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超声波用于距离测量的优势
&智能超声波距离提示器1．1&什么是超声波测距超声波是指超过人的听觉范围以上(16KHZ)的声波。近二、三十年,特别是近十年来，由于电子技术及压电陶瓷材料的发展，使超声检测技术得到了迅速的发展。超声技术是一门以物理、电子、机械、及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声检测技术是利用超声波在媒质中的传播特性（声速、衰减、反射、声阻抗等）来实现对非声学量（如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流速、流量、液位、厚度、缺陷等）的测定。它的基本原理是基于超声波在介质中传播时遇到不同的界面，将产生反射，折射，绕射，衰减等现象，从而使传播的声时，振幅，波形，频率等发生相应变化，测定这些规律的变化，便可得到材料的某些性质与内部构造情况。与传统超声技术完全不同，新的超声技术具有以下特点：在不破坏媒质特性的情况下实现非接触性测量，环境适应能力强，可实现在线测量。1．2&超声波发生器的种类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：一类是用电器方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波，电器方式包括压电型，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。雅典市超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。结构如下图所示：图1-1&超声波传感器结构图它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有震荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间外未加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片做震动，将机械能转换为点信号，这时它就成为超声波接受器了。2&研究的意义2.1&超声波用于距离测量的优势由于超声波频率较高，沿直线传播，绕射小，穿透力强，指向性强，传输过程中衰减少，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，遇到杂质或分界面时会产生反射波，因而超声波经常用于距离的测量。超声波有两个特点，一个是能量大，一个是沿直线传播，它的应用就是按照这两个特点展开的。超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。2.2&研究的意义本设计采用单片机来实现智能超声波测距，虽其在功能上是不能与商品的，高精度的智能超声波测距仪相比的，但优点在于系统规模较小，器件更换容易，成本低，有一定灵活性。但不适宜用于测量过于精确或者过大的距离，容易产生误差。3&研究的关键技术3.1&频率发生本设计中共用到了两个重要的频率,为了实现输出频率的精确性,在设计时用到了单片机,因为频率发生电路是整个电路的核心,有单片机发生的频率必须准确,否则测得的距离显示会产生很大误差。在考虑整体方案的时候，也想到用一片单片集成电路来完成频率信号的产生及其分类工作，也完全可以实现电路的功能，但是要想实现高精度要求，有些困难。最后还是选择用单片机来完成频率的产生工作。第一个频率，超声波的发射中心频率，信号本来就是40kHz，并由单片机的P3．0口输出。这是由单片机内部的定时器由软件编程所产生，具体需要由程序来设定。第二个频率就是单片机进行数码显示的计数频率，在计算之前首先要明确我们要设计的超声波测距精度是多少，而在本设计中，设计精度为lcm，也是0.01m，超声波发射器的声波传播到反射物，再由反射物反射到接收器，所传播的距离为2倍测量距离，而大家知道，声波在标准气压下15℃的传播速度为341m／s，因此，我们要设计成在一个时钟周期内超声波所传播的距离为0.02mm，这样便可以计算出定时器的溢出频率是341／0.02=17.05×；10&，也就是17.05kHz，这样在一个时钟周期内所测的距离便为0.01m。N个周期所测的距离为N×；0.01m，N个周期有N个方脉冲，也就是说，计数器测得的脉冲数N即为被测距离，不过其单位为0.01m，因此应把计数显示器的小数点点在百位数和个位数之问，那么示值是以“米”为单位，其最大显示值为9.99m。4&设计方案4.1&实现功能本设计主要的实现功能如下：由单片机产生频率为40kHz的方波脉冲信号，超声波发射端发出信号，遇到障碍物返回，被接收端接收到。由单片机计算出探头与障碍物之间的距离，这就是被测距离。技术指标：设计精度为lcm，也就是0.0lm。可测量距离由0m至9.99m。4.2&系统结构系统的基本组成包括：单片机（89C2051），LCD（数码管显示），集成运放（CX20106），集成放大器（LM386），超声波发射，接收探头。智能超声波距离提示器硬件结构框图如下图：4.3&系统方案要使整个系统能够正常、顺利的工作，就得有一个好的硬件和软件。本方案以单片机ATMEL&89C2051为核心，通过对其进行软件编程，实现该单片机对其外围电路的适时控制，并提供给外围电路各种所需的信号，包括频率振荡信号、数据处理信号等等，大大简化了外围电路的设计难度，同时更重要的是该种设计方案大大节省了设计成本，并且由于是采用软件编程技术，所以其移植性能好，在设计电路时可以将其他更多的功能设计进去，而我们在设计电路板时就可以根据自己的设计目的焊接元件。在初始方案设计时，我打算在超声波发射端使用RS触发器CD4013作为门控电路，当R=1；(S=0)时复位，即Q=0；S=l(R=0)时置位，当上电复位时，D触发器CD4013的Q脚输出低电平加到单片机的P3-3口，不启动内部计数器，处于等待状态。在超声波接收端设计了一个信号放大电路，采用两级同相交流放大器，通过参数设置，每一级放大了约20倍，这样经过两级放大后，接收到的超声波信号就被放大了几乎是400倍，完全能够被后续检测电路检测到。接收传感器L2将反射的超声波转换为电信号后，由放大器放大后再送到由U1B、U1C等组成的斯密特整形电路整理成规范的方脉冲。电阻R11和电位器R12为同相端提供直流偏置电位。需要注意的是这两个直流偏置电阻的作用是相当重要的，它可以很好地稳定运放&A741的直流工作点，不致于使其同相输入端出现浮动状态，而造成输入信号不稳定。由于本超声波测距系统精度要求是lcm，故本人在进行距离显示电路部分的设计时用到了三个数码管，其可以显示范围为0．Olm至9．99m，为了节省硬件开销，本距离显示电路没有使用译码器，而是直接有效地利用了单片机的有限端口来进行译码显示，但是最后由于仍然缺少一个端口，故用到了一个二一四译码器74LS139。经过老师指导，对初始设计方案进行修改，将原超声波发射电路改成用芯片LM386发射，不使用原有的门控电路。原超声波接收电路改成用集成CX20106，省掉了之前的放大电路。由于采取了系统优化方案，大大节省了单片机的接口，原本因为单片机机接口不够而扩展的74LS139芯片被省略，数码管位选直接接在单片机接口上。这些优化大大简化了设计的复杂度和焊接时的困难度。在软件方面采用C语言来编程，用C语言来编写目标系统软件，会大大缩短开发周期，且明显地增加软件的可读性，便于改进和扩充。
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& & 1.1 超声波发生器
& & 超声波是一种超过20k的机械波。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。
& & 1.2 压电式超声波发生器原理
& & 压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图1所示。它有两个压电晶片和一个共振板。发射超声波时，压电中的压电晶片受发射电脉冲激励后产生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。接收超声波时，两电极间未外加电，共振波接收到超声波，将压迫压电晶片作振动将机械能转换为电信号。
& & 　　1.3 超声波测距原理
& & 　　超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于共振法的应用要求复杂。在这里使用脉冲反射式。
& & 　　超声波测距原理是通过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C，而根据计时器记录的测出发射和接收回波的时间差t。就可以计算出发射点距障碍物的距离s.即：S：Ct／2。这就是所谓的时间差测距法。由于超声波也是一种声波。其声速c与温度有关。表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大。则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
& & 　　声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距系统的机理。
& & 　　2 系统硬件电路设计
& & 　　ATMEL公司的AT89C51单片机，是一种低功耗、高性能的、片内含有4KB
的8位单片机，工作范围为2.7～6V（实际使用十5V供电）。
& & 　　位数据总线。它有一个可编程的全双工串行通信接El，能同时进行串行发送和接收0通过RXD引脚（串行数据接收端）和TXD引脚（串行数据发送端）与外界进行通信。本超声波测距系统以的AT89C51为中央处理器，其系统原理框图如图2所示。
& & 　　系统上电工作后，由脉冲发生器发出以脉冲信号，该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲，另一方面，触发AT89C51内部定时器T1（由外部中断INT0实现）开始定时；同时由AT89C51控制按时间自动改变放大其增益，即按发射波未到达接收器的传播时问逐渐增大放大器增益。接收到的超身回波经过发大、后，一是直接送给鉴幅器，二是经峰值保持电路提取回波峰值作为阈值的基准信息。AT89C51通过ADC0809采样回波峰值，经过软件加权处理后作为鉴别阈值，再经过0832送给鉴幅器。当回波包络中某个波被鉴别出来时，则立即触发外部中断INT1关闭定时器T1，同时，P1.1设置检测窗口；由TO计数器窗口内鉴别回波个数12，根据n确定下次鉴别给定值的大小，闭环控制至n&5为止。然后从补偿值表中取出与rl对应的补偿值，对T1的计时时问（实际上这是从发射超身波到接收到第一个鉴别回波之问的计数值，计数为lUS，12M品振）进行修正，获得超声波实际的往复传播时问，再通过3字节浮点运算求出距离，由AT89C51串行通信口送显示。本系统每隔5s采样一次环境温度，以修正声速，所以在系统还可以加入温度传感器来监测环境温度，把表l所列的数据做到程序中可进行温度补偿。
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