超声波测距简单设计.docVIP

一 超声波测距的意义 一些传统的距离测量方式在某些特殊场合存在不可克服的缺陷。利用超声波就可以解决这些问题。随着经济发展，电子测量技术应用越来越广泛，而由于超声测距是一种非接触检测技术，超声波测量精确度高，成本低，性能稳定备受青睐。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求，使得超声波可以用于距离的测量中。超声波测距技术正在被广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、农业用水、环保检测、食品、防汛、水文、空间定位、公路限高等行业中。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限， 这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，再加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、交通等工业领域。此外在材料科学、医学、等领域中也占据重要地位。 国外在提高超声波测距方面做了大量的研究，国内一些学者也作了相关的研究。超声波测距的精度主要取决于所测的超声波传输时间和超声波在介质中的传输速度，二者中以传输时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传输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。 因此，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。测距仪是一种新型非常重要有用的工具，尚有很大的发展空间。在新世纪新的测距仪一定将发挥更大的作用。 二 超声波测距离的原理 2.1 超声波 超声波是一种超过人能听到的最高频（2万赫兹）的声波。在一定距离内传播具有良好的束射性和方向性。根据波动中质点振动方向于波的传播方向的不同关系，分为横波、纵波、表面波、板波和兰姆波。本文应有的主要是超声纵波。 2.2.1 超声波传感器 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。利用超声波的这种性能就可制成超声传感器，或称为超声换能器，它是一种既可以把电能转化为机械能、又可以把机械能转化为电能的器件或装置。换能器在电脉冲激励下可将电能转换为机械能，向外发送超声波；反之，当换能器处在接收状态时，它可将声能(机械能)转换为电能。 2.2.2 超声波测距原理 　超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。v与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。否则，必须进行温度补偿,通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正： v为超声波在空中的传播速度，0℃时为331m/s,25℃时为347m/s，其与环境温度T（℃）的关系如式 v=331.4+0.61×T 温度（℃） -30 -20 -10 0 10 20 30 100 声速（米/秒） 313 319 325 332 338 344 349 386 表1 声速于温度关系表 三 超声波硬件设计 2.1.1 51系列单片机的功能特点 5l系列单片机中典型芯片(AT89C51)采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，4kB的ROM，256 B的RAM，2个16b的定时／计数器TO和T1，4个8 b的工／O端I：IP0，P1，P2，P3，一个全双功串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(E~PROM)，使其在实际中有着十分广泛的用途，在便携式、省电及特殊信息保存的仪器和系统中更为有用。该系列单片机引脚与封装如图2-1所示。 ? 5l系列单片机提供以下功能：4 kB存储器；256 BRAM；32条工／O线；2个16b定时／计数器；5个2级中断源；1个全双向的串行口以及时钟电路。 空闲方式：CPU停止工作，而让RAM、定时／计数器、串行口和中断系统继续工作。 掉电方式：保存RAM的内容，振荡器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件复位。 5l系列单片机为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。充分利用他的片内资源，即可在较少外围电路的情况下构成功能完善的超声波测距系统。 基于单片机AT89C51的超声波测距仪整体主要包括显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路。 3.1 超声波发射电路 超声波发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射器T构成，单片机P1.0端口处处的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用