超聲測距電路設計制作

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XX 大學畢業(yè)設計（論文）題 目： 超聲測距電路設計制作學 院： 測試與光電工程學院專業(yè)名稱： 測控技術與儀器班級學號： 學生姓名： 指導教師： 二 Oxx 年 六月 超聲測距電路設計制作摘要：超聲波測距組合電路是以電路，傳感器，單片機，數碼管和程序等綜合知識為基礎來設計開發(fā)的一種測量電子儀器。其中超聲波發(fā)射和接收系統(tǒng)的主要部分為壓電晶片，這種材料具有壓電效應,在電磁振蕩的作用下發(fā)生逆壓電效應產生超聲波，在超聲波的作用下發(fā)生正壓電效應產生電磁振蕩被傳感器接收。信號被接收后通過電路的放大和濾波在單片機的程序中計算得到傳感器到被測量面的距離,最后通過數碼管顯示距離。這個電路選用的是 STC89C52 單片機, 因為STC89C52 是 STC 系列單片機里應用比較廣泛的一款，在自動控制領域里享有很高的價值，以其易用性和多功能性受到了廣大電子設計愛好者的好評。本次設計主要是利用 STC89C52 單片機、超聲波傳感器完成測距報警系統(tǒng)的制作，以STC89C52 為主控芯片，利用超聲波對距離的檢測，將前方物體的距離探測出來，然后單片機處理運算，與設定的報警距離值進行比較判斷，當測得距離小于設定值時，STC89C52 發(fā)出指令控制蜂鳴器報警。關鍵詞: 超聲波傳感器 STC89C52 蜂鳴器報警 數碼管Ultrasonic ranging circuit design ABSTRACT:Ultrasonic Ranging combining circuit is a comprehensive knowledge of circuits, sensors, microcontrollers, digital control and procedures as a basis for the design and development of an electronic measuring instrument. Wherein the major part of the ultrasonic transmitting and receiving system is a piezoelectric wafer, this material has the piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect occurs under the effect of electromagnetic oscillations generating ultrasonic waves, piezoelectric effect occurs under the action of electromagnetic ultrasonic oscillation is generated received by the sensor. Signal is received by the circuit amplification and filtering in MCU program calculated the distance sensor surface to be measured. Finally, the digital display distance. The circuit used is STC89C52 microcontroller, Because STC89C52 is STC Series MCU in a broader application, it enjoys a high value in the field of automatic control, with its ease of use and versatility by the majority of electronic design enthusiasts. This design is the use of STC89C52 microcontroller, ultrasonic sensor alarm system complete production ranging to STC89C52 as the main chip, the use of ultrasonic testing on the distance, the distance of objects detected in front of it, and then single-chip processing operations, and set alarm distance values are compared to judge, when the measured distance is less than the set value, STC89C52 issue commands to control the buzzer alarm.Key words：Ultrasonic sensors STC89C52 Buzzer alarm 目 錄1 緒論1.1 項目研究背景及意義 （1）2 總體設計方案及論證2.1 總體方案設計 （2）3 硬件實現及單元電路設計3.1 主控制模塊 （3）3.2 電源設計 （4）3.3 超聲波測試模塊 （4）3.3.1 超聲波的特性 （5）3.3.2 超聲波換能器 （8）3.4 超聲波傳感器原理 （10）3.5 測距分析 （14）3.6 時鐘電路的設計 （15）3.7 復位電路的設計 （16）3.8 聲音報警電路的設計 （17）3.9 顯示模塊 （17）4 軟件設計4.1 主程序工作流程圖 （18）5 總結參考文獻 （21）致 謝 .（22）附錄 A附錄 B附錄 C1超聲測距電路設計制作1 緒論1.1 項目研究背景及意義現代有多種多樣的測距方法，其中包括接觸式和非接觸式的方法，接觸式中包含刻度尺測量，非接觸式包括超聲波測距和激光測距，非接觸式測距方法常采用激光和超聲波主要是由于二者的指向性很強，兼有在介質中傳播距離長和能量衰減慢等原因 [1]。工業(yè)生產過程中非接觸式測距儀應用非常廣泛，因為這些方法適用于惡劣工況下使用，并且測量精度高。超聲波測量距離作為一種非接觸式測量技術，工作時機在光明和黑暗條件不會影響測量結果，以及儀器與被測量位置也不會影響測量結果。相比較與另外測距設備會更加方便，對于溫度高、顆粒污染大、空間濕度大、存在腐蝕氣體等不方便用接觸式測量方法的惡劣環(huán)境都能夠有滿意的測距結果，并且其具有性價比高,儀器維護方便，耗能少，高可靠性，使用壽命長，并且相較于激光測距儀來說避免了對測量者眼睛的傷害 [2]。除此之外汽車倒車雷達的應用已經非常廣泛，而且超聲可以用來測量倒車距離并將距離指示出來 [3]。根據超聲波測距儀的這些特性可以知道這種手段能在礦物質生產企業(yè)、電力部門、化學工業(yè)、灌裝水生產廠、有害水凈化消毒廠、農業(yè)灌溉用水、環(huán)境保護檢測、食用品生產（白酒業(yè)、冷料業(yè)、食用添加劑、食用油、牛奶制品）、防止洪水災害、水文監(jiān)測、探明渠、空間位置確定、車輛等業(yè)態(tài)中的非接觸測量。由于其可以在各種條件中實行間隔精確度實時標注，因此液態(tài)產品生產企業(yè)中能夠主動用在飲用水、酒水、冷飲等液體位置控制，可以有效的提高流水線的生產效率，對儀器或者生產線進行差值設定時另一個使用方法，在顯示器上直接顯示各種罐子的液位高度。因此，在特殊環(huán)境，不方便或者不能夠直接測量的狀況下超聲在空氣中測距手段有很好很齊全的用途應用 [4]。利用超聲波傳播來測量距離會有高效、計算簡單的效果。更為主要的益處是能夠實現在生產過程中隨時進行監(jiān)控，測量結構的精確度和過程中的速度已經達到了實際使用的指標。 為了使移動機器人能夠主動的躲避障礙物行走，在機器人身上裝備測距系統(tǒng)是必須的，可以使機器人及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向），幫助機器人進行判斷。在可動機器或者智能機械的制造上超聲波測量距離有很好的應用。同時又因為超聲波測距系統(tǒng)所具有的這些優(yōu)點都是汽車倒車雷達技術所缺少的，因此汽車倒車雷達技術必須用到超聲波測距技術。22 總體設計方案及論證2.1 總體方案設計軟件設計和硬件設計是超聲測距電路設計制作的兩個主要工作內容。只有把這兩過程做好，設計最后才能成功。硬件設中首先要有采集數據模塊和控制按鍵的模塊，顯示測量結果的四位數碼管和蜂鳴警告模塊也是其子模塊。電路結構可劃分為：顯示測量結果的數碼管、產生和接收超聲波的傳感器、蜂鳴聲音報警器、單片機控制的電路。很容易可以看出設計的中心單元是控制電路的單片機，所以這個系統(tǒng)可以算是單片機在實際測量系統(tǒng)中的應用之一 [3]。所用的單片機應用系統(tǒng)都是由軟硬件構成。單片機是硬件設備里必不可少的、同樣輸入輸出設備和外圍的各種應用電路等也是組成的系統(tǒng)的主要硬件，單片機里的各種程序和超聲模塊里的程序是軟件的總稱。在單片機應用系統(tǒng)的研制過程中必須解決軟硬件設計和全局控制的總體設計。STC89C52 單片機被選用當做這個模塊的核心,測量結果小于標桿值是，52 單片機會自動將所測數據與預設數據比較，來給蜂鳴器發(fā)送是否報警的。系統(tǒng)總體的設計方框圖如圖 2.1 所示 [6][7]。圖 2.1 系統(tǒng)方框圖 電源超聲波傳感器模塊4 位數碼管顯示模塊STC89C52主控制器模塊蜂鳴器報警模塊按鍵控制33 硬件實現及單元電路設計3.1 主控制模塊主 控 制 最 小 系 統(tǒng) 電 路 如 圖 3.1 所 示 。P0245678RST9(XD)INWALGE/OVCUYMuFKJrigcho圖 3.1 最小系統(tǒng)總電路的設計見圖 3.2，其中主要是硬件的連接。在圖中可以看到本設計中使用的器件：包括 52 單片機、超聲模塊、顯示數碼管、按鍵、報警用蜂鳴器和一些連接電路電容電阻。圖中 D1 為指示電源是否正常工作發(fā)光二極管。 整個電路中用了三個按鍵，分別為設定用和加鍵減鍵 [8]。BQHsw-二蜂 鳴 器+數 碼 管 驅 動 電 路電 源 接 口 電 路超 聲 波 接 口 按 鍵 電 路_圖 3.2 總設計電路圖43.2 電源設計由于超聲測距組合電路能耗較小，且經過試驗 3 節(jié)五號干電池能夠滿足整個系統(tǒng)的正常運行?？梢杂萌齻€五號可充電電池給電源供電，總電壓四點五伏特。3.3 超聲波測試模塊超聲波發(fā)射和接收模塊采用現成的ＨＣ－ＳＲ０４超聲波模塊，該模塊可以感測到超聲波的距離范圍在 5cm-400cm 之間，在超過 400cm 之后誤差會特別大，超聲模塊所發(fā)射超聲波頻率為 4 萬赫茲，波長為 8.5 毫米，儀器的測量范圍在五個波長以外，因此只能測到 5 厘米以上。主要是因為超聲波在長距離狀況下擴散比較大，導致超聲波接收傳感器接收到的信號較小不會使電路輸出高電平。除此之外這個模塊的測距精度可達高到 1cm，這主要是因為四位數碼管只能顯示到厘米。整個模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制相關信號接收和發(fā)送處理的相關控制電路 [9]。超聲波發(fā)射器的工作是通過超聲換能器來實現的，它能夠將電能轉換成超音頻震動形式，常采用的換能器有壓電換能器、電磁聲換能器、激光超聲換能器、磁致伸縮換能器，但在這個模塊中后面三種不適合使用，常用的還是壓電換能器。壓電換能器的關鍵元件是壓電晶片，其是一種單晶或者多晶體的薄片。同樣超聲波接收器的重要組成元件也是壓電晶片，因此壓電晶片的性能將很大程度決定測距儀的性能，壓電晶片的主要特性參數包括壓電應變常數、壓電電壓常數、介電常數、機電耦合系數、機械品質因子、頻率常數和居里溫度 [10]。其中壓電應變常數表示在壓電晶體上施加單位電壓時所產生應變的大小，而壓電電壓常數與其相反表示的是壓電晶體上施加單位應力所產生的電壓梯度的大小。性能較好的換能器要求這兩個系數較大以獲得較高發(fā)射靈敏度和接收靈敏度。機電耦合系數表示機械能與聲能之間的轉換效率同樣好的換能器要求機電耦合系數較大以便獲得較高的轉換效率，機械品質因子表示壓電晶體在諧振時儲存的機械能與一個周期內損耗的能量之比，要求機械品質因子較小，壓電晶片的厚度與固有頻率的乘積是一個常數，這個常數是叫做頻率常數要求換能器的頻率常數和介電常數恰當以便獲得合適的頻率。壓電材料與磁性材料一樣，溫度會影響壓電材料的性能，超過一定溫度時，壓電效應會消失，而這個溫度臨界點就是壓電材料的居里溫度 [11]。要求壓電材料的居里溫度較高以便儀器能在高溫下正常工作。ＨＣ－ＳＲ０４超聲波模塊就是根據這些指標來制作傳感器的。距離測量過程是電路基礎應用在數據輸入口先觸發(fā)產生一個合適的電信號，這個電信號會讓給模5塊產生大于百分之一微秒的高電平信號;在模塊內經過電路的處理使超聲發(fā)射器自動發(fā)送 8 個 40khz 的方波，方波傳播到界面被反射回到超聲波接收探頭，模塊會自動檢測超聲波引起的微弱電信號，如果檢測到有電信號說明超聲波被反射回來。有信號返回，然后通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。測試距離=(高電平時間*聲速(340M/S ))/2。實物如下圖 3.3。其中 VCC 供 4.5V 電源，GND 為地線，TRIG 觸發(fā)控制信號輸入，ECHO 回響信號輸出等四支線。超聲波模塊是這樣使用的：從 IO 數據口來觸發(fā)，之后再傳到 Trig 口發(fā)出高于 10us 的高的電平，這就開始測量了；模塊自主發(fā)出 8 個 40Khz 波陣面為平面的方波，之后模塊又會感應是否又接收到返回信號；若感應到信號返回，通過 IO口之后 Echo 口會輸出一個較高的電壓信號，這個信號存在的時間就是超聲波傳播出去到反射回來的總時間，量到的距離=（高電平時間*340）/ 2，單位為 m。程序中測試功能主要由兩個函數完成。實現中采用定時器 0 進行定時測量，8 分頻，TCNTT0 預設值 0XCE，當timer0 溢出中斷發(fā)生 2500 次時為 125ms，計算公式為（單位：ms）：T = （定時器 0 溢出次數 * （0XFF - 0XCE））/ 1000 其中定時器 0 初值計算依據分頻不同而有差異 [12]。3.3.1 超聲波的特性人類感官由各種因素綜合作用的結果，包括色彩、聲音、觸覺、氣味等，其中聲音能夠給人類生活帶來各種感受。聲音的傳播都必須在介質的參與下完成，但不同波在同一介質中的傳播速度不同，造成這種差異的因素主要是聲音的頻率圖 3.3 超聲波模塊實物圖6不同。按照聲音在介質中振動周期的大小可以將聲音分為次聲波、聲波、超聲波。次聲波是指人的耳朵所感應到的最小頻率。這個頻率為 20 赫茲。超聲波故名思議是頻率超級高的聲波(根據大量實驗數據統(tǒng)計，取整數為 20000 赫茲)，即使周圍環(huán)境存在這種聲波人類也并不能感覺到，所以把如此高的頻率的聲音為“超”聲。人的聽覺范圍如圖 3.4 所示。圖 3.4 人的聽覺范圍 超聲波的特性有：（1）波束特性超聲波的振動頻率一般都比較大，計算可得它一個周期走的距離較短。超聲里模塊發(fā)射產生波長為 8.6mm 左右，也正是由于它一個周期走的距離短，聲線才具有光線所擁有的一些特性，像反射折射這類特性是一定具有的，還有就是可以有聚焦的現象。按照超聲波的形狀來分類可以將其分類，一是平面的波、二是柱面狀的波、三是像球面狀的波。平面形狀波顧名思義可知其波陣面為一面一面平行的面平行的面，平面狀的波源可以產生平面狀的波，對于源大小遠大于波長的固體平面波源在各個方向都相同性質的勻狀介質中行進的波就可以看成是平面狀波。平面狀的波傳播中不會散開，平面狀的波引起的介質振動時振動幅度不會變動并且就算距離改變它也不會變。同樣柱面形狀的波是指各個波面是有共同軸的圓柱面，直線形的源能夠發(fā)出這種波，線形的源且長度大于波長的源在各個方向都有相同特性的中間物質中行進的波是柱面狀的波，柱面狀的波的波束向四面八方散開，與平面狀的波不同柱面狀的波引起中間物質的振動幅度反比于行進路程的平方根。同樣波傳播的陣面是有相同球心的波叫做球面狀的波，產生這類波的源是一個點，這個源點的大小比波長小很多時在各個方向有一樣特性的中間物質中行進的波認為是球面形狀的波，它引起中間物質中各質點的振動幅度隨波的傳7播路程具有反比的關系。通過上面對各種波的解釋可以知道在超聲波測距里采用平面波對測量精度最有益。所以ＨＣ－ＳＲ０４超聲波模塊產生的是方波 [13]。根據它的波長小以及它的傳播所獨有的性質可知即超聲波會兩種物質的分界處會有反射的現象出現且兩個角度相等這兩個角是入射和反射角，同樣還有一點像光線從一種介質行進到新的介質時會有折射的現象產生，發(fā)生折射的條件是當聲波透過一種物質進入另一種聲速不同的物質時就會產生折射現象，也就是說折射會改變超聲波的傳播方向，折射角的大小與兩種介質的聲速差有關系，兩種介質的聲速差別愈大，則折入射角的差別會更大。傳播的波還具有疊加、干涉、衍射等特有性質，疊加是指不一樣的波在空間碰到事，碰到處傳播介質點的振動幅度為每個聲波使質點振動幅度的矢量和。之后沒個波繼續(xù)以本身所具備的頻率、波長、振動方向等獨有性質接著照之前的方位行進，就跟從未碰到似的，這又稱之為波的獨立性。波的干涉的概念指在二組波的頻率、振動方向、相位相同或者是有一直不變的相位差值的條件下，傳播中間物質中有些質點振動增強或者有些質點削弱亦或者整個的相抵掉的征象。（2）衰減特性超聲在各種中間物質中行進時，會由行進路程的增大，超聲能量會慢慢削弱，此就是超聲的衰減的象征。造成超聲波能量的衰減具有關鍵的三個因素。分別為擴散衰減、散射衰減、吸收衰減。擴大散開衰減主要與波型相關聯，是由于波束的擴大散開，超聲波的能量就著行進路程的加大能量減弱。知道平面形狀波的波陣面還是平的面，故其聲波能量不會根據路程的增加去發(fā)生改變。但是球面波和柱面波的波陣面隨傳播距離增加波陣面面積變大，能量被分散，存在擴散衰減。散射衰減指的超聲波在中間物質內行進時，由于中間物質晶界面兩側的晶粒聲阻抗不同，使得超聲波發(fā)生散亂散射引起能量削弱。相同的材料時超聲的頻率加大散射散射削弱愈加嚴重。吸收衰減是指超聲在中間物質行進時，會導致介質內各個質點間相互摩擦和熱傳導降低超聲的能量降低。引起吸收衰減的程度是多因素的綜合結果，超聲波頻率、介質的晶粒直徑、波長、材料的各向異性系數 [14]。一般情況是這些系數越大衰減系數越大。另外一種情況是傳播超聲波介質的而言。假如一列聲波頻率確定了，一般來說在氣體中行進時的衰減系數要比固體和液體中小。在本論文所涉及的實驗里，都是超聲在氣體中間物質中行進時，吸收衰減較小。（3）超聲波的能量傳遞特性8描述超聲波能量的概念是聲強，所謂聲強是說在一個單元時候內垂直通過單元大小面積的聲能。超聲行進至中間物質時使中間物質運動后得到動能，中間物質除了振動還產生了形變而附加了勢能，中間物質的總能量為兩者相加后的結果。超聲波能量通過介質來傳遞，介質的振動是周期性的所以介質里單位體積元的動能和彈性勢能也是周期性變化的。時而為零時而最大。就好像體積元在不間歇的吸收和發(fā)出能量，這就表出超聲的能量是慢慢一份一份的發(fā)放到外界取得。與我們常見的系統(tǒng)相異的是單位元的動能和勢能共同最大最小。原因是其受到摩擦力的影響而不遵守機械能守恒定律。根據其公式可知聲強大小與超聲的頻率成正比。而超聲的頻率一般都比較大因此超聲的能量很高，可以達到大炮聲強的十萬倍。在很多的工業(yè)行當中都會應用超聲技術，關鍵要點正是由于超聲附有特別大的聲強。正是聲波如此作用讓中間物質的分子也會跟著動起來，還有就是二者的頻率相同，頻率確定了分子振動的速度，速度跟頻率成正比。中間物質的分子應為振動得到的能量不單單跟分子重量相關聯，但是要點還是中間物質的振動速度來決定,也就是說頻率高能量也一樣的高。很明顯超聲頻率高出一大截對比于我們所聽見的聲波，正因如此中間物質能量大；這樣說來，超聲波像是能量源頭不斷給物質提供能量。 （4）超聲波的聲壓特性聲波行進到中間物質時,因為聲波振動使中間物質分子對對方造成壓縮和稀疏的效果，這樣就必然造成中間物質內部的應力有變化特別是在固體內。聲壓就是聲波的作用導致中間固體有附加壓力。根據超聲場中某一確定點的聲壓公式可知聲壓的大小與中間物質密度、波速、超聲波頻率有正比例的關系 [13]。3.3.2 超聲波換能器能夠將其它形式的能量轉換為超聲和能將超聲轉變成其它形式能量的裝配就是超聲傳感器，也可以稱之為超聲換能器，或者事超聲波探頭。超聲波的探頭關鍵部件是壓電晶片、接頭、電導線、外殼、阻尼塊。這個東西能做到發(fā)生和接收超聲信號。在工業(yè)檢測探傷行業(yè)小功率探頭使用的比較多。現在使用的探頭針對各異缺陷檢驗有很多不同的結構，可分縱波直探頭、橫波斜探頭、產生表面波的表面波探頭、用于檢測板材的蘭姆波探頭、對探頭（一個探頭發(fā)射、一個探頭接收）等。超聲換能器的重要零件是金屬做的外殼抑或是塑膠殼里的壓電晶片一塊。很多材料可以用來制作壓電晶片。根據晶片的尺寸特性，如晶片平面的圓周半徑和9厚度各異，每個探頭的特性在用途上有不同點，為了選擇合適的探頭，在使用探頭之前好好了解這個探頭是不可或缺的。超聲波傳感器的主要性能指標包括：（1）工作頻率。傳感器工作時候的頻率就是壓電晶片達到共同振動的頻率。當加到壓電晶片不同端的相位不停跳動的電信號與壓電晶片的共同振動頻率一樣時，換能器的輸出的能量最大，探頭的靈敏度也最高。（2）工作溫度。超聲波探頭工作時環(huán)境的溫度是不確定，有時溫度較低，有時溫度較高。但是我們常用的傳感器的居里點比較高，因此在大部分情況下溫度對探頭的影響較小。檢測用的超聲換能器運轉時功率很小，工作氣溫不會高，所以能夠連續(xù)不斷的工作部影響結果。在醫(yī)院里用來檢查或者治療的儀器功率一般會打一點會輻射很多熱量。這樣溫度就會急劇升高，因此增加冷卻設備是一定要的。（3）靈敏度。超聲探頭的精確程度關鍵由自身的物理特性來確定。其機電耦合系數大，精確程度自然也高。20～20000Hz 是我們能感應到的一個頻率區(qū)間，就是所謂的可以聽見的波，當聲波頻率不在這個區(qū)間時，也就是說少于 20Hz 的聲音叫做低頻聲波，頻率高于 20000Hz 的聲音叫做超聲波。毫無疑問超聲波是直線來傳播的，且有很大的頻率時，繞過障礙物行進的能力就下降，但反射能力越強的特性。因此，就可以通過超聲的具有的此類特性來制造超聲換能器。此外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為 340m／s 左右，有了充裕的時間給儀器來響應。簡化使用。在這個組合電路中選用了有壓電能的換能器。常用原來用在探頭上的事壓電晶體或陶瓷，換能器恰是運用壓電材料的壓電作用運行。相反的逆壓電效應讓不斷快速變化的電振蕩換成晶片機械振動，就是這樣發(fā)出了超聲波，利用此特性制成發(fā)射探頭；相反的用正過來的效應，讓超聲變換成電信號被換能器接收 [16]。想 要 好 好 分 析 超 聲 的 特 性 和 在 生 活 生 產 中 運 用 超 聲 波 ， 科 技 人 員 完 成 設 計和 制 作 了 各 種 發(fā) 出 超 聲 波 的 儀 器 。 很 簡 單 的 分 了 兩 類 ： 電 氣 和 機 械 方 式 。 比 如說 壓 電 和 磁 導 至 延 展 或 縮 短 ； 佳 兒 同 笛 、 液 體 哨 子 、 氣 流 旋 笛 子 。 這 些 發(fā) 出 超聲 指 標 各 異 ， 用 武 地 方 也 不 一 樣 。 目 前 常 用 壓 電 式 超 聲 波 發(fā) 生 器 。 10圖 3.5 超聲波傳感器結構晶體有節(jié)奏的振動是壓電式發(fā)生器的運行依據。上面的圖就是發(fā)生器內部的構造了，一般是兩晶片一個共振板。如果兩邊的極加上了外加的脈沖刺激，并且頻率很好的與共振頻率結合，這個時候就有共振了再晶片上，附帶的把共振板也帶動起來了，這就有了超聲波發(fā)射出來。另一方面看，如果晶片兩個極間什么都沒有加時但又有超聲波的燃動，這時晶片會做受迫的振動，就很輕松的轉換為電信號了，按照這個就成了超聲波接收器了 [17]。如圖3.5所示。3.4 超聲波傳感器原理根據市場調查開放型的超聲波傳感器用的最多了，圖 3.6 已經展示了開放式傳感器的結構，在它的底面根據位置安裝著一個復合式的振動器。這個復合式振動器是由金屬片和壓電陶瓷片另外加上諧振器共同構成的兩個晶片元件振動器。用過的都知道諧振器是喇叭狀的，這樣設計的動機是更優(yōu)的輻射超聲波而不損失能量，這樣還有一個效果是聚集超聲波在中央。如果說交互變化的電壓作用在陶瓷上了，就會根據電壓的變化而產生有規(guī)律的機械振動。另一方面，當壓電陶瓷受超聲波擾動是時，在陶瓷不同面上會產生交變電勢差。根據上面的理論，如果讓壓電陶瓷或和金屬片構成的振動器條件是陶瓷和振動器很好的組合在一起，分為單晶和多晶元件，外加一個交互變化的電信號時，陶瓷晶片因逆壓電效應發(fā)生彎曲振動而發(fā)出超聲波 [18]。從對立面來看，當單晶元件或者雙壓電晶片元件接收到超聲波的擾動時，同樣會因正壓電效應產生一個交變電信號?；谝陨献饔?，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器。11圖 3.6 超聲波內部結構很明顯超聲波是一種機械振蕩，并且只有在彈性介質中會傳播，其頻率遠遠高于 20000Hz，按波型可以分為橫波和縱波，橫波為中間物質的振動方向與波的傳播方向垂直而縱波為中間物質振動方向與波的傳播方向同向。超聲縱波能夠在三種狀態(tài)的物質都可以傳播，只是速度不一樣而已，但是橫波就只有在固體中行進了。超聲波有折射反射的特性前面已經介紹，且在行進過程中會發(fā)生衰減。超聲波的基本特性如下所述：（1）波長很簡單的定理頻率乘波長就得到速度了，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為344m/s (20℃時)。相對來說聲波的傳播速度較小而頻率很大使得波長較短，由于超聲波波長較短超聲波傳感器可以獲得較高的距離和方向分辨率 [19]。因為這樣特有的性質，使超聲測距儀工作運行時有很大的概率得到較準的結果。（2）反射利用超聲波的反射性質可以用來探測在一定空間內是否有物質存在，如果接收到反射波，則空間內一定存在反射體。聲吶技術就是利用反射技術探測潛在威脅。像金屬、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙這類具有大的反射面的物體超聲波幾乎可以100％反射，因此我們可以很容易地發(fā)現這些物體。而布、棉花、絨毛等這里表面有孔隙的物質可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波反射原理來探測它們，潛艇利用這一原理增加隱身性能 [20]。另外超聲波在不規(guī)則反射體上會向各個方向反射，所以凹凸表面以及斜坡表面的物體很難探測到，這些因素決定了超聲波的理想測試環(huán)境是在空曠的場所，并且如果測試物體與超聲波傳播方向垂12直，測試的效果會更好。（3）溫度效應聲波傳播的速度‘c ’與溫度的關系式可以用下列公式表示。c =331.5+0.607t (m/s) 式中，t=溫度 ( ℃ )也就是說，周圍環(huán)境的溫度會影響聲音在這種介質中的傳播速度 [21]。因此，測量周圍環(huán)境的溫度對精確測量兩個物體之間的距離是非常重要的，特別是冬季室內外溫差很大時，溫度對超聲波測距的精度影響很大，為了減小這種影響可用18B20作溫度補償來減小溫度變化所帶來的測量誤差，但是本設計的測試環(huán)境主要是室內，而且超聲波主要是用于測距功能，對測量精度要求并不是特別高，所以關于溫度效應對系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。（4）衰減超聲波在空氣中傳播波強會隨著傳播距離的增大而成比例的減弱，主要是因為超聲波遇到障礙物產生衍射現象導致聲能擴散損失，第二個原因是介質會吸收超聲波的能量轉換成介質自身動能和勢能。如圖3.7所示，表示聲能吸收率與聲波頻率的關系，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。圖 3.7 聲壓在不同距離下的衰減特性（5）聲壓特性聲壓級 (S.P.L.) 是表示音量的單位，單位為分貝利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中 ,“P”為有效聲壓 (μbar)，“Pre ”為參考聲壓 (2×10-4μbar)如圖3.8所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。13圖 3.8 超聲波傳感器的聲壓圖（6）靈敏度特性靈敏度是表示聲音接收級的單位，使用下列公式予以表示。靈敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”為所產生的電壓 (Vrms)，“P”為輸入聲壓(μbar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測距范圍，如圖3.9所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現40KHz時傳感器的聲壓級最高，也就是說40KHz時所對應的靈敏度最高 [22]。圖3.9 超聲波傳感器靈敏度示意圖（7）輻射特性在平整的臺面上安裝好超聲波傳感器。然后測量超聲波聲壓隨角度變化的規(guī)律。為了準確地描繪出聲壓與角度的關系，規(guī)定聲壓 (靈敏度) 級衰減6dB的角度被稱為半衰減角度，用θ1/2表示。由于超聲波探頭的尺寸較小能夠很方便的獲得精確的輻射角度。如圖3.10所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。14圖 3.10 超聲波傳感器輻射特性示意圖分析以上研究結果不難看出超聲波傳感器工作在 40KHz 范圍內具有最大的聲壓級和最高的靈敏度 [23]。3.5 測 距 分 析本 課 設 制 作 的 超 聲 測 距 儀 使 用 于 測 量 與 聲 波 傳 播 方 向 垂 直 且 有 一 定 大 面 積的 平 面 之 間 的 距 離 ， 比 如 測 量 垂 直 墻 壁 的 距 離 。 當 超 聲 波 測 距 儀 向 某 一 方 向發(fā) 射 40KHz 超 聲 方 波 時 ， 在 發(fā) 射 的 同 一 時 刻 計 時 電 路 開 始 計 時 ， 超 聲 波 在 空氣 中 傳 播 ， 如 果 在 途 中 碰 到 有 一 定 面 積 的 障 礙 物 超 聲 波 被 立 即 反 射 回 來 ， 超聲 波 測 距 儀 的 接 收 探 頭 接 收 到 反 射 波 時 計 時 電 路 馬 上 停 止 計 時 [24]。 根 據 物理 常 識 知 道 超 聲 波 在 空 氣 中 的 傳 播 速 度 為 340m/s， 由 電 路 計 時 器 記 錄 的 時 間t， 就 可 以 很 容 易 的 計 算 出 發(fā) 射 點 距 障 礙 物 的 距 離 (s)， 即 ： s=340t/2。超聲測距法有好幾種，比如回波測距法，或者是一發(fā)一收式測距法。但超聲回波檢測法是最最常用的測距法，因為這種方法在現場測量更方便。對于一發(fā)一收式的雙探頭測距法，這種方法通常不好操作，就算能夠操作測量效果也差。在這個過程中還會產生誤差，雙探頭的相對位置沒有擺放好等原因都會導致誤差 [23]。超聲波在介質中傳播時其聲速 V 與溫度有關。但在平常使用時，傳播介質溫度變化一般都不大，認為聲速基本沒有變化。如果實驗要求很高的測距精度，則應通過溫度補償的方法對測量結果加以數值修正 [26]。聲速確定后，只要測量出超聲波往返的時間，即可根據公式求出距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖 3.11 所示：15超聲波發(fā)射 障礙物SHθ超聲波接收圖 3.11 超聲波的測距原理 ?cosSH?（3.1） )(Lartg（3.2） 式中:L ---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(3.3) 式中:v —超聲波在介質中的傳播速度;t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（ 3—2） 、（ 3—3） 代入（ 3-1） 中得： ]cos[2HLartgvt?(3.4) 其中,超聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個常數(例如在溫度 T=30 度時,V=349m/s);當需要測量的距離 H 遠遠大于 L 時,則( 3—4)變?yōu)?t21?(3.5) 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.3.6 時鐘電路的設計16如圖 3.6 所示為時鐘電路。XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置片內振蕩器?？梢圆捎檬⒕w振蕩器或者陶瓷振蕩器。如過用外部時鐘源來驅動器件，XTAL2 應不接電源。時鐘電路的一個機器周期含有 6 個狀態(tài)周期，而每個狀態(tài)周期分為 2 個振蕩周期，這樣來說一個機器周期就一共有 12 個振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率為 12MHZ，一個振蕩周期為 1/12us，故而一個機器周期為 1us，在這個課設里晶體的振蕩器頻率為 40KHz[27]。CX1MHZTAL圖 3.6 時鐘電路圖3.7 復位電路的設計復位方法一般分為兩種，第一種外部按鍵手動復位和第二種上電自動復位，單片機在時鐘電路工作以后, 在 RESET 端持續(xù)給出 2 個機器周期的高電平時就可以完成復位操作。例如使用晶振頻率為 12MHz 時，則復位信號持續(xù)時間應不小于 2us。本設計采用的是自動復位電路 [28]。如圖 3.7 示為復位電路。17圖 3.7 復位電路圖3.8 聲音報警電路的設計如下圖所示，用一個 Speaker 和三極管、電阻接到單片機的 P23 引腳上，構成聲音報警電路 [29]，如圖 3.8 示為聲音報警電路。圖 3.8 聲音報警電路圖3.9 顯示模塊顯示模塊采用數碼管顯示接口電路如圖 3.9 E1DP3C4G5H6F0AB78SQVRK圖 3.9 數碼管電路蜂 鳴 器N+184 軟件設計4.1 主程序工作流程圖按上述工作原理和硬件結構分析可知系統(tǒng)主程序的工作流程圖,如下圖 4.1 所示 [30]；系統(tǒng)初始化報警結束測得距離與設定值比較,小于距離比較，報警是否持續(xù)開始啟動報警電路開始報警再次檢測等待下次報警結束YNNYYN19圖 4.1 主程序工作流程圖超聲波探測程序流程圖 4.2：圖 4.2 超聲波探測程序流程圖205 總結本設計研究了一種基于單片機技術的超聲波智能測距報警系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過以 STC89C52 單片機為工作處理器核心，超聲波傳感器，它是一種新穎的被動式超聲波探測器件，能夠以非接觸測出前方物體距離，并將其轉化為相應的電信號輸出.該報警器的最大特點就是使用戶能夠操作簡單、易懂、靈活；且安裝方便、智能性高。根據已經制作完成的測量儀的實驗結果分析可以得出結論，儀器的測量值總是比實際標準值要小、并且隨著測量距離的增大誤差越來越大。本課設制作的儀器測距范圍在 2-400cm。10 到 50 厘米的測量范圍內誤差在 2.4 厘米以內。測距范圍 50 到 200 厘米時測量誤差會增大至 4 到 7 厘米。當超過 200 厘米是誤差就會達到 10cm。造成誤差的原因有一下幾個方面：發(fā)射與接收間的時間對測量精度的影響、超聲波波束與探測目標的夾角、測量時周邊的環(huán)境。為了減少誤差可以采用時間增益補償的方法。具體的做法是根據實驗數據得出誤差規(guī)律。在根據這些規(guī)律設計一種時間增益補償電路并且這種補償電路可以根據實際情況來調整其補償特性。通過這種方法可以有效的減少誤差。21參考文獻 [1] 時德鋼,劉曄,王峰等.超聲測距儀的研究[J].計算機測量與控制，2002,17(7): 23~25.[2] 潘仲明.大量程超聲波測距系統(tǒng)研究[M].國防科學技術大學出版社， 2006.[3] 韓贊東.超聲定位技術在汽車安全預警系統(tǒng)中的應用[J] .測控技術, 2002, 13(8): 45~46.[4] 夏伏洋.高精度超聲波智能測距儀的設計與實現[J] ．電腦知識與技術 , 2012, 3(4): 21~26.[5] 胡福云.基于單片機的超聲波測距儀[J] 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