超声波测距仪设计论文(编辑修改稿)

超声波测距仪设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

0 30 声速（ m/s） 349 344 338 331 325 319 313 6 （ 2）声阻抗特性 : 声阻抗特性能直接表征介质的声学性质 ， 其有效值等于传声介质的密度 ρ 与声速 c 之积 ， 记作 cZ  声波在两种介质的界面上反射能量与透射能量的变化 ,， 取决于这两种介质的声阻抗特性。 两种介质的声阻抗特性差愈大 ， 则反射波的强度愈大。 例如 ， 气体与金属材料的声阻抗特性之比 ， 接近于 1:80000， 所以当声波垂直入射在空气与金属的界面上时 ， 几乎是百分之百地被反射。 温度的变化对 声阻抗特性值有显著的影响 ， 实际中应予以注意。 （ 3）声的吸收 ： 传声介质对声波的吸收是声衰减的主要原因之一，固体介质的结构情况对声波在其中的吸收有很大的影响。 例如：均匀介质对超声波的吸收并不显著，而当介质结构不均匀时，声吸收情况将发生明显变化。 超声波的发生原理 通常正常人耳朵的听力的声波范围是 20Hz～ 20kHz，超声波是指振动频率在 20kHz以上的声波 [6]。 因为它的振动次数甚高，超出了人类的听觉上限，人们把这种听不见的声波叫 做超声波。 超声波和可闻声在本质上其实是一致的，它们的共同点都是 机械振 动波， 是一种纵波，在弹性介质内传播。 它们在本质上是一种能量的传播形式， 其不同点是超声波频率较可闻波频率高， 波长也短，在一定范围内可沿直线传播，且具有良好的束射性和方向性。 超声波为直线传播方式，频率越高，绕射能力越弱，但反射能力越强，为此利用超声波的这种性质就可以制成超声波传感器。 有多种方法产生超声波，其中最简单的方法就是用直接敲击超声波振子，但这种方法需要人参与，因而是不能持久的，也是不可取的。 为此，在实际中采用电路的方法产生超声波，根据使用目的的不同来选用其振荡电路 [7]。 总体上讲，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，一类是用机械方式产生超声波。 电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等 [8]。 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。 目前较为常用的是压电式超声波发生器。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波发生器它有两个压电晶片和一个共振板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。 反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超 声波时，将压迫压电晶片 7 作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 超声波传感器的原理与特性 原理 用超声波作为检测手段，应能发射超声波和接收超声波。 可将超声波与电量做转换的装置称为超声波传感器。 习惯上称为超声波换能器或超声波探头。 常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器 (或称压电式超声波探头 )和磁致伸缩式超声波传感器。 （ 1） 压电式超声波传感器 压电式超声波传感器主要由超声波发射器 (或称发射探头 )和超声波接收器 (或称接收探头 )两部分组成 ， 它们都是利用压电材料 (如石英 ， 压电陶瓷等 )的压电效应进行工作的。 利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动产生超声波，以此作为超声波的发射器。 而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号时，以此作为超声波的接收器。 在实际应用中 ， 压电式超声波传感器的发射器和接收器也可合成为一体 ， 由一个压电元件作为 发射 和 接收 兼用，其工作原理为：将脉冲交流电压加在压电元件上 ， 使其向被测介质发射超声波，同时又利用它接收从该介质中反射回来的超声波，并将反射波转换为电信号输出。 因此，压电式超声波传感器实质上是一种压电式传感器。 （ 2）磁滞式 超声波传感器 磁滞式超声波传感器主要由铁磁材料和线圈组成。 超声波的发射原理是 ： 把铁磁材料置于交变磁场中 ， 产生机械振动 ,发射出超声波。 其接收原理是 ： 当超声波作用在磁致材料上时 ， 使磁滞材料振动 ,引起内部磁场变化 ， 根据电磁感应原理 ， 使线圈产生相应的感应电势输出。 本项目所用的压电式超声波发生器。 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。 超声波换能器内部结构如图 21 所示，它有两个压电晶片和一个换能板。 当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声 波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号， 8 这时它就成为超声波接收换能器了 [9]。 超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。 图 21 超声波发生器内部结构 超声波测距原理为：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 340 sm/ ，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 )，即 ： 2/340tS 这就是所谓的时间差测距法也有称为渡越时间法 TOF（ time of flight），见图 22。 超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可以具有发送和接收声波 的双重作用，即为可逆元件。 一般市场上出售的超声波传感器有专用型和兼用型，专用型就是发送器用作发送超声波，接收器用作接收超声波；兼用型就是发送器和接收器为一体传感 器，即可发送超声波，又可接收超声波。 超声波传感器的谐振频率 (中心频率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等 [10]。 谐振频率变高，则检测距离变短，分解力也变高。 图 22 超声波测距示意图 9 特性 现以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表22 示出的就是这种超声波传感器的特性。 传感器的标称频率为 40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。 表 22 超声波传感器 MA40S2R/S 的特性 种类特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 发送 标称频率 40kHz 灵敏度 － 74dB 以上 100dB 以上 带宽 6kHz 以上 (－ 80dB) 7kHz 以上 (90dB) 电容 1600pF 1600pF 绝缘电阻 100MΩ 以上 温度特性 － 20~+60℃ 范围内灵敏度变化在 10dB 以内 超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。 另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此 ，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。 MA40S2R/S 传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。 图 23表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。 超声波测距仪的测距原理 超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。 其中，相位检测法精度高，但检测范围有限。 声波幅值检测法易受反射介质的影响 [11]。 因此，当 前超声波测距一般使 用渡越时间法。 本系统的特点是 采用 AT89C52 单片机作为控制器，控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时， 用动态扫描法实现测距的LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器产生，超声波测距系统组成框图见 10 图 24。 图 23 传感器的方向性 如图 25 所示，超声波测距系统是由控制电路、超声波接收电路、超声波发射电路、显示电路及电源电路几部分组成的。 超声波传感器的电源常由外部供电，一般为直流电压，电压为 +5V 左右，再经传 感器内部稳压电路变为稳定电压供传感器工作。 下面将分单 片 机 发射电路 接收电路 障 碍 物 发射头 接收头 图 24 超声波测距系统 原理图 11 别介绍控制电路也即单片机最小系统、发射电路、接收电路、及显示电路。 图 25 超声波 测距 系统的构成 单片机最小系统 其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。 单片机最小系统主要由 AT89C52单片机、外部振荡电路、复位电路和 +5V 电源组成。 在外部振荡电路中，单片机的 XTAL1和 XTAL2 管脚分别接至由 12MH。 晶振和两个 22pF 电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。 在复位电路中，单片机 RST 管 脚一方面经 10μF 的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关 s 接电源。 其主要功能是把 PC 初始化为0000H，是单片机从 0000H 单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。 而且单片机最小系统也是本次课题设计 的控制中心，由它负责超声波的发出与接收，计算并处理测量结果，最后将结果通LED显示电路 电源电路 AT89C52 系统控制电路 超声波 发射电路 超声波接收电路 12 过 P0 口显示出来。 可以说它是整个设计的核心所在，好比大脑之于人类的重要性。 如图 26 即为单片 机最小系统。 X T A L 218X T A L 119A L E30EA31P S E N29RS T9P 0 .0 /A D 039P 0 .1 /A D 138P 0 .2 /A D 237P 0 .3 /A D 336P 0 .4 /A D 435P 0 .5 /A D 534P 0 .6 /A D 633P 0 .7 /A D 732P 1 .0 /T 21P 1 .1 /T 2 E X2P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78P 3 .0 /R X D10P 3 .1 /T X D11P 3 .2 /I NT 012P 3 .3 /I NT 113P 3 .4 /T 014P 3 .7 /R D17P 3 .6 /W R16P 3 .5 /T 115P 2 .7 /A 1 528P 2 .0 /A 821P 2 .1 /A 922P 2 .2 /A 1 023P 2 .3 /A 1 124P 2 .4 /A 1 225P 2 .5 /A 1 326P 2 .6 /A 1 427U1A T 8 9 C5 2R11 0 kC11 0 u F+ 5 v+ 5 vC22 2 p FC32 2 p F 图 26 单片机最小系统 超声 波发射电路 超声波发射电路如图 27所示， AT89C52通过外部引脚 输出脉冲宽度为 25μs , 40kHz的 20个脉冲串通过超声波驱动电路以推挽方式加到超声波传感器而发射出超声波。 由于超声波的传播距离与它的振幅成正比 ， 为了使测距范围足够远 ， 可对振荡信号进行功率放大后再加在超声波传感器上。 发射电路的主要目的是驱动超声波发射探头内的压电晶片振动，使之发出超声波，并且发射的超声波具有一定的能量，可传播较远的距离，实现测量的目的。 驱动超声发射探 头工作的方式很多，只要在探头上施加一串其频率与探头中心频率一致且能量足够大的脉冲即可。 发射脉冲可以由单片机或振动器来实现。 本设计中采用的是由单片机发出 40kHz 的方波，单片机 输出的 40kHz 方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。 另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。 用这种推 13 挽形式将方波信号加到超声波 换能器两端，可以提高超声波的发射强度。 输出端采用两个反向器并联， 用以提高驱动能力。 加 上拉电阻一方面可以提高反向器 74HC04 输出高电平的驱动能力， 另一方面可以增加超声波换能器 的阻尼效果 ，缩短其自由振荡的时间。 该测距电路的 40kHz 方波由单片机编程产生，方波的周期为 1/40ms ，即 25181。 s，半周期为。 每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生 40kHz 方波。 图 27 发射部分电路图 超声波接收电路 超声波接收器接收反射的超声波转换为 40KHz 毫伏级的电压信号 ,需要经过放大、处理、用于触发单片机中断 INT0。 一方面传感器输出信号微弱，同时根据反射条件不同信号大小变化较大 ， 需要放大倍数大约为 100 到 5000 倍 ， 另一方面传感器输。