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超声波测距原理1 超声波检测概述超声波是一种频率超过20的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业使用的要求，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。超声波在介质（固体、液体、气体）中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声波检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属、非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土等进行探伤检验；在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底低层等；在人体中则可以协助临床诊断疾病和探测胎儿等。利用超声波连续性的共振性质，可以测量高压电容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或者腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理特性。当超声波射到运动体时，利用多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声波延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。2 超声波传感器介绍超声波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。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要包括压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力型包括有气体和液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波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波传感器称为探头，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波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。在压电陶瓷上加上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，便会产生超声波。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逆向压电效应来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示，它有两个压电晶片和一个锥形振子，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，并带动锥形振子振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当锥形振子接收到超声波时，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。图1 压电式超声波传感器结构图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。利用这一特性可制作成各种频率的超声波传感器。一般常用的超声波传感器有两种：专用型和兼用型。专用型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是一体的传感器，既可以发送超声波，又可以接收超声波。本设计选用的超声波传感器是专用型，其型号为TCT40-16T和TCT40-16R，其中40表示传感器工作的中心频率为40,16表示传感器的外径为16，T和R分别表示发射器和接收器1。3 超声波测距的原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间，发射点距障碍物的距离，如图2所示图2 超声波测距原理图2中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用表示，由图可得： (1) (2)将式(2)带入式(1)得： (3)在整个传播过程中，超声波所走过的距离为： (4)式中：为超声波的传播速度，为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式(4)带入式(3)可得： (5)当被测距离H远远大于M时，式(5)变为： (6)这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离2。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40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。4 系统主框图及各模块电路超声波测距系统的结构框图如图3所示超声波发射超声波接收单片机控制器4位数码管显示图3 超声波测距系统的结构框图超声波测距系统的设计中用超声波传感器作为测量器件，用单片机中的程序进行处理，最后通过LED数码管显示出测量的距离值。超声波测距仪由四部分组成，包括单片机、超声波接收电路、超声波发送电路和数码管显示。由系统的主框图，可以把系统分成三部分：4.1 发射框图和电路图图4为系统发射框图。超声波发射部分由发射调制电路和超声波发射探头构成。调制电路用作电流放大。主控芯片STC89C52发射调制电路超声波发射探头图4 系统发射框图超声波在空气中传播功率与频率成正比，比较和分析几种常用的超声波频率的特点，最终选取频率为38.5。超声波发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射器T构成，74LS04用于增强驱动能力，使输出方波更加标准。单片机端口输出的38.5的间断方波信号，此时定时器开始计时，该方波信号一路经一级反相器后送到超声波发射器的一个电极，另一路经两级反相器后送到超声波发射器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波发射器的两级，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反相器并联，可以提高驱动能力。上拉电阻、可以提高反相器输出高电平的驱动能力，还可以增加超声波发射器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。超声波发射电路原理图如图5所示。图5 超声波发射电路4.2 接收框图和电路图图6为系统接收框图。超声波接收探头接收反射回来的声波信号，经放大后把信号引进一个带通滤波器，然后把信号再次放大后引入比较电路，最后进入单片机进行处理。超声波接收探头放大电路滤波电路放大电路比较电路主控芯片STC89C52图6 系统接收框图超声波接收电路采用CX20106A集成电路，对超声波接收器收到的信号进行放大、滤波。它是一款红外线检波接收的专用芯片，有较强的抗干扰性和灵敏度。超声波接收器将收到的返回超声波转成微弱电信号，经CX20106A放大、整形后再输出。通过外接电阻，将CX20106A内部带通滤波电路的中心频率设置为40，就可接收和放大超声波电信号，并整形和输出。采用CX20106A实现超声波放大和整形，可避免采用多级集成运放组成高增益放大电路带来的自激等问题。超声波接收电路原理图如图7所示。图7 超声波接收电路4.3 显示框图和电路图图8为系统显示框图。单片机对经处理过的反射信号进行最终的数学处理，把最终结果显示在数码管上。经处理的反射信号主控芯片STC89C52数码管显示图8 系统显示框图显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅仅在于显示器的结构类型不同。最简单的显示器可以使用LED发光二极管，而复杂的较完整的显示器应该是CRT监视器或者屏幕较大的LCD液晶屏。综合设计的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用4位LED数码管显示。其显示电路如图9所示。图9 系统显示电路4.4 单片机复位电路在单片机应用系统工作中，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，为需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠的复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平，只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。单片机复位电路通常采用以下几种方式：上电自动复位，上电自动复位是通过外部复位电路的点容充电来实现的，在电容充电的过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。系统复位，在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。适用于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠的同步复位。按键电平复位，按键电平复位是通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。考虑本设计结构简单，干扰小，故采用按键电平复位。电路图如图10所示。图10 按键电平复位电路4.5 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的按时序进行工作。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器构成。XTAL1是接外部晶体管的一个引脚，在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚XTAL2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。电路中的电容一般取30左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2到12，电路中采用12，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。其电路如图11所示。图11 时钟电路4.6 超声波测距电路电路中用P1.0口输出超声波传感器所需的38.5方