(shí)，它可將聲能(機(jī)械能)轉(zhuǎn)

4、換為電能。2.2.2 超聲波測(cè)距原理超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由此可見(jiàn)，超聲波測(cè)距原理與雷達(dá)原理是一樣的。超聲波在空氣中的傳播速度為 v，而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 s，即：s=vt/2 這就是時(shí)間差距法由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，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(guò)程中是基本不變的。否則，必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償,通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正：v 為超聲波在空中

5、的傳播速度，0時(shí)為 331m/s,25時(shí)為 347m/s，其與環(huán)境溫度 T（）的關(guān)系如式 v=331.4+0.61T 溫度（）-30-20-100102030100聲速（米/秒）313319325332338344349386 表 1 聲速于溫度關(guān)系表 三 超聲波硬件設(shè)計(jì) 5l 系列單片機(jī)中典型芯片(AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由 CPU，4kB 的 ROM，256 B 的 RAM，2 個(gè) 16b 的定時(shí)計(jì)數(shù)器 TO 和T1，4 個(gè) 8 b 的工O 端 I：IP0，P1，P2，P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。特別是該系列單片機(jī)片內(nèi)的 Flash 可編程、可

6、擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，使其在實(shí)際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 2-1 所示。 5l 系列單片機(jī)提供以下功能：4 kB 存儲(chǔ)器；256 BRAM；32 條工O 線；2 個(gè)16b 定時(shí)計(jì)數(shù)器；5 個(gè) 2 級(jí)中斷源；1 個(gè)全雙向的串行口以及時(shí)鐘電路?？臻e方式：CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)

7、成功能完善的超聲波測(cè)距系統(tǒng)?；趩纹瑱C(jī) AT89C51 的超聲波測(cè)距儀整體主要包括顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路。3.1 超聲波發(fā)射電路超聲波發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波發(fā)射器 T 構(gòu)成，單片機(jī) P1.0 端口處處的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R10、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻

8、尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。3.2 超聲波檢測(cè)接收電路超聲波檢測(cè)接收電路主要是由集成電路 CX20106A 組成，它是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收

9、器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與與測(cè)距的超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用 CX20206A 接收超聲波（無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平） ，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適合更改電容 C4 的大小，可以改變電路的靈敏度和抗干擾能力。3.3 顯示電路顯示電路采用 4 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，根據(jù) LED 數(shù)碼管內(nèi)部發(fā)光二極管的連接方式，數(shù)碼管結(jié)構(gòu)可以分為共陽(yáng)極型和共陰極型兩種，共陽(yáng)極型的內(nèi)部發(fā)光二極管是由陽(yáng)極連在一起接高電平。四 軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。計(jì)算機(jī)的程序設(shè)

10、計(jì)中可以用到 3 種語(yǔ)言：機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言、高級(jí)語(yǔ)言。C 語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言中的一種，本文主要是考慮的 C 語(yǔ)言編程。軟件分為兩部分，主程序和中斷服務(wù)程序，主程序完成初始化工作、各路超聲波發(fā)射和接收順序的控制。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。五 調(diào)試 1 將焊接完成的硬件與設(shè)計(jì)的硬件電路圖重新對(duì)照一下，檢查是否有多焊、漏焊以及錯(cuò)焊等情況。2 用萬(wàn)能表檢測(cè)硬件電路是否有斷接、短接等情況，同時(shí)重點(diǎn)檢查一下高、低電平的連接有沒(méi)有錯(cuò)誤。3 檢查通電后電路運(yùn)行是否正常。4 編譯程序檢查元件能否正常工作。5 在一定距離內(nèi)超聲波

11、測(cè)距儀的測(cè)量精度與測(cè)量范圍進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行。 結(jié)論 在編寫(xiě)論文的過(guò)程中我查閱了相關(guān)的資料以三年所學(xué)為基礎(chǔ)編寫(xiě)了此文。我也了解到目前超聲波測(cè)距方面發(fā)展迅速是未來(lái)的新型產(chǎn)業(yè)；我國(guó)在超聲波運(yùn)用方面還有待發(fā)展，在論文的編寫(xiě)過(guò)程中使我的所學(xué)知識(shí)更加系統(tǒng)化，激發(fā)了我的興趣，使我感覺(jué)收獲頗多。我相信在以后的工作中可以通過(guò)所學(xué)完成任務(wù)，但是由于我的水平有限，文中有很多不足之處，望老師多多指正。 參考文獻(xiàn) 胡萍. 超聲波測(cè)距儀的研制計(jì)算機(jī)與現(xiàn)代，2003.10 致謝在論文的編寫(xiě)過(guò)程中我遇到了許多的困難，在此我要感謝我的指導(dǎo)老師在百忙之中對(duì)我進(jìn)行指導(dǎo)幫助我解決了很多關(guān)鍵問(wèn)題。感謝與我同組完成“超聲波測(cè)距”的同學(xué)們，如

12、果不是我們的分工研究、團(tuán)結(jié)合作我根本無(wú)法完成此次論文的編寫(xiě)設(shè)計(jì)。我還要感謝學(xué)院和老師在幾年中對(duì)我的指導(dǎo)和教育。感謝家人朋友對(duì)我的支持。同時(shí)向答辯委員會(huì)審閱我論文的各位專(zhuān)家領(lǐng)導(dǎo)表示衷心感謝。程序清單#INCLUDE #DEFINE K1 P3_4#DEFINE CSBOUT P3_5 /超聲波發(fā)送#DEFINE CSBINT P3_7 /超聲波接收#DEFINE CSBC=0.034#DEFINE BG P3_3 UNSIGNED CHAR CSBDS,OPTO,DIGIT,BUFFER3,XM1,XM2,XM0,KEY,JPJS;/顯示標(biāo)識(shí)UNSIGNED CHAR CONVERT10=0X3

13、F,0X06,0X5B,0X4F,0X66,0X6D,0X7D,0X07,0X7F,0X6F;/09 段碼UNSIGNED INT S,T,I, XX,J,SJ1,SJ2,SJ3,MQS,SX1;BIT CL; VOID CSBCJ();VOID DELAY(J); /延時(shí)函數(shù)VOID SCANLED(); /顯示函數(shù)VOID TIMETOBUFFER(); /顯示轉(zhuǎn)換函數(shù)VOID KEYSCAN();VOID K1CL();VOID K2CL();VOID K3CL();VOID K4CL();VOID OFFMSD();VOID MAIN() /主函數(shù) EA=1; /開(kāi)中斷 TMOD=0X

14、11; /設(shè)定時(shí)器 0 為計(jì)數(shù)，設(shè)定時(shí)器 1 定時(shí) ET0=1; /定時(shí)器 0 中斷允許 ET1=1; /定時(shí)器 1 中斷允許 TH0=0X00; TL0=0X00; TH1=0X9E; TL1=0X57; CSBDS=0; CSBINT=1; CSBOUT=1; CL=0; PTO=0XFF; JPJS=0; SJ1=45; SJ2=200; SJ3=400; K4CL(); TR1=1; WHILE(1) KEYSCAN(); IF(JPJSSJ3) BUFFER2=0X76; BUFFER1=0X76; BUFFER0=0X76; ELSE IF(SSJ1) BUFFER2=0X40;

15、BUFFER1=0X40; BUFFER0=0X40; ELSE TIMETOBUFFER(); ELSE TIMETOBUFFER(); /將值轉(zhuǎn)換成 LED 段碼 OFFMSD(); SCANLED(); /顯示函數(shù) IF(SSJ2) BG=0; BG=1; VOID SCANLED() /顯示功能模塊 DIGIT=0X04; FOR( I=0; I=1; /循環(huán)右移 1 位 VOID TIMETOBUFFER() /轉(zhuǎn)換段碼功能模塊 XM0=S/100; XM1=(S-100*XM0)/10; XM2=S-100*XM0-10*XM1; BUFFER2=CONVERTXM2; BUFFE

16、R1=CONVERTXM1; BUFFER0=CONVERTXM0;VOID DELAY(I) WHILE(-I);VOID TIMER1INT (VOID) INTERRUPT 3 USING 2 TH1=0X9E; TL1=0X57; CSBDS+; IF(CSBDS=40) CSBDS=0; CL=1; VOID CSBCJ() IF(CL=1) TR1=0; TH0=0X00; TL0=0X00; I=10; WHILE(I-) CSBOUT=!CSBOUT; TR0=1; I=MQS; /盲區(qū) WHILE(I-) I=0; WHILE(CSBINT) I+; IF(I=2450) /

17、上限值 CSBINT=0; TR0=0; TH1=0X9E; TL1=0X57; T=TH0; T=T*256+TL0; S=T*CSBC/2; TR1=1; CL=0; VOID KEYSCAN() /健盤(pán)處理函數(shù) XX=0; IF(K1!=1) / 判斷開(kāi)關(guān)是否按下 DELAY(400); /延時(shí)去抖動(dòng) IF(K1!=1) / 判斷開(kāi)關(guān)是否按下 WHILE(!K1) DELAY(30); XX+; IF(XX2000) JPJS+; IF(JPJS4) JPJS=0; XX=0; SWITCH(JPJS) CASE 1: K1CL();BREAK; CASE 2: K2CL();BREAK; CASE