1、目录 目录 . - 0 - 摘 要 . - 1 - Abstract . - 2 - 1 绪论 . - 3 - 1.1 超声波测距概述 . - 3 - 1.2 设计任务和功能要求 . - 3 - 2 超声波测距原理 . - 5 - 2.1 超声波的基础知识 . - 5 - 2.1.1 超声波的波型及其传播速度 . - 5 - 2.1.2 超 声波的反射和折射 . - 6 - 2.1.3 声波的衰减 . - 7 - 2.2 超声波发生器 . - 7 - 2.3 压电式超声波发生器原理 . - 8 - 2.4 超声波测距原理 . - 8 - 3 硬件电路的设计 . - 10 - 3.1 芯片选型
2、. - 10 - 3.1.1 单片机 AT89C51 性能介绍 . - 10 - 3.1.2 超声波接收芯片 CX20106A 性能介绍 . - 13 - 3.2 超声波测距系统框架图 . - 15 - 3.3 系统硬件电路的设计 . - 16 - 3.3.1 单片机系统及显示电路 . - 16 - 3.3.2 超声波发射电路 . - 17 - 3.3.3 超声波检测电路 . - 18 - 4 系统软件设计 . - 20 - 4.1 主程序设计 . - 20 - 4.2 超声波发射子程序和超声波接收中断程序 . - 21 - 4.3 LED 动态显示程序 . - 21 - 5 系统调试及误差分
3、析 . - 24 - 5.1 调试 . - 24 - 5.2 性能分析 . - 24 - 5.3 误差分析 . - 24 - 5.3.1 发射接收时间对测量精度的影响分析 . - 25 - 5.3.2 测量环境对测量精度的影响分析 . - 25 - 5.3.3 超声波波束对探测目标的入射角的影响 . - 26 - 6 结束语 . - 27 - 致 谢 . - 28 - 参考文献 . - 29 - 附录 1：超声波测距系统电路图 . - 30 - 附录 2：程序清单 . - 31 - 1 摘 要 随着科技的发展，非接触式距离测量在工业中有了广泛应用 。 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中
4、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、易于做到 实时控制，在测量精度方面 也 能达到工业实用的要求 。 全文主要有以下五个部分： 第一部分为绪论，简述了 超声波测距 的发展状况，提出了本研究的研究思路、研究方法和研究意义。 第二部分讲述了一些 超声波 的基础知识及 超声波测距 的原理。 第三部分是超声波测距系统的硬件设计用各使用硬件的性能介绍。 第四部分为系统软件部分的设计。 第五部分描述了系统的调试过程，并形成了结论，并指出了研究的不足。 关键词 超声波 、单片机、 AT89C51、 CX201
5、06A 2 Abstract With the development of technology, non-contact distance measurement in a wide range of industrial applications. Because of the strong points of ultrasonic energy consumption has been slow, medium transmission distance, which is frequently used in ultrasonic distance measurement, such
6、 as the range finder and level measurement, and so can be achieved by ultrasound. Ultrasonic detection often use relatively rapid, convenient and calculation is simple and easy to real-time control, the measurement accuracy can be achieved industrial practical requirements. The full text of the foll
7、owing five major components: Introduction to the first part, Ultrasonic Ranging outlined the development of the proposed ideas of this study, methods and significance. The second part on the basis of a number of ultrasonic ranging knowledge and the principles of ultrasound. The third part is Ultraso
8、nic Ranging System hardware design with the use of hardware on performance. Part IV is divided into part of the system software design. Part V describes the system debug process, and formed a conclusion, and pointed out the lack of research. Keywords Ultrasonic;Microcontroller;AT89C51;CX20106A 3 1 绪
9、论 1.1 超声波测距概述 随着科技的发展，非接触式距离测量在工业中有了广泛应用，常用的技术主要有微波雷达测距、激光测距及超声波测距。激光测距是利用激光的单色性和相干性 ，方向性强等特点实现高精度的计量和检测，如测量长度、距离、速度、角度等等。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。前两种测距方法由于技术难度大，成本高，一般仅用于军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，适于民用推广。由于超声波指向性强，能量消耗缓
10、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、易于做到实时控制，在测量精度方面 也 能达到工业实用的要求 1。 在自动测量和微机技术高速发展的今天，超声波测距的理论已经成熟，超声波测距的应用也非常广泛。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、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
11、，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；而且超声波传感器具有结构简单、体积小信号处理可靠等特点。需要注意的是，超声波在空气中传播速度会随介质温度升高而增加，所以在测距精度要求较高的情况下，应通过温度补偿的方法加以正 2。 1.2 设计任务和功能要求 本设计采用核心成本低，精度高的 AT89C51 或其兼容系列单片机为主控制器，用动态扫描法实现 LED 数字显示， 超声波发射电路由反向器 74LS04 和超声波发生器 T构成， 单片机 P1.0 端口输出的 40kHz 方波信号一路经反向器驱动后发射， 超声波接收电路由红外检波芯片
12、 CX20106A 和超声波发生器 R 构成，回波信号由 单片机 P3.2 端4 口接收，显示电路采用动态显示扫描接口电路， 由四位数码管显示。数码管的段码采用 74LS373 驱动，位码采用另一个 74LS373 驱动。软件设计方面采用 MCS-51 语言 程序编程 。 其具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间且通 俗易懂 。 程序 主要由主程序，超声波发射子程序，超声波接受中 断程序及显示子程序组成。 该系统可应用于汽车倒车，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，管道长度，物位厚度的测量。在环境 040 ， 070 RH 的条件下工作，其测量范围为 0.071
13、.00m，其测量精度为 1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰，稳定的显示测量结果。 5 2 超声波测距原理 2.1 超声波的基础知识 振动在弹性介质的传播称为波动，简称波。其频率在 1620KHz 之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于 16Hz 的机械波，称 为次声波；高于 20KHz 的机械波，称为超声波。 频率在 310831011 Hz 之间的波 ， 称为微波。 声波频率界限图 如图 2-1 所示 。 次 声 波 声 波 超 声 波音 乐语 言 探 测微 波1 011 02 1 031 041 051 061 07 f / H z图 2-1 声波频率界限图 2.1.1 超声
14、波的波型及其传播速度 声源在介质中施力方向与波在介质中传波的方向不同，声波的波形也不同。通常有： （ 1）纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体，液体和气体介质中传播。 （ 2）横波：质点振动方向垂直于波的传播方向的波，它能在固体介质中传播； （ 3）表面波：质点振动介于横波与纵波之间，沿着介质表面传播，其振幅随深度增加而 迅速衰减的波，表面波只在固体的表面传播。 超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度 c为： 1Bac （ 2-1） 式（ 2-1）中 为介质的密度， Ba为绝对压缩系数。它们都是温
15、度的函数，使超声波6 在介质中的传播速度随温度的变化而变化。 2.1.2 超声波的反射和折射 声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射。 另一部分透射过界面，在另一种介质内部继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射，如图 2-2所示。 入 射 波反 射 波介 质 2介 质 1 折 射 波图 2-2 超声波的反射和折射 由物理学知，当波在界面上产生反射时，入射角 的正弦与反射角 正弦之比等于波速之比。当波在界面处产生折射时，入射角 的正弦与折射角 的正弦之比，等于入射波在第一介质中的波速 c1 与折射波在第二介质中的波速 c2之比，即： 12sinsin cc
16、（ 2-2） 声波的反射系数和透射系数可以分别由（ 2-3），（ 2-4）式求得： 2121222011c os()c osIr c osI ()c osccRcc（ 2-3） 2t 1 1 2 20 1 1 2 2I 4 c o sT = I c o scc （ 2-4） 式中： Ir ， I0 ， It分别为入射波，反射波，透射波的声强 ; ， 分别为声波的入射角和折射角。 7 1c1， 2 c2分别为两介质的声阻抗，其中 c1和 c2 分别为反射波和折射波的速度。 2.1.3 声波的衰减 声波在介质中传播时，随 着传播距离的增加，能量逐渐衰减，其衰减的程度与声波的扩散，散射，及吸收等因素
17、有关，其声压和声强的衰减规律为： 0 xxP Pe （ 2-5） 20 xxI I e （ 2-6） 式中 Px ， Ix 为距声源处的声压和声强； x为声波的声源间的距离； 为衰减系数，单位为 Np/cm(奈培 /厘米 )。 声波在介质中传播时，能量的衰减决定于声波的扩散 ，散射和吸收。在理想介质中，声波的衰减仅来自声波的扩散，即随声波传播距离增加而引起声能的减弱。散射衰减是指超声波在介质中传播时，固体介质中的颗粒界面或流体介质中的悬浮粒子使声波产生散射，其中一部分声能不在沿原来方向运动，而形成散射。散射衰减与散射粒子的形状，尺寸，数量，介质的性质和散射粒子的性质有关。吸收衰减是由于介质粘滞
18、性，使超声波介质中传播时造成质点间的内摩擦，从而使一部分声能转化为热能，通过热传导进行热交换，导致声能的损耗 3。 2.2 超声波发生器 超声波是指频率高于 20KHz的机械波，在测距过程 中，声波的发射和接收是通过超声波发生器来完成的，人们习惯称超声波发生器为超声波换能器，换能器就是那种可以把一种形式的能量转化为另一种形式的能量的器件。我们所涉及到的换能器是那种将超声能转化为电能，机械能或其他一些形式能量的器件。可逆换能器是指可以以相等的效率对两种形式的能量做相互转换的那种换能器。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
19、方式产生超声波，另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 4。 8 2.3 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 2-3所示，它有两压电晶片和一个共振板。发射超声波时，压电传感器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。 共 振板
20、电 极压 电晶 片图 2-3 超声波发生器 内部结构图 2.4 超声波测距原理 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。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限 ;声波幅值检测法易受反射波的影响，故本系统采用超声波渡越时间检测法。其原理为 : 检测从超声波发射器发出的超声波，经气体介质的传播到接收器的时间，即渡越时间。渡越时间与气体中的声速相乘，就是声波传输的距离。超声波测距的原理如图 2-4 所示，即超声波发声器 T 在某一时刻发出一个超声波信号，同时计时器开始计时，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就会被超声波接收器 R 接收，于此 同时计时器停止计时。这样，
21、只要算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可以算出超声波发生器与反射物体的距离。该距离的计算公式如下： sd=22vt （ 2-7） 9 其中： d 为被测物与测距器的距离； s 为声波的来回路程 ;v 为声速； t 为声波来回所用时间。 超声波是一种声波，其声速受温度，压强，湿度等因素的影响，其中受温度的影响最大，温度平均每升高一度，声速都会增加约 0.6 米 /秒，在已知温度为 T 的条件下，超声 波的传播速度 V 的计算公式近似为： V=331.5+0.607T （ 2-8） 表 2-1 列出了几种不同温度下的超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速基本是不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方进行校正，声速确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。 TR障碍物图 2-4 超声波测距原理图 表 2-1 不同温度下超声波声速表 温度 / -30 -20 -10 0 10 20 30 100 速度 (m/s) 313 319 325 323 338 344 349 386
