買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 西南科技大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目名稱： 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì) 年 級(jí)： 本科 ?？?學(xué)生學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 學(xué)生單位： 技術(shù)職稱： 學(xué)生專業(yè)： 教師單位：信息工程學(xué)院 西 南 科 技 大 學(xué) 教 務(wù) 處 制 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 超聲波測(cè)距模塊的設(shè)計(jì) 摘要： 超聲波測(cè)距應(yīng)用十分廣泛 。 論文 在分析可行性、可靠性的基礎(chǔ)上，參照工程 設(shè) 計(jì)方法， 確立了結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的思路。 本文 設(shè)計(jì)了一套超聲波檢測(cè)系統(tǒng)， 該系統(tǒng)是 一種基 于 片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng) ,它 根據(jù)超聲波在空氣中傳播的反射原理 , 以超聲波傳感器為接口部件 , 應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)和 超聲波在空氣中的時(shí)間差來測(cè)量距離。該系統(tǒng)主要由主控制器模塊、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊和顯示模塊等四個(gè)模塊構(gòu)成 。 設(shè)計(jì)利用 51 單片機(jī)系統(tǒng)的 I/O 口， 使超聲波傳感器發(fā)出 40超聲波，反射回來的超聲波信號(hào)，經(jīng)過放大和整形電路進(jìn)入單片機(jī)， 比較調(diào)試后確定其對(duì)應(yīng)的距離， 完成測(cè)距。 可實(shí)現(xiàn) 3 米內(nèi)測(cè)距，盲區(qū) 7厘米 ，具有 示功能。 關(guān)鍵詞 ： 超聲波 ； 超聲波 傳感器 ； 片機(jī) ； 示單元 ； 測(cè)距儀 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 is an on to in of it as of by of in of of by , by in CD 文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 目 錄 第 1 章 緒 論 . 1 題背景 . 1 文研究?jī)?nèi)容 . 3 究?jī)?nèi)容 . 3 章節(jié)主要內(nèi)容 . 4 第 2 章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) . 5 聲測(cè)距理論基礎(chǔ) . 5 聲波介紹 . 5 聲波傳感器 . 5 感器的指向角 . 7 量盲區(qū) . 8 聲波測(cè)距原理 . 9 聲測(cè)距系統(tǒng)組成 . 10 統(tǒng)的收發(fā)過程 . 10 案比較 . 11 聲波頻率及探頭的選用 . 11 射模塊 . 11 收模塊 . 11 度補(bǔ)償 . 12 示模塊 . 13 源模塊 . 14 信接口選擇 . 14 統(tǒng)的總體構(gòu)想 . 15 章小結(jié) . 15 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) . 16 統(tǒng)工作的過程 . 16 控制電路 . 16 片機(jī) . 17 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 鐘振蕩器 . 17 位電路 . 18 行通信接口 . 18 氣特性 . 19 接器機(jī)械特性 . 19 據(jù)發(fā)送電路 . 20 射電路設(shè)計(jì) . 20 55 振蕩器 . 22 射極放大電路 . 23 收電路設(shè)計(jì) . 25 作原理分析 . 25 源電路設(shè)計(jì) . 26 示電路 . 26 口協(xié)議 . 27 度測(cè)量 . 27 章小結(jié) . 28 第 4 章 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì) . 29 件功能模塊的劃分 . 29 程序的分析設(shè)計(jì) . 29 部中斷程序 . 30 0 中斷子程序 . 31 度校正 . 32 章小結(jié) . 32 第 5 章 調(diào)試過程 . 33 試環(huán)境 . 33 序調(diào)試過程 . 33 送 40沖信號(hào)子程序調(diào)試 . 33 度傳感器的調(diào)試 . 33 驗(yàn)結(jié)果 . 34 章小結(jié) . 34 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 總 結(jié) . 35 致 謝 . 36 參考文獻(xiàn) . 37 附錄 1 超聲測(cè)距源程序 . 38 附錄 2 超聲測(cè)距原理圖 . 49 附錄 3 硬件實(shí)物圖 . 50 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 1 第 1 章 緒 論 高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，而這是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。設(shè)計(jì)和工藝人員理應(yīng)了解：非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機(jī)出現(xiàn)的微觀 、 宏觀缺陷，常?？梢杂袝r(shí)甚至是只能依靠無損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn) 、 評(píng)價(jià)。當(dāng)然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力，使無損檢測(cè)技術(shù)在這方面已具有一定的能力有關(guān)?，F(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，無損檢測(cè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研制， 使用部門已被卓有成效的運(yùn)用， 1981 年美國(guó)前總統(tǒng)里根在給美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)成立 40 周年大會(huì)的賀信中就說過： 你們能夠給飛機(jī) 、 空間飛行器 、 發(fā)電廠 、 船舶 、 汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測(cè)，我們就不可能享有目前在這些領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。 無損檢測(cè)正在以迅猛之勢(shì)向縱深發(fā)展 ， 客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以發(fā)展的最大動(dòng)力。 超聲技術(shù)就是一項(xiàng)典型的無損檢測(cè)技術(shù) 。 利用超聲波測(cè)量已知基準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法 ， 稱為超聲波測(cè)距 。可想而知 ， 它的應(yīng)用 ， 必將在未來展現(xiàn)出奪目的光輝。 題背景 利用超 聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段 ， 也就是生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波 (20， 借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時(shí)間間隔長(zhǎng)短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物或障礙物位置的方法 ， 根據(jù)這一原理 ， 人們提出了超聲波測(cè)距 ， 它是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法 ， 和激光、渦流和無線電測(cè)距方法相比 ， 具有不受外界光及電磁場(chǎng)等因素的影響的優(yōu)點(diǎn) ， 在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力 ， 且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ， 成本低 ， 因此在工業(yè)控制、建筑測(cè)量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng) 用。但由于超聲波傳播聲時(shí)難于精確捕捉 ， 溫度對(duì)聲速的影響等原因 ， 使得超聲波測(cè)距的精度受 到了 很大的影響 ， 限制了超聲測(cè)距系統(tǒng)在測(cè)量精度要求更高的場(chǎng)合下的應(yīng)用 。 距離是在不同的場(chǎng)合和控制中需要檢測(cè)的一個(gè)參數(shù) ， 測(cè)距成為數(shù)據(jù)采集中要解決的一個(gè)問題。而由于超聲波的速度相對(duì)光速小的多 ， 其傳播時(shí)間比較容易檢測(cè) ，并且易于定向發(fā)射 ， 方向性好 ， 強(qiáng)度好控制 ， 因而人類采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用超聲波特性、電子技術(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。因?yàn)樗欠墙佑|式的，所以它就能夠在某些特定場(chǎng)合或環(huán)境比較惡 劣的買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 2 情況下使用 。 比如要測(cè)量有毒或有腐蝕性化學(xué)物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 我國(guó) 超聲波 檢測(cè)技術(shù)是從無到有，從低級(jí)階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。 超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化。 五十年代，我國(guó)開始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國(guó)的 聲波檢測(cè)儀，重達(dá) 24各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測(cè)中取得了較好的效果。 五十年代末六十年代初 ， 國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出 非金屬超 聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約20儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門使用不多。直至七十年代中期，因 超聲波 檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的 儀器。 1976 年，國(guó)家建委科技 公 司主持召開全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土 超聲波 檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國(guó) 6 個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此， 超聲波 檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。 隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件， 更有利于 超聲波檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞 超 聲波測(cè)試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重 10十年代，英國(guó) 司推出僅有 攜式超聲儀。 1978 年 10 月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出 便攜式超聲波檢測(cè)儀。該儀器采用 路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有 ， ， 超聲波檢測(cè)儀。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣應(yīng)用 超聲波 檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著檢 測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單片機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)，記錄，存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象。其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 2000A 型超聲分析檢測(cè)儀，是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器，全部操作都處于微處理器的控制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操 作簡(jiǎn)單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 3 關(guān)程序的開發(fā)。與國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上是最大的節(jié)約。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。高智能化檢測(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基本情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足 用戶的要求。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號(hào)已超過國(guó)外同類儀器水平。 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 ， 出現(xiàn)了微波雷達(dá)測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。前 2 種方法由于技術(shù)難度大 ， 成本高 ， 一般僅用于軍事工業(yè) ， 而超聲波測(cè)距則由于其技術(shù)難度相對(duì)較低 ， 且成本低廉 ,適于民用推廣。超聲測(cè)距在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高。例如。隨著汽車智能 化的發(fā)展，中國(guó)城市汽車的保有量迅速增加。隨之而來的是交通事故與日俱增，城市里尤其突出。智能交通系統(tǒng)是二十一世紀(jì)交通運(yùn)輸?shù)闹匾l(fā)展方向，這里就可以用到超聲測(cè)距判斷汽車前方障礙物的情況，及時(shí)向司機(jī)傳達(dá)信息。還有在水中探測(cè)，軍事，醫(yī)療中的超聲診斷和治療等方面有重要作用，而且測(cè)量精度在不斷的提高，另外在移動(dòng)機(jī)器人研制也廣泛應(yīng)用。為了使移動(dòng)機(jī)器人能自動(dòng)避障行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）。目前這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展迅速，不斷提出新課題，具有廣闊的發(fā)展前景。 文研究?jī)?nèi)容 究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)要求我們先要掌握充足的理論知識(shí)，著重理論聯(lián)系實(shí)際， 培養(yǎng)理論分析的能力，檢索資料的能力、電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能力、實(shí)際動(dòng)手的能力、分析排除故障的能力。通過該課題的設(shè)計(jì)，讓自己學(xué)習(xí)到超聲測(cè)距的相關(guān)知識(shí)，包括對(duì)超聲波，傳感器學(xué)習(xí)，超聲波傳感器的應(yīng)用， 了解了超聲波與其他學(xué)科的關(guān)系，擴(kuò)大了知識(shí)面，培養(yǎng)了自己分析問題，解決問題，實(shí)際動(dòng)手的能力。 本設(shè)計(jì)從 51 單片機(jī)、超聲波傳感器的原理和特性出發(fā)，對(duì)超聲波測(cè)距 技術(shù)中的控制、信息采集技術(shù)進(jìn)行了較買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 4 為詳盡的分析，參照工程設(shè)計(jì)的基本方法，分析系統(tǒng)可行性、可靠性后， 確立結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的基本思路。 從各功能模塊一一設(shè)計(jì)。 該儀器是由 +5V 穩(wěn)壓電源提供驅(qū)動(dòng)，利用超聲波在空氣中傳播遇障礙物反射的原理，以超聲波探頭為接口部件，應(yīng)用單片機(jī)技術(shù)計(jì)算超聲波在空氣中傳播的時(shí)間（超聲波的速度為聲速）并處理成相應(yīng)的距離，然后再通過 示距離。 章節(jié)主要內(nèi)容 論文第一章闡述了本課題的研究背景。第二章確立了系統(tǒng)的總體方案和系統(tǒng)各模塊的方案選擇比較，以及方案實(shí)施。第三章是對(duì)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)。采用 51 單片機(jī)作為控制單元，設(shè)計(jì)超聲波收發(fā)電路，系統(tǒng)電源，顯示單元，溫度補(bǔ)償單元等。第四章介紹了 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，利用結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)思想，畫出了各部分的程序流程圖。第五章分析了本系統(tǒng)的調(diào)試過程。 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 5 第 2 章 系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì) 本課題要設(shè)計(jì)制作是一個(gè)數(shù)顯超聲波測(cè)距儀。對(duì)象是測(cè)距儀與被測(cè)物之間的距離，要求檢測(cè)時(shí)間小于 況下測(cè)量范圍在 m，測(cè)量精度為 5并且測(cè)量時(shí)測(cè)距儀不能與被測(cè)物體直接接觸，以及用 示結(jié)果等要求。這一章主要介紹了 超聲波測(cè)距原理， 系統(tǒng)方案的選擇比較 與 實(shí)施，為后一章節(jié)的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)提供依據(jù)。 聲測(cè)距 理論基礎(chǔ) 聲波 介紹 與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播 。 我們知道，電磁波的傳播速度為 3810 m s，常溫下，超聲波在空氣中的傳播速度大約為 340 m s，其速度相對(duì)電磁波是非常慢的。超聲波在相同的傳播媒體里 (大氣條件 )傳播速度相同，即在相當(dāng)大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動(dòng)的傳播方向與振動(dòng)方向一致，是縱向振動(dòng)的彈性機(jī)械波，它是借助于傳播介質(zhì)的分子運(yùn)動(dòng)而傳播的，波動(dòng)方程描述方法與電磁波是類似的 。 A = A(X) t+ (2 A(X) = 0 (2式中， A(X)為振幅，0 為圓頻率， k=2/為波數(shù)， 為波長(zhǎng)， 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 =a 2f (2式中， 空氣里 ， a=2 13 210s /振動(dòng)的聲波頻率 f=40聲波 )代入式 (2得 : =3 2 4110 ，即 1 =31m；若 f=30 1 =56m。它的物理意義是：聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗。在 (1 )長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來的 此可以看出，頻率越高，衰減得越厲害，傳播的距離也越短?？紤]實(shí)際工程測(cè)量要求，在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀時(shí)，選用頻率 f=405。 聲波傳感器 傳感器行業(yè)是知識(shí)密集、技術(shù)密集的行業(yè)，它與許多學(xué)科有關(guān)，它的種類繁多。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥I文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 6 頻率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有： 1、 壓電傳感器； 2、 磁致伸縮傳感器； 3、 靜電傳感器。 流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為 哨 或 笛 。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸 鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電 陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為0就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波 一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 雙壓電晶片如圖 2示，當(dāng)在 施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。雙壓電晶片的等效電路如圖 2示， C 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻，買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 7 電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率0f。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率 一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器 12。 圖 2壓電晶片示意圖 圖 2壓電晶片等效圖 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超 聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作 用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 感器的指向角 傳感器的指向角是聲束半功率角的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，它直接影響測(cè)距的分辨率。對(duì)圓片傳感器來說，它的大小與工作波長(zhǎng) ，傳感器半徑 公式（ 2 )2( 2( = （ 2 選 0= 向角 近似于傳感器半徑成反比 。 指向角 愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑 于目前電子市場(chǎng)的買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 8 壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本次設(shè)計(jì)成本，在不降低空間分辨率的情況下，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑 r= )26 1 r c s r =75o 。 量盲區(qū) 在傳感器以脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí) ，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)儀器阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離成為盲區(qū)，其具體分析如下： 當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一段極短時(shí)間，但是停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定的余振（由于機(jī)械慣性作用）。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的 發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平外，接收探頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使在離探頭較近的表面發(fā)射回來的信號(hào) ， 也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來愈長(zhǎng)，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測(cè) 過程 中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定閾值即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接收 放大器由輸入信號(hào) 9。 減小盲區(qū)的方法有以下幾種措施 ： 1、 壓縮發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個(gè)脈沖，可使余震 (拖尾 )減少，此法常用于短距離測(cè)量距離。 2、 采用自動(dòng)距離增益控制 采用具有自動(dòng)增益控制功能的接收放大器，使近距離的增益很小，遠(yuǎn)距離時(shí)的 增益較大，這樣一方面發(fā)射信號(hào)的余震幅度變小， 相應(yīng)的延續(xù)時(shí)間縮短，可以分辨 出近處的接受回波信號(hào)，故可使盲區(qū)減少。另一方面，可使遠(yuǎn)處的回波信號(hào)的幅度 增大，以提高測(cè)量的精度。 3、 信噪比問題 超聲波測(cè)距儀都有確定的量程。量程主要決定于接收信號(hào)的幅值應(yīng)大于 規(guī)定的 閾值。這個(gè) 閾 值決定信噪比。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀器一樣，買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 9 另一類為機(jī)械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對(duì)液介式超聲測(cè)距儀，工作頻率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。而氣介式超聲回波測(cè)距儀，一般頻率都較低，易引入工業(yè)噪聲。這時(shí)要求對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。 聲波測(cè)距 原理 超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本儀器采用超聲波渡越時(shí)間檢測(cè)法。其原理為：檢 測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即渡越時(shí)間。渡越時(shí)間與氣體中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x?？紤]實(shí)際情況，采用異地脈沖反射式來測(cè)距，即需測(cè)距離是聲波傳輸距離的一半 。 L=1/2 （ 2 式中， 下式計(jì)算測(cè)量誤差 為 L T (2式中，L為測(cè)距誤差， 為時(shí)間測(cè)量誤差，V為聲速誤差。若要求測(cè)距 誤差小于 0 0知聲速 V =344m s( 020 ，忽略聲速誤差，那么測(cè)量時(shí)間的誤差 為 / 0 . 0 1 / 3 4 4 0 . 0 0 0 0 3S (2顯然，直接用秒表測(cè)時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測(cè)距必須避開直接測(cè)量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測(cè)長(zhǎng)精度。這里利用單片機(jī)計(jì)數(shù)的方法，間接測(cè)量時(shí)間，可以把聲波傳播的時(shí)間精度提高到所需的準(zhǔn)確度。也就是對(duì)渡越時(shí)間的計(jì)算 。 超聲波測(cè)距原理圖如圖 2 發(fā)射換能器 a 障礙物 L S 接收換能器 圖 2聲測(cè)距原理 圖 買文檔就送您 紙全套， Q 號(hào)交流 401339828 或 11970985 10 障礙物 超聲換能器 超聲換能器 接收電路 發(fā)射電路 主 控 制 器 顯示單元 溫度測(cè)試 平轉(zhuǎn)換 從圖 2可以看出，由于本設(shè)計(jì)采用收發(fā)分體換能器，發(fā)射換能器和接收換能器存在一定夾角。我們實(shí)際得出的距離是 S，本設(shè)計(jì)近似 S=L，所以我們 可以用上面的公式計(jì)算出 L，測(cè)出距離 7。 聲測(cè)距系統(tǒng)組成 超聲波測(cè)距儀整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)來控制，啟動(dòng)測(cè)量時(shí)，由單片機(jī)發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)去觸發(fā)發(fā)射電路，使發(fā)射電路起振，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)射出一串超聲波脈沖 (大約十幾個(gè)脈沖 )，同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)的計(jì)時(shí)器，開始計(jì)時(shí)，也就是開始測(cè)量渡越時(shí)間。當(dāng)這些脈沖到達(dá)被測(cè)目標(biāo)時(shí)，發(fā)生反射，經(jīng)空氣傳播被超聲波接收器 接收，再由放大電路進(jìn)行放大。接收到的第一個(gè)脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的計(jì)數(shù) 器，使計(jì)數(shù)停止。此時(shí)，計(jì)數(shù)器中的值， 根據(jù)這個(gè) 值 就可以算出時(shí)間 。 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理框圖如圖 2 圖 2聲波測(cè)距原理框圖 統(tǒng)的收發(fā)過程 超聲波收發(fā)的一般過程是：發(fā)生器產(chǎn)生振蕩波，通過換能器，電能的振蕩波轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的超聲波，遇到障礙物后，一部分超聲波反射回來，換能器又將超聲