毕业设计（论文）-基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计.doc

吉林电子信息职业技术学院毕业论文 吉林电子信息职业技术学院吉林电子信息职业技术学院 电气工程系毕业论文电气工程系毕业论文 基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计基于单片机的超声波倒车雷达系统的设计 毕 业 生 姓 名： 指导教师、职称： 学 号： 专 业 名 称：机电一体化 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 摘要摘要:近年来，我国的汽车数量正逐年增加。在公路、街道、停车场、车库等拥 挤、狭窄的地方倒车时，驾驶员既要前瞻，又要后顾，稍微不小心就会发生追尾事 故。因此。增加汽车的后视能力，研制汽车后部探测障碍物的倒车雷达便成为近些 年来的研究热点。为此，设计了以单片机为核心，利用超声波实现无接触测距的倒 车雷达系统。工作时，超声波发射器不断发射出一系列连续脉冲，给测量逻辑电路 提供一个短脉冲。最后由信号处理装置对接收的信号依据时间差进行处理，自动计 算出车与障碍物之间的距离。目前，国内外一般的超声波测距仪，其理想的测量距 离为 1m5 m，因此大都用于汽车倒车雷达等近距离测距中。本文根据声波在空气 中传播反射原理，以超声波换能器为接口部件，介绍了基于 AT89C51 单片机的超声 波测距器。该设计由超声波发射模块、信号接收模块、单片机处理模块、数码显示 以及声光告警显示模块等部分组成，文中详细介绍了测距器的硬件组成、检测原理、 方法以及软件结构。超声波接收电路使用 SONY 公司的 CX20106A 红外检测专用芯片， 该芯片常用于 38kHz 的检波电路，文中通过对芯片内部电路的仔细分析，设计出能 够成功对 40kHz 超声波检波的硬件电路，距器使用数码管显示目标物的距离。 关键词：关键词：超声波 ,测距,AT89C51,倒车 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 DESIGN OF ULTRASONIC VEHICLE REVERING SYSTEM WITH ULTRASONIC BASEDON MCU ABSTRACT In recent years, Chinas number of cars is increasing every year. Highways, streets, parking, garage and other crowded places narrow reverse, the driver should not only forward but also looking back, a little rear-end careless accidents can occur.So after the increase of motor vehicles as the ability to detect obstacles on the development of the rear of the car reversing radar has become the research hotspot in recent years. the ultrasonic transmitter continuously emits a series of consecutive pulses to the measurement of logic circuits to provide a short pulse. Finally, signal processing devices based on the received signal for processing the time difference, automatic calculation of turnout and the distance between obstacles. Ultrasonic Ranging simple, low cost, easy production, but the transmission speed by a larger weather can not be precise range; In addition, the ultrasonic energy and the attenuation is directly proportional to the square of the distance, the farther the distance, the lower sensitivity and thus Ultrasonic Ranging way so that only apply to a shorter distance. At present, ultrasonic range finder at home and abroad in general, the ideal distance of the measurement 1 5 m, based on AT89C51 ultrasonic range-finder. Receiving circuit using the SONY company dedicated CX20106A infrared detecting chip, the chip used in the detector circuit 38KHz, the text of the chip through the careful analysis of the internal circuit design can successfully 40kHz ultrasonic detection of hardware circuitry and adjustable gain, The use of digital rangefinder display the distance between objects. KEYKEY WORDSWORDS AT89C51 Silent Wave;Measure Distance Reversing 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 1 目目 录录 ABSTRACT.III 目目 录录.1 1 1 绪论绪论.2 1.1 设计的现状 .2 1.2 设计的意义和要求 .2 1.3 目前国内倒车雷达的发展现状.2 2 2 总体设计方案总体设计方案.3 2.1 超声波测距 .4 2.1.1 超声波测距原理.4 2.1.2、测量与控制方法.5 2.1.3、理论计算.6 2.1.4 影响精度的因素分析 .6 2.1.5 提高精度的方案及系统设计.8 2.1.6 测量盲区.9 2.2 超声波传感器 .9 2.2.1 超声波传感器原理及结构.9 2.2.2 超声波传感器的特性.11 2.2.3 超声波传感器的应用.13 3 3 硬件设计硬件设计.14 3.1 超声波发射电路 .14 3.2 超声波检测接收电路 .15 3.2.1 集成电路 CX20106A.15 3.2.2 超声波接收电路.16 3.3 超声波显示及控制部分电路 .18 3.3.1 AT89C51 单片机的原理及工作特点.18 3.3.2 单片机实现测距原理.19 3.3.3 压电陶瓷超声波传感器 (TCF40-18TR1).19 3.3.4 稳压电源电路.20 3.3.5 显示电路原理.21 3.3.6 温度测量电路.22 3.3.7 键盘控制电路.23 4 4 软件设计软件设计.23 4.1 软件设计的要求 .24 4.2 超声波测距的算法设计 .24 4.3 主程序 .25 4.4 超声波发送及接收中断程序.26 4.5 显示子程序和蜂鸣报警子程序.28 5 5 系统的软硬件调试系统的软硬件调试.29 结束语.30 致致 谢谢.31 参考文献参考文献.32 附录附录 1 1 超声波倒车雷达系统的设计超声波倒车雷达系统的设计.33 附录附录 2 2 程序清单程序清单.34 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 2 1 1 绪论绪论 倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观 的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视 所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。 1.11.1 设计的现状设计的现状 超声波测距由于其能够进行非接触测量和相对较高的测量精度，越来越被人们所 重视。就目前形势来看，汽车市场的快速发展将带动倒车雷达市场的繁荣。国内倒车 雷达主流市场已经开始有进口高档汽车向中低档汽车发展。技术上向着单芯片功能成 灵敏度更高、可视化发展，设备趋于小型化、人性化、智能化等方向发展。由此可见， 超声波汽车倒车雷达系统将会在人类今后的生活中扮演越来越重的角色，为人类的发 展作出重要贡献。 超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头） 、控制器和显示器等部分组 成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷 达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产 生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置， 由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有 数，使倒车变得更轻松。 1.21.2 设计的意义和要求设计的意义和要求 随着汽车的迅速增加，停车难已经是不争的事实，狭小的停车场地常常令有车一 族无所适从，稍不慎，则闯祸，烦事又烦人。虽然每辆车都有后视镜，但不可避免的 都存在一个后视盲区。倒车雷达是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，能以声音或 者更为直观的显示告知驾驶员驾驶车辆周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车 和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了使用死角和视线模糊 的缺陷，提高驾驶的安全性。倒车雷达的发明是迫在眉睫的，是必不可少的设备。 1.31.3 目前国内倒车雷达的发展现状目前国内倒车雷达的发展现状 经过多年的发展，倒车雷达设计以及使用发生了质的变化。经过这几年的发展， 倒车雷达系统已经经过了六代技术改良，不管从结构外观上，还是从性能价格上，这 六代产品都各有特点，使用较多的是数码显示、荧屏显示和魔幻镜倒车雷达这三种。 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 3 第一代：倒车时通过喇叭提醒 。 “倒车请注意”！想必不少人还记得这种声音， 这就是倒车雷达的第一代产品，现在只有少部分商用车还在使用。只要司机挂上倒档， 它就会响起，提醒周围的人注意，从某种意义上来说，它对驾驶员并没有直接的帮助， 不能算真正的倒车雷达，基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器不同声音提示驾驶员。这是倒车雷达系统的真正开始。倒车 时，如果车后 1.8m1.5m 处有障碍物，蜂鸣器就会开始工作。蜂鸣声越急，表示车辆 离障碍物越近。但没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能 确定障碍物离车有多远，对驾驶员帮助不大。 第三代：数码波段显示具体距离或者距离范围。这代产品比第二代进步很多，可 以显示车后障碍物离车体的距离。如果是物体，在 1.8m 开始显示；如果是人，在 0.9m 左右的距离开始显示。这一代产品有两种显示方式，数码显示产品显示距离数字，而 波段显示产品由 3 种颜色来区别：绿色代表安全距离，表示障碍物距离有 0.8m 以上； 黄色代表警告距离，表示障碍物距离只有 0.6m0.8m；红色代表危险距离，表示障碍物 距离只有不到 0.6m，必须停止倒车。 第三代产品把数码和波段组合在一起，比较实用， 但安装在车内影响美观。 第四代：液晶屏动态显示。这一代有一个质的飞跃，特别是荧屏显示开始出现动 态显示系统。不用挂倒档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围 障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。 不过 LCD 显示外观虽精巧，灵敏度较高，但抗干扰能力不强，所以误报也较多。 第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达 技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知 2m 以内的障碍物，并以不同等级的声 音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电 话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能，是目 前市面上最先进的倒车雷达系统。因为其外形就是一块倒车镜，所以可以不占用车内 空间，直接安装在车内后视镜的位置。而且颜色款式多样，可以按照个人需求和车内 装饰选配。 第六代：专为高档轿车配置的。第六代产品在第五代的基础上新增了很多功能： 外观上看，比第五代产品更为精致典雅；从功能上看，它除了具备第五代产品的所有 功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看 DVD 影像。 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 4 超声波 发射 单 片 机 LED 数 码管显 示 键盘控制 超声波 接收 放大比较 2 2 总体设计方案总体设计方案 图 2-1 倒 车雷达系 统总框图 该设计 的应用背 景是基于 AT89C51 的超声信号检测的。因此初步计划实在室内小范围的测试，限定在 2.5 米左右。单片机（AT89C51）发出短暂的 40KHz 信号，反射后的超声波经超声波接收器 作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到 LED 显示 电路显示，本进行声光报警1。 其发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在 探头内） ，谐振频率有调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。在非调 谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带 较宽。将一定频率、隔度的交流电压加到发射传感器的固有频率 40KHz，使其工作在谐 振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感 器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功 率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有 其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用 改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。 发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电 压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就 是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回 波进行放大检测，产生一个单片机（AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标 志。 2.12.1 超声波测距超声波测距 2.1.12.1.1 超声波测距原理超声波测距原理 超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 5 射和接收回波的时间差 t,然后求出距离 S=Ct/2，式中的 C 为超声波波速。由于超声波 也是一种声波，其声速 C 与温度有关，表 1 列出了几种不同温度下的声速。在使用时， 如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过 温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。 这就是超声波测距仪的机理。图 2-2 即为超声波测距的具体流程图。 图 2-2 系 统总体设 计流程图 2.1.22.1.2 、测量、测量 与控制与控制 方法方法 声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡 时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声 波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精 确地计算出来。这就是本系统的测量原理。 由于此超声波测距仪可以实现双向测距，所以需进行测距选择，而这个测距选择 就以自动选择功能来实现. 定时器 显示器 振荡器调制器 接收检测器 电声换能器 计时器 控制 电声换能器 T 2 T 1 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 6 2.1.32.1.3、理论计算、理论计算 图 2-3 测距的原理 如图 2-3 所示为反射时间，是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间 来测量距离其原理如图所示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声 速为常数，我们通过测量回波时间 T 利用公式： 其中，S 为被测距离、V 为空气中声速、T 为回波时间， 可以计算出路程，这种 方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以 通过设置“时间门”来加以克服。这样可以求出距离： 555 时基电路振荡产生 40Hz 的超声波信号。其振荡频率计算公式如下： 2.1.42.1.4 影响精度的因素分析影响精度的因素分析 (1) 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用 TR40 压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率 40KHz ，忽略脉 冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。 对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指 数规律。 设测量设备基准面距被测物距离为 h，则空气中传播的超声波波动方程为： （2-1） k ht +ktet +kt 2 0 AAcosAcos 由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快， 2 T CS 2 21 TTC S 5109 2 43 . 1 CRR f 21 TTT 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 7 但频率的增高有利于提高超声波的指向性。 经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十 分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行 足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 (2) 当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在 大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即： （2-2） s RT C M 由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温 可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式 如下： （2-3） 0 CC1 T 273 式中 C0=331.4m/s ；T 为绝对温度，单位 K。 此公式一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者 下降 1, 声速将增加或者减少 0.607m /s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严 重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。 对于时间误差 主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本 文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距 误差小于 1mm 时，假定超声波速度 C=344m/s(20室温)，忽略声速的传播误差。则测 距误差 st0.000 002 907s，即 2.907ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速 度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距 误差小于 1mm 的误差。使用的 12 MHz 晶体作时钟基准的 AT89C51 单片机定时器能方便 的计数到 1s 的精度，因此系统采用 AT89C51 的定一时器能保证时间误差在 1mm 的测 量范围内。 超声波的传播速度主要受空气密度所的影响，空气的密度越高则超声波的传播速 度就越快，而空气的密度又与温度有着密切的关系。由此可见，测量精度与温度有着 直接的关系，本文采用 DS18B20 温度传感器，对外界温度进行测量，并在软件中实现 温度补偿。 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 8 2.1.52.1.5 提高精度的方案及系统设计提高精度的方案及系统设计 (1) 温度校正的方法提高测距精度 由上述的误差分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式 (2-3) 求出当地声 速，从而能够获得较高的测量精度。而问题的关键在于获得温度数据的方法。采用热 敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值。 为了便于对温度信号的数据采集及处理，我们采用 DALASS 公司生产的 DS18B20 集成温度传感器。 DS18B20 采用了 DALASS 公司的 1-WIRE 总线专利技术，能够仅在 占用控制器一个 I/O 口的情况下工作（芯片可由数据线供电） ，极大的方便了使用者 的调试使用，而且其在10 85的工作环境下可以保持0.5%的使用精度，在 这个空间内足以保证为超声波测距设备提供足够的精度范围。 通过 DS18B20 芯片获得的数据信号经由 1-WIRE 总线传至 MCU，由软件进行声速换 算。为了更好的实现换算过程同时兼顾设备的使用成本，我们采用宏晶公司的最新推 出的 STC12C5410 单片机实现超声波测距的各项功能。 STC12C5410 采用了低成本、低 功耗、强抗干扰设计，并且在最高支持 48MHz 的前提下能够实现 1 个时钟机械周期的 运行速度。由于能够使用高频率的晶振，因此相对于普通单片机来说可以有效的减少 由计时问题带来的量化误差，能够满足较高精度超声波测距仪的设计要求。 (2) 标杆校正的方法提高测距精度 在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要 求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。标杆 校正的示意图如图 2-4 所示。 图 2-4 标杆校正的示意图 超声波测距装置首先测量距离已知为 h 的基平面（标杆）声波往返所用的时间， T R 基平面（标杆）超声波测距装置被测物 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 9 而后由测得的时间和距离 h 根据公式(2-3) 求出当地声速。通过这样的方法，我们也 能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。因此，只用为测距 设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距 功能。 2.1.62.1.6 测量盲区测量盲区 在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同 时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用， 这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对 缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这时需要注意的。由于 发射声脉冲自身有一定的宽带，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范 围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下： 当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后， 探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用） 。因此，在一段较长的时间内，加在接收 放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定的幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平 VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头 较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平，当反射面离探头愈来愈 远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收 信号幅值需达到规定的阀值 Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收信 号放大器有输入信号。 2.22.2 超声波传感器超声波传感器 2.2.12.2.1 超声波传感器原理及结构超声波传感器原理及结构 超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离 的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于 倒车雷达、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。利 用超声波检测往北比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度 方面能达到工业实用的要求，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 10 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 同频率的其他形式的能的器件。目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。流体动力性 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”活“笛” 压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头有压电晶片、契块、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，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 f0 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。 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部 结构如图 2-5 所示，它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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，并带动共振板的振动， 便产生超声波。反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压 电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率 f0。发射超声波时，加在其上 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 11 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，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就可非常方便的改变其 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。 图 2-5 超声波传感器结构 2.2.22.2.2 超声波传感器的特性超声波传感器的特性 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 用的传感器 SZW-S40-12M 发射型超声波传感器的特性为例加以说明。 （1） 频率特性 图 2-6 超声 波传 感器 的升 压能 级和灵敏度 图 2-6 是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz 处为超声波发射传 感器的中心频率，在 40KHz 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说 在 40KHz 处所产生的超声声压能级最高。而在 40KHz 两侧，声压能级迅速衰减。其频 率特性如图 2-7 所示。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 40KHz 的交流电压来激励。 压电晶片 电极 共振板 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 12 图 2-7 超 声发射传感器 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 40KHz 处曲线最尖锐，输出电 信号的振幅最大，即在 40KHz 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 R 也有很大关系， 如果 R 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 R 较 小，频率特性变得光滑而且有较宽的带宽，同时灵敏度以随之降低。并且最大灵敏的 向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用，才 能有较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率 f = 40KHz，波长 = 0.85cm。 （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 振荡器，辐射出一个半球而波（子波） ，这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空 间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射） ，却有指向性。超声传感器的指向图由 一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0 度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减 小。超声传感器的指向角一般为 40 度到 80 度，本设计要求传感器的指向角为 75 度。 图 2-8 是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。 图 2-8 超声波传感器指向特性及结构 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 13 2.2.32.2.3 超声波传感器的应用超声波传感器的应用 超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要的应用之一， 以医学为例子说明超声波传感技术的应用。超声波在医学上的应用主要是诊断疾病， 它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是：对受检者无痛 苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。因而推广容易，受到医务工 作者和患者的欢迎。超声波诊断可以基于不同的医学原理，其中有代表性的一种所谓 的 A 型方法。这个方法是利用超声波的反射。当超声波在人体组织中传播遇到两层声 阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示 波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。 在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去， 许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这 种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上， “悄无声息”地探测 人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来， 将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。 遥控开关超声波遥控开关可控制家用电器及照明灯。采用小型超声波传感器 （12-16),工作频率在 40KHZ,遥控距离约 10 米.遥控器的发送，这是由 555 时基电 路组成的振荡器,调整 10K 电位器，使振荡频率为 40KHZ，传感器接在脚接下按钮 时，发送出超声波，接收电路。电源由 220V 经电容降压、整流、滤波、稳压后获得 12V 工作电压。由于是非隔离电源，要整个电路用塑料外壳封装，以防触电（在调试时 也应注意） 。信号由超声波接收器接收，经 Q1、Q2 放大（L、C 谐振槽路调谐在 40KHZ） 。 放大后的信号去触发由 Q3、Q4 组成的双稳态电路，Q5 及 LED 作为触发隔离，并可发光 显示。由于双稳态在开机时有随机性，故加一清零按钮。Q5 输出的触发信号使双向可 控硅导通，负载接通。要负载断路，则要按一次发送钮。 液位指示及控制器由于超声波在空气中有一定的衰减，则发送到液面及从液面反 射回来的信号大小与液位有关，液面位置越高，信号越大；液面越低则信号就小。接 收到的信号经 BG1、BG2 放大，经 D1、D2 整流成直流电压。当 4.7K 上的电压超过 BG3 的导通电压时，有电流流过 BG3，电流表有指示，电流大小与液面有关。当液位低 于设置值时，比较器输出为低电平。BG 不导通，若液位升到规定位置，比较器翻转， 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 14 输出高电平。BG 导通，J 吸合，可通过电磁阀将输液开关关闭，以达到控制的目的 （高位控制） 。 3 3 硬件设计硬件设计 该系统设计有超声波发射电路、超声波接收电路、电源电路、温度补偿电路、声 报警电路、键盘控制电路、单片机硬件接口电路及显示报警电路组成，该系统的核心 部分采用性能较好的 AT89C51 单片机，下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。 3.13.1 超声波发射电路超声波发射电路 超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，充实吧探头 （又称“超声波换能器” ）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。 前者利用软件产生 40KHz 的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动 后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一 个驱动电流 100mA 以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发 生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无需驱动 电路，但缺点是灵活性低。本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。40KHz 的超声 波是利用 LC 震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下： 脉冲发射采用软件方式，利用 AT89S51 的 P1.0 口发射 40 kHz 的方 波信号，经过 74HC04 放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04 是一个高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于 LSTTL 逻 辑 IC，它的功耗减少很多。对于 HC 类型，其工作电压为 26 V，它具有高抗扰度， 可以兼容直接输入 LSTTL 逻辑信号和 CMOS 逻辑输入等特点。本系统将 40 KHz 方波信 号分成两路，分别由 74LS04 经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。电路 图如图 3-1 所示。发射电路主要由反向器 74LS04 和超声波换能器构成，单片机 P1.0 端口输出 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，上拉电阻 R8、R9 一方面可以提高反向器 74LS04 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。 吉林电子信息职业技术学院毕业论文 15 压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两