超声波2593752754.docx

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超声波2593752754

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第一章绪论

1.1选题背景

随着科技发展的不断进步，自动测量技术不断更新，非接触式测量技术也有了长足的发展。

在很多工控场合，测量的物体是不能够直接接触到的，或者是测量物体不宜直接接触,这个时候就要用到非接触式的测量仪器。

自物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此超声波技术得到广泛运用。

而在超声波测量领域，尤其是在测距领域，结合各种其他技术的应用，超声波测量变得十分普及。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，传播速度仅为光波的百万分之一，纵向分辨率较高。

超声波对色彩、光照度、外界光线和电磁场不敏感，因此超声测距对于被测物处于黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力，在液位测量、机器人避障和定位、倒车雷达、物体识别等方面有着广泛的运用。

与其他测距方法相比，超声波测距方法有其自己的特点：

（1）相对于声波，超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减较小、反射能力较强等优势。

（2）相对于光学方法，超声波的波速小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的环境有一定的适应能力。

特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。

（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化。

随着科学技术的快速发展，超声波的应用将越来越广。

但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的超声波技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。

1.2设计意义

距离在很多场合和控制中需要实时检测，所以，测距就成为数据采集中重要的一环。

尽管测距有多种方式，比如：

激光测距、微波测距、红外线测距和超声波测距等。

但是超声波测距不失为一种简单可行的方法。

虽然超声波测距电路多种多样，可是有的电路复杂、技术难度大，有的调试困难，有的元件不易购买，这就在一些方面限制了超声波测距系统的应用。

本设计的电路，成本低廉、性能可靠、所用元件易购，结合单片机的数据处理，电路实现容易，工作稳定可靠。

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。

利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单。

超声波智能测距仪具有广泛的实际用途，超声波测距仪广泛应用于生活、军事等各个领域，如施工建筑单位对空间距离的测量、汽车倒车防撞系统、潜水艇的超声波探测定位系统。

超声波测距技术在社会生活中已有广泛的应用，如汽车倒车雷达等，它们测距精度一般较低。

目前对超声波高精度测距系统的需求越来越大。

展望未来，超声波作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更高精度，更大应用范围，更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。

1.3近年来国内外的发展

1.3.1超声波测距仪系统在国外的发展

一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。

在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。

在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。

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。

他提出的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。

1929年，Sokolov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。

相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。

4年之后，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。

美国的Firestone首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。

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。

1.3.2超声波测距仪系统在国内的发展

超声波测距技术作为检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用。

由于其信号的高频特性，超声测距早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。

八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。

目前国内也相继出现了各类数字化超声波测距设备，并已成为超声波检测的发展方向。

厦门大学的某位学者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传播时间的精度得到了很大的提高。

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传输时间的精度。

这些处理方法都取得了较好的效果。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波测距系统的发展速度很快。

国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。

随着测距技术研究的不断深入，对超声测距系统功能要求越来越高，单数码显示的超声测距系统会带来较大的测试误差。

进一步要求以后生产的超声测距仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。

随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。

超声仪研制呈现一派繁荣景象。

其中，煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。

与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

第二章系统方案的论证

2.1超声波的定义

波是由某一点开始的扰动所引起的，并按预定的方式传播或传输到其他点上。

声波是一种弹性机械波。

人们所感觉到的声音是机械波传到人耳引起耳膜振动的反应，能引起人们听觉的机械波频率在20Hz～20kHz，超声波是频率大于20kHz的机械波[14]。

超声波应用有三种基本类型：

透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

在超声波测距系统中，用脉冲激励超声波探头的压电晶片，使其产生机械振动，这种振动在与其接触的介质中传播，便形成了超声波。

2.2超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离（s），即：

s=340t/2

最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：

s=340t/2。

由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。

在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。

如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。

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基本原理。

如图1所示。

图1超声波的测距原理

（2-1）

（2-2）

式中:

L---两探头之间中心距离的一半.

又知道超声波传播的距离为:

（2-3）

式中:

v—超声波在介质中的传播速度;

t—超声波从发射到接收所需要的时间.

将（2—2）、（2—3）代入（2-1）中得：

（2-4）

其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数（例如在温度T=30度时,V=349m/s）;当需要测量的距离H远远大于L时,则（3—4）变为:

（2-5）

所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.

如果测距精度要求很高，则应该通过温度补偿的方法加以校正。

表1超声波波速与温度的关系表

温度（℃）

-30

-20

-10

0

10

20

30

100

声速（m/s）

313

319

325

323

338

344

349

386

2.3超声波测距方法的选择

超声波测距的原理一般采用渡越时间法。

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。

测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。

因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0MHZ晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。

利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能达到要求。

2.4超声波传感器

2.4.1超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类:

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

此次超声波测距系统的超声波传感器选用型号为T/R40-16。

超声波换能器采用收发分体式，分别是一支超声波发射换能器TCT40-16T和一支超声波接收换能器TCT40-16R。

超声波信号通过超声波发射换能器发射至空气中，遇被测物反射后回波被超声波接收换能器接收。

2.4.2压电式超声波发生器原理

压电型超声波传感器的工作原理：

它是利用压电效应的原理，压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。

所谓压电逆效应如图2所示，是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。

图2压电逆效应图

2.4.3单片机超声波测距系统构成

单片机AT89S51发出短暂的40kHz信号，经放大后通过超声波换能器输出；反射后的超声波经超声波换能器作为系统的输入，锁相环对此信号锁定，产生锁定信号启动单片机中断程序，读出时间t，再由系统软件对其进行计算、判别后，相应的计算结果被送至LED数码管进行显示。

限制超声波系统的最大可测距离存在四个因素：

超声波的幅度、反射物的质地、温度的高低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可测距离。

图3超声波测距系统框图

2.4.4显示单元选择

显示单元是计算机系统开发时使用的主要设备之一，它可将计算机的运算结果、中间结果、存储器地址以及存储器、寄存器中的内容显示出来，从而实现人机对话。

可以做显示器的有：

LED,LCD,CRT等。

CRT就是常见的显像管式的显示器。

优点是颜色视觉效果好，视角宽，可靠性高，便宜；缺点是体积大耗电多，有微量的X射线辐射。

LED就是发光二极管。

LED一般适合做大屏幕的显示设备，最突出的有点那就是屏幕尺寸可以不受限制，亮度可以做的很高，其他的如显色性、对比度等都不如CRT显示器。

但是考虑到本设计需要显示测量距离，补偿温度以及危险，安全等原因。

所以选择采用128*64液晶模块。

2.4.5温度传感器的选择

大家知道，声音在不同温度的空气中传播速度是不同的，所以这里要考虑到温度补偿的问题。

温度传感器有很多种，例如温度传感器AD590。

AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。

流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。

AD590的测温范围为-55℃～+150℃。

AD590的电源电压范围为4V～30V。

电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。

AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。

输出电阻为710WM。

它的精度高。

AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。

但是考虑到成本问题我选用TS-18B20数字温度传感器。

该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量。

温度范围为-55°C至+125℃。

-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C,温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。

第三章系统硬件设计

按照系统设计的功能的要求，初步确定设计系统由单片机主控模块、显示模块、超声波发射模块、接收模块、温度补偿模块、供电单元模块、键盘单元模块等共七个组成。

单片机主控芯片使用51系列AT89S51单片机，该单片机工作性能稳定，同时也是在单片机课程设计中经常使用到的控制芯片。

发射电路由单片机输出端直接驱动超声波发送。

接收电路使用三极管组成的放大电路，该电路简单，调试工作小较小。

图4系统设计框图

本系统由单片机AT89S51控制，如图4所示。

单片机采用AT89S51。

采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。

单片机用P1.7端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，P3.5端口监测超声波接收电路输出的返回信号。

显示电路采用简单实用的3位共阳LED数码管，段码输出端口为单片机的P2口，位码输出端口分别为单片机的P3.4、P3.2、P3.3口,数码管位驱运用PNP三极管S9012三极管驱动。

超声波接收头接收到反射的回波后，经过接收电路处理后，向单片机P3.5输入一个低电平脉冲。

单片机控制着超声波的发送，超声波发送完毕后，立即启动内部计时器T0计时，当检测到P3.5由高电平变为低电平后，立即停止内部计时器计时。

单片机将测得的时间与声速相乘再除以2即可得到测量值，最后经3位数码管将测得的结果显示出来。

3.1AT89S51单片机的功能及特点

AT89S51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含有4Kbytes的课反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度。

非易失性存储技术生产，兼容标准MCS—51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大AT89S51单片机可以为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

3.1.1主要性能参数

Ø与MCS—51产品指令系统完全兼容。

Ø4K字节可以重复擦写Flash闪速存储器。

Ø1000吃擦写周期。

Ø全静态操作：

0Hz—24Hz。

Ø三级加密程序存储器。

Ø128*8字节内部RAM。

Ø32个可编程I/O口线。

Ø6个中断源。

Ø可编程串行UART通道。

Ø低功耗空闲和掉电模式。

3.1.2功能特性概述

AT89S51提供以下功能：

Ø4k字节Flash闪速存储器；

Ø128字节内部RAM；

Ø32个I/O口线；

Ø两个16位定时器/计时器；

Ø一个5向量两级中断结构；

Ø一个双工串行口通信；

Ø片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89S51可以降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节点工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，当允许RAM，定时/计数器，串行口及中断系统继续工作。

掉电式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他左右部件工作直到下一个硬件复位。

图3-1，AT89S51单片机

3.2单片机最小系统

其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。

如图6所示，单片机最小系统主要由AT89S51单片机、外部振荡电路、复位电路和+5V电源组成。

在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由12MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。

在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经20pF的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关s接电源。

其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动。

因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。

图6单片机最小系统

3.3超声波发射收电路

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个压电晶片和一个换能板。

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，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

表2反相器74LS04参数

最大额定值

电源电压

-0.5to+7.0V

DC输入电压

-1.5toVcc+1.5V

直流输出电压

-0.5toVcc+0.5V

钳位二极管电流

±20mA

直流输出电流，每个引脚（输出）

±25mA

功耗

600mW

发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，如图7所示，单片机P1.7端口输出的40kHz的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，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。

输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。

上位电阻R2、R3一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，缩短其自由振荡时间。

图7超声波发射电路

3.4超声波检测接收电路

图8超声波测距接收单元

由于反射回来的超声波信号非常微弱，所以接收电路需要将其进行放大。

接收电路如图3-5所示。

接收到的信号加到BG1、BG2组成的两级放大器上进行放大。

每级放大器的放大倍数为70倍。

放大的信号通过检波电路得到解调后的信号，即把多个脉冲波解调成多个大脉冲波。

这里使用的是IN4148检波二极管，输出的直流信号即两二极管之间电容电压。

该接收电路结构简单，性能较好，制作难度小。

3.5显示电路

显示单元部分采用12864液晶模块。

根据设计要求，用于显示测量距离，补偿温度以及危险，保持，安全等警告信号。

其显示单元电路如图6-7所示。

3.5.112864液晶资料

带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64。

内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。

利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字。

12864液晶模块可完成图形显示。

低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

3.5.212864液晶基本特性

12864液晶基本特性如表9所示。

表312864液晶基本特性

低电源电压

VDD:

+3.0--+5.5V

显示分辨率

128×64点

内置汉字字库

8192个16×16点阵汉字

内置

128个16×8点阵字符

时钟频率

2MHz

显示方式

STN、半透、正显

驱动方式

1/32DUTY，1/5BIAS

视角方向

6点

背光方式

侧部高亮白色LED

通讯方式

串行、并口可选

负压

内置DC-DC转换电路

片选信号

无需片选信号

工作温度

0℃-+55℃

存储温度

-20℃-+60℃

图3-7显示单元电路

3.6供电电路

本测距系统由于采用的是LED数码管用为显示方式，正常工作时，系统工作电流约为30-45mA，为保证系统统计的可靠正常工作，系统的供电方式主要交流AC6-9伏，同时为调试系统方便，供电方式考虑了第二种方式，即由USB口供电，调试时直接由电脑USB口供电。

6伏交流是经过整流二极管D1-D4整流成脉动直流后，经虑波电容C1虑波后形成直流电，为保证单片机系统的可电，供电路中由5伏的三端称压集成电路进行稳压后输出5伏的真流电供整个系统用电，为进一步提高电源质量，5伏的直流电再次经过C3、C4滤波。

图12供电单元电路图

3.7温度补偿电路

DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。

与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现9～12位的数字值读数方式。

可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。

因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。

由于声速受气温的影响比较大，所以本文通过P3.6口控制DS18B20，来对超声波测距中声速进行修正，尽量减少测距中的误差。

图14温度补偿电路

3.8无线通信电路

作为一种常用的通讯接口器件，RS-485/RS-422芯片可以在许多半导体公司中找到对应的型号，比如ADI公司（器件前缀为ADM）。

大部分工业RS-485总线的客户应用如下的电路连接方式如图1所示，其485电路主要由2或3个快速光耦，RS-485收发器件以及隔离电源模块组成，优点是连接简单，价格便宜，