基于超声波传感器的单片机高精度测量系统设计毕业设计.docx
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基于超声波传感器的单片机高精度测量系统设计毕业设计.docx
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基于超声波传感器的单片机高精度测量系统设计毕业设计
摘要
本论文比较详细介绍了一种基于单片机的超声测距设计系统,该系统是以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用发射超声波与反射回波时间差来测量待测距离。
本系统的安装和使用较方便,价格便宜,并可与无线测控系统配合使用,有非常广阔的应用前景。
超声测距仪的设计原理是以得到更好的系统性能为目的的。
为达到不同的测距范围,单片机可以根据软件来设置远近两种发射模式,即近距离测量时使用8个脉冲串,远距离测量时使用32个脉冲串来增强回波信号,根据回波信号特点来得到了最佳接收机的组成。
论文简单讲述了超声波检测的发展和原理,介绍超声传感器的工作原理及特性,并对于影响测距系统的一些主要参数进行了说明。
在介绍超声测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。
针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。
介绍了AT89S51单片机在系统中的应用,分析了系统各部分的硬件及软件实现。
关键词:
超声波;超声波传感器;超声波测距;单片机
Abstract
Thesystemcouldmeasurecertaindistancewiththetimebetweentransmitwaveandreflectedwaveonconditioninwhichthespeedoftransmittingwaveisfixed.Itiseasytobeinstalledandapplied,lowinpriceandcapableofbeingusedincombinationwithtelemeteringtelecontrolsystemandhasextensiveapplicationprospects.
Theschemeofeachpartisdesignedtoacquirebetterperformanceoftheultrasonicrangefinder.Inordertomeetthedifferentdistancerange,itarrangestwotransmittingmodesinaccordencewithsoftwareinmieroeontroller:
highgainreflcetedwavetofarmodewiththirtytwoPulses,whilelowgainreflcetedwavetonearmodewitheightpulses.Wegetoptimumreceiverthatisbasedonthecharactersofthereceivingwaves.
Thispapersummarizesthedevelopmentandfoundationalprincipleofultrasonicdetection.Thenitpresentstheworkingmechanizationandcharaetersofultrasonicsensor.Atthesametime,itdiscussesanumberofmaintechnicalparameters.Moreover,itproposesthewholestructureofthesystembyintroducingthefunctionofultrasonicdistancemeter.Andthenthetransmission,receive,detection,displaysehemeofthisdistancemetersystemisbroughtout.SpecialaftertheapplicationofAT89S51microcontroller,itanalyzesthehardwareandsoftwarerealizationofeachpartinthissystem.
Keywords:
Ultrasonicwave;Ultrasonicsensor;Ultrasonicdistancemeasurementsystem;Signalchipcomputer.
1绪论
1.1研究的背景和意义
随着科学技术的快速发展,超声波将在测距仪中的应用越来越广。
这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来,超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求,如声纳的发展趋势基本为:
研制具有更高定位精度的被动测距声纳,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳,实现超远程的被动探测和识别;研制更适合于浅海工作的潜艇声纳,特别是解决浅海水中目标识别问题;大力降低潜艇自噪声,改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑,未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步,测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。
在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
随着计算机技术、自动化技术发展,测距与识别问题在工业中变得十分重要。
例如,传统的如钢卷尺接触式测量仪器在测量一定距离时,这种仪器对高于3m的顶板安设困难,且测量不准确;对于横向变形量的测量,若安设于两侧之间,则妨碍人、车来往,如果不固定安设装,则测量精度很低,难以监测微小变形。
在自动化装配、检测、分类、加工与运输等过程中,要对随意放置的工件进行作业,这就必须对工件的位置、形状、姿势、种类自动地进行判别,尤其在在工件运输过程中进行识别,则问题更为复杂与困难,因此人们急切需要各种非接触式的测距仪。
超声检测的原理主要是利用超声波作为载体,即通过超声在媒质中的传播、散射、吸收、波形转换等,提取反映媒质木身特性或内部结构的信息,达到检测媒质性质、物体形状或几何尺寸、内部缺陷或结构的目的。
我国无损检测技术是从无到有,从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产,也大致按此规律发展变化。
1.2超声波检测技术发展综述
高速度,高效率是现代工业的标志,而这是建立在高质量的基础之上的。
设计和工艺人员理应了解:
非均一的组织结构,随机出现的微观,宏观缺陷,常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现,评价。
当然,这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力,使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。
现在,在工业发达国家,无损检测在产品的设计,研制,使用部门已被卓有成效的运用,1981年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立40周年大会的贺信中就说过:
“你们能够给飞机和空间飞行器,发电厂,船舶,汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。
没有无损检测,我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。
”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展,客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。
我国无损检测技术是从无到有,从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。
超声波检测仪器的研制生产,也大致按此规律发展变化。
五十年代,我国开始从国外引进超声波仪器,多是笨重的电子管式仪器。
如英国的UCT-2超声波检测仪,重达24Kg,各单位积极开展试验研究工作,在一些工程检测中取得了较好的效果。
五十年代末六十年代初,国内科研单位进口了波兰产超声仪,并进行仿制生产。
随后,上海同济大学研制出CTS-10型非金属超声检测仪,也是电子管式,仪器重约20Kg。
该仪器性能稳定,波形清晰。
但当时这种仪器只有个别科研单位使用,建工部门使用不多。
直至七十年代中期,因无损检测技术仍处于试验阶段,未推广普及,所以仪器没有多大发展,仍使用电子管式的UCT-2,CTS-10型仪器。
1976年,国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后,国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目,组织全国6个单位协作攻关。
从此,无损检测技术开始进入有计划,有目的的研究阶段。
随着电子工业的飞速发展,半导体元件逐渐代替了电子管器件,更有利于无损检测技术的推广普及。
如罗马尼亚N2701型超声波测试仪,是由晶体管分立元件组成,具有波形和数码显示,仪器重量10Kg。
七十年代,英国C.N.S公司推出仅有3.5Kg重的PUNDIT便携式超声仪。
1978年10月,中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。
该仪器采用TTL线路,数码显示,仪器重量为5Kg。
同期研制出的超声检测仪器还有SC-2型,CTS-25型,SYC-2型超声波检测仪。
从此,我国有了自己生产的超声波仪器,为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。
超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术,其具有高精度,无损,非接触等优点。
目前,已经广泛地应用在机械制造,电子冶金,航海,宇航,石油化工,交通等工业领域。
此外,在材料科学,医学,生物科学等领域中也占具重要地位。
国外在提高超声波测距方面做了大量研究,国内一些学者也做了相关研究。
对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度,二者中以传播时间的精度影响较大,所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。
目前,相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。
超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一,在其发展过程中起着重要的作用,它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。
由于其信号的高频特性,超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析,大部分检测设备仅有A扫描形式,需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论,对检测和分析人员的要求较高,因此,人为因素对检测的结果影响较大,波形也不易记录和保存,不适宜完成自动化检测。
八十年代后期,由于计算机技术和高速器件的不断发展,使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。
目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备,并已成为超声波检测的发展方向。
厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。
该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点,通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。
意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统,采用特殊的发射波形来获得好的回波包络,同时采用对环境噪声进行估测,设置一定的回波开平电路,且采用自动增益的控制放大器,通过这些措施来提高超声波的探测精度。
另外,也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。
这些处理方法都取得了较好的效果。
目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展,数字式超声波检测仪器的发展速度很快。
国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。
国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视,国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美(PANAMETRICS)公司、METEC公司,加拿大的R/DTECH公司,德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等,上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高,在世界上处于领先水平。
随着检测技术研究的不断深入,对超声检测仪器的功能要求越来越高,单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。
进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。
随后具有检测,记录,存储,数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。
超声仪研制呈现一派繁荣景象。
其中,煤炭科学研究院研制的2000A型超声分析检测仪,是一种内带微处理器的智能化测量仪器,全部操作都处于微处理器的控制管理之下,所有测量值,处理结果,状态信息都在显像管上显示出来,并可接微型打印机打印。
其数字和波形都比较清晰稳定,操作简单,可靠性高,具有断电存储功能,其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。
与国内同类产品相比,设计新颖合理,功能齐全,在仪器设计上有重大突破和创新,达到了国际先进水平。
目前,计算机市场价格大幅度下降,采用非一体化超声波检测仪器,计算机可发挥它一机多用的各种功能,实际上是最大的节约。
过去那种全功能的仪器设置,还不如单独的超声仪,计算机可充分发挥各自特点。
高智能化检测仪器只能满足检测条件,使用环境,重复性测试内容等基本情况一样,才可充分发挥其特有功能。
仪器设计也应从实际情况出发,才能满足用户的要求。
综上所述,我国超声波仪器的研制与生产,有较大发展,有的型号已超过国外同类仪器水平。
1.3论文内容简介
在本论文的第一章当中,着重介绍课题的设计的相关意义目的等;在接下来的第二章中,论文有详细的介绍了超声波测距仪的原理综述及传感器的参数选择;在第三章又描述了超声波测距仪的总体硬件设计,和各部分电路的组成,最后简单介绍一下AT89C51单片机;第四章,介绍超声波测距仪的软件设计。
第5章,对本文进行总结,并对课题如果能进行下一步的设计的展望,总结缺陷。
2超声波测距系统总体设计
2.1超声波和超声波传感器
2.1.1超声波
⑴超声波及超声波波形的介绍
在科学史上,人们很久以前对声音信号就有了认识,我们生活的世界充满了各种可听的声信号。
声学是最早发展的学科之一。
我国两千多年前的先秦时期,在乐律和乐器的研究方面,对声学的发展作出了重要的贡献。
在国外,19世纪,声学已成为具有现代意义的科学并发展到相当高的水平。
然而超声波人们发现的就相对晚一点了。
由于超声是人耳听不到的信号,直到18世纪,人们在研究蝙蝠、海豚等动物时,才推测自然界中存在超声。
我们知道以前在物理课中学过,人们可听到的声音频率为20HZ-20KHz,即为可听声波,超出频率范围的声音,即20Hz以下的声音称为低频声波,频率高于人类听觉上限频率(约20KHz)的声波,称为超声波,或称超声。
声波的速度越高,越与光学的某些特性如发射定律、折射定律相似。
由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向不同,声波的波形也不同。
一般有以下几种:
①纵波
质点振动方向与传播方向一致的波,称为纵波。
它能在固体、液体和气体中传播。
②横波
质点的振动方向与传播方向相垂直的波,称为横波。
它只能在固体中传播。
③表面波
质点的振动介于纵波和横波之间,沿着表面传播,振幅随着深度的增加而迅速地衰减,称为表面波。
表面波只在固体地表面传播。
⑵反射与折射
当声波从一种介质传播到另一种介质时,在两介质的分界面上,一部分能量反射回原介质的波称为反射波;另一部分则透过分界面,在另一介质能继续传播的波称为折射波,如图2-1所示。
图2-1波的反射与折射原理图
其反射与折射满足如下规律:
①反射定律
入射角α的正弦与反射角α’的正弦之比,等于波束之比。
当入射波和反射波的波形一样时,波速一样,入射角α即等于反射角α’。
②折射定律
入射角α的正弦与折射角β的正弦之比,等于入射波中介质的波速v,与折射波中介质的波速v2之比,即
(2-l)
③反射系数
当声波从一种介质向另一种介质传播时,因为两种介质的密度不同和声速在其中传播的速度不同,在分界面上声波会产生反射和折射,反射声强IR与入射声强I0之比,称为反射系数,反射系数R的大小为
(2-2)
式中:
IR为反射声强;I0为射声强;Z1为第一介质的声阻抗;Z2为第二介质的声阻抗。
在声波垂直入射时,α=β=0,上式可化简为:
(2-3)
若声波从水中传播到空气,在常温下它们的声阻抗约为Z1=1.44*106,Z2=4*102,,代入上式则得R=0.999。
这说明当声波从液体或固体传播到气体,或相反得情况下,由于两种介质得声阻抗相差悬殊,声波几乎全部被反射。
⑶声波的衰减
声波在介质中传播时会被吸收而衰减,气体吸收最强而衰减最大,液体其次,固体吸收最小而衰减最小,因此对于一给定强度的声波,在气体中传播的距离会明显比在液体和固体中传播的距离短。
另外声波在介质中传播时衰减的程度还与声波的频率有关,频率越高,声波的衰减也越大,因此超声波比其他声波在传播时的衰减更明显。
衰减的大小用衰减系数α表示,其单位为dB/m,通常用10-3dB/mm表示。
在一般探测频率上,材料的衰减系数在一到几百之间,如水及其他衰减材料a为(1-4)*l03dB/mm。
假如α为1dB/mm,则声波穿透lmm距离时,衰减为10%;穿透20mm距离时,衰减为90%[5]。
2.1.2超声波传感器结构
超声波为直线传播方式,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强,为此,利用超声波的这种性质就可制成超声波传感器。
它是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。
电声型主要有:
1.压电传感器;2.磁致伸缩传感器;3.静电传感器。
流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头由压电晶片、楔块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器件,是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英,妮酸铿等,属于压电陶瓷的有错钦酸铅,钦酸钡等。
其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。
因此,用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片,当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。
前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为儿交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号[7]。
图2-2双压电晶片示意图
双压电晶片如图2-2所示,当在AB间施加交流电压时,若A片的电场方向与极化方向相同,则下面的方向相反,因此,上下一伸一缩,形成超声波振动
图2-3双压电晶片的等效电路
双压电晶片的等效电路如图2一3所示,C0为静电电容,R为陶瓷材料介电损耗并联电阻0”和Lm为机械共振回路的电容和电感,Rm为损耗串联电阻。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率儿。
发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样,超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便的改变其固有谐振频率,利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
图2-4超声波传感器结构
超声波传感器的结构如图2-4所示,它采用双晶振子,即把双压电陶瓷片以相反极化方向粘在一起,在长度方向上,一片伸长另一片就缩短。
在双晶振子的两面涂敷薄膜电极,其上面用引线通过金属板(振动板)接到一个电极端,下面用引线直接接到另一个电极端。
双晶振子为正方形,正方形的左右两边由圆弧形凸起部分支撑着。
这两处的支点就成为振子振动的节点。
金属板的中心有圆锥形振子,发送超声波时,圆锥形振子有较强的方向性,因而能高效率地发送超声波;接收超声波时,超声波的振动集中于振子的中心,所以能产生高效率的高频电压。
2.1.3超声波传感器的主要参数介绍及选择
⑴主要参数
①中心频率
中心频率,即压电晶片的谐振频率。
当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时,输出能量最大,传感器的灵敏度最高。
中心频率最高,测距越短,而分辨力越高。
常见超声波传感器的中心频率有有30KHz、4OKHz、75KHz、200KHz、400KHz等。
②灵敏度
灵敏度的单位是分贝(dB),数值为负,它主要取决于晶片材料及制造工艺。
③指向角
指向角是超声波传感器方向性的一个参数,指向角越小,方向性越强。
一般为几度至几十度。
④工作温度
工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围,其温度上限应远于居里点温度。
以石英晶片为例,当温度达到+290℃时灵敏度可降低6%。
一旦达到居里温度点(-573℃),就完全丧失压电性能。
供诊断用的超声波传感器的功率较小,工作温度不高,在-20℃一+70℃温度范围内可以长期工作。
治疗用的超声波传感器温度较高,必须采取冷却降温措施[9]。
⑵超声传感器的选择
超声波传感器有多种结构形式,可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。
超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。
一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。
其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器,即可发送超声波,又可接受超声波;收发分体式是发送器用作发送超声波,接受器用作接受超声波。
在超声波测量系统中,频率取得太低,外界的杂音干扰较多;频率取得太高,在传播的过程中衰减较大,检测距离越短,分辨力也变高。
木文中选用的探头是4OKHz的收发分体式超声传感器,由一支发射传感器UCM-T40和一支接收传感器UCM-R4O组成,其特性参数如表2-1所示。
表2-1传感器特性参数表
型号
UCM-t40
UCM-r40
使用方式
发射
接收
中心频率
40±1kHz
38±1kHz
频带宽
2±0.5kHz
2±0.5kHz
声压
115dBmin(0dB=0.02mPa)
一70dBmin(0dB=1v/ubar)
指向角
75
80
容量
2500±25%pf
2500±25%pf
最大输入电压
20Vp-p
20Vp-p
2.2超声波测距系统原理及测量方法
超声测距方法有脉冲回波法、共振法和频差法。
其中脉冲回波法测距最为常用,它主要基于超声测距回波信号的识别,多采用模拟方法,用电路来实现。
图2-5超声测距原理图
如图2-5所示,其原理是超声传感器发射超声波,在空气中传播至被测物,经反射后由超声传感器接收反射脉冲,测量出超声脉冲从发射到接收的时间,在己知超声波声速犷的前提下,利用:
(2-4)
即可计算得传感器与反射点之间的距离S,测量距离
(2-5)
当S>>h时,则d≈S,即:
(2-6)
2.3超声波测距系统主要参数论述
2.3.1工作频率
由文献[10],空气中超声波的衰减对频率f很敏感,要求合理选择超声波频率,一般在40KHz左右,太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。
传感器的上作频率是测距系统的主要技术参数,它直接影响超声波的扩散和吸收损失,障碍物反射损失,背景噪声,并直接决定传感器的尺寸。
工作频率的确定主要基于以下几点考虑:
⑴如果测距的能力要求很大,声波传播损失就相对增加,由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比,为减小声波的传播损失,就必须降
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