电气电子毕业设计171西安建筑科技大学超声波料位计设计
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电气电子毕业设计171西安建筑科技大学超声波料位计设计,毕业设计论文
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毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 单片机应用系统设计超声波料位计 专 业：自 动 化 学生姓名： 李 凯 学 号： 201051222 指导教师： 何 波 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 西安建筑科技大学 毕业论文 (设计 )开题报告 院 （系） 信 控 学 院 专业班级 自动化 0102 班 课题名称： 超声波料位计 学生姓名： 李 凯 学号： 201051222 指导教师： 何 波 毕 业论文 (设计 )起止时间： 2005年 03 月 28 日 06 月 25 日 (共 13 周 ) 2005 年 04 月 15 日 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 1文献综述 （含主要参考文献） 第一部分：我们对超声波的了解 通常把振动频率 20kHz 以上的机械波称为超声波，超声波穿透性较强，具有一定的方向性，传输过程中衰减较小，反射能力较强。它的用途广泛，可用于探伤、测距、测厚和自动控制等。 第二部分：超声波的基本原理 单片机发出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，从而测出发射和接收回波的时间差 tr，然后求出距离 S Ct 2，式中的 C为超声波波速。在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速 C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确度。 第三部分：软硬件的设计和实现 我们会以实验室的要求，而并不是工地的要求来设计硬件。这样可以大大简化电路图的复杂程度，节省时间和精力来完成对软件的设计。但是在软件设计之前，必须把硬件原理搞懂，这是是否能完成软件编写的关键。软件的编写我们采用汇编语言和 C语言相结合的方法。 第四部分：调试 用 51系列单片机系统仿真工具（或实验装置）对系统进 行模拟调试。 主要参考文献： 1 单片机原理及应用 李建忠编著 西安电子科技大学出版社 2002 年 2 月 2单片微机测控系统设计大全 王福瑞编著 北京航空航天大学出版社 1998 月 12 月 3传感器技术及其应用 丁镇生编著 电子工业出版社 1998 年 4中国集成电路大全 中国集成电路大全编委会编 国防工业出版社 1985 年 5机器人超声测距数据的采集与处理 杭州浙江大学电气工程学院 纪良文 蒋静坪 6超声波测距仪的设计 成都理工大学电子信息工程 系 路锦正 王建勤 杨绍国 赵珂 赵太飞 7泊车用超声波测距仪的研制 北方交通大学电气电力工程学院 邱瑞昌 8 用 AT89C2051 设计超声波测距仪 天津理工学院光电信息与电子工程系 姜道连 宁延一 袁世良 9传感器技术及应 用 北京航空航天大学出版社 何希才 2005 年 4 月 10单片机的 C 语言应 用程序设计（修订版） 北京航空航天大学出版社 马忠梅、籍顺心、张凯、马岩 2001 年 2 月 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 2任务书提出的要求及实现预期目标的可行性分析 1设计超声波料位计系统接口电路和外围电路，画出硬件线路图。 2根据 51系列单片机指令系统编制相应的程序。 3用 51系列单片机系统仿真工具（或实验装置）对系统进行模拟调试。 3 需要重点研究的内容和关键问题及解决的思路 研究内容 : 1了解常用的超声波料位计工作原理； 2. 熟悉常用的接口芯片工作原理及单片机接口设计方法； 3用 51系列单片机完成 超声波料位计的软件及硬件设计。 问题 : 1设计超声波料位计系统接口电路和外围电路。 2软件的编程。 3用 51系列单片机系统仿真工具（或实验装置）对系统进行模拟调试。 思路 : 采用 AT89C51 单片机作为主控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成 . 所须的工作条件 (如工具书、实验设备或实验环境条件、调研、计算机辅助设计条件等 )及解决的办法 参考书： 单片机原理及应用 李建忠编著 西安电子科技大学出版社 2002 年 2 月 硬件： AT89C51 单片机和其 他电阻电容三极管等电力电子元件 软件：单片机汇编语言，单片机 C 语言等 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 5工作方案及进度计划 进度计划： 1 安排设计内容，拟定设计题目 1 周 2 查找相关书籍和资料 2 4 周 3 明确设计任务，选择设计方案 5 周 4 系统硬件设计 6 8 周 5 系统软件设计与调试 9 13 周 6 撰写毕业论文 14 15 周 7 毕业设计答辩 16 周 6指导教师审阅意见 指导教师 (签字 )： 年 月 日 7、开题报告答辩会意见（含指导教师至少三人参加） 参加人 (签字 )： 年 月 日 说明： 1.本报告须由承担毕业论文 (设计 )任务的学生在接到“毕业论文 (设计 )任务书”、正式开始做毕业论文 (设计 )的第 2 周或第 3 周末之前独立撰写完成，并交指导教师审阅。 2.每个毕业论文 (设计 )课题撰写本报告一份，作为指 导教师审查学生能否承担该毕业设计 (论文 )课题任务的依据，并接受学校的抽查。 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 摘 要 本论文 详细介绍了我们设计超声波料位计的结构和功能，并从课题背景、系统组成、工作原理、软硬件设计、系统调试等方面加以论述。 论文首先从超声波的产生和特性入手对超声波料位计和超声波测距技术进行了阐述，并得出了本论文的主要研究内容和研究的可行性分析。 然后通过对超声波测距原理的理解和最近几年来 超声波发射和接收电路的认识重点进行了 51 系列单片机的功能介绍和 软硬件方面的设计，对电路图和流程图做出了详细的介绍和分析，还提出了一 些关于系统调试方面的建议。 最后在结论中对整个设计过程进行分析和总结，得出了一些成果，但发现了诸多设计上的问题，我会在以后的时间里将它解决。 关键词： 超声波 ， 单片机 ， 测距技术 Abstract This dissertation was detailedly introduced us and is designed the ultra-audible sound and anticipates composition and the meritorous service capacity calculateed ， Moreover through the task backdrop 、 System is makeed up 、 Work rule 、 Software and hardware design 、 The respects such as system debug and so on are expounded 。 Dissertation coming into being first of all through the ultra-audible sound with the property is begined with to anticipate the ultra-audible sound to calculate to elaborate with the ultrasonic ranging technique ， Moreover obtain the feasible quality analysis with nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 researcies of main research substance of native dissertation 。 Afterwards knowledge by means of the ultra-audible sound of understanding to the ultrasonic ranging rule with nearer year fireing and the receiving electric circuit has stressly been carried on The function introductions of 51 serial Single-Chip Microcomputers and the software and hardware respect design ， Detailed introduction and analysis were make to circuit diagram and flow diagram ， Still propose some proposals on the system debug respect 。 Finally being living in the conclusion analyses and sums up to the entire design process ， Obtain some fruit ， Yet discover the problem on much designs ， After I be able to be living time in by it resolves 。 Keyword ： Ultra-audible sound ， Single-Chip Microcomputer ，ranging technique 目 录 1 绪论 .1 1 1 引言 .1 1 2 单片机简介 .1 1 3 超声波产生和特性 .2 1 3 1 超声波的定义 .2 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 1 3 2 声波的波型 .2 1 3 3 超声波的产生和特性 .3 1 4 超声波测距技术的发展现状及应用 .4 1 4 1 超声波测距的优势 .4 1 4 2 超声波测距的应用 .5 1 4 3 超声波测距的发展现状 .6 1 5 本论文的主要研究内容及可行性分析 .7 2 超声波测距原理 .8 2 1 超声波测距传感器 .8 2 1 1 超声波测距传感器的工作原理 .8 2 1 2 超声波测距传感器的分类和选择 .8 2 1 3 超声波测距传感器的探测方式 .12 2 1 4 超声波传感器频率的选择 .13 2 2 超声波测距原理 .13 2 2 1 常见的测距法 .13 2 2 2 超声波 测距基本原理 .13 2 3 几种常见的 40kHZ超声波发射和接收电路 .14 3 单片机基本单元结构与操作原理 .21 3 1 定时器 /计数器的基本结构与操作方式 .21 3 1 1 定时器 /计数器的基本组成 .21 3 1 2 定时器 /计数器的 SFR.21 3 1 3 定时器 /计数器的工作方式 .23 3 2 中断系统的基本原理与操作方式 .25 3 2 1 中断系统的基本组成 .25 3 2 2 中断系统中的 SFR.26 3 2 3 中断系统的自主操作过程 .27 4 超声波测距仪的软硬件设计 .29 4 1 超声波测距仪的硬件系统设计 .29 4 1 1 超声波发射电路 .29 4 1 2 超声波接收电路 .31 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 4 1 3 单片机系统及显示电路 .33 4 2 超声波测距仪的软件设计 .35 4 2 1 主程序 .35 4 2 2 超声波发射子程序 .36 4 2 3 超声波接收中断程序 .37 4 2 4 延时子程序 .37 4 2 5 显示子程序 .38 4 2 6 距离计算子程序 .38 4 2 7 调试及性能分析 .39 4 3 结论 .40 总结 .41 致谢 .41 参考文献 .42 附录一 集成电路 CX20106A引脚功能与维修数据 .43 附录二 元件清单 .43 附录三 超声波测距仪控制源程序 .45 1 绪论 1 1 引言 超声波技术的声学特性早已为人们所认识。但是，把超声波技术运用到工业测量中，则是近一、二十年来，随着我国选煤自动化的不断提高，选煤厂对于各类参数有了更高的要求，尤其是仓位的准确性，要求更加严格。我们知道煤仓中的结构是相当复杂的再加上传统的粉仓加料方式又各种各样，诸如：皮带给料机、刮板机、斗式提升机等。被测介质也各不相nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 同，比重，颗 粒度等给测量带来很大困难，超声波料位计在固体颗粒和块状物料的测量中已经被普遍采用，并且得到一定的认可。超声波物位计是利用声波传播的物理特性，对液体或者颗粒状固体的料位 /料空进行非接触连续测量和控制。采用单片机处理技术对物位进行精确计算，并由一体化温度变送器检测环境温度。该仪表应用范围广，可测量液体介质、固体介质、各种不同渠道的流量等，不受介质密度、导电性、介电常数等的影响，牢固耐用，测量数据较为准确。 采用超声波式料位计连续检测原料库、生料库、熟料库和水泥库等大型圆库的料位，将料位信号输入计算机系统，为生产 控制及生产管理提供准确的库存数据。料位计在液面测量和容积较小的煤仓使用中数值比较精确 ， 容积较大的煤仓的测量可选择多个点进行测量通过计算可得出比较准确的数值。 1 2 单片机简介 随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独特的分支，单片机的应用领域特越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。 单片机属于计算机的一个种类。从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以也称它为微控制器（ Microcontroller）。从单片机呈现给用户的供应状态来看，单片机产品仅是一块集成电 路芯片，即它的所有功能部件都是集成在一块芯片上，所以称之为单片机（ Single-Chip Microcomputer）。 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 图 1.1 51 系列单片机封装图 1 3 超声波产生和特性 1 3 1 超声波的定义 通常把振动频率 20kHz以上的机械波称为超声波，超声波是人耳听不见的一种机械波，它波长较短，穿透性较强，绕射小，具有一定的方向性，能够成为射线而定向传播。传输过程中衰减较小，反射能力较强。它的用途广泛，可用于探伤、测距、测厚和自动控制等。它的频率越高，就越与光波的某些特性 (如 反射、折射等 )相似。 1 3 2 声波的波型 由声源在介质中施力方向与声波传播方向的不同，声波的波型也不同，通常有下列几种 : (1) 纵波。质点的振动方向与波的传播方向一致的波。它能在固体、液体和气体中传播。 (2) 横波。质点振动方向垂直于传播方向的波。它只能在固体中传播。 (3) 表面波。质点的振动介于纵波与横波之间，沿表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的波。 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 图 1.2 声波的频率界限图 由以上分类可以看出，只有纵波可以在气体中传播。因此，目前在空气中的超声波测量系统大多依靠纵波实现。声波的频率界限 如图 1.2所示。从低频到高频依次为次声波、声波、超声波和特超声波，而实际测量用的超声波主要集中在频率 2x104-2x106 Hz的范围内。其中，靠近低频段主要用于空气和液体介质中的测量系统，中频和高频段主要用于固体介质的测量。这主要是由于介质对声波能量的吸收随声波频率的升高而增加，频率越高，声波在介质中衰减就越快。而在固体介质中，测量的量程比较短 (例如超声波探伤，测工件厚度等 )，在液体和气体中，测量的量程比较长 (例如空气中的超声波测距，海洋中测深度等 )，因此，气体和液体中测量所选择的声波频率就要比固体介质中 低。 1 3 3 超声波的产生和特性 超声波发生器分为机械型和机电型两大类，现在用的超声波传感器大多数是机电型的 .机电型超声波发生器利用三种物理现象 :磁致伸缩、压电效应、电致伸缩。 磁致伸缩是指在磁场的作用下，某些物质 (如 :铁、钻、镍及其合金 )能改变自己的形状和大小的现象 ;压电效应是指有些结构上不对称的晶体 (如石英、电石等 )在受到外界压力时，晶体的两个表面分别出现正负电荷的现象 ;反过来，当压电晶体的两个表面受到电场作用时，它将沿一个方向膨胀，而沿另一个方向收缩，既电致伸缩现象 . 超声波和其它波动一样，可以在 固体、液体和气体中传播，并且和声nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 波具有相同的速度，在两种媒质的交界面上，可以发生反射和折射 ;两列超声波相遇时，可以生干涉现象。除此之外，超声波还有其它特性 : (1) 超声波频率高、波长短，所以和光波一样，可以集中向一个方向传播，并用适当的方法使它会聚集或发散，另外，由于波的强度和频率的平方成正比，所以在同样振幅的条件下，超声波的强度比声波大的多。 (2) 超声波在媒质中传播时，由于部分能量被媒质吸收变为热，强度随波逐渐减弱。如果超声波的频率不太高时，媒质对超声波的吸收和频率的平方成正比，和速度的三次方成反比 。声波在液体和固体中的声速比在气体中的声速大。所以超声波在气体中传播，比在液体和固体中传播能量衰减快。因此超声波的许多技术应用都是在液体或固体中进行的。 (3) 超声波的声压幅很大，一个强度为 0.001W/m2的超声波在水中产生的声压幅达到 5.4个大气压，压缩区和稀疏区之间的压强差超过 10个大气压，而它们的相隔只有半个波长。 (4) 超声波从一种媒质进入另一种媒质时，在交界面上发生反射和折射。反射波的强度工。与入射波的强度工之比 (声强反射系数日 )由下式决定 . （ 1.1） Z1、 Z2分别代表入射媒质和 反射媒质的声阻抗率。根据这一公式，当超声波由空气到达水面或水中进入空气时， 99.9%的能量都被反射。在媒质阻抗率差值不太大时，即使反射的强度只有原来强度的万分之一，但由于入射超声波的强度一般很高，反射波仍然可以测量出来。 1 4 超声波测距技术的发展现状及应用 1 4 1 超声波测距的优势 我们知道，任何弹性介质的机械振动都会发出声波，声波是一种机械波。根据振动频率的不同，可分为次声波、声波和超声波，超过 1亿 Hz的为特超声波。人听不见看不着超声波，它具有许多特点 : (1) 超声波在均匀的气体、液体和固体介质 中沿直线传播。当遇到密度不同的另一种媒质时，便在其界面上发生反射和折射 ; (2) 超声波具有良好的指向性。指向性由声源直径和频率来决定，声212121 ）（ZZZZIInts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 源的直径越大或频率越高，指向性就越好 ; (3) 超声波传播能童由换能器功率、频率和介质特性来决定。超声波在传播时，随着被介质吸收、散射和扩散，能量不断降低。高的超声波频率和低的介质密度都会加速其衰减 ; (4) 检测灵敏度高。超声波的频率越高，波长越短，灵敏度就越高 ; (5) 检测成本低，效率高，对人畜无害，可实现自动化检测 ; (6) 超声是听不见的，在高强度应用中，这一点 为超声波带来了很大优势。在这些应用中，如果使用可听声，效率也许会更高，但同时会产生巨大的噪声，对人体造成伤害。 正因为它的这些优点，超声波被广泛用于各行各业，超声波测距就是一个重要的应用领域。其测量方式很多，不仅能够定点测量，还能实现连续测量，而且还能提供遥控、遥测所需的信号。一般说来，超声波测距技术不需有运动的部件，所以在安装、维修上有很大的优势，特别是超声波测距方法可以选择气体、液体和固体作为传声媒质，因此应用范围宽广，具有较大的适应性。在有些条件特殊的场合，一般测距技术不能使用时，超声波往往照用不误。 1 4 2 超声波测距的应用 利用超声波作为定位技术是蝙蝠等生物作为防御和捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不能被人们听到的超声波 (20Hz以上的机械波 )，借助空气或其它介质传播。通过被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短和反射回来的信号强弱来判断反射物的类型及距离的远近。人类采用仿生学，人工发射出超声波。 目前，超声波已应用在民用及国防工业中。例如 :用超声波探测海洋潜艇位置、鱼群以及确定海底暗礁等障碍物形状及位置。利用超声波在固体里传播的时间确定物体的长度以及超声波在固体里遇到障碍物界面上的反射来确定物体内部损伤 (如裂缝、气孔及杂质等 )位置，称之为无损探伤。利用超声波测距辅助机器人确定机器人自身位置和环境识别，从而准确避开障碍物按照预先规划好的行进方向行进来完成预定任务。另外还应用于矿井探测、液面探测、建筑、汽车报警等领域。超声波测距是一种非接触式检测方式，和红外、激光及无线电测距相比，超声波测距有其不受光线nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 影响，结构和操作简单，成本低等特点。采用高精度视觉识别环境技术需要复杂的信息处理，且体积较大，价格昂贵。对于体积较小成本较低的机器人，这些特点尤为突出，相比之下，超声波测距的特点弥补了以上不 足， 表 1.1 超声波在检测技术中的广泛应用 具体应用产品和事物 工业 金属材料和部分非金属材料探伤，超声振动切削加工，超声波清洗零件，超声波焊接，超声波流量计，超声波料位及液位检测，浓度检测，硬度计 通讯 定向通讯 医疗 超声波成像仪器，超声波血流计，超声波洁牙器等 家用电器 遥控器，加湿器，防盗报警器，超声波驱虫器 其他 盲人防撞装置，汽车倒车测距报警器，装修工程测距（计算用料） 在许多情况下能很好地完成探测任务。因此超声波测距得以广泛的推广。另外用超声波阵列来识别反射物的类型 (如平 面、边缘和墙角 )为其新应用。 1 4 3 超声波测距的发展现状 超声波测距虽然被大量应用于各种工业领域，但它在低信噪比下测距精度较低，多个超声波测距条件下会产生相互影响，另外测距的盲区较大，这些固有的特点也限制其进一步广泛应用国外在提高超声波测距性能方面做了大量的研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波的研究主要集中在提高超声波测距精度，减小多个超声波反射互相影响这两个方面。 超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间的精度和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用 降低传输时间的不确定度来提高测距精度。目前相位探测法和声谱轮廓分析法或将二者结合起来的方法是主要的降低探测传输时间不确定度的方法。厦门大学的童风研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波行 业 用 途 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 的传播时间的精度得到了很大的提高不过因为需要经过两次探测后才能得到回波的包络，且计算包络需要一些信息处理时问，这样盲区较大约为2.5m。日本三菱电器公司的 Tomonori等人是采用两种不同的发射频率来发射超声波，通过比较两种回波的相位来决定回波的起点，也提高了 TOF的精度，从而提高了超声波的测距精度。 意大利的 Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境的噪声进行估测，设置一定的回波开门电平，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高 TOF的精度。这些处理方法都取得了较好的效果，但是这些技术都是以牺牲实时性，增长处理时间同时增加传感器成本和体积为代价的，所以体积较大，价格较高。在某些应用场合，不需要非常高的精度，但需要较小的体积和小 的盲区且成本较低。本课题就是这样一个例子，由于是实验室做出的超声波料位计，所以要特别考虑其体积小和造价低。鉴于此，本课题将开发一种适合于实验室的体积小、成本低的超声波测距传感器。 1 5 本论文的主要研究内容及可行性分 析 本论文是以超声波料位计的工作原理为内容的出发点的，先进行硬件方面的学习，比如先通过参考别人的一些资料，了解硬件的基本知识和功能，然后进行硬件的选型，最后搭建出一个合理的硬件电路来。随着硬件的完成，我们对软件的结构有了最初的规划，设计出和硬件相适应的流程图，设计的最后期尽量完成程序的编写和调 试，达到毕业设计的要求。 现在超声波料位计已经普遍应用于各种工业领域中，其在工业领域的重要性越来越得到体现，因此我们进行这个课题的研究，对以后的工作会有很大的帮助，我们发现硬件方面的设计不是很难，主要是软件设计，尤其是编程，我对这方面没多大把握，但是我们只是设计一个在实验室演示的超声波测距器，所以对环境的要求会低一点，我认为在规定的时间内此方案是可以完成的。 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 2 超声波测距仪的原理 2 1 超声波测距传感器 2 1 1 超声波测距传感器的工作原理 超声波测距传感的超声波是由一种被称作换能器的晶振体产生 的。当在其上加上与晶振体相同频率的交流电压时，弹簧金属片对周围的空气分子进行挤压和扩张，产生了超声波。超声波的发射是由开关状态控制的，处于打开状态时作为发射器发射超声波，处于关闭状态时作为接受器侦听反射回的超声波 . 测距传感器能根据检测到目标的距离得到连续的、线性的模拟量输出，由于不受物体颜色和透明度的影响，它能很好地检测出诸如光电传感器检测不到的物体。 2 1 2 超声波测距传感器的分类和选择 （ 1）从原理上来： 一般测距传感器采用非接触的测量方法，测量周围环境的物体或被操作物体的空间位置。非接触测量距离 的方法很多，从纳米级微小位移成成千上万公里甚至更远的距离，它们的测量应用了多种原理，采用了各种不同的装置。对超声波料位计来说，所需测量的距离一般为零点几米到几十米远，因此测距传感器的测量范围一般都包含在这个范围。根据所采用的原理不同，测距传感器可以分为以下几种 : 电磁类测距传感器 电磁类测距传感器主要有三种类型，它们分别基于电磁感应、霍尔效应、电涡流原理。 电磁感应测距传感器的核心由线圈和永久磁铁构成，当传感器远离或靠近铁磁性材料时，会引起永久磁铁磁力线的变化，从而在线圈中产生电流。当传感器与被测物体相 对静止时，由于磁力线不发生变化，因而线圈中没有电流，因此这种传感器只是在外界物体与之产生相对运动时，才产生输出，且随着距离的增大，输出信号明显减弱，因而这种类型的传感器只能用于很短距离的测量。 电涡流测距传感器的最简单的形式只包括一个线圈，线圈中通入交变电流，当传感器与外界导体接近时，导体中感应产生电流，即电涡流效应，nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 传感器与外界导体的距离变化能够引起导体中所感应产生电流的变化。通过适当的检测电路，可从线圈中耗散功率的变化中，得出传感器与外界物体之间的距离。 霍尔效应测距传感器则因其应用此原理而得名，当传感 器远离被测导体时，在特定导体上有较强的磁场 ;当其靠近时，磁场变弱。磁场的变化引起特定导体两端电压的变化，根据这个原理可实现对距离的测量。由以上对于几种感应式传感器的分析可以看出，它们存在一些相的缺陷 :这一类传感器一般对于铁磁材料比较敏感 ;检测信号 (电压、电流等 )与被测量 (距离 )之间不是线性的对应关系 ;测量对受外界电磁干扰较大 ;可测量的范围较小，距离较近，一般仅为零点几毫米。显然，它们都不适用于超声波料位计。 电容式测距传感器 此类传感器通过检测外界物体靠近传感器所引起的电容变化来反映距离信息。最基本的用 来检测电容变化的电路中，将电容作为振荡电路中的一个元件，只有在传感器电容值超过单一阐值时，振荡电路才开始振荡，将此信号转换成电压信号，即可表示与外界物体的距离。电容式传感器只能用来检测很短的距离，一般仅为几个毫米，超过这个距离，传感器的灵敏度将急剧下降 ;并且由于内部采用阐值判断，不能起到精确测量的作用，而可能实现开关的工作方式 .因此，不适合精确的测距用途。 红外和光电传感器 这类测距传感器是依靠红外线或是其它不可见光的直线传播特性。通过光敏元件来发射和接收号，从而判断障碍物的存在与否。由于光线的传播速度 极快，通常难以通过简单的装置估算其传播距离，因此在简单、低成本的应用中，这类传感器也是主要用于状态的判断 (障碍物的有无、物料是否到位、液面是否过高等 )而无法实现对距离的实时测量。 超声波测距传感器 在排除了以上几种测距传感器的条件下，我们选择了超声测距传感器，作为超声波料位计的主要传感部件。主要有以下几方面的因素 : 1） 测距方式原理简单，便于实现； 2） 测距范围可以从几厘米一直到几十米，完全满足了智能吸尘机器nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 人产品的要求； 3） 测距精度高，整体误差可以控制在量程的 0.5%范围内； 4） 超声波传感 器有一定的覆盖性，因此，可以用较少的传感器数量覆盖较大的测量范围； 5） 被测物体的最小尺寸可以通过选择测量用超声波信号的波长 (频率 )来决定。 目前，超声波测距传感器在超声波测距中应用十分广泛。它的测量原理是基于测量原理是基于测量渡越时间，即测量从发射换能器的超声波，经目标反射后，沿原路返回到接收换能器所需的时间。由渡越时间和介质中的声速即可求得目标与传感器之间的距离。 （ 2）从材料上来看： 超声波检测设备中所使用的传感器称为超声波传感器。超声波传感器也称超声波换能器，简称探头，其功能是完成声能和电能的转 换。检测超声波过去一直使用类似于话筒的电动式转换器、类似于电容传声器的电容式转换器，或使用磁致伸缩振动子。现在检测超声波普遍使用的是各种类型的压电陶瓷振子。如果超声波检测的对象不同，测量的环境温度、压力、介质发生了变化，所采用的超声波换能器也必须进行合理选择。 图 2.1 反压电效应 有些单晶体和晶体陶瓷材料受到应力后，能在材料中产生电场，这种效应称为压电效应，这些材料被称为压电材料。有些压电材料不仅具有压电效应，而且还具有反压电效应。所谓反压电效应如图 2.1所示，是在压电nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 元件上施加电压，元件就变形，即应变 。若在图 2.1 (a)所示的已经磁化的压电陶瓷上施加如图 2.1 (b)所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加电压的极性变反，如图 2.1 (c)所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。所以，具有反压电效应的材料受到电场作用时，就会产生应力和应变。电能转化声能是利用反压电效应，由超声波发射换能器完成，而由声能转化为电能是利用压电效应，由超声波接收换能器实现。 常用的压电材料有两类 ，一是天然或人工制造的压电单晶体，如石英等，另一类是人工烧制的多晶压电陶瓷，这两类材料经加工后，都可得到与外加电场频率相同的压电应变，反之亦然。当换能器的环境温度升到居里点温度 (临界温度 )时，电畴结构解体，材料不再具有压电性能，所以必须采用一定的冷却系统，才能使之用于高温环境。在本课题中，我们认为超声波传感器使用在常温常压的工作环境中，这样使问题得以简化。使用的探头是多晶压电陶瓷型，机械强度高，能耐温耐湿，而且具有较高的能量转化效率。 （ 3）从工作方式上来看： 超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒 质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。其主要有三种测距方法 : 相位检测法 相位检测法虽然精度高，但检测范围有限。 声波幅值检测法 声波幅值检测法易受反射波的影响 渡越时间检测法 (TOF) 渡越时间检测法的工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都非常容易实现。其原理为 :检测从发射换能器发出的超声波，经气体介质传播到接收换能器的时间，即渡越时间。 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 2 1 3 超声波测距传感器的探测方式 超声波传感器进行物体探测的两种方式 :直接方式和反射方式 ,如图2.2所示 : 直接探测方式是将超声波发送器和接收器面对面放置。当接收器直接收到发送器的超声波信号时，认为被测物体不存在 ;当收不到超声波信号时，认为被测物体存在。反射探测方式是将发送器和接收器同侧放置，有反射波时，认为被测物体存在。 反射方式有两种形式 .一种是使用一个发送器和一个接收器的独立型，另一种是只使用一个既作发送器又作接收器的兼用性。兼用型只用一个传感器，这是其优点，但需要发送、接收切换电路，而且只适用于远距离探测。 配置方式 用途 特征 直接方式 遥控 探测物体 探测灵敏度可自由设定，易于设计 设置场所需在两处 反射方式（独立型） 探测物体 测量距离 需要从 T 向 R 直接迂回输入的对策 可使用 T 和 R 专用的传感器，效率高 多用于近距离 反射方式（兼用型） 探测物体 测量距离 需要发射接收切换电路 不能近距离测量 图 2.2 超声波探测物体的方式 对于直接方式，我们常用来探测物体。因为这种方式是将超声波发射探头和接收探头置于两处，没有反射波可以被接收到，这样使得超声波在介质中的传播时间不易被准确测出，所以，这种方 式一般不被用来测距。 nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 我们通常用超声波传感器的反射方式进行测距，也就是采用回波测距法。利用超声波在两种不同介质的界面上产生反射的原理而工作。发射探头向被测物体表面发射超声波，经物体表面反射后，回波被接收探头所接收，测出超声波在介质中的传播时间，进而得到距离。 2 1 4 超声波传感器频率的选择 在空气中，超声波的衰减与频率直接相关，空气对超声波的吸收与超声波频率的平方成正比。因此，超声波的频率不能选的太大，太大会加速声波的衰减，但也不能太小，太小会使引入的噪声过大，而且频率越低，则波长越长，测距的绝对误差就 越大 .在空气媒质里，一般频率选在几十 KHz左右。在本课题中，我们选用 40KHz的频率。 2 2 超声波测距的原理 2 2 1 常见的测距法 目前最常用的测距法有两种 : (1) 超声波测距法 :超声波是频率 20kHz以上的机械振动波，利用发射脉冲和接收脉冲的时间间隔推算出距离。超声波测距法的缺点是波束较宽，其分辨力受到严重的限制，因此，主要用于导航和回避障碍物。 (2) 激光测距法 :激光测距法也可以利用回波法，或者利用激光测距仪，其工作原理如下 :氦氖激光器固定在基线上，在基线的一端由反射镜将激光点射向被测物体， 反射镜固定在电动机轴上，电动机连续旋转，使激光点稳定地对被测目标扫描。由 CCD(电荷祸合器件 )摄像机接受反射光，采用图像处理的方法检测出激光点图像，并根据位置坐标及摄像机光学特点计算出激光反射角。利用三角测距原理即可算出反射点的位置。 由于我们是在实验室中进行的实验和设计，所以我们选用超声波测距法，这样会使成本降低。 2 2 2 超声波测距基本原理 单片机发出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，从而测出发射和接收回波的时间差 Ct，然后求出距离 S Ct 2，式中的 C 为超声波波速。限制 该系统的最大可测距离存在 4 个因素：超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。为nts 毕业设计（论文）报告纸 共 页 第 页 了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差，可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射接收的设计方法 。 表 2.1 温度与波速的关系表 温度 / -20 -10 0 10 20 30 100 波速 /m/s 319 325 323 338 344 349 386 由于超声波属于声波范围，其波速 C 与温度有关。 所以 列出了几种不同温度下的波速 ,请看 表 2.1所示。 在测距时由于温度变化，可通过温度传感器自动探测环境温度、确定计算距离时的波速 C，较精确地得出该环境下超声波经过的路程，提高了测量精确
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