1、2.1 超声波传感器的概述2.1.1 超声波传感器的含义 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。2.1.2 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和
2、接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF。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33
3、1.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M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。 超声波发生器可以分为两类：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。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。2.2 超声波传感器的特点 超声波传感器实质上是一种可逆的换能器。一方面，它将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波;另一方面，它又将接收的超声波能量转变为电振荡。因此超声波传感器可分
4、为发送器及接收器。典型的产品是在空气中传播的小型超声波传感器。2.3 超声效应 当超声波在介质中传播时，由于超声波与介质的相互作用，使介质发生物理的和化学的变化，从而产生一系列力学的、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应：1.机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化（见电介质物理学和磁致伸缩）。2.空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内
5、局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。3.热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。4.化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过
6、氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这表明空化作用使分子结构发生了改变 。2.4 超声波传感器的应用1.超声波距离传感器技术的应用 超声波传感器包括三个部分:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压激励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发
7、出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在合适的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体表面与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。 2.超声波传感器在医学上的应用 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、
8、显像清晰、诊断的准确率高等。3.超声波传感器在测量液位的应用 超声波测量液位的基本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比拟的优点:（1）无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;（2）其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。4.超声波传感器在测距系统中的应用 超声测距大致有以下方法:取输出脉冲的平均值电压,该电压 （其幅值基本固定）与距离成正比,测量电压即可测
9、得距离;测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S=1/2vt。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。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。3 单片机的介绍3.1 单片机的定义 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。3.2 单片机的特点系统单片机主要有如下特点：1.有优异的性能价格比。2.集成
10、度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。3.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。5.外部总线增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI（Serial Peripheral Interface）等串行总线方式，进一步缩小了体积
11、，简化了结构。6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用。3.3 单片机的应用单片机的应用范围很广，在以下各个领域有广泛的应用： 1.工业自动化。主要是过程控制技术、数据采集、测控技术和机电一体化技术（机器人）。 2.智能仪器仪表。用于提高仪器的精度和准确度。 3.消费类电子产品。主要是家电领域。像洗衣机、电冰箱、空调、电视、微波炉、手机、IC卡、汽车电子设备等。 4.通信方面。用于调制解调器、程控交换技术以及各种通信设备。 5.武器装备。飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统等都有单片机深入其中。 6.终端机外部设备控制。计算机网络终端设备如
12、银行终端以及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、传真机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。 7.多机分布式系统。可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机进入了一个新的水平。3.4 AT89C51单片机的介绍3.4.1 系统概述AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51 ? 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组
13、合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。3.4.2 AT89C51的特点1.与MCS-51 兼容2.4K字节可编程闪烁存储器3.寿命：1000写/擦循环4.数据保留时间：10年5.全静态工作：0Hz-24Hz6.三级程序存储器锁定7.128*8位内部RAM8.32可编程I/O线9.两个16位定时器/计数器10.5个中断源11.可编程串行通道3.4.3AT89C51单片机的优越性内部程序存储器ROM：4K的flash程序存储器；内部数据存储器RAM：256B（128B的RAM+21B的SFR）；寄存器区：4个寄存器区，每个
14、区有R0-R7八个工作寄存器；8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3；定时/计数器：2个16位的定时/计数器 T0、T1；串型口：全双工串行端口（RXD：接收端、TXD发送端）；中断系统：设有5个中断源（T0、T1、Int0、Int1、ES）；系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM；堆栈：设在RAM单元、位置可以浮动（通过指针SP来确定堆栈在RAM中的位置）系统复位时SP=07H；布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算；指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类。3.4.4 AT89C51单片机的引脚图图3.1 A
15、T89C51单片机的引脚图3.4.5AT89C51单片机引脚和封装定义表32为AT89C51单片机引脚和封装定义表格引脚名称F226,F230,48F221,F231,32类型说明VDD11,318数字电源GND5,6,8,139地XTAL1156模拟输入为晶体或陶瓷谐振器的内部振荡电路XTAL2147模拟输出为晶体或陶瓷谐振器的激励驱动器P0.0/TX3928数字I/O口模拟输入端口0位0P0.1/RX3827端口0位1P0.2/INTO3726端口0位2P0.3/INTI3625端口0位3P0.4/TO3524端口0位4P0.5/T13423端口0位5P0.6/T23322端口0位6P0.
16、73221端口0位7P2.016端口2位0P2.1端口2位1P2.2端口2位2P2.313端口2位3P2.411端口2位4P2.512端口2位5P2.6端口2位6P2.7端口2位74 汽车倒车测距仪的硬件设计4.1 设计的思路本系统的设计思想是采用以AT89C51单片机为核心，来设计一种低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。 超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用S=Ct/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。当然还可以设置若干个键，以用来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存有四个因素:超声波的幅度，反射面的质地，反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换
17、能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。 根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。4.2 设计的重点与难点本设计的任务是设计一个超声波测距仪，可以应用于汽车倒车位置监控，也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。测量范围在0.10-4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，能够手工设定报警量值。系统组成的设计：各部分硬件的选取很有讲究，要十分合理。设计的难点是：1超声波信号的接收、发射的设计2显示电路设计3流程图及程序的设计4.3
18、硬件设计的基本原理及原理图4.3.1 超声波发生器 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，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。为了使汽车能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。本文所介绍的超声波测距系统，就是为汽车了解其后方环境而提供一个运动距离信息。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：电气
19、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。4.3.2 压电式超声波发生器 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。，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振荡频率时，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器了。4.3.3 超声波发射器基本原理 超声波发射器向某一方向发射
20、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=340*t/2 。这就是所谓的时间差测距法。 超声波在空气中的传播速度与声速相当，约为340m/s.从信号放射到遇障碍物反射接收，有几毫秒至几十毫秒的时间间隔，可以根据这个时间间隔来计算出障碍物到超声波信号发射体的距离。电路框图如图4.1所示。超声波超声波接收电路嘟声声响电路图4.1电路框图4.3.4 电路原理图 电路如图4.2所示。图为汽车倒车测距仪的电原理图，其
21、中3位数码管用来显示所测距离，由P1口输出8段段码，P2.0-P2.2输出3位位码。P2.6控制倒车指示灯VD1，倒车指示灯VD1亮。其它外围电路分析如下。图4.2 汽车倒车测距仪电原理图140KHZ超声波发射电路 电路如图4.3所示。4011的两个“与非”门E,F组成多谐振荡器，调节RP1可调节谐振频率。P2.4口控制多谐振荡器的振荡。P2.4输出高电平时，电路振荡，发射40KHZ超声波；P2.4输出低电平时，停止发射。下图为超声波发射电路原理图图4.3 40KHZ超声波发射电路2.嘟声音响电路 电路如图4.4所示。4011的另外两个“与非”门G,H组成多谐振荡器，谐振频率约为800HZ。P
22、2.5控制多谐振荡器振荡，高电平时发出嘟声，低电平时无声。CPU可根据距离远近控制P2.5输出方波的频率，即控制嘟声的间隙时间。LM386是集成功率放大器，作为功率放大器件，驱动扬声器发声。下图为嘟声音响电路：图4.4嘟声音响电路图3.回波接收电路 电路图如图4.5所示。它接收由障碍物反射回来的超声波。其中，LM324的3个运算放大器A,B,C组成3级回波信号放大电路。其中L1,C9组成选频电路，滤除40KHZ以外的干扰信号。D2、C12组成信号整流滤波电路，将接收到的40KHZ反射波交流信号转化为直流电压信号。LM324的第四个运放D作为电压比较器，将信号直流电压与设定的基准电压比较，当信号
23、电压大于基准电压时，比较器输出正脉冲，V5导通，P0.0接收负脉冲信号，CPU中断，记录发射信号与接收信号之间的时间，并换算为距离。图4.5 回波接收电路5 超声波汽车倒车测距仪软件设计5.1 主程序编制及流程图5.1.1 编制要点及流程图 图5.1为主程序流程图，。开机后先显示“-”亮灯并发声约0.5s，表示开始工作。T0用于记录发射至接收的时间间隔t（单位为ms）。初始化后，程序控制发射40KHZ的超声波信号，发射开始立即启动定时器T0开始计时。发射时间为1ms。CPU接收回波信号后，立即产生INT0中断同时T0立即停止计数。定时器T0专门用于记录CPU发射脉冲信号前沿至回波脉冲信号前沿之
24、间的距离t,由此时间可换算出障碍物的距离，并决定嘟声间隙。可设定T1的定时值，用来控制嘟声间隙时间和闪烁显示时间。考虑到汽车倒车测距精度不高，为了使计算简化，取空气中声速为340m/s,或34cm/ms,则障碍物距离为d=（t*34cm/ms）/2=t*17cm/ms.5.1.2 主程序的编制$ include （at89c51000.inc）;-ORG 000H LJMP MAIN ;转主程序ORG 0003H LJMP INTO ；转外部中断0ORG 001BH LJMP IT1 ；转定时器1中断-主程序OGR 1000HMAIN: MOV SP,#60H ；堆栈指针 MOV P1,#00
25、H ；停显示 CLR P2.4 ；不发射超声波 SETB P2.6 ；指示亮灯 SETB P2.5 ；发嘟声 MOV 40H,#02H ；显示符号“-”进显示单元 MOV 41H,#02H MOV 42H,#02H MOV 32H,#160 ；置显示循环数 LCALL DIR ；调用显示子程序 MOV IP,00000001B ；置INTO为高优先级中断 MOV XBR2,#40H ；配置弱上拉，交叉开关允许 MOV XBR1,#04H ；INTO连到P0.0 MOV OSCICN, # 06H ；选用内部晶振8MHZ MOV WDTCN, # 0DEH ；禁止看门狗 MOV WDTCN,# 0ADH MOV TM0D, #00010001B ；置T0,T1定时器方式1MOV TH1,# 0B1H ；置T1计时常数为30ms,用于控制嘟声 方波脉宽 MOV TL1,#0D2H SETB TR1 ；启动T1 MOV
