超声波测距防撞仪毕业设计论文(编辑修改稿)

超声波测距防撞仪毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

超声波简介 超声波是指频率高于 20KHz的声波，它因其频率下限大约等于人耳的听觉上限而得名，它具有频率高、波 长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。 超声波对液体、固体的穿透性很强，尤其是在阳光不透明的固体中，可以穿透几十米的深度，碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动的物体能产生多普勒效应。 通常以纵波的方式在弹性介质内传播，在一定的距离内沿直线传播，具有良好的束射性，能量消耗缓慢，易于获得较集中的声能，在介质中传播的距离较远。 超声波技术是一门以物理、电子、机 械及材料学为基础的通用技术之一。 超声波有两个主要应用：一是用超声波使物体或物性变化的功率应用，称超声功率，例如在液体中发生足够大的能量，产生空化作用，能用于清洗、乳化；二是用超声波得到若干信息，获得通信应用，称检测超声波用超声波在介质中的脉冲反射对物体间的距离进行测量称超声测距。 超声波测距是一门成熟的高新技术，它的最大优点是检测安全、可靠及精度高，而且它可以巡回在运行状态进行检测。 超声波传感器 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器，以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，习惯上称为超声波换能器或者超声探头。 当处于发射状态时，外加共振频率的电压能产生超声波，将电能转化为机械能；当处于接收状态时，又能很灵敏地探测到共振频率的超声波，将机械能转化为电能。 超声 波探头主要有其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片组成，也是其核心，既可反射超声波，也可以接收超声波。 按结构可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、双探头（一个探头发射、一个探头接收）、兰姆波探头（兰姆波）、表面波探头（表面波）等。 烟台大学毕业论文（设计） 6 超声波探头的性能取决于构成晶片的材料、晶片的大小等方面。 其主要性能指标为： （ 1）工作频率 即压电晶片的共振频率，当晶片的共振频率与加到它两端的交流电压的频率相等时，输出地能量最大，灵敏度也最高。 （ 2）工作温度 由于诊断用超声波探头使用功率较小，而且压电材料的居里点一般比较高，因此工作温度也较低，可以保持不失效的长时间工作。 （ 3）灵敏度 主要取决于制造晶片本身，机电耦合系数大，灵敏度越高；反之，灵敏度低。 T/R40XX 系列超声波传感器是采用压电效应工作的传感器，通常称换能器，适用于以空气作为传播介质的遥控发射、接收电路中适用，在实际生活中比较常用，分为发射和接收两种，发射器型号为 T40XX，接收器型号为 R40XX。 T/R40XX 的外形尺寸及符号如图 21 所示。 图 21 T/R40XX 外形、尺寸及电路符号 表 21 为四种型号的 T/R40XX 的尺寸，使用时可以根据具体情况选用。 表 21 T/R40XX 外形尺寸 型号 A(mm） B(mm） C(mm） D(mm） T/R4012 T/R4016 T/R4018A T/R4024A 表 22 为四种型号的 T/R40XX 的电气参数。 表 22 T/R40XX 电气参数 型号 升压电平 接收灵敏度 工作频率（ kHz） 带宽（ kHz） 电容（ pF） 在 40kHz 时 发送 接收 T/R4012 112dB 最小值为 67dB （ 40177。 1） kHz 最小5/100dB 最小5/75dB (2500177。 25)% T/R4016 115dB 最小值为 67dB （ 40177。 1） kHz 最小6/103dB 最小6/71dB (2500177。 25)% 烟台大学毕业论文（设计） 7 T/R4018A 115dB 最小值为 67dB （ 40177。 1） kHz 最小6/103dB 最小6/71dB (2500177。 25)% T/R4024A 115dB 最小值为 67dB （ 40177。 1） kHz 最小6/100dB 最小6/71dB (2500177。 25)% 超声波发生器 超声波发生器通常称超声波发生源或者超声波电源，作用是把我们的市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号，主要分为自激式和他激式两类，也可以分为电气方式产生超声波和机械方式产生超声波两大类，电气方式包括磁致伸缩型、电动型和压电型等，机械方式包括气流旋笛、液哨和加尔统笛等。 因为各种超声波发生器所产生的超声波的声波特性、功率和频率不同，所以用途也不同，截止到目前，压电式超声波发生器是较为常用的超声波发生器。 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。 如图 22 超声波发生器内部结构所示，它有一个共振板和两个压电晶片，当它的两极外加脉冲信号，且频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板震动，便产生超声波，反之，两极间未加外电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片振动，将机械能转换为电信号，接收超声波。 图 22 超声波发生器内部结构图 烟台大学毕业论文（设计） 8 超声波测距的基本原理 超声波测距概述 超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测量量程能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米级。 超声波测距采用最现代化的信号处理技术，高性能声波传感器的运用可以获得可靠而精确的测量结果。 超声波测距原理 单片机控制超声波传感器向某一方向发射出超声波束，同时在发射时刻由计时器开始计时，超声波束在空气中传播，遇到障碍后返回，超声波接收器收到反射波束后，计时器立即停止计时，此时单片机根据两次计时的时间差和超声波在空气中的传播速度就可以计算出障碍物距离超声波传感器的实际距离。 由此可见超声波测距原理与雷达原理是一样的 测距的公式为： L=CT/2 （公式 21） 式中 L为测量距离的长度， C 为超声波在空气中的传播速度 340m/s， T 为两次计时的时间差。 超声波测距原理如图 23 所示。 图 23 超声波测距原理图 超声波测距的工作方式 相位检测法 相位检测法是测量返回波和发射波之间相差多少个相位来计算距离，包括过零法、相关分析法、快速检测法等，检测精度高，但检测范围有限，且电路复杂，在信号采集、信 号变换、和控制等方面有重要意义。 L 烟台大学毕业论文（设计） 9 声波幅值检测法 声波幅值检测法是测量回波幅度的大小来计算距离，电路简单，成本低，但易受反射波的影响，测量精度低。 渡越时间检测法 渡越时间检测法是检测从超声波发生器发出超声波束开始，经气体介质传播到接收回波之间的时间，这个时间就是渡越时间。 工作方式简单、直观，电路简单易懂，测量距离和精度都不错，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。 本文的设计就是应用的渡越时间检测法。 在倒车的过程中超声波发生器发出超声波束，经过空气的传播和障碍物的反射，超声波发生器接收超声波束的 反射信号，通过发射和接收超声波束的时间差及超声波的传播速度来计算距障碍物的距离。 烟台大学毕业论文（设计） 10 第三章 方案设计与论证 系统的总体设计 系统的总体设计要求 在汽车挂倒档后，单片机控制超声波发生器发出超声波束，经过空 气的传播后碰上障碍物反射回来，超声波发生器接收到反射回波后，单片机根据发射和接收两次计时计算时间差，同时结合超声波在空气中的传播速度计算出距障碍物的距离，经过数码管显示，提醒驾驶员不要碰上障碍物。 设计的电路做成产品后能正常工作，精度在允许的范围内，满足驾驶员的实际需求，同时成本在消费者的接受范围内，以免价格过高导致产品无人问津。 系统的总体原理框图 图 31 系统的总原理体框图 系统设计方案的论证 本设计实现汽车倒车测距并通过语言功能提醒驾驶员注意安全，为了实现这些功能，需要多方面结合，主要是超声波发射和接收、距离计算、显示报警等方面的结合。 从设计全局来看，整个系统最核心的部分就是距离的测量，其他几个方面都是围绕距 障碍物 超声波发生器 超声波接收器 AT69C51 单片机 距离计算 计时器 数码显示 语音报警 倒车档 烟台大学毕业论文（设计） 11 离测量进行展开，距离测量的核心部分是超声波测距传感器，选择合适的传感器经过单片机的处理才能保证需要的精度。 超声波传感器一般要在频率为 40kHz时有最大的震荡，超声波才具有更大的能量，能传的更。