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1、理工大学学士论文1 绪 论1.1 课题背景传感器技术是现代信息技术的主要内容之一。信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术，计算机技术相当于人的大脑，通信相当于人的神经，而传感器就相当于人的感官。比如温度传感器、光电传感器、湿度传感器、超声波传感器、红外传感器、压力传感器等等，其中，超声波传感器在测量方面有着广泛、普遍的应用。利用单片机控制超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且测量精度较高。超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。因此研究超声波测距系统的原理有着很大的现实意义。对本课题
2、的研究与设计，还能进一步提高自己的电路设计水平，深入对单片机的理解和应用。1.2 课题研究意义由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，较其它仪器更卫生，更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境，具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品（酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。可在不同环境中进行距离准确度在线标定，可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制，可进行差值设定，直接显示各种液位罐的液位、料位高度。因此，超声在空气中测距在特殊环境下
3、有较广泛的应用。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的位置信息（距离和方向）。因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点，因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。31理工大学学士论文1.3 现阶段常见问题的分析及解决方案 （1）超声波传播波速不恒定 超声波在介质中的传播速度随周围环境 （温度、压力等）的变化而变化，其中温度的影响最为明显。常温下，超声波的传播速度为 340m/s，温度
4、每升高 1，声速增加约为0.6 m/s，因此超声波测距中一般采用温度补偿的方法，即在数据处理中对超声波传播速度进行实时温度补偿。 （2）回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减 回波信号幅值随传播距离增大呈指数规律衰减，使得接收传感器接收到的回波信号随着测量距离的增大而大幅减小，给回波前沿的准确定位带来困难，造成测量精度降低。在回路上串入自动增益调节环节 （AGV），使得电路放大倍数随着测量距离的增大而相应规律地增加，可有效解决该问题。 （3）盲区 发射超声波时，超声波换能器在驱动脉冲结束后，会由于惯性继续振动，产生余振。余振期间，由于无法区分回波信号与余振信号，因此必须等余振停止或衰减到足够
5、小后，才能允许接收传感器接受信号。这段时间由于无法检测超声波传播距离，从而出现盲区。 为了减小盲区，即尽快让余振衰减到零或足够小，马志敏提出自动根据测量距离远近调控发射功率的方法，即自动根据距离的远近来调整发射拖尾波覆盖信号的宽度，从而消除拖尾波的干扰。 QiangLi,Zhang提出增大余振衰减系数的方法，来加速余振的衰减。郗晓田提出通过减小电容上电压最大值U 的初值来加速余振衰减的方法，也可在一定程度上减小盲区。 （4）超声波旁瓣影响 接收传感器在超声波发射结束后接收到的第一个波一般是串扰直通波。它是超声波信号由近源的波束旁瓣或通过换能器绕射，直接到达接收传感器造成的。因此，安装传感器过程
6、中，两个探头之间距离应大于3cm，从而降低超声波旁瓣对测距系统精度的影响 （5）混响信号干扰 混响信号是由于水中介质及界面等非目标物对发射信号的反向散射波在接收点叠加而产生的。其本身是一种回波，且包含的信号频率与发射信号相近，不能被一般滤波电路或算法消除。特别在近距离探测中，它是主要背景干扰。测距时，可以根据时间变化，控制接收放大电路的增益，以实现对混响信号幅值的抑制。 （6）超声波探测器测量分辨力和探测角度范围的矛盾超声波测距选用大波束角探测器，可以满足探测范围要求，但分辨能力较差，难于准确地提供目标的边界信息。然而如果采用小波束角探测器，可以满足分辨能力的需要，但探测范围很难满足要求。针对
7、这一矛盾，金元郁等提出步进电机驱动单套小波束角传感器做扇形扫描的方法，即步 进电机每转过一个步距角1，测距系统便在当前的角度上测取一个距离信息，结合当前的扫描角度，就得到了一个较为精确，而且兼有距离、方向的位置信息。该方法有效弥补了大波束角探测器分辨能力差，小波束角探测器探测范围不足的缺点。2 超声波测距系统2.1 超声波超声波是听觉阈值之外的振动，其频率范围在1010Hz，其中通常的频率大约在103Hz之间。超声波在超声场（被超声波充满的范围）传播时，如果超声波的波长与超声场相比，超声场很大，超声波就像处在一种无限的介质中，超声波自由地向外扩散；反之，如果超声波的波长与相邻介质的尺寸相近，则
8、超声波受到界面限制不能自由的向外扩散。2.1.1 超声波特性（1）束射特性由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的所有定律。即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角，当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象，也就是要改变它的传播方向，两种物质的密度差别愈大，则折射率也愈大。（2）吸收特性声波在各种介质中传播时，随着传播距离的增加，其强度会逐渐减弱，这是因为介质要吸收掉它的部分能量。对于同一介质，声波的频率越高，介质吸收就越强。对于一个频率一定的声波，在气体中传播时吸收尤为历害，在液体中传播时吸收就比较弱，在固体中
9、传播时吸收是最小的。（3）超声波的能量传递特性超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用，主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。为什么有这么强大的功率呢?因为当声波进入某一介质中时，由于声波的作用使物质中的分子也随之振动，振动的频率和声波频率样，分子振动的频率决定了分子振动的速度。频率愈高速度愈大。物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外，主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高，也就是物质分子愈能得到更高的能量。超声波的频率比普通声波要高出很多，所以它可以使物质分子获得很大的能量；换句话来说，超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。 （4）超声波的声压特
10、性当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用，将使物质所受的压力产生变化。由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。2.1.2 超声波传感器超声波传感器主要有电致伸缩和磁致伸缩两类，电致伸缩采用双压电陶瓷晶片制成，具有可逆特性。压电陶瓷片具有如下特性：当在其两端加上大小和方向不断变化的交流电压时，就会产生“压电效应”，使压电陶瓷也产生机械变形，这种机械变形的大小以及方向与外加电压的大小和方向成正。也就是说，若在压电晶片两边加以频率为的交流电电压时，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气的张弛，当落在音频范围内时便会发出声音。反之，如果由超声波机械振动作用于陶
11、瓷片使其发生微小的形变时，那么压电晶片也会产生与振动频率相同的微弱的交流信号。超声波传感器结构如下： 图 2.1 元件内部结构 图 2.2 超声波外部结构超声波测距的原理：声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，
12、是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。到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，途中碰障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，如图2.3，即： 图 2.3超声波测距原理图这就是所谓的时间差测距法。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，
13、用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是：仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号限制该系统的最大可测距离存在四个因素：超声波的幅度、反射
14、物的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收装置的灵敏度。接收装置对声波脉冲的直接接收能力将决定最小可测距离。超声波的波速c与温度有关，图2.4显示了几种不同温度下的波速。图2.4 声速与温度的关系图可以推导得出，温度和波速大概有c=331.5+0.6T这样的规律，波速确定后，只要测得超声波往返的时间t，即可求得距离S。2.2 51单片机简介本课题所设计的超声波测距系统是基于单片机控制的，在介绍电路设计之前，我们先来简单了解一下单片机的工作原理，由于本课题所设计的超声波测距系统是以STC公司的8位单片机STC90C52为核心的，所以，在本章先简单的介绍一下STC90C52的一些特性。2.2.1
15、单片机基础知识单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)简称单片机。它在一块芯片上集成了中央处理器（Central Processing Unit,CPU），只读存储器（Read Only Memory,ROM），随机存储器（Random Access Memory,ROM），定时/计数以及I/O(Input/Output)接口等部件，这些部件构成了一个完整的微型计算机。目前电子设计领域广泛使用的是8位单片机单片机内部结构如图2.5所示。图2.5单片机内部结构由图2.5可见，中央处理器(CPU)是通过内部总线与ROM、RAM、I/O接口以及定时器/计数器相连的，这个结构并不复杂，但并不好理解。为此，在分析单片机工作原理前，先对图2.5中各部件作一基本介绍是十分必要的。1. 中央处理器(CPU)中央处理器是整个单片机的核心部件。51系列单片机是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码。CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算器和控制输入/输出等操作。中央处理器由运算器、定时控制部件和寄存器通过总线连接而成的一个整体。(1) 算术逻辑运算部件算术逻辑运算部件（ALU）包括运算器、累加器A、寄存器B、暂存器TMP、程序状态寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针
