毕业设计基于单片机的智能化超声波测距实验装置研发

1、 毕业设计（论文） 智能化超声波测距实验装置的研发智能化超声波测距实验装置的研发系 别自动化工程系专业名称测控技术与仪器班级学号5081029学生姓名李燕指导教师 金伟2011 年 10 月 24 日 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 i 页智能化超声波测距实验装置的研发摘 要 本文阐述了超声波测距的原理，介绍如何用 c8051f20 单片机实现超声波测距，分析各个部分的工作原理，并给出了原理图和源程序。此超声波的测距电路由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和 led 显示器组成。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波被广泛应用于距离的测量。利用超声波检测

2、比较迅速、方便，计算简单，已做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用要求，测量时与被测物体无直接接触等，这些优点使其广泛应用于倒车雷达、建筑施工工地等场合。关键词：超声波 测距 单片机 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 ii 页intelligent ultrasonic experiment device of research and development author：li yan tutor：jin weiabstractthis paper expounds the principle of ultrasonic ranging and describes how to

3、 use c8051f20 scm realizing ultrasonic ranging. it also analysis of the working principle of each part and gives the principle diagram and the source program. the ultrasonic ranging is composed by ultrasonic sensors, scm circuit, launch/receiving circuit and led display. due to the strongly directiv

4、ity, slowly energy consumption and long transmission distance in a medium, thus ultrasonic is widely used in distance measurement. ultrasonic is quickly, convenient, simple calculation and achieves real-time control. and it can also reach the industrial practical requirements in the measurement prec

5、ision and without directly contacted with object to be tested. all these advantages make it widely used in reverse radar, construction site and so on. ultrasonic ranging based on the at89s52 scm easily overcome shortcomings, and is used very extensive. key words: ultrasonic wave; range finding; one-

6、chip computer; widely 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 1 页 目 录1 绪 论 .21.1 课题的提出 .21.1.1 超声波测距实验装置的研发 .21.1.2 选题的目的、意义及实用价值.31.2 超声波测距发展及现状 .51.2.1 超声波的发展史.51.2.2 现有非接触式测距技术的优缺点.51.2.3 超声波的国内外测距研究现状.71.3 本课题的主要工作 .71.3.1 课题的整体设计.71.3.2 课题的细节设计.81.4 主要成果 .112. 超声波测距的理论基础.122.1 声波概述 .122.1.1 声波的产生.122.1.2 声波的基本特性.1

7、22.1.3 声波的分类.132.1.4 研究波传播相关的主要参数.142.2 超声波的基本特性 .182.3 压电式超声波传感器工作原理 .192.4 超声波测距原理 .203. 课题的主要结构及设计.203.1 智能化多功能超声波测距实验装置的硬件设计 .213.1.1 驱动电路的设计.213.1.2 接收电路的设计.253.2 软件设计 .263.2.1 发射及接收模块的软件设计.283.2.2 智能化通讯模块的设计.303.2.3 上位机数据采集与处理模块的设计.324. 实验结论及误差分析.355. 结论与展望.36致 谢.38参考文献.39附 录.39 东北大学秦皇岛分校毕业设计（

8、论文） 第 2 页 1.绪论绪论1.1 课题的提出1.1.1 超声波测距实验装置的研发 随着科技的不断发展，超声波因其指向性强、能耗缓慢、传播距离远等特性而在测距方面得到广泛应用, 根据超声波测距原理，国内一般采用专用集成电路来设计各种测距仪器, 但是专用集成电路的成本相对较高、功能相对单一。而相对的，基于单片机控制的测距仪器可以实现预置、多端口检测、显示、报警等多种功能, 并且成本低、精度高、操作简单、工作稳定可靠。在超声波测距发展快速的今天，各高校也对超声波测距研究产生了浓厚的兴趣并研发出一系列的超声波测距装置。远的不说，就说实验室现有的三套实验装置：zky-ss 声速测定仪、基于 arm

9、 的超声波测距仪及基于 51 单片机的超声波测距系统。通过在它们之间进行实验与对比，发现它们各有千秋，相对的也各有不足之处。zky-ss 实验仪是用于测量空气、液体中的声速的专用仪器。本装置一般用于大学物理基础实验，是将声波振动、压电陶瓷应用、示波器技术和声纳技术相结合的产物。该实验装置除了可以采用基础物理声速实验中常用的测试方法外，还可以用工程中实际使用的声速测量方法-时差法来进行测量。使用时差法进行测量时，可以在示波器上明显地显示出声波在传播过程中经过多次反射、叠加而产生的混响波形。该实验仪除了超声实验装置和声速测定信号源之外，还有水槽和固定试验样品。但是，它的发射装置与接收装置固定，不易

10、随意拆卸更换，因此很难在它的基础上再次研发新产品。经过实验了解到 zky-ss 声速测定仪能够较准确地测量有限距离及特定温度下的声速，但它仅适于环境因素变化不大的实验室。 而另外两款都是根据超声波在遇到障碍物时会反射回来的特性进行测量的。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射同时单片机内部的定时器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即中断停止计时。 通过不断检测产生波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射超声波和接收到回波的时间差t，然后求出距离l。基于arm的超声波测距仪，它解决了人工 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 3 页测量时

11、的由于视差而引起的误差问题，提高了测量精度，完全通过单片机对发送与接收模块进行控制，并通过液晶屏对测量结果进行实时显示，但它有时显示数据时不是很稳定，相对变化较大，超出一定的测量范围甚至会出现错误的显示结果，并且测量盲区较大。而基于 51 单片机的超声波测距系统结构简单，整个系统除了一对非封闭式探头外，只包含了一个 74ls04 芯片作为驱动电路及一个 cx20106a 芯片作为接收电路，采用 51单片机来对整个发射与接收过程进行控制，最后由 lcd1602 液晶屏显示测量结果。它的测量范围较大，精度较小，但随着距离的增大依然会出现显示结果错误的现象，这是因为它采用了 74ls04 作为驱动电

12、路，驱动功率较小，在相对远的距离上很难得到准确的回波。 在此基础上，希望自主研发一种以单片机为核心的硬件可选、软件灵活、比以上几种实验装置精度更高、测量范围更大且测量盲区更小、又能稳定显示测量结果且成本合理并能更进一步开发的智能化多功能超声波测距实验装置。 1.1.2 选题的目的、意义及实用价值 （1） 选题目的通过对已有装置的测距原理的分析，以此为基础来自主研发一套能够集基础实验与应用开发于一体的智能化多功能超声波测距实验装置。 （2） 研发意义 超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰

13、、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，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构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高； 解决目前实验室现有的三套实验装置所存在的功能单一，不易维护，且成本较高等问题，通过整个的研发过程，对物理学，自动控制技术，单片机技术，微机原理及接 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 4 页口技术，电工电子技术等学科得到更深一步的了解与应用，将理论与实际紧密结合； 本装置器件选用灵活，易于更换，在此基础上还可进一步应用开发，功能多，实用性强

14、。可以实现在各种介质：如固体，空气，水等中物位，距离，声速的测量，从而研制出各种物位仪表，测距仪表，声速测量仪表等； 通过整个的研发过程，能够提高学生自身的动手能力，分析问题及解决问题的能力，还有理论结合实际的能力。 （3） 实用价值随着科技的发展，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。如工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源勘查等；生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等；诊断学方面的应用：a 型、b 型、m 型和 d 型等；治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。超声波液位测量也广泛应用于石油、化工、气象等部门。实现无接触、智能化测量是液位测量目

15、前的发展方向。由于计算机、微电子、传感器等高新技术的应用和研究，近年来液位仪表的研制得到了飞速的发展，已经满足了一般环境的应用。但是有些要在非常苛刻的条件下进行测试，如在高温、高压、低温、防腐蚀和防辐射等环境下，这就需要能耐高温高压非接触等传感器。超声波就是非接触的传感器所以它适用范围较为广泛，可用于接触型测量仪表不能满足的特殊场合，如粘度高、腐蚀性强、污染性强、易结晶的介质。超声波测量方法安全、易于安装、与辐射法相比对人体危害少。1.2 超声波测距发展及现状1.2.1 超声波的发展史 随着社会的发展，人们对距离或长度测量的要求越来越高。超声波测距由于其能进行非接触测量和相对较高的精度，越来越

16、被人们所重视。1876 年 f.galton 的气哨实验是对超声波的首次研究，在该实验中首次有效产生了高频声波。在之后的三十年中，超声波依然处于鲜为人知的领域，在当时电子技术发展缓 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 5 页慢的环境下，超声波的研究也受到了一定程度的影响。在第一次世界大战中，超声波的研究受到越来越多的关注。法国人 langevin 使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波，这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信1。用超声波探查金属物内部缺陷的建议在 1929 年被 sokolov 首先提出。短短两年之后，mulhauser 获准一项关于超声检测方法的德

17、国专利，不过他并未在此基础上做更进一步的研究。1934 年 sokolov 首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人 bergrnann 在他的论著ultrasonic中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作3。脉冲回波探伤仪是由美国的 firestone4和英国的 sproule5首次介绍的，这预示着超声波检测技术发展到了更为重要的一个阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除

18、可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。1.2.2 现有非接触式测距技术的优缺点随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已被广泛应用于多个领域。目前，典型的非接触式测距方法有超声波测距、ccd 探测、雷达测距、激光测距等。其中，ccd 探测具有使用方便、无需信号发射源、同时获得大量的场景信息等特点，但视觉测距需要额外的计算开销。雷达测距具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离、高精度测距的优点，但容易受电磁波干扰

19、。激光测距具有高方向性、高亮度、测量速度快等优点，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高、数据处理复杂。与前几种测距方式相比，超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素的影响，且覆盖面 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 6 页较大等优点。目前，超声波测距已普遍应用在液位测量、移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔。 上述技术一般都采用波在介质传播速度和时间关系进行测量。激光测距是利用激光的单色性和相传播速度 v 易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中干性好、方向性强等特点，以实现高精度的计量和检测，如

20、量长度、距离、速度 、角度等等。手持式和便携式测距仪，作用距离为数百米至数十千米。一般应用到远距离测量。微波雷达测距是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置。根据微波雷达的用途不同，所测定的目标可能是飞机、导弹、车辆、建筑物、云雨等。微波测距一般应用于雷达系统，gps 定位系统。超声波测距就是利用其反射特性，超声波发生器不断地发射出 40khz 超声波遇到障碍物后反射回反射波，超声波接收器接收到发射波信号，并将其转换为电信号。相比于其它定位技术超声波定位技术成本低，制作容易，非常适合于短距离测量定位。超声波测距仪，可用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用于如液位、井深

21、、管道长度的测量等场合。利用超声波指向性强，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。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单，易于做到实时控制。1.2.3 超声波的国内外测距研究现状目前，市场上的超声波液位仪表功能各异，价格差异也较大。从价格和功能上比较，国内和国外产品存在较大的差异：国外的液位测量仪表，功能较全，精度较高，但价格比较昂贵；而国内产品其功能和精度相对较低，但价格相对便宜。国外液位计量仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一体化发展，并且出现了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，其结构有了很大的改善、功

22、能有了很大的提高。从国外液位仪表发展的技术动向看，当前主要有三个热点：接触测量方式的液位仪；非接触测量方式的液位仪；新原理的小型液位开关。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 7 页国内液位计的生产主要采用引进加仿制的手段。近年来，国内多家公司和科研机构陆续推出自行研制的超声波液位测量仪表，其精度日益提高。进口的液位计功能齐全，精度较高，但是价格比较昂贵且维修不是很方便。对于小型用户来说，不是理想之选。而国内自行研制生产的液位计价格相对便宜，但精度不高，功能相对单一。近十年来，国内科研人员在超声波回波信号处理方法、新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针

23、对超声波测距常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。1.3 本课题的主要工作1.3.1 课题的整体设计 本文首先对超声波的液位测量原理、特点及测量系统的设计进行分析研究。其次对超声波液位测量系统的硬件电路进行分析并已在面包板上搭建出了相应的硬件电路，同时对系统软件流程进行了分析并完成了基本功能的编译与调试。最后对系统测试结果进行了比较与总结。测量开始发送超声波开始计时开定时器关定时器数据处理串行通讯接收检测超声波超声波发射器驱动电路 超声波测距基础装置的系统框图超声波发射传感器超声波接收传感器上位机显示结果 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 8

24、页1.3.2 课题的细节设计在课题研发之前做了多项基础实验来验证理论基础，如：（1） zky-ss 声速测定仪验证实验 为了对超声波测距有更深一步的了解，我们利用 zky-ss 声速测定仪及声波换能器进行了实验。实验装置如下图所示： 图图 1 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 9 页 图图 2zky-ss 声速测定仪产生驱动信号传至超声波换能器的发送端，再由接收端将其接收，发送，接收波形可在数字示波器上实时显示，根据发送与接收端的距离改变，得到的接收波形也随之变化。该实验尤为重要的一点就是找到超声波换能器的最佳工作频率点，这里便需用到共振原理。为了使系统波形的幅值最大，必须使驱动信号的频

25、率与发射换能器的谐振频率相等。具体操作如下：首先选择正弦信号作为驱动信号，在示波器上调出清晰波形，调节频率调节旋钮使得幅值最大，记下此时的频率；再摇动丝杆摇柄改变两个端子之间的距离，进行微调，得出几组频率后，对其求平均值，即得到所需谐振频率。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 10 页我们采用时差测速法来对声速进行测定。在示波器上得到最好的一组波形时，在某一特定的距离下，测出俩波间的时间差，利用公式： ty/求得声波传播速度。由此，在声速已知的条件下，只要测出了发送与接收波之间的时间差，便能求出任意所需测得的距离。 （2） 超声波器件的特性测试及其它模拟实验 在驱动信号频率与超声波发射传

26、感器频率相等的前提下，我们还能做更多的模拟实验，如： 利用函数发生器产生特定频率的方波，再用超声波换能器发送与接收，也可用全封闭式或半封闭式超声波传感器发送与接收，只要大到谐振频率，均可得到清晰的波形。 （3） 驱动电路的选择 （4） 接收电路的设计 （5） 单片机对超声波发射模块与接收模块的软件设计（6） 单片机实现智能化控制的通讯模块软件设计1.4 主要成果 超声波测距装置在实际研发与应用上存在着不少问题，很多不能简单地只靠理论与公式来解决。首先，该实验装置是以单片机为核心的实验装置，由单片机来产生 40khz 的脉冲信号，然而单片机的发射功率有限，距离较远时，往往接收不到回波，从而无法将

27、数据传回单片机进行最后的处理，得不到测量结果。为了解决单片机功率不够的问题，设计了多个驱动电路来实验，并从中选择了驱动效果最好的一个驱动电路来完成放大发射功率的功能。其次，为了达到超声波传感器的谐振频率，这里采用的超声波是由单片机来产生 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 11 页的 40khz 的脉冲信号，为了得到更为准确的 40khz,分别用 for 循环结构和定时器 0 来产生脉冲信号，并得出它们的步距，经实验后得出 for 循环的步距约为 2khz,而定时器0 产生的脉冲信号的步距仅为 0.2khz，所以使用定时器 0 产生的脉冲信号更易调试出所需的频率范围。再次，采用了单片机脉冲

28、计数的方法来进行时间的测量，由于定时器的计数范围有限，当某些回波接收不到而引起定时器计数溢出时往往会造成死机现象，为了解决这一问题，采用了定时器中断的方式，当检测不到回波信号时，定时器响应中断而停止计时，并将原有的计数值清空，重新开始记录有效回波。为了达到实验装置的智能化，将测量数值送入上位机进行运算处理并显示，上位机与下位机进行通讯，必须有相同的波特率，在得知下位机的波特率的同时，在上位机上进行了波特率的设置。采用公式对已知波特率进行计算，并在上位机上进行编译，在采用内部晶振的条件下，发现理论结果并不完全符合于实际应用，因此经过多次的试验，得出了与理论结果不同的设置，并成功完成了上位机与下位

29、机之间的通讯。另外，在上位机上应用算法来处理采集到的数时，显示的结果总呈现出非线性关系，为了解决这一问题，采用了 matlab 来进行仿真，取若干个点，并将其拟合到同一条直线上，根据该直线，计算直线的斜率与截距，并在上位机的算法中进行修正，得到较准确的结果。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 12 页2. 超声波测距的理论基础 2.1 声波概述 2.1.1 声波的产生 众所周知，声音是由物体的振动产生的，而振动传播需要弹性介质。真空中没有声波。 产生声波的物体称为声源。声源的振动引发附近的局部介质发生扰动，使一部分介质发生弹性形变，并开始离开平衡位置运动，这个扰动必然会推动周围介质，一方

30、面使周围介质也发生运动，同时周围介质的反作用力又使先发生扰动的部分回到平衡位置。由于介质具有惯性，回到平衡位置后介质会“过冲” ，产生相反方向的扰动，每一部分介质的扰动都会推动周围介质运动，同时周围介质产生反作用力，是运动介质又趋向于平衡位置。于是在介质弹性与惯性的联合作用下，声源附近的介质先在平衡位置附近振动，被它推动的周围介质随之振动，同时不断推动更远的介质产生振动。这种由近及远向周围传播的机械振动即声波。声波牵涉到的是质点位移、速度、密度及压强等力学量，因此声波为机械波。 通常我们说话时，声带和其它发声器官振动，引起附近的空气振动，附近的空气的振动又引起更远处空气的振动，使得振动能够在空

31、气中传播，从而形成声波。而这里空气便是传播振动所需的弹性介质。2.1.2 声波的基本特性声波是机械波的一种，机械波是机械振动在弹性介质中的传播过程。 在介质中传播的波，由其质点的振动方向和波的传播方向可分为横波（如绳波）（如图 3）与纵波（如声波，弹簧波） （如图 4） 。其中，横波质点的振动方向垂直于波 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 13 页的传播方向；而对于纵波，其质点的振动方向与波的传播方向一致，纵波是靠介质疏密部变化传播的。所有各种波的运动实际上都是纵波与横波质点速度分量的叠加。 图图 3 横波波形横波波形 图图 4 纵波波形纵波波形 由此可见，波在介质中传播时，介质中各质点

32、仅在各自的平衡位置附近作振动，并不随波前进。2.1.3 声波的分类波线与波面都是为了形象的描述波在空间中传播而引入的概念。从波源沿各传播方向所画的带箭头的线称为波线，用以表示波的传播途径与传播方向。波在传播过程中，所有振动相位相同的点连成的面，称为波面。在各向同性的均匀介质中，波线与 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 14 页波面相垂直。显然，波在传播过程中波面有无穷多个。在某一时刻，由波源最初振动状态传到各点所连成的曲面叫波前或波阵面。即波前是传到最前面的那个波面。在任一时刻，只有一个波前。 按波阵面的不同，声波可分为平面波（波阵面为平面）和球面波（波阵面为球面）。如图 5 所示。图图

33、 5 2.1.4 研究波传播相关的主要参数 波速 “波速”是波传播研究中的主要参数之一。在波动过程中，某一振动状态（即振动相位）在单位时间内所传播的距离叫做波速。波速的大小取决于介质的性质，在不同的介质中，波速是不同的。 对于固体，能产生各种弹性形变，则在固体中既能传播横波又能传播纵波，其波速为： 横波： /g (1-1) 纵波： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 15 页 /y (1-2) 式中，g 表示切变模量，y 表示杨氏模量，表示介质密度 对于液体只有体变弹性，因此只能传播与体变有关的弹性纵波，波速为： /b (1-3) 式中，b 表示体变模量。 超声波在空气中的传播速度主要与空

34、气的压力和温度有关，正常条件下由于大气压力变化很小，其传播速度主要考虑温度的影响，所以超声波在空气中传播速度为： v=332+0.607t (1-4) 公式(1-4)中 332m/s 为零度时的声速，t 为实际温度值。当温度已知时，超声波的速度是定值，只要记录从超声波信号发射开始至接收到超声波信号所用的时间即可由公式(1-5)求出被测距离。波的干涉 若两列频率相同，振动方向相同并且相位恒定的波相遇，在交叠区域我们会看到某些点处振动始终加强，而在另一些点处振动却始终减弱或抵消，这种现象称为波的干涉。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 16 页 图图 6 波的干涉波的干涉波的散射、反射、折射

35、及衍射（1）散射当声波在介质中传播时，有可能遇到几何尺寸大小不一的障碍物，一方面障碍物接受声波的作用，产生振动；另一方面障碍物会改变原来的传播，产生散射波。散射波包含了障碍物与介质的信息，测量散射波可得到很多有用的信息，因而散射是各种声学检测的基础。散射通常用于小的目标，反射指与入射波方向相反的散射；折射指偏离原方向的散射；衍射常指尖锐的边缘引起的散射。（2）反射与折射 波的反射和折射也是研究波传播的主要参数。当波传播到两种介质的分界面时，一部分反射形成反射波，另一部分进入介质形成折射波，其示意图如下：（3）衍射 当波在传播过程中遇到障碍物时，其传播方向发生改变，能绕过障碍物的边缘继续前进的现

36、象叫波的衍射。以水波衍射为例，如图所示 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 17 页 衰减 “衰减”也是有关波传播的主要参数之一。 “衰减”由于介质内部的摩擦或能量吸收而产生，亦可在球面或柱面波在传播过程中由几何形状的原因而产生。通常，衰减会减小振动的幅度。 声波在传播过程中幅度不断减小的原因有多种，其中一个就是声波的扩散，通常声源发出的声波向各个方向传播，扩展到越来越大的空间，声场的能量密度逐渐减少； 另一个原因就是声波的散射，当声波传播时遇到不同介质的障碍物时，一部分声波会改变传播方向，带走能量； 还有一个原因是一部分声波能量通过不同的机制被介质吸收，转化为其它形式的能量，一般最终会转

37、化为热能，该现象称为声波的吸收或声衰减。在空气与水等常见介质中声衰减不是很大，在一些实际问题中可忽略。但当声传播的距离较大或介质的声吸收较强以及一些较精密的测量问题中都必须考虑到声波的吸收。 （声波的吸收是一个较困难的问题，存在着不同的吸收机理，牵涉到介质的微观结构与运动，声吸收反应了介质的许多物理与化学性质，因此也是一个重要的课题） 2.2 超声波的基本特性 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折射、干涉、衍射、散射等。超声波测距与蝙蝠的测距和定位原理相同,利用的是近直线传播和反射 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 18 页特性。 为了得到期望的超声波测距装置，就需

38、要对超声波的基本特性进行分析。 我们知道频率在 202*104hz 之间能引起人的听觉的机械纵波叫声波；频率低于20hz 的机械纵波叫次声波；频率高于 2*104hz 的机械纵波叫超声波。 超声波较其他声波有显著特性： （1）.频率高，波长短，衍射不严重，因而具有良好的定向传播特性，而且易于聚焦； （2）.声强大，用聚焦的方法，可以获得声强高达 109w/m2超声波； （3）.穿透本领大。超声波在液体，固体中传播时，衰减很小。在不透明固体中，能穿透几十米的厚度。 利用超声波的定向发射特性及碰到杂质或介质分界面是显著的反射能力可精确地测出所需测得的距离。2.3 压电式超声波传感器工作原理 把压电

39、元件置于材料表面，向压电元件施加适当的随时间变化的脉冲电压值，则在材料内部会激励出超声波。压电元件将电能转换为机械能，这便是逆）压电效应。在压电元件与被测材料之间使用适当的耦合剂可使超声波更有效的从传感器器传到试件中。 超声波的发射和接收传感器可以采用“合二为一”的传感器分时工作，也可制作成独立工作的超声波发射和接收传感器。 “合而为一”的特点是测量设备简单，但发射效率和接收灵敏度不高；独立发射和接收的特点是测量设备相对复杂一些，但发射效率和接收灵敏度均可达到很高水平。 用于超声波发射和接收的压电转换型超声波传感器分别具有将电能转换为声能（机械能）和将声能转换为电能的功能。超声波传感器都是基于

40、压电效应或类似原理进行工作的。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 19 页 图 7 压电效应图示 如图 7，在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图 a 所示的已极化的压电陶瓷上施加如图 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。若外部施加的极性变反，如图 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。2.4 超声波测距原理 超声波测距基本原理图如下： 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 20 页 由上图可知，其测距原理是：超声波传感器由脉冲信号激励发出

41、超声波，通过传声介质传到被测物体，形成反射波;反射波再通过传声介质返回到接收传感器，传感器把声信号转换成电信号，由系统计算出超声波从发射到接收所传播的时间 t，再根据超声波在介质中传播的速度，由公式 2/vty (1-5)便可测得超声波传感器到被测物体之间的距离。3.课题的主要结构及设计争对系统设计所需功能的要求，初步确定该测距系统由单片机主控模块、上位显示模块、串行通讯模块、超声波发射模块、接收模块共五个模块组成。单片机使用 c8051f 系列的单片机发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。接收电路使用 cx20106 芯片组成的电路，该电路简单，抗干扰能力较强。3.1 智能化多功能超声波

42、测距实验装置的硬件设计3.1.1 驱动电路的设计（1）三极管驱动电路 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 21 页 在 74 系列 ttl 反相器的典型电路中，它的输入端与输出端均为三级管结构，通常采用74 系列芯片来做驱动电路，但它的引脚固定，不能更换，无法提高驱动功率，因而采用三级管三极管逻辑电路来取代 74 系列的芯片，可根据需要来更换三极管，从而提高驱动功率。电路由三部分组成：输入级，t1、r1、r2 组成倒相级，t2、t3、r3、d1 组成输出级。由图可得，当 vi=vil 时，t1 的发射结必然截止。t1 截止后 vc1 为高电平，而 ve1 为低电平，从而使 t2 导通、t3

43、 截止，输出为高电平 voh。当 vi=vih 时，则 t1、t3 必然同时导通。而一旦 t1、t3 导通之后，vb1 则被钳位在1.4v 左右。t1 的导通使得 vc1 降低而 ve1 升高，导致 t2 截止、t3 导通，输出变为低电平 vol。可见输出与输入之间为反相关系。由于 t1 集电极输出的电压信号和发射极输出的电压信号变化方向相反，因此把这一级叫倒相级。输出级采用了推拉式电路，它的工作特点是在稳定状态下 t2、t3 总是一个导通一个截止，这便有效地降低了输出级的静态功耗并提高了驱动负载的能力。为了确保 t3 饱和导通时 t2 可靠的截止，又在 t2 的发射极串进了二极管 d1。 东

44、北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 22 页经过实验验证，该驱动电路的电源电压可达 24v 左右，驱动功率得到了显著提高，能接收到明显的回波。（2）74ls04 驱动电路 74ls04 引脚图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 23 页74ls04 芯片是 74 系列 ttl 反相器的典型电路，如电路图所示，当输入端输入高电平时，经过一级非门，产生低电平，分为两路，第一路再经一级非门倒相，而第二路保持原状，最后两路均经过两个并联的非门对各自的电容进行充电，两个电容一个带负电，一个带正电，达到提高驱动负载的目的。也可采用差分电路，采用两个输入级，各自经过三个并联的非门，对各自的电容进行充

45、电，依然能达到增大驱动负载的目的。(3)n 沟道耗尽型 mos 管 vn0610l 的驱动电路 转移特性曲线转移特性曲线 vn0610lvn0610l 基本参数表基本参数表当 vi=vgsvgs(th(th ) )时，场效应管工作在截止区。只要负载电阻远远小于场效应管的截止内阻，在输出端即为高电平，且。这时场效应管的-之间就相当于一个断开的开关。 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 24 页当 vivgs(th)并在ds较高的情况下，场效应管工作在恒流区，随着的升高增加，而下降。由于与变化量之比不是正比关系，则在不同数值时与（即电压放大系数）之比也不是常数这时电路工作在放大状态。当继续升高

46、，场效应管的导通内阻变得很小，只要 rdron，则开关电路的输出端将为低电平 vol，且 vol=0。这时场效应管的 d-s 之间相当于一个闭合的开关。综上所述，只要电路参数选择合理，就可以做到输入为低电平时，场效应管截止，开关电路输出高电平；而输入为高电平时场效应管导通，开关电路输出低电平。3.1.2 接收电路的设计 接收电路的接线图接收电路的接线图 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 25 页 cx20106cx20106 的内部结构图的内部结构图 cx20106 的总放大增益约为 80db，以确保其脚输出的控制脉冲序列信号幅 3.5-5v范围内。总增益大小由脚外接的 r1, c1 决

47、定，r1 越小或 c 越大，增益越高。c1 取值过大时将造成频率响应变差，通常取为 luf,c2 为检波电容，一般取 3.3uf, cx20106采用峰值检波方式，当 c2 容量较大时将变成乎均值检波，瞬态响应灵敏度会变低，c2较小时虽然仍为峰值检波，且瞬态响应灵敏度很高，但检波输出脉冲宽度会发生较大变动，容易造成解调出错而产生误操作。r2 为带通滤波器中心频率 f0 的外部电阻，改变 r2 阻值，可改变载波信号的接受频率，当 f0 偏离载波频率时，放大增益会显著下降，c3 为积分电容，一般取 330pf,取值过大，虽然可使抗干扰能力增强，但也会使输出编码脉冲的低电平持续时间增长，造成遥控距离

48、变短。脚为输出端，cx20106 处理后的脉冲信号由输出。一些资料表示，在 cx20106 的 1 脚输入 0.2mv 的信号。在 5 脚将会输出滤波后放大的有用信号。在实测中，5 脚并没有一个放大的信号输出。实际调试的时候只关心芯片的 7 脚在收到信号是是否有一个下降沿产生。在本电路的调试中，如果一直发射超声波，在 7 脚将会有周期的低电平产生。不会像通常认为的那样，即一直发射信号时，7 脚一直为低电平。这是刚用 cx20106 时 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 26 页的一个常见错误。只要通过单片机来来计算发射信号时到收到信号是产生下降沿这段时间的长度，再通过数学计算，转化为距离

49、，然后在显示器上显示。3.2 软件设计在系统硬件构架了智能化超声波实验测量装置的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。智能化超声波测量实验装置的软件设计主要有主程序模块、超声波发射子程序模块、超声波接收中断程序模块、智能化通讯模块和上位机数据采集与处理模块组成。由于采用了单片机 at89c51 并考虑到 c 语言程序简洁高效性，整个系统的软件除上位机显示与数据处理模块使用 vb 外，其余模块均使用 c 语言进行编译。在本次程序设计中采用 c8051f 单片机 16mhz 的晶振，上位机显示，测距范围为0.013m，t0 实现方波发生器、t1 实现波特率发

50、生器、t2 为计数器。将 p3.2 与 p3.3作为超声波驱动脉冲输出端。主程序流程图如下图所 开始 单片机初始化 定时中断子程序 有无回波n n y y 外部中断子程序 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 27 页 结束 定时中断服务子程序 y y n n 外部中断服务子程序 外部中断入口 关外部中断读取时间值计算距离结果输出开外部中断返回 定时中断入口 定时器初始化 发射超声波 是否发射完 停止发射 返回 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 28 页3.2.1 发射及接收模块的软件设计void main (void) unsigned char m1;unsigned int i_

51、1,i_2; wdtcn = 0 xde; /禁止 wdt_disable watchdog timerwdtcn = 0 xad; /关看门狗sysclk_init ();/初始化系统时钟 uart01_init ();/初始化串口port_init (); /初始化 io 口 t2con = 0 x01; /初始化 timer2 th0 =0 x46;/timer0_实现方波发生器_40.2khz tl0 =0 x46; th2 =0 x00; tl2 =0 x00; et0 = 1; et2 = 1; 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 29 页 ex0 = 1; ea = 1; f

52、or(m1=0;m16;m1+) led30=led30; for(i_1=0;i_1200;i_1+)for(i_2=0;i_2200;i_2+); k_2=0; while(1) led30=led30; send_addre_32(); output_32=0; output_33=1; et2 = 1;/timer2_溢出中断允许 tr2 = 1;/timer2_计时开始 tr0 = 1;/发出超声波 for(i_1=0;i_1long;i_1+); tr0 = 0;/停止超声波 output_32=0; output_33=1; ex0=1;/外中断 0 允许接收回波 cal_1=d

53、ata_10*256+data_11; 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 30 页中断部分void t0_isr(void) interrupt 1output_32=output_32;output_33=output_33;3.2.2 智能化通讯模块的设计（1）波特率调整 void uart01_init (void)scon0 = 0 x50; / scon0: mode 1, 8-bit, no parity bit, 1 bit start and 1 bit stop tmod = 0 x22; / timer 1: mode 2, 8-bit reload/ timer 0

54、: mode 2, 8-bit reloadtl1 =0 x9e;th1 =0 x9e; /99_a3=9600 baud rateckcon = 0 x18; /timer0_使用系统时钟_not_1/12 分频_timer1 uses sysclk as time basepcon = 0 x80; /smod0 = 1_uart0 波特率加倍 tr1 = 1; / start timer1 用于串行通讯 baud rate 控制 （2）数据转化与传送void send_addre_32() 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 31 页 es0=0; sbuf0=;while(!ti0

55、);ti0=0;/头 acc = data_10;/拆成高 4 位 acc &= 0 xf0; acc = acc/16; sbuf0=acc;while(!ti0);ti0=0; acc = data_10;/拆成低 4 位 acc = acc & 0 x0f; sbuf0=acc;while(!ti0);ti0=0; acc = data_11;/拆成高 4 位 acc &= 0 xf0;acc = acc/16;sbuf0=acc;while(!ti0);ti0=0;acc = data_11;/拆成低 4 位acc = acc & 0 x0f;sbuf0=acc;while(!ti0)

56、;ti0=0; sbuf0=a;while(!ti0);ti0=0;/尾es0=1;（3）中断部分void init0_isr(void) interrupt 0 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 32 页ex0=0;et2 = 0;tr2 = 0;/timer2_计时停止 data_10 = th2;/高 4 位data_11 = tl2;/低 4 位 th2=0;tl2=0;3.2.3 上位机数据采集与处理模块的设计option explicitdim temp as stringdim length as integerdim flag_1 as integerdim point_

57、1 as integerdim point_2 as integerdim sum_1 as longdim sum_2 as longdim save_0 as integerdim save_1 as integerdim save_2 as integerdim data_1(100) as integerdim data_2(11) as integer 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 33 页private sub form_load()point_1 = 0mscomm1.commport = 1mscomm1.settings = 9600,n,8,1mscomm1.in

58、putlen = 1 input 将读取接收缓冲区的 1 个字节内容mscomm1.rthreshold = 1 设置 rthreshold 为 1，接收缓冲区收到每 1 个字符使 mscomm 控件产生 oncomm 事件mscomm1.inbuffercount = 0 清除发送缓冲区数据mscomm1.outbuffercount = 0 清除接收缓冲区数据mscomm1.inputmode = cominputmodetext 接收的数据为文本数据mscomm1.portopen = true 开启 comm1end subprivate sub mscomm1_oncomm() te

59、mp = mscomm1.input if flag_1 = 1 then data_1(point_1) = asc(temp) point_1 = point_1 + 1 end if if temp = then flag_1 = 1 point_1 = 0 end if 东北大学秦皇岛分校毕业设计（论文） 第 34 页 if temp = a then flag_1 = 0 length = point_1 - 1 call transfer call monitor end if end sub private sub transfer() 四位合并 point_1 = 0 poin

60、t_2 = 0 data_2(point_2) = data_1(point_1) * 4096 + data_1(point_1 + 1) * 256 + data_1(point_1 + 2) * 16 + data_1(point_1 + 3) text2(point_2).text = data_2(point_2) point_2 = point_2 + 1end subprivate sub monitor() 显示save_0 = data_2(0) / 2save_2 = save_0 * 2 + save_1 * 8sum_1 = save_2 / 10save_1 = su