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1、测控技术与仪器专业课程设计报告班级 姓名 学号 起始时间课程设计题目：测控技术与仪器专业课程设计报告摘 要：本文介绍了一种基于单片机的超声波测距仪的设计。详细给出了超声波测距仪的工作原理、超声波发射电路和接受电路、测温电路、显示电路等硬件设计，以及相应的软件设计。设计中采用升压电路，提高了超声换能器的输出能力；采用红外接收芯片，减少了电路间相互干扰，提高了灵敏度;同时，考虑了环境温度对超声波测距的影响，采用温度传感器，提高了测量精度。该设计试验运行良好，系统结构简单、操作方便、价格低廉，具有广阔的推广前景。关键字：超声波测距仪；超声波换能器；单片机；温度传感器1 对题目的认识和理解目前，常用的
2、测距方法主要有毫米波测距、激光测距和超声波测距三种。超声波测距较前两种测距方法而言，具有指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小等特点，广泛应用于如井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为331.45m/s，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。目前比较普遍的测距的原理是：通过发射具有特征频率的超声波对被摄目标的探测，通过发射出特征频率的超声波和反射回接受到特征频率的超声波所用的时间，换算出距离，如超声波液位物位传感器，超声波探头，适合需要非接触测量场合，超声波测厚，超声波汽车测距告
3、警装置等。本设计选用频率为40kHZ左右的超声波，它在空气中传播的效率最佳。由于超声波测距主要受温度影响较大，所以本设计增加了温度补偿电路。本设计具有电路简单、操作简便工作稳定可靠、测距精确和能耗小、成本低等特点，可实现无接触式测量，应用广泛。1.1 超声波测距原理超声波测距是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到回波就立即停止计时。根据计时器测出发射和接收回波的时间差，可以计算出发射点距障碍物的距离：，其中为超声波在空气中的传播速度，它随温度的变化而变化，其变化关系如下： 式中为环境摄氏温度，可由温度
4、传感器获取。同时，超声波在空气中的传播速度受环境温度的影响较大，考虑了环境温度传播速度的影响后，距离公式修正为： (1)2 方案论证与比较本文所研究的超声波测距仪利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，即用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在发射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时，停止计时。设超声波在空气中的传播速度为，在空气中的传播时间为，汽车与障碍物的距离为，这样可以测出汽车与障碍物之间的距离，然后在LED显示屏上显示出来。其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上
5、某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频率在超声范围内，这种机械波就是超声波。 本文所设计的超声波测距仪主要由AT89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收放大电路、显示电路组成。 首先由单片机驱动产生12MHZ晶振，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、放大、整形之后送入单片机进行计算，把计算结果输出到LED液晶显示屏上。超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波；另一类是用机械方式。产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；
6、机械方式有加尔统笛液 和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面较为常用的是压电式超声波换能器。超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。距离测量系统常用的频率范围为 25KHz300KHz 的脉冲压力
7、波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。3 单元电路（含传感器选型和电路）的设计与说明3.1 超声传感器的原理及结构超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同率的其他形式的能的器件。目
8、前常用的超声传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1 压电传感器；2 磁致伸缩传感器；3 静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨” 或“笛”。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测、装置的重要组成部分。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸
9、钡等。其具有下列的特性：把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变；相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声振动。因此，用这种材料可以制成超声传感器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷
10、上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为 交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压
11、电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。3.2 超声传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的SZW-S40-12M 发射型超声波传感器为例进行说明。3.2.1 频率特性其中，为超声发射传感器的中心频率，在处，超声发射传感器
12、所产生的超声机械波最强，也就是说在处所产生的超声声压能级最高。而两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率的交流电压来激励。 图2 超声波发射传感器频率特性另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻也有很大关系，如果很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与
13、输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。3.2.2 指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。图 3 是电路中选用得发射传感器的指向图。图2 超声波传感器指向特性超声波传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为，课题中超声发射传感器的指向角为。3.3 总体方案设计3.3.1 超声波测距仪的硬件设计超声波测距系统硬件的设计本超声波测距系统采用低
14、功耗,高性能，集成了 ISP Flash 存储单元的 CMOS 8 位单片机 AT89S52 为处理器；采用 T/R40 中心频率为 40 kHz，最大输入电压为 20 V 的超声波传感器为接受发生器。根据 AT89S52 的结构和超声波传感器T/R40 的性能参数设计了由驱动电路和发射传感器组成的发射模块，由滤波、放大、比较路组成、接收传感器组成的接收模块，由温度传感器构成的温度补偿电路，由数码管构成的显示电路。超声波测距需要用到两个参数：超声波从发射到接收的时间及环境温度。因此相应地，超声波测距仪的硬件系统包括单片机及其外围电路、超声波发射电路、超声波接收电路、温度补偿电路和显示电路等。其
15、硬件系统框图如下。图3 超声波测距仪的硬件设计框图3.3.2 单片机及其外围电路的设计在本设计中，主控芯片选择的是单片机AT89S52。最小系统由AT89S52芯片以及外围电路组成是整个超声波测距系统的核心部分。3.3.3 超声波发射电路1 发射波形图4 发射波形如图4，传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q各周期后达到满幅度的95%，1.5Q个周期后达到99%。为提高传感器的灵敏度，Q值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于Q个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。考虑到测量“盲区”，这里选择脉宽为120s，包含5个调制的44kH
16、z的方波信号。2 发射波形的数学模型由文献11，测距仪的发射波形如图4，在规定时刻将一持续时间为的正弦波加到传感器上，然后关闭发射电路，打开接收通道，接收来自障碍物的反射波，其表达式为：(2)式中，为发射电压的载频，它等于超声传感器的串连谐率。由于超声传感器的带宽有一定限制，可等效于一谐振网络，在(3-1)式的激励下，其输出波形表达式为：(3)式中，为传感器的电声转换系数；为传感器的谐振频率；为传感器的品质因数。3 发射电压传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失；另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为 20Vp-
