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jl074
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【JL074】基于单片机的超声波测距仪设计,jl074,基于,单片机,超声波,测距仪,设计
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本科毕业论文 英文翻译 专业名称 自动化 学生姓名 杨 硕 指导教师 姜海旭 毕业时间 2014 年 6 月 译文 在 空气中超声测距 G. E. . A. 34， 仪器技术中远程是最重要的一个问题。在空气中，从 至 10 米非接触式测量距离时，涉及到了这个问题，例如，在测量时个别机件或结构单位的相对三维位置。有趣的是，是利用超声振动作为信息运输工具，开启了解决办法的可能性 行测量的是雇用成员和传感器之间距离 许振动频率高达 500 千赫，或当与障碍物之间修正距离延伸达 10米时候，振动频率高达 60 千赫兹。 应用超声波在空气中测量距离不同于其他的问题。虽然能否利用声波修正测距的可行性已经研究了很长一段时间，乍一看似乎很简单，但是目前只有为数不多的新发明使用这种适合实际目的方法，主要困难是在有严 重特有变化的空气中提供一个可靠试验对象去接触三维声波。 几乎所有的目前已知用来校验距离使用的，都是为了某些来自用来反射成员和后面的散热器信息样本，测量传播时间解决声音的办法。该未解调的声（超声）振动由传感器辐射的，本身并不是一个信息来源 . 在接收端，来自测试会员反射后，为了传递一些情报信息，因而被选定后，辐射振动一定会被调制。在这种情况下，超声波振动是在于调制信号的信息的承运人，即他们就是在测量仪器和测量稳定的对象之间建立了空间三维接触的手段。 这一结论并不意味着分析和选择的参数承运人振动重要性小 承运人振动频率与信息沟通编码方法，与接收通频带和仪器中的辐射元素，与超声波空间特有的沟通渠道，以及测量精度是具有非常密切的联系方式。 让我们谈具有普遍意义的空气中超声波测距问题，即：载波频率和的被普遍认为标准的声音数额的选择。 24411 dL 在 射声功率， B 是平面波在介质中吸收系数为， L 是声电传感器和测试箱之间的距离， D 是散热器（接收）的直径， C 是的电声换能器的散热器方向性图的角度。 在均衡器 （ 1 ） 及以下，和作品 1 一样，吸收系数依赖于振幅和而 不是强度，因此，我们认为有必要强调这种差异。 图 1 图 2 s 图 3 在声音的各种问题上，包括成员测试设备和结构的关系，由于信号衰减吸收的平面和适当的几何性质的声束是，作为一项规则，一定是相差甚远的 择的实际情况中光束具体的几何参数，是基于形状的反射面和空间的一些失真相对平均排布。 让我们考虑一下更详细的几何关系和声束的动力参数这个最常见包括平面和圆柱结构的成员情况。 众所周知，定向特性瓦的一个圆形活塞振动无限挡板是一个活塞比例函数，d/ 为下列表达式基础： （ 2） 从均衡器（ 2 ）中很容易发现，在减少两到一个敏感性散热器方面，声压级角度将会引起注意。 （ 3） d s 表 1 0 20 30 40 50 60 80 100 150 200 300 500 0dB/m 6 9 16 40 对角可以简化为 （ 3 ） （ 4） 其中 c 是中期声速， F 是辐射震动的频率 它遵循均衡器 （ 4 ） ，当辐射到空中，其中 c = 300 米 /秒，在 的压力面，散热器为采取的轴的直径用于指定角度的方向性图上是必要的 （ 5） 其中 d 是厘米 ， 千赫， 是度角。 在图 1 中显示的曲线图是均衡器 （ 5 ） 中 6 个角度散热器的方向性图。 事实上，直径的“超声波降解标本”现场控制的两个变量，即：直径的散热器和发散角的声音束 小直径的“超声波降解标本”在现场飞机表面处理，通常倾向于散热器的轴心 。 （ 6） L 是测试表面最小的距离。 对应的散热器直径 （ 7） （ 7） 作为从均衡器 （ 6 ） 及 （ 7 ） ，“声振”现场最小直径，最高要求散热器直径距离不得少于 短距离的障碍的大小， “声振“表面的更少。 其中 d 是厘米， 在千赫， 是度角 让我们考虑在半径为 R 的中声波测距的情况。 1400题是在 中坐标轴上衡量从声电传感器的到圆柱形物体侧表面的距离 缸其各种可能的位移沿 X 和 Y 轴 ，散热器的方向性图角度 的必要性在这种情况下被用词组的形式表示出来。 （ 8） 在这里是 的价值角度的方向性图， 声学轴中心最大位移气瓶， 很显然，当测量距离，在信息信号“运行”时，对于在圆柱体表面来说在一个标准方向上，轨迹的长度是受控制的。 或者换句话说，始终衡量距离是最短的一个。对于所有来自测试表面一次性往复震动镜面反射情况这个声明都是正确的。当 W = 决均衡器 （ 2 ） 及（ 8 ） 的连立解有下面的表达式： 在特定情况下发生的各种声音在空气中传播有速度是 = 300 米 /秒，并假定R，必要的单向散热器的直径 d 的必要性可以从公式找到 其中 d 的单位是厘米， f 的单位是千赫。 在图 2 中曲线图显示，以确定以来自最大位移的四辐射频率轴的圆柱形直径作为散热器比例函数的必要性 .，这个数字是方向性图角的函 数 R 与 个比率为半径最小距离也在其中显示。 在空气中超声的吸收是在决心解决超声波测距装置及其一系列功能的第二个因素 . 在 1中给出了空气中关于测量超声波振动物理调查结果。到目前为止，在空气中吸收超声波振动结果实验在理论解释和实验之间 已有没有明确的的差异，因此 ，对于频率 为 50 至 60 千赫，在温度的 25 和相对湿度 37 时，平面波能量吸收系数为 m，与此同时理论值为 0.3 d B/m。吸收系数 B，温度 25 ，湿度为 37 时的数据显示在 2 表 1 中 吸收系数取决于相对湿度 ，为了得到吸收系数最高价值为 10到 20生在湿度 3 时为 20 ，并在吸收湿度减少约二分之一时为 40 。对于最m a s R y m a xm y 大吸收频率 为 60 千赫的情况， 在 30时湿度下降，结果会提高到 98 或下降到 10 ，其系数约为四比一。 空气温度超声吸收也有明显的影响 1 。当温度从 +10 升至中期 +30 ，吸收的频率在 30 至 50 千赫期间增加了约三分之一 。 所有因素考虑进来我们获得了如下近似值：吸声系数：在频率为 60 0.5 在频率为 200 0.6 2 正在审议的关系，生动地显示在图 3 中。 在上部曲线图的 G = F（ L） 中将散热器的方向性总角度的价值分为五个，在那里 参考文献 957). ， 960). of 184(1945). 22311文原文 . E. . A. 34， ne of in is of in .2 0 m in a of or up by as an of in to be at up 00 up .5 m a or up 0 on at up 0 m. of in is in a of of a at at a of is in a in s a of to by a in a of In to be at be In of in 24411 dL of is of On of is in a of in of us on of in on of a of An is to of at r of an at to of to is of B is a in L is d is of cis of in q.(1)is on on as in ， we it to In of on of to of a to of as a It be of in is by of to us in of of on It is of a in an is a of of s to d/ as s (2) l is a of is a to a of to of q.(2)it is a t w n e in of a to at 3） 3)be 4） c is of in f is of It q.(4)c=330 m/s e c， of a of at .5 of to to 5） f is in is in of q.(5)of a s a is by to be by of to In to of it is to a of as as a a a of s an d s 1400In of is by of of In of on a to s is 6） is to to a a 7） As ， 6)， of at be to of is us of on a of . is to to of s is in by 8） is of is of s is of to of m e m b e r of It is of is by of in a to s or in is is of of 2)=0.5 to In in c=330 .1m a s R y m a xm y m/on R， d i a m e t e r of a d be d is in cm f is in of as a of of s to in is as a of m i n i m u m to in is in of of of of Up no of in in 0 0 at a 5oC a 7%a is m .3 d B/m. as a of a 5a 7%to be . on in 0 0of 0%， 0%is by to in 0 it is 8% or 0%by a of to an on of is 0 0， 0 0 by to we at at a 0 3 at a 00 .6 of of g=f(L)of in s he in a of is of in 30 0in 0 8%. of is by of g ，f， d. 957). F i z m a t g i z，960). of 184(1945). 22311 本科毕业设计论文 题 目 基于单片机的超声波测距仪设计 专业名称 自动化 学生姓名 杨 硕 指导教师 姜海旭 毕业时间 毕业 任务书 一、题目 基于单片机的超声波测距仪设计 二、指导思想和目的要求 随着科学技术的快速发展， 超声波在测距工程中的应用将越来越广泛。相对毫米波测距、激光测距等其他测距的方式，超声波测距具有成本低、精度高、使用方便、应用范围广等优点。在实际应用中超声波测距指向性强、能耗缓慢、受环境因素影响较小，被广泛的应用于井深、液位、管道长度、倒车等短距离测量。 以单片机为核心结合超声波测距传感器实现超声波测距仪的设计。 三、主要技术指标 1. 研究超声波测距原理， 2. 完成基于单片机的超声波测距仪硬件电路设计。 3. 完成基于单片机的超声波测距仪的软件设计，并进行调试。 四、进度和要求 第 01 周 2 周 ： 查找相关资料，对英文资料进行翻译； 第 03 周 4 周： 熟悉超声波测距仪各个硬件组成和软件编程流程，进行论证、开题、撰写开题报告； 第 05 周 8 周： 绘制电路原理图，编写程序和调试。 第 09 周 3 周： 利用 行仿真实现； 第 14 周 6 周： 撰写毕业设计论文，论文答辩。 五、主要参考书及参考资料 设计 论文 1 赵建领，薛园园等主编的单片机开发与应用技术详解平 M电子工业出版社， 2009. 2 李朝青，单片机原理及接口技术（第 3 版） M北京航空航天 大学出版社，2005. 3 薛小玲，刘志群，贾俊荣，单片机接口模应用与开发实例详解 M北京航天航空大学出版社， 2010. 4 谭浩强， C+面向对象程序设计 2006. 5 赵建领，薛园园等主编的单片机开发与应用技术 详解 M 电子工业出版社，2009. 6 李朝青，单片机原理及接口技术（ 第 3 版） M 北京航空航天大学出版社，2005. 7 薛小玲， 刘志群，贾俊荣 M 北京航天航空大学出版社， 2010. 8 郁有文，常健，呈继红 及工程应用 M 西安电子科技大学出版社。 9 蔡美琴，张为民，何金儿， 毛敏，陶正苏 列单片机系统及其应用。高等教育出版社 . 10 戴曰章，吴志勇 片机的超声波测距系统设计 . 11 苏长赞，邹殿贵 超声波遥控 M. 人民邮电出版社， 2001. 学生 杨 硕 指导教师 姜海旭 系主任 史仪凯 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 I 摘 要 在空气介质中，超声测距传感器因其性能好，价格低廉、使用方便。在现场机器人定位系统、车辆自动 导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和高速公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。由于超声波传播不易受干扰，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波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。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波检测技术的发展具有十分重要的现实意义。本文详细介绍了一种利用单片机设计的软件控制的超声波非接触式测距系统，该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。介绍 了超声检测技术的发展进程和超声波测距系统的理论基础，并在此基础上，提出了系统的设计方案，简述了超声传感器的远离及特性，研究了超声传感器的发射及接收电路。在论文研究过程中对各部分电路及系统进行了实验，实验表明，各主要波形及技术指标均达到设计要求。该系统具有硬件结构简单、成本低、工作可靠、流程清晰、精度高等优点，并能实现距离的实时显示。在有限范围的距离测量具有较高的精度和可靠性。 关键词： 超声波传感器， 超声波测距，单片机，电路 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 n of to In as as of in of to in as so be by To of of of of a a to of of of on of of In of on of a of of 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 ey 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 录 第一章 绪论 . 6 究背景和意义 . 6 领域的研究历史与现状 . 7 题的主要内容 . 8 章小结 . 8 第二章 超声波测距原理与单片机简介 . 9 声波测距原理 . 9 . 9 声波传感器原理及特性 . 9 声测距原理 . 12 声波换能器 . 13 片机概述 . 14 片机定义 . 14 . 15 介及性能指标 . 16 章小结 . 18 第三章 超声波测距系统设计 . 19 . 19 声波测距系统的工作过程 . 19 统整体图 . 20 声波发射电路 . 22 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 V 码管限流电路 . 23 码管驱动电路 . 24 声波指示电路 . 25 声波接收电路 . 25 章小结 . 26 第四章 系统软件结构 . 27 统软件介绍 . 27 件 . 27 程软件 . 28 程序 . 28 声波发生子程序 . 29 . 30 . 30 章小结 . 31 第五章 设计成果分析及改进 . 32 计过程及分析 . 32 差分析及改进措施 . 33 第六章 总结与展望 . 34 参考文献 . 35 致谢 . 37 附录 . 38 源程序代码 . 38 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 第一章 绪论 利用超声波测量已 知基准位置和目标物体表面之间距离的方法 ， 称为超声波测距法 。 超声波测距作为一种典型的非接触测量方法，在很多场合，诸如工业自动控制，建筑工程测量和机器人视觉识别等方面得到广泛的应用。和其他方法相比，如激光测距、微波测距等，由于声波在空气中传播速度远远小于光线和无无线电波的传播速度，对于时间测量精度的要求远小于激光测距、微波测距等系统，因而超声波测距系统电路易实现、结构简单造价低，且超声波在传播过程中不受烟雾、空气能见度等因素的影响，在很多距离探测应用中有很重要的用途，包括非损害测量、过程检测 、 机器人检测和定位 ， 以及流体液面高度测量等 。 究背景和意义 超声波是一种在弹性介质中的机械振荡 ， 它是由与介质相接触的振荡源所引起的，其频率在 20上，是人耳听不到的一种声波，传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高 。 近年来 ， 随着国民经济科学技术及工业自动化的发展 ， 特别是移动机器人的自动避障导航系统和视觉识别系统的需要 ， 出现了许多识别方法和原理根据其信息载体的不同可归纳为光学方法和超声波方法 ， 但光学方法在某些领域有其局限性相比之下 ， 超声波方法在这些方面具有突出的优点 ： 超声波对色彩关照度不敏感 ， 可用于识别透 明及漫反射性差的物体 (如玻璃抛光体 )； 对外界光线和电磁场不敏感 ， 可用于黑暗有灰尘或烟雾电磁干扰强有毒等恶劣环境中 ； 超声波 传 感器结构简单体积小费用低信息处理简单可靠 ， 易于小型化和集成化 。 因此 ， 超声检测法已越来越引起人们的重视 ， 被广泛应用在液位测量机械手控制车辆自动导航物体识别等方面特别是在空气测距中 ， 由于空气中波速较慢 ， 其回波信号中包含的沿传播方向上的结西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 构信息很容易检测出来 ， 具有较高的分辨力 ， 因而其准确度也较其它方法高 。 在空气介质中，超声波测距传感器引起性能好，而且价格低廉，使用方便，在现场机器人定位系统， 车辆自动导航、车辆安全行驶辅助系统、城市交通管理和告诉公路管理监测系统，以及河道、油井和仓库及料位的探测中都有应用。由于超声波传播不易受干扰，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物理测量仪等都可以通过超声波来实现。为此，深入研究超声波的产生与传播规律、开发高性能超声波换能器及其收发电路，对于超声波技术的发展具有十分重要的现实意义。 领域的研究历史与现状 目前国内超声波测距仪的发展主要采用引进加仿真等手段，还有许多合资企业代理国外相应产品。我国在该领域的发展 相对国外还有很大差距，普遍存在产品性能指标低、仪表可靠性差、企业技术力量及装备差等问题。 深圳长泉机电 C&Q（ 发的一项旨在降低 耗与发热的技术）超声波超声测距仪能快速测算距离、面积、体积，操作简易，使用方便，便宜实用，在建筑装饰、房产评估、园林绿化、展馆布置、管线辅设、体育活动等领域有广泛应用。可储存 2个测量数据或计算结果，可计算面积和体积，可作连续测距和单次测距，可省电的自动关闭电源功能；公英制单位转换。 深圳市杰创立仪器有限公司生产的 以实现公英制直接转换；测量 基准选择；记忆 /调出记忆数据；计算面积和体积；五组不同的记忆体；累加长度和；自动关机功能；数码管背光显示；按键声提示；出错声提示；确认声音提示：面积测量功能；距离测量功能；体积测量功能；累加求和功能。 国内外的学者在提高超声波测距精度方面也作了大量的研究，影响超声波测距精度的因素包括所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传播速度，其中传输时间的精度影响较大。许多人提出采用降低传输时间的不确定度来提高测量精度，目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或者二者的结合是主要的降低传输时间不确定度的方法。厦门大学的童峰提出 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轮廓包络曲线来求得回波的起点，通过这种方法使测量精度有了很大的西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 提高。意大利的 人介绍了一种自适应系统，发射特殊的波形来获得好的回波包络，设置一定的回波开启电平，并采用自动增益的控制放大器。也有文献提出通过数字信号处理技术和小波变换理论来提高测量精度。 题的主要内容 本课题主要内容是设计一个超声波测距系统，由于超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差，最终计算出发射点到障碍物 的实际距离。 由于研究条件限制，设计只能在基于 台上进行仿真，仿真过程中由于超声波传播时间无法仿真，所以采用电阻改变 设计采用 过改变电阻大小模拟障碍物，实现 文采用 7码管 )距离显示，通过观察示波器可得知单片机接收到超声波的时间，并利用编程算法计算出距离。 章小结 本章主要阐述了超声波测距的研究背景和意义，在这个领域的研究历史与现状。并且介绍了本次设计的主要研究内 容和具体实现过程。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 第二章 超声波测距原理与单片机简介 声波测距原理 声波概述 声音是与人类生活紧密相联的一种自然现象，人们对声音早有认识，在人们的日常生活中存在着各式各样的声音。在科学史上，声学是发展最早的学科之一。然而，由于超声是人耳听不到的信号，直到 18 世纪，人们才开始研究海豚、蝙蝠等动物时，才推测自然界存在超声。声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。根据声波振动频率的范围，可以分为次声波、声波、超声波和特 超声波。当声的频率高到超过人耳的频率极限时，人们就觉察不出声的存在，我们称这种高频率的声为超声。频率高于人类听觉上限频率 (约 20000声波，称为超声波，或称超声。超声波在介质中传输的速度即介质的声速。它是一秒钟超声波等相位面通过的距离，与介质的密度和弹性性质有关。对于液体介质，只能传播纵波。声速参数与声介质、声阻抗及生衰减等有很大关系。 声速是随着介质及其状态 (如温度 )的不同而不同。如在常温下，空气中的声速约为 334m/s，在水中的声速约为 1440m/s，而在钢铁中约为 5000m/s。除水以外， 大部分液体的声速随温度的升高而增加，流体中的声速随压力的增加而增加。 声波传感器原理及特性 为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或者超声波探头。压电式超声波传感器如图 2示。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 图 2电式超声波传感器 压电式超声传 感器是在超声频率范围内将交变的电信号转换成声信号或者将外界声场中的声信号转换为电信号的能量转换器件。超声换能器的种类很多，按照实现超声传感器机电转换的物理效应的不同可将换能器分为电动式、电磁式、磁致式、压电式和电致伸缩式等。目前压电式换能器的理论研究和实际应用最为广泛，本文超声波测距选用的也是压电式超声波换能器。常见的压电材料有石英晶体、压电陶瓷、压电半导体、高分子压电材料等，压电效应包括正压电效应和逆压电效应。 逆压电效应是指将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化， 这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，品体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。 正压电效应是指当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用 正压电效应将机械能 (即声能转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收换能器。 超声波传感器的基本特性分为频率特性和指向特性。 （ 1）频率特性 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 图 2超声波的频率特性曲线。图中， 超声波发射器的中心频率 ，在 声波发射器产生的超声机械波最强，也就是说，在 所产生的超声波声压能级最高。而在 测，声压能级迅速减小。因此，超声波发射器一定要使用非常接近中心频率的 交流电压来激励。由图知， 中心频率，曲线在 最尖锐，输出电信号的幅度最大，信号 接收灵敏度最高。因此超声 波接收器具有很好的频率选择特性，在构成遥测系统时一般不再设置选频电路。另外，超声波接收器的频率特性和输出端外接电阻有很大关系，如果 R 很大，（如大于 100K）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，（如小于 10K）频率特性曲线变的平滑而且具有放宽的带宽，同时灵敏度也随着降低。并且最大灵敏度向着稍低的频率移动。因此，超声波接收器应于输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。 0=40 2超声波发射传感器的发射频率特性图 （ 2）指向特性 实际的超声波传感器中压电晶片是个小圆片，可以把表面上每个点看成 1 个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声波传感器的北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 空间某一点的声压是这些子波叠加的结果（衍射），却有指向性。指向特性用指向图表示。超声波传感器的指向图是由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 =0 声压最大，角度逐渐增大时，声压 减小。超声波传感器的指向角一般为 40 度 80 度。 声测距原理 超声波测距的方法有多种：如相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间检测法等。 （ 1）相位检测法，将发射器发送的超声波信号作为参考信号，在每次发送超声波的终止时刻，立即开始对接收器的输出进行采样，并计算采样值与参考信号之间的互相关函数。若互相关函数出现峰值，则说明采样值是换能器前方目标反射回来的信号，而相关函数峰值出现的时刻就是射程时间，由此可见，相关估计法（也称为匹配滤波）既利用了回波信号的幅值又利用了回波信号的形状。假如超声波信号经目 标反射后所产生的回波信号的波形基本不会发生畸变，而且叠加在回波信号上的噪声是高斯白噪声，那么用互相关函数法的时延估计精度将高于与其他时延估计法。这种算法虽然精度高，但算法较复杂，单片机运行起来速度慢，测距实时性不好。 （ 2）声波幅值检测法，这种方法是根据超声波在空气中传播不断衰减的特性，检测回波信号的幅值，对延迟时间做出一个判断，但是声波幅值检测法易受反射波的影响，测距精度不高。 （ 3）渡越时间检测法，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。 超声测距最常用的是渡越时间检测法。其原理为：超声 传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收 反射波，并转化为电信号，测量出发射和接收信号之间的时间差 t，即渡越时间。利用 s （ 即可算的传感器与被测物 间的距离 s，测距原理 如图 2示，由图 2知，测量距离。 222 （ 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 若 时，则 ；如果设计中采用收发同体传感器或使发射、接收传感器非常接近时， 0h ，则 2距原理 其中， d 为超声波发射器到被测物体之间的距离； v 为超声波在媒体中传播的速度；t 为从发射超声波到接收到超声波之间的时间差。 声波换能器 超声传感器，也即超声换能器，是超声波测距系统中的重要组成部分。顾名思义，换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。通常所说的换能器一般都是指的电声换能器。用来发射声波的换能器叫做发射换能器。换能器处在发射状态时，将电能转换成机械能，在转换成声能。用来接收声波的换能器叫接收器。换能器处在接 受状态时，将声能转换成机械能，再转换成电能。一般情况下，换能器既能用来发射，也能用来接收。通常换能器都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。按照实现机电转换的物理效应的不同，可将换能器分成：电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式和电磁致伸缩式等。 目前使用较多的是电气类中的压电式超声换能器。 在超声测距中，压电换能器发射超声波要求振子振动的振幅较大，所以采用弯曲振动模式较为理想。为了与空气的声阻抗相匹配，将压电陶瓷与金属粘合在一起。h d s 目标 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 两个压电陶瓷圆片中间粘接金属薄片构成三迭片压电振子，金属片和 压电陶瓷片双层结构组成双迭片弯曲振动换能器。双迭片弯曲振动换能器更易于密封，而且金属片本身就可以作为声辐射面，不需要另外的声窗口。其中，压电陶瓷作为激励部件，当加上电压时，压电陶瓷片产生伸张运动，可使复合圆板产生弯曲振动，得到较大的振幅。一旦层与层之间出现任何滑动，将会显著降低弯曲振子的性能，因此胶合层要非常薄、坚固和稳定。金属与陶瓷之间的胶合，用低温环氧树脂较为适宜，在环氧树脂固化的过程中要加以适当的压力。金属薄片还可以充当保护膜，起到保护压电陶瓷和电极，防止磨损和破坏的作用。 金属片和压电陶瓷片 构成的弯曲振动换能器具有结构简单、尺寸小、重量轻，易于与水喝空气匹配等很多优点。但是目前对圆形压电振子弯曲振动的研究较少，例如三迭片压电振子，即两个压电陶瓷圆片中间粘接金属薄片，常用作空气超声换能器和水声换能器，如声压梯度水听器、声发射传感器、超声测距换能器等。为了能够得到较高的有效机电耦合系数，使用中金属片的直径大于压电陶瓷片的直径，这样就构成了带有环衬的单层压电片。 超声测距传感器按其作用距离可以分为大、中、小三种量程。其中，小量程探测距离小于 2m，工作频率在 60间；重量成探测距 离约为 2作频率在 40间；大量程探测距离约为 20作频率处在 16间。 片机概述 片机定义 单片微型计算机简称单片机，单片机是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的 央处理器）、随机存储器（ 只读存储器（ 多种 I/时器 /计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域 广泛应用。从上世纪 80年代，由当时的 4位、 8位单片机，发展到现在的 300图 2 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 图 2型单片机结构图 单片机由运算器、控制器、存储器、输入输出设备构成，相当于一个微型的计算 机 （最小系统），和计算机相比，单片机缺少了外围设备等。 其中 ， 运算器由运算部件 算术逻辑单元 （ 简称、累加器和寄存器等几部分组成。 入来源为两个 8位数据，分别来自累加器和数据寄存器。运算器有两个功能： （ 1） 执行各种算术运算。 （ 2） 执行各种逻辑运算，并进行逻辑测试，如零值测试或两个值的比较。 控制器由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器和操作控制器等组成，是发布命令的 “ 决策机构 ” ，即协调和指挥整个微机系统的操作。其主要功能有： （ 1） 从内存中取出一条指令，并指出下一条指令在内存中的位置。 （ 2） 对指令进行译码和 测试，并产生相应的操作控制信号，以便于执行规定的动作。 （ 3） 指挥并控制 存和输入输出设备之间数据流动的方向。 主流单片机包括 41282个 16位定时 /计数器、 4个 8位并行口、全双工串口行口、 片机的主要特点有：系统结构简单，使用方便，实现模块化；可靠性高，可工作到 106 107小时无故障；处理功能强，速度快。低电压，低功耗，便于生产便携式产品，控制功能强，环境适应能力强。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 单片机 渗透到我们生活的各个领域，几 乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。如：智能仪器、工业控制、家用电器、网络和通讯、设备领域、模块化系统、汽车电子等。 我们目前 使用最广泛的则是 它是一种带 4的低电压、高性处理器 ， 俗称 单片机 ， 本文采用 美国 司 生产的低电压、高性能 位单片机，片内含 8可反复檫写的 程序存储器 和 12B 的随机存取数据存储器（ 器件采用 司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 令系统，片内配置通用 8 位中央处理器（ 储单元，功能强大的 片机可灵活应用于各种控制领域。 片机属于 片机的增强型，与 司的 80引脚排列、硬件组成、工作特点和指令系统等方面兼容。其主要工作特性是：片内程序存储器内含 8 序存储器，可擦写寿 命为 1000次； 片内数据存储器内含 256 字节的 具有 32 根可编程 I/O 口线； 具有 3个可编程定时器； 中断系统 是具有 8 个 中断源 、 6 个中断矢量、 2 个级优先权的中断结构； 串行口是具有一个全双工的可编程 串行通信 口； 具有一个数据指针 低功耗工作模式有空闲模式和掉电模式； 具有可编程的 3 级程序锁定位； 作电源电压为 5（ 1+V，且典型值为 5V； 高工作频率为 24 能指标： 功能特性： (1)兼容 令系统 (2)8反复擦写（大于 1000 次） (3)32 个双向 I/O 口； (4)256部 (5)3 个 16 位可编程定时 /计数器中断； (6)时钟频率 0 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 (7)2 个串行中断，可编程 行通道； (8)2 个外部中断源，共 8 个中断源； (9)2 个读写中断口线， 3 级加密位； (10)低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； (11)有 几种封装形式，以适应不同产品的需求。 特殊功能： 在 内存储器中， 80 128 个单元为特殊功能寄存器（ 并非所有的地址都被定义，从 80 128 个字节只有一部分被定义，还有相当一部分没有定义。对没有定义的单元读写将是无效的，读出的数值将不确定，而写入的数据也将丢失。不应将数据写入未定义的单元，由于这些单元在将来的产品中可能赋予新的功能，在这种情况下，复位后这些单元数值总是“ 0”。 了有 有的定时 /计数器 0 和定时 /计数器 1 外，还增加了一个定时 /计数器 2。定时 /计数器 2 的控制和状态位位于 存器对（ 定时器 2 在 16 位捕获方式或 16 位自动重装载方式下的捕获 /自动重装载寄存器。 数据存储： 256 个字节的内部 80 128 个字节与特殊功能寄存器（ 址是重叠的，也就是高 128 字节的 特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。 当一条指令访问 7上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高 128 字节 是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。 定时器 2 基本特性： 定时器 2 是一个 16 位定时 /计数器。其工作方式由特殊功能寄存器 C/选择。定时器 2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由 控制位来选择。 定时器 2 由两个 8 位寄存器 成，在定时器工作方式中，每个机西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 18 器周期 存器的值加 1，由于一个机器周期由 12 个振荡时钟构成，因此，计数速率为振荡频率的 1/12. 在计数工作方式时，当 脚上外部输入信号产生由 1 至 0 的下降沿时，寄存器的值加 1，在这种工作方式下，每个机器周期的 5间，对外部输入进 行采样。若在第一个机器周期中采到的值为 1，而在下一个机器中其中采到的值为 0，则在紧跟着的下一个周期的 间寄存器加 1。由于识别 1 到 0 的跳变需要 2 个机器周期（ 24 个振荡周期），因此，最高计数速率为振荡频率的 1/24。为确保采样的正确性，要求输入的电平在变化前至少保持一个完整周期的时间，以保证输入信号至少被采样一次。 章小结 本章主要介绍了超声波测距原理、超声波传感器原理和超声波换能器的功能及性能指标，还介绍了单片机及 功能和性能指标。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19 第三章 超声波测距系统设计 路工作原理及设计 超声波测距的作用距离和分辨能力，不仅需要性能良好的换能器，也需要合理的驱动电路及回波探测电路，只有这样，才能保证发射时的声功率和波形的重复性以及接收时的灵敏性。对发射来说，为了要使电能到机械能的转换效益最大，换能器必须工作在它的共振频率处。对接收而言，为了使机械能到电能的转换效率最大，最佳的工作点必须取在反共振频率处，在传感器系统中，发射部分的共振平率要与接收部分的反共振频率相匹配。驱动电路和回波探测电路的性能对整个测试系统有着重要的作用。 声波测距系统的工作过程 基于单片 机 超声波测距系统的硬件结构如图 3示。该仪器由片机、超声波发射电路、检波接收电路及显示电路组成。单片机是整个系统的核心部件，协调各部分的工作。 美国 司 生产的低电压、高性能 位单片机，片内含8可反复檫写的 程序存储器 和 12B 的随机存取数据存储器（ 器件采用司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 令系统。它集序存储器（既可在线编程（ 也可用传统方法进行编程）及通用 8 位微处理器于单片芯片中。单片机控制振荡源产生 40频率信号来驱动超声波传感器，每次发射包含 6 个脉冲左右，当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，得到从发射到接收的时间 t 后，利用测距公式可算出被测距离，同时 由显示器显示。 西北工业
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