超聲波測(cè)距傳感器及其在卷徑測(cè)量中的應(yīng)用畢業(yè)論文

1、XX理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）超聲波測(cè)距傳感器及其在卷徑測(cè)量中的應(yīng)用學(xué)院（系）： 信息學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 信息工程專業(yè)XX班 學(xué)生姓名： XX 指導(dǎo)教師： 周 X 學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包括任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名： 年 月 日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保障、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向有關(guān)學(xué)位論文管理部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)省級(jí)優(yōu)秀學(xué)士論文

2、評(píng)選機(jī)構(gòu)將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)2、不保密囗 。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名： 年 月 日導(dǎo)師簽名： 年 月 日XX理工大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)任務(wù)書(shū) 學(xué)生姓名 XX 專業(yè)班級(jí) 信息XX班 指導(dǎo)教師 周X 工作單位 信息工程系 設(shè)計(jì)(論文)題目: 超聲波測(cè)距傳感器及其在卷徑測(cè)量中的應(yīng)用設(shè)計(jì)（論文）主要內(nèi)容： 熟悉和了解超聲波測(cè)距傳感器的需求，理解和掌握超聲波測(cè)距的原 理，掌握超聲波測(cè)距傳感器的設(shè)計(jì)，并完成超聲波測(cè)距傳感器的仿真和調(diào) 試， 同時(shí)還要熟悉和掌

3、握仿真軟件Proteus軟件、Keil軟件、Protel軟 件的電路設(shè)計(jì)、 仿真和調(diào)試功能以及51單片機(jī)的設(shè)計(jì)運(yùn)用。 要求完成的主要任務(wù):1、查閱不少于15篇相關(guān)資料，其中英文文獻(xiàn)不少于2篇，完成開(kāi)題報(bào)告。2、超聲波測(cè)距傳感器的需求調(diào)查、分析，繪制硬件電路圖和軟件流程圖等，折合不少于3張12#圖紙。同時(shí)，完成要求超聲波測(cè)距傳感器的死區(qū)距離100mm以內(nèi)、測(cè)量距離100mm-1000mm、直徑16mm、模擬量和CAN /485可選、配一個(gè)CAN的通信界面和恒流源，實(shí)現(xiàn)張力控制3、完成超聲波測(cè)距傳感器的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、仿真和測(cè)試。4、完成不少于20000英文字符的英文文獻(xiàn)翻譯。5、完成不少于12000字

4、的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文的撰寫(xiě)和修訂。必讀參考資料： 1 林玉池等.現(xiàn)代傳感技術(shù)與系統(tǒng).機(jī)械工業(yè)出版社，2010.32 Hoefel,A.；Goswami,J.C.Subsurface telemetry in conductive medium for remote sensors.IEEE and Propagation society International Symposium,2003.5 3 蔣全勝.傳感器與檢測(cè)技術(shù).中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社， 2013.1 指導(dǎo)教師簽名 系主任簽名 院長(zhǎng)簽名(章) 武漢理工大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告1、 目的及意義（含國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）研究超

5、聲波測(cè)距傳感器及其在卷徑測(cè)量中的應(yīng)用。要求研究出的超聲波測(cè)距系統(tǒng)能夠在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，并能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)距結(jié)果的顯示。對(duì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)的具體參數(shù)的要求是死區(qū)距離100mm以內(nèi)、測(cè)量距離100mm-1000mm、直徑16mm、模擬量和CAN /485可選、配一個(gè)CAN的通信界面和恒流源，實(shí)現(xiàn)張力控制。超聲波是一種頻率在20khz以上的聲波，作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦裕悍瓷?、折射、干涉、衍射和散射，與物理聯(lián)系緊密，應(yīng)用靈活。超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，并且更適合于高溫、高粉塵、高濕度和強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和

6、物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距作為一種間接、非接觸式、高精度的距離檢測(cè)方法，具有不易受光、電磁波和粉塵等外界因素干擾，對(duì)被檢測(cè)物無(wú)損害以及聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論從精度還是可靠性方面，超聲波測(cè)距都做得比較好。利用超聲波測(cè)距往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制。具有廣泛的應(yīng)用前景。由此可見(jiàn)，對(duì)超聲波測(cè)距的研究具有實(shí)際意義。由于超聲測(cè)距是一種非接觸2檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾等惡劣環(huán)境有一定的適應(yīng)能力。具有少維護(hù)、不污染、高可靠

7、、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測(cè)、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高料位測(cè)量、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別與定位、車輛安全行駛輔助系統(tǒng)乃至地形地貌探測(cè)等許多領(lǐng)域中?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測(cè)距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，

8、就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的超聲波測(cè)3量主要集中在對(duì)010 m固體和液體的測(cè)量，一般測(cè)量精度高，回波穩(wěn)定4。近年來(lái)隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入已廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別等方面。此外在材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。國(guó)外在提高超聲波測(cè)距方面做了大量的研究，國(guó)內(nèi)的一些學(xué)者也作了大量相關(guān)的研究。南昌航空工業(yè)學(xué)院的江澤濤5在溫度對(duì)液體中超聲波速度的影響一文中

9、，洋細(xì)地分析了溫度對(duì)超聲波在液體中傳播速度的影響，導(dǎo)出了超聲波速度同液體壓縮系數(shù)及密度的關(guān)系，研究了壓縮系數(shù)及密度同溫度的關(guān)系，進(jìn)而研究了溫度對(duì)聲速及聲時(shí)的影響， 用實(shí)驗(yàn)測(cè)量了不同的液體成分下的聲時(shí)同溫度的關(guān)系。Figneroa JF，Lamancusa JS6在A method for accurate detection of time of arrival：AnalysiS and design of ultrasonic ranging system一文中，提出一種新的計(jì)時(shí)方法，該方法的原理是回波時(shí)延由峰值時(shí)延和相位時(shí)延相加而得，分別用不同的檢測(cè)方法得到峰值時(shí)延和相位時(shí)延，相加后即得回

10、波的傳播時(shí)間。2、基本內(nèi)容和技術(shù)方案設(shè)計(jì)題目：超聲波測(cè)距傳感器及其在卷徑測(cè)量中的應(yīng)用。技術(shù)方案：1、 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)包括以下幾部分：以單片機(jī)為核心，周圍電路包括顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路、掃描驅(qū)動(dòng)等。 計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。系統(tǒng)組成如圖2.1所示：?jiǎn)纹瑱C(jī)超聲波接收超聲波發(fā)送LED顯示掃描驅(qū)動(dòng)圖2.1 硬件設(shè)計(jì)圖 二、軟件設(shè)計(jì)由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序及顯示子程序等部分。首先對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位的定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端P0和P2清0。然后調(diào)用超

11、聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直接波觸發(fā)，需延遲0.1ms(這也就是測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用12MHz的晶振，機(jī)器周期為1us,當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間）按下式計(jì)算即可測(cè)得被測(cè)物體與測(cè)距儀之間的距離,設(shè)計(jì)時(shí)取20時(shí)的聲速為344 m/s則有:d=(C*T0)/2 =172T0/10000cm（其中T0為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值）（2.1）測(cè)出距離后結(jié)果將以十進(jìn)制BCD碼方式LED,然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。主程序框圖如圖3.2所示：系統(tǒng)初始

12、化開(kāi)始發(fā)送超聲波脈沖等待發(fā)射超聲波計(jì)算距離顯示結(jié)果圖2.2主程序框圖3、進(jìn)度安排13周：查閱相關(guān)資料，完成開(kāi)題報(bào)告。47周：建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)，并分析部分性能811周：設(shè)計(jì)電路原理圖和編好相關(guān)程序。1214周：觀察系統(tǒng)仿真結(jié)果，完成仿真調(diào)試。1517周：完善畢業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，并答辯。4、指導(dǎo)教師意見(jiàn) 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日目 錄摘 要.1Abstract21 緒 論31.1課題的研究背景31.2 研究的目的和意義31.3 研究的主要內(nèi)容42 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理52.1 超聲波概述52.2 壓電式超聲波傳感器原理及特性62.3 超聲波測(cè)距原理83 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)103.1

13、 電路工作原理及設(shè)計(jì)103.2 主要電路具體設(shè)計(jì)及主要元器件介紹103.2.1 電源電路113.2.2 微處理器電路123.2.3 超聲波發(fā)射電路153.2.4 超聲波接收電路153.2.5 顯示電路183.3 具體設(shè)計(jì)步驟.204 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)224.1 軟件設(shè)計(jì)的總體方案224.2 主程序流程圖224.3 子程序流程圖235 超聲波測(cè)距的誤差分析265.1測(cè)量結(jié)果26 5.2誤差分析.26 5.3實(shí)物圖.286 結(jié)論與展望29參考文獻(xiàn)30附錄31致謝36摘 要隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)距離或長(zhǎng)度測(cè)量的要求越來(lái)越高。在社會(huì)生活中應(yīng)用超聲波測(cè)距技術(shù)已很廣泛，如汽車倒車?yán)走_(dá)、測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可

14、以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲測(cè)距技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)具有實(shí)際意義。 本文介紹了一種利用超聲波測(cè)距的系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一種基于單片機(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，以超聲波傳感器為檢測(cè)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(lái)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。通過(guò)單片機(jī)的I/O口控制超聲波發(fā)射電路發(fā)出40KHz的超聲波，反射波經(jīng)由超聲波檢測(cè)接收電路、放大電路送入單片機(jī)外部中斷端，通過(guò)計(jì)算超聲波的發(fā)射和返回的時(shí)間，確定超聲波發(fā)生器和反射物體之間的距離，完成測(cè)距。該系

15、統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)4米內(nèi)測(cè)距，盲區(qū)2厘米。 關(guān)鍵詞： 超聲波；測(cè)距；單片機(jī)AbstractWith the development of society, the demand on the measurement of distance or length is increasing. It is applied widely by ultrasonic to measure distance,such as cars reversing radar，range finder and level measurement and so on.Because of the strong point of

16、ultrasonic, low energy consumption,long distance transporting in media, thus it is practical and significant to measure distance by ultrasonic. In this paper ,it introduces a system to measure distance by ultrasonic,which is based on the STC.The theory is based on the principles of reflection of ult

17、rasonic spreading in the air. The system uses ultrasonic sensors as a detector, and applies MCU and the time difference of ultrosonic spreading in the air to measure the distance. The system consists of the main controller module, ultrasonic transmitter module, ultrasonic receiver module and display

18、 module. The MCU I / O port controls ultrasonic transmitter to send 40 KHz ultrasonic, and the reflecting singal is received by the ultrasonic receiver circuit, and it is amplified,and finally,it starts the interruptor of the MCU.The MCU calculates the time of launch and return of ultrasonic to get

19、the disctance between the ultrasonic generator and the reflective objects. The range of measurement is within four meters,with the blind spot of 2 cm。 Key Words：Ultrasonic； Distance measurement；Microcontroller 1 緒論1.1 課題的研究背景超聲波測(cè)距作為一種典型的非接觸測(cè)量方法，在很多場(chǎng)合，諸如工業(yè)自動(dòng)控制，建筑工程測(cè)量和機(jī)器人視覺(jué)識(shí)別等方面得到廣泛的應(yīng)用。和其他方法相比，如激光測(cè)距、微

20、波測(cè)距等，由于聲波在空氣中傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光線和無(wú)線電波的傳播速度，對(duì)于時(shí)間測(cè)量精度的要求遠(yuǎn)小于激光測(cè)距、微波測(cè)距等系統(tǒng)，因而超聲波測(cè)距系統(tǒng)電路易實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和造價(jià)低，且超聲波在傳播過(guò)程中不受煙霧、空氣能見(jiàn)度等因素的影響，在各種場(chǎng)合均得到廣泛應(yīng)用。然而超聲波測(cè)距在實(shí)際應(yīng)用也有很多局限性，這都影響了超聲波測(cè)距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測(cè)量距離的不同，造成回波信號(hào)的起伏，使回波到達(dá)時(shí)間的測(cè)量產(chǎn)生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過(guò)程中被極大地展寬，影響了測(cè)距的分辨率，尤其是對(duì)近距離的測(cè)量造成較大的影響。其他還有一些因素，諸如環(huán)境溫度、風(fēng)速等也會(huì)對(duì)測(cè)量造成一定的影響，這些因素都限制

21、了超聲波測(cè)距在一些對(duì)測(cè)量精度要求較高的場(chǎng)合的應(yīng)用，如何解決這些問(wèn)題，提高超聲波測(cè)距的精度，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 研究的目的和意義超聲波測(cè)距是一種傳統(tǒng)而實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，和激光、渦流和無(wú)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(wèn)題

22、。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(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)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。 超聲波測(cè)距是一種極有潛力的方法，本文結(jié)合超聲波的特性設(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的超聲測(cè)距系統(tǒng)。1.3 研究的主要內(nèi)容本課題主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一個(gè)超聲波測(cè)距系統(tǒng),由于超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間

23、，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差，最終計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。 課題研究方案是根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用單片機(jī)作為主控制器，控制超聲波的接收和發(fā)射，并用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)用單片機(jī)的定時(shí)器完成因?yàn)椴煌某暡òl(fā)生器產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，本設(shè)計(jì)要進(jìn)行近距離測(cè)量，所以選用利用電氣方式產(chǎn)生超聲波的超聲波發(fā)生器壓電式超聲波換能器。2 超聲波測(cè)距系統(tǒng)的工作原理2.1 超聲波概述聲音是與人類生活緊密相聯(lián)的一種自然現(xiàn)象，人們對(duì)聲音早有認(rèn)識(shí)，在人們的日常生活中存在著各式各樣的聲音。在科學(xué)史上，聲學(xué)是發(fā)展最早的學(xué)科之一。然而，由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到

24、18世紀(jì)，人們才開(kāi)始研究海豚、蝙蝠等動(dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界存在超聲。聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)聲波振動(dòng)頻率的范圍，可以分為次聲波、聲波、超聲波和特超聲波。當(dāng)聲的頻率高到超過(guò)人耳的頻率極限時(shí)，人們就覺(jué)察不出聲的存在，我們稱這種高頻率的聲為超聲。頻率高于人類聽(tīng)覺(jué)上限頻率(約20000Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。超聲波在介質(zhì)中傳輸?shù)乃俣燃唇橘|(zhì)的聲速。它是一秒鐘超聲波等相位面通過(guò)的距離，與介質(zhì)的密度和彈性性質(zhì)有關(guān)。對(duì)于液體介質(zhì)，只能傳播縱波。聲速參數(shù)與聲介質(zhì)、聲阻抗及生衰減等有很大關(guān)系。 聲速是隨著介質(zhì)及其狀態(tài)(如溫度)的不同而不同。如在常溫下，空氣中的聲速約為334m/

25、s，在水中的聲速約為1440m/s，而在鋼鐵中約為5000m/s。除水以外，大部分液體的聲速隨溫度的升高而增加。流體中的聲速隨壓力的增加而增加。聲速與介質(zhì)的許多特性有關(guān)，有的關(guān)系非常直接，可有精確的理論公式，有的關(guān)系比較間接而復(fù)雜，但在特定條件下，也可建立一些經(jīng)驗(yàn)公式，例如介質(zhì)的成分、混合物的比例、溶液的濃度、某些液體的比重等，都可以與聲速建立一定關(guān)系，這樣就可以通過(guò)聲速來(lái)測(cè)定這些特性參數(shù)。由于介質(zhì)的溫度、壓強(qiáng)和流速等狀態(tài)參量的變化都會(huì)引起響應(yīng)的聲速變化，因此出現(xiàn)了超聲溫度計(jì)和超聲流量計(jì)等。在聲速已知的介質(zhì)中，可以利用身波傳播距離L和傳播時(shí)間t的關(guān)系L=vt，進(jìn)行超聲測(cè)距，超聲液位計(jì)和超聲測(cè)厚

26、計(jì)就是這方面的典型應(yīng)用。聲阻抗是當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個(gè)介質(zhì)的分界面上一部分超聲波被反射，另一部分透射過(guò)界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。這樣的兩種情況稱之為聲波的反射和折射。由物理學(xué)可知，當(dāng)波在界面上產(chǎn)生反射時(shí)，入射角的正弦之比等于波速之比，當(dāng)入射波和反射波的波型相同時(shí)，波速相同，入射角度等于反射角。當(dāng)波在界面處生折射時(shí)，入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波在第一介質(zhì)中的波速與折射波在第二介質(zhì)中的波速之比。超聲波在兩種介質(zhì)的界面上的反射能量和透射能量的變化，取決于這兩種介質(zhì)的聲阻抗之比。聲阻抗定義為傳聲介質(zhì)的密度與聲速c的乘積，用Z表示。它是介質(zhì)固有的一個(gè)常數(shù)，它的數(shù)值對(duì)

27、超聲波在介質(zhì)中的傳播非常重要，單位為瑞利(rayl)。超聲波在彈性介質(zhì)中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生能量的衰減，其產(chǎn)生原因可分為三個(gè)方面: (1)由于波前的擴(kuò)展而產(chǎn)生的能量損失； (2)超聲波在介質(zhì)中的散射而產(chǎn)生的能量損失，即散射衰減； (3)由于介質(zhì)內(nèi)耗所產(chǎn)生的吸收衰減。 2.2 壓電式超聲波傳感器原理及特性 為了以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或者超聲波探頭3、4。壓電式超聲波傳感器如圖2.1所示。圖2,1 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲傳感器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲信號(hào)或者將外界聲場(chǎng)中的聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能量

28、轉(zhuǎn)換器件。超聲換能器的種類很多，按照實(shí)現(xiàn)超聲傳感器機(jī)電轉(zhuǎn)換的物理效應(yīng)的不同可將換能器分為電動(dòng)式、電磁式、磁致式、壓電式和電致伸縮式等。目前壓電式換能器的理論研究和實(shí)際應(yīng)用最為廣泛，本文超聲波測(cè)距選用的也是壓電式超聲波換能器。常見(jiàn)的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導(dǎo)體、高分子壓電材料等，壓電效應(yīng)包括正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。逆壓電效應(yīng)是指將具有逆壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于電場(chǎng)中，由于電場(chǎng)作用介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)壓電晶片共振板電極電荷中心發(fā)生位置變化，這種位置變化在宏觀上表現(xiàn)為產(chǎn)生了形變，形變與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。如電場(chǎng)反向，則形變亦相反。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)能產(chǎn)生超聲波。將適當(dāng)?shù)慕蛔冸娦盘?hào)施加到

29、晶體上，品體將發(fā)生交替的壓縮和拉伸，因而產(chǎn)生振動(dòng)，振動(dòng)頻率與交變電壓的頻率相同，若把晶體藕合到彈性介質(zhì)中，晶體將充當(dāng)一個(gè)超聲源的作用，超聲波將被輻射到那種介質(zhì)中。 正壓電效應(yīng)是指當(dāng)對(duì)某電介質(zhì)施加應(yīng)力時(shí)，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負(fù)電荷中心發(fā)生相對(duì)位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號(hào)相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成正比，這種效應(yīng)稱為正壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能(即聲能轉(zhuǎn)換成電能，并用來(lái)接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。超聲波傳感器的基本特性分為頻率特性和指向特性。 1、頻率特性 圖2.2是超聲波的頻率特性曲線。圖中，f0為超聲波發(fā)射器的中心頻率，在f0處，超聲波發(fā)射器產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，

30、也就是說(shuō)，在f0處所產(chǎn)生的超聲波聲壓能級(jí)最高。而在f0兩測(cè)，聲壓能級(jí)迅速減小。因此，超聲波發(fā)射器一定要使用非常接近中心頻率的f0的交流電壓來(lái)激勵(lì)。由圖知，f0為中心頻率，曲線在f0處最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，信號(hào)f0處接收靈敏度最高。因此超聲波接收器具有很好的頻率選擇特性，在構(gòu)成遙測(cè)系統(tǒng)時(shí)一般不再設(shè)置選頻電路。另外，超聲波接收器的頻率特性和輸出端外接電阻有很大關(guān)系，如果R很大，（如大于100K）頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果R較小，（如小于10K）頻率特性曲線變的平滑而且具有放寬的帶寬，同時(shí)靈敏度也隨著降低。并且最大靈敏度向著稍低的頻率移動(dòng)。因此，超聲波接收器應(yīng)

31、于輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。 圖2.2 超聲波發(fā)射傳感器的發(fā)射頻率特性圖 圖2.3 超聲波傳感器指向特性圖2、指向特性 實(shí)際的超聲波傳感器中壓電晶片是個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成1個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波（子波），這些子波沒(méi)有指向性。但離開(kāi)超聲波傳感器的空間某一點(diǎn)的聲壓是這些子波疊加的結(jié)果（衍射），卻有指向性。指向特性用指向圖表示。上圖2.3就是超聲波傳感器的指向圖。超聲波傳感器的指向圖是由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意義是=0聲壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。超聲波傳感器的指向角一般為40度80度5。超聲波傳感器指向特性圖如圖2.3所示。 2.3 超

32、聲波測(cè)距原理超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=

33、340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖2.4所示： 圖2.4超聲波測(cè)距原理圖 H=Scos （3.1） =arctg() （3.2）式中: L-兩探頭之間中心距離的一半. 又知道超聲波傳播的距離為: 2S=vt （3.3）式中:v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。將（32）、（33）代入（3-1）中得： H

34、=vtcosarctg() （3.4）其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=30度 H=vt （3.5）所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H。3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 電路工作原理及設(shè)計(jì)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三部分組成。利用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波和超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)INT0引腳來(lái)控制超聲波的發(fā)送，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT1引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示。

35、圖3.1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2 主要電路具體設(shè)計(jì)及主要元器件介紹電路采用L7805CV作為電源電路將+12V電壓轉(zhuǎn)換為+5V電壓，控制器選用STC12C2052單片機(jī),晶振為11.0592MHZ,單片機(jī)INT0口輸出超聲波換能器所需的40KHz方波信號(hào),由 CX20106A紅外接收芯片和TCT40-10 系列超聲波換能器來(lái)實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的接受和發(fā)射控制，經(jīng)計(jì)算，距離由顯示電路顯示，采用簡(jiǎn)單的3位共陽(yáng)極LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示。 3.2.1 電源電路 電源電路原理圖如圖3.2所示，圖3.2 電源電路原理圖本系統(tǒng)中使用到的電源包括+5V和+12V，其中+12V電壓由直流穩(wěn)壓電源提供，通過(guò)電

36、源接頭提供給電路板。用L7805CV為主的電路將12V電壓轉(zhuǎn)換+5V電壓。L7805CV的外形如圖3.3所示。圖3.3 L7805CV的外形圖這是一個(gè)三端集成穩(wěn)壓電源應(yīng)用電路，整流濾波后得到的+12V電壓，在輸出端即可得到穩(wěn)定的輸出電壓+5V，為了改善紋波電壓，在輸入端接入電容C0，其值為100uF。同時(shí)在輸出端上接入電容C0，其值為100uF,以改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。以防輸出電壓過(guò)高，所以在輸入端和輸出端之間跨接一個(gè)保護(hù)二極管V2(IN4007)，其具體作用是在輸入端短路時(shí)使輸入端和地之間的電容C0通過(guò)二極管放電，以保護(hù)集成穩(wěn)壓器內(nèi)部調(diào)整管。 我國(guó)電源提供的交流電一般為220V，而各種電子設(shè)備

37、所需要的直流電壓的 幅值卻各不相同。因此，常常需要將電網(wǎng)電壓先經(jīng)過(guò)電源變壓器，然后將變換以后的副邊電壓再去整流、濾波和穩(wěn)壓，最后得到所需的直流電壓幅值。直流電源組成如圖3.4所示,圖3.4 直流電源組成圖其中整流電路的作用是利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟?，將正?fù)交替的正弦交流電壓整流成為單方向的脈動(dòng)電壓，但其中包含很大脈動(dòng)成分，距理想電壓還差很遠(yuǎn)。濾波器由電容電感等儲(chǔ)能元件組成，它的作用是盡量將單向脈動(dòng)電壓中的脈動(dòng)成分濾掉，輸出比較平滑的直流電壓，但當(dāng)電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，濾波器輸出的直流電壓的幅度也將隨之變化，在要求比較高的電子電路中這是不符合要求的。穩(wěn)壓電路的作用是采取措施使輸出的

38、直流電壓在電網(wǎng)電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。這個(gè)電源就是根具其基本原組成在其基礎(chǔ)上按實(shí)際需要和實(shí)際情況設(shè)計(jì)的。3.2.2 微處理器電路（下載完整文檔 請(qǐng)聯(lián)系QQ ）5 超聲波測(cè)距的誤差分析5.1測(cè)量結(jié)果硬件電路制作應(yīng)避免出現(xiàn)虛焊或焊接短路的情況，完成并調(diào)試好后，便可將程序文件下載到單片機(jī)芯片試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖個(gè)數(shù)和兩次測(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。如表5.1所示。表5.1 實(shí)際距離與測(cè)量距離誤差關(guān)系實(shí)際距離（cm）15204060120150180200230測(cè)量距離（cm）202040.561119151.5178.5198232.5誤

39、差 （cm）500.5111.51.522.5根據(jù)文中電路參數(shù)和程序，測(cè)距器可測(cè)量的范圍為0.24.0m，在試驗(yàn)中對(duì)測(cè)量范圍0.152.30m內(nèi)的物體做了多次測(cè)試，經(jīng)過(guò)多次測(cè)量發(fā)現(xiàn)，在同一溫度下有如下規(guī)律:(1)對(duì)于同一距離進(jìn)行多次測(cè)量取平均值的方法，所測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較好2m范圍內(nèi)變化平均值誤差最大不超過(guò)20mm;(2)測(cè)量誤差隨著所測(cè)距離的增大而增大。這里的誤差包含兩種:一種是固定誤差測(cè)量的起始位置與探頭的壓電晶片所在位置之間的距離，這種誤差不隨測(cè)量環(huán)境和距離的變化而變化;另一種是可變誤差隨著距離的增大而增大，主要是由接收超聲波越過(guò)閥值的時(shí)間與超聲波實(shí)際到達(dá)探頭的時(shí)間不同引起的。(3)20mm

40、以內(nèi)是盲區(qū)。5.2 誤差分析聲波傳輸速度與媒介的彈性模量和密度相關(guān)，因此，利用聲速測(cè)量距就要考慮這些因素對(duì)聲速影響。在氣體中，壓強(qiáng)、溫度、濕度等因素會(huì)引密變化，氣體中聲速主要受密度影響。液體的深度、溫度等因素會(huì)引起度變化，固體中彈性模量對(duì)聲速影響較密度影響更大。一般超聲波在固體傳播速度最快，液體次之，在氣體中的傳播速度最慢。氣體中聲速受溫度影響最大聲波擾動(dòng)是機(jī)械的，聲波在傳播中帶有機(jī)械能量，聲能傳播的中逐漸轉(zhuǎn)變成熱，從而出現(xiàn)隨距離而逐漸衰減的現(xiàn)象，稱為聲吸收。1、溫度對(duì)聲速的影響在空氣中測(cè)量距離時(shí)，根據(jù)超聲波測(cè)距公式L=CT，可知測(cè)距的誤差是由超聲波的傳播速度誤差和測(cè)量距離傳播的時(shí)間誤差引起的

41、。溫度是影響聲速的主要因素。超聲波的傳播速度受空氣的密度所影響，空氣的密度越高則超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著密切的關(guān)系。 已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： (5.1)式中：氣體定壓熱容與定容熱容的比值 R氣體普適常量 M氣體分子量 T絕對(duì)溫度 近似公式為：C=C0+0.607T (5.2)式中：C0為零度時(shí)的聲波速度323m/s； T為實(shí)際溫度()。 對(duì)于超聲波測(cè)距精度要求達(dá)到1mm時(shí)，就必須把超聲波傳播的環(huán)境溫度考慮進(jìn)去。例如當(dāng)溫度0時(shí)超聲波速度是332m/s,30時(shí)是350m/s，溫度變化引起的超聲波速度變化為18m/s。若超聲波在30的環(huán)境下以0的聲速測(cè)量100m距離

42、所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5mm。表5.1為聲速c與溫度有關(guān)系，如溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返時(shí)間，即可求得距離。在系統(tǒng)加入溫度傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償。本文要求精度不高，所以未加測(cè)溫部分，如果要提高精度這里可以增加DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度模塊，如果想要增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，可在軟硬件上采用抗干擾措施。根據(jù)不同的環(huán)境溫度確定聲速，以提高測(cè)距的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。表5.2聲速c與溫度對(duì)應(yīng)表溫度()-30-20-100102030100聲速（m/s）31331932532333

43、83443493862、濕度對(duì)超聲波衰減程度的影響聲波傳播過(guò)程中，聲壓的幅度由于媒質(zhì)中聲吸收而衰減，聲強(qiáng)隨頻高衰減增加，進(jìn)而濕度對(duì)超聲波衰減程度有一定的影響。3、硬件電路引起的時(shí)間誤差由于收發(fā)電路對(duì)信號(hào)的處理會(huì)對(duì)回聲時(shí)間產(chǎn)生y個(gè)固定的延遲時(shí)間從而引出一定的測(cè)量誤差. 另外，在測(cè)量過(guò)程中測(cè)量的起始位置與探頭的壓電晶片所在位置之間一定的距離，也對(duì)測(cè)量結(jié)果造成一定的誤差，但是這種誤差不隨測(cè)量環(huán)境距離的變化而變化，屬于固定誤差。需要進(jìn)行硬件調(diào)試才會(huì)有所改善，但是不可能完全消除。5.3 實(shí)物圖（下載完整文檔 請(qǐng)聯(lián)系QQ ）6 結(jié)論與展望隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)距離或長(zhǎng)度測(cè)量的要求越來(lái)越高。超聲波測(cè)距由于其

44、能進(jìn)行非接觸測(cè)量和相對(duì)較高的精度，越來(lái)越被人們所重視。本設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀，可以對(duì)不同距離進(jìn)行測(cè)試，并可以進(jìn)行一定的誤差分析。本文以檢測(cè)距離為目標(biāo)，對(duì)超聲波的工作原理、超聲波測(cè)距主要誤差來(lái)源作了相應(yīng)的分析。針對(duì)精度的要求，提出了帶有溫度補(bǔ)償?shù)某暡ń缑鏅z測(cè)系統(tǒng)，并在軟件和硬件上實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)。圍繞如何開(kāi)發(fā)基于單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)進(jìn)行了如下的工作：(1)探討了超聲波測(cè)量技術(shù)，分析了超聲波測(cè)距的誤差來(lái)源，提出了系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思想。(2)設(shè)計(jì)了以STC12C2052單片機(jī)為核心的超聲波界面檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示的特點(diǎn)。(3)在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的軟件需要實(shí)現(xiàn)的功

45、能進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主程序流程，分析各個(gè)中斷程序和主程序之間的關(guān)系，用匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言逐個(gè)實(shí)現(xiàn)了各自的功能模塊。由于個(gè)人能力及試驗(yàn)條件有限，我的設(shè)計(jì)還有很多不足之處，系統(tǒng)雖然能實(shí)現(xiàn)基本的功能，但投入使用時(shí)仍需要對(duì)系統(tǒng)作進(jìn)一步的完善和提高：(1)超聲波的測(cè)量距離與環(huán)境直接相關(guān)，由于本設(shè)計(jì)中所用設(shè)定溫度為常溫，故應(yīng)用范圍相對(duì)較小。如果需要擴(kuò)大測(cè)距范圍，可以根據(jù)實(shí)際情況添加更合適的溫度傳感器。(2)由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，本設(shè)計(jì)未能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集，所有實(shí)驗(yàn)僅局限于實(shí)驗(yàn)室，這與實(shí)際測(cè)量有一定差距。(3)超聲波探頭相對(duì)安裝位置的影響，渡越時(shí)間延遲造成的誤差及其他誤差源的存在，從軟件角度，使用一些數(shù)據(jù)處理算法，消除誤差干擾，提高測(cè)量精度。參考文獻(xiàn)1 王瑩.高精度超聲波測(cè)距儀的研究設(shè)計(jì)D.華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006