超声波测量及报警装置.docx
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超声波测量及报警装置
目录
摘要：
1
0前言1
1超声波测距原理2
1.1超声波发生器2
1.2超声波测距原理2
1.3频率选择3
2超声波测距系统电路设计4
2.1发射电路的设计4
2.2接收电路设计5
2.3显示电路设计6
2.4声光提示电路7
3软件设计方案7
4结论8
参考文献9
超声波测量及报警装置
摘要：
摘要:
本文介绍了一种基于单片机的脉冲反射式超声测距系统。
该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离，并且描述了系统研制的理论基础。
文章概述了超声检测的发展及基本原理，介绍超声传感器的原理及特性，并且在介绍超声测距系统的基础上，提出了系统的总体构成。
关键词：
超声波；单片机；测量
ThemeasurementofUltrasonicandalarmdevice
Abstract:
Thispaperintroducesamicrocomputer-basedpulsereflectiontypeultrasonicrangingsystem.Thesystemisthepropagationvelocityofultrasoundinairtodeterminetheconditionsundertestdistancemeasurementusingultrasonicreflectionanddescribesthetheoreticalbasisforsystemdevelopment.Thearticlesummarizesthedevelopmentofultrasonictestingandthebasicprinciples,introducedtheprinciplesandpropertiesofultrasonicsensors,andultrasonicdistancemeasurementsystemintroducedbasedontheproposedsystem,theoverallcomposition.
Keywords:
Ultrasonicwave;MCU;measure
0前言
超声波是一种频率超过20KHz的机械波。
超声波作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性———反射、折射、干涉、衍射、散射。
超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点,可产生较大力量,并且在不同的媒质介面,超声波的大部分能量会反射，它沿直线传播，方向性好，传播距离较远，在介质中传播时在不同的分界面上会产生反射波。
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。
由于超声波具有以上特点，被广泛应用于测量物体的距离、厚度、液位等领域。
利用超声波测量距离是一种有效的非接触式测距方法
1超声波测距原理
1.1超声波发生器
超声波发生器可以分为两大类：
用电气方式和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。
目前常用的是压电式超声波发发生器。
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，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，就成为超声波接收器。
1.2超声波测距原理
超声测距使用脉冲反射式,即利用超声的反射特性。
超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波,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停止计时。
常温下超声波在空气中的传播速度为C=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=C*t/2。
超声波传感器包括3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收状态（相当于一个麦克风），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（超声波在空气中的速度可以近似为定值），再除以2，即为反射超声波的物体距离。
其基本过程如图1所示。
1.3频率选择
超声波频率越高,发射的超声波扩散角越小,波束越细,指向性越好。
但是,超声波频率增高会产生较多的旁瓣,引起近场的干涉。
根据超声波的传播特性、日常测距的距离范围要求、以及可购买到的传感器的性价比等因素,我们一般选择40～50KHz频率的超声传感器,波束角一般不大于30度。
超声波在空间传播的波束角如图1所示。
另外,也要考虑传感器的结构、易于安装、可靠性好等因素。
2超声波测距系统电路设计
综合考虑各方案的优缺点，以及成本和可行度1设计出以下这种测距方案。
其系统框图如图2所示。
2.1发射电路的设计
系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时。
本超声波测距系统以AT89C51为中央处理器，系统上电工作后,由脉冲发生器发出脉冲信号。
该脉冲信号一方面通过驱动的电路推动脉冲发生器发出超声波脉冲；另一方面，触发AT89C51内部定时器T1（由外部中断INT0实现）开始定时，同时等待接收信号，关闭定时器。
测距系统中的超声波传感器采用UCM40R的压电陶瓷传感器。
它的工作电压是40kHz的脉冲信号，由单片机执行下面程序产生。
PULSE:
MOV14H,#12H；超声波发射200μs
ACALLLOOP2；产生40kHz的超声波
LCALLDIS；延时
SJMPPULSE；反复发射
LOOP2:
CPLP1.0
NOP
DJNZ14H,LOOP2
RET
单片机执行程序后，在P1．0端口输出一个40kHz的脉冲信号，经过三极管放大，驱动超声波发射头UCM40R，发射40kHz的脉冲超声波，且持续发射200μs。
2.2接收电路设计
接收电路采用图3所示电路。
接收头采用与发射头配对的UCM40R。
将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1IC2两极放大后加至IC。
IC是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f＝1/RC。
电容C决定其锁定带宽，调节R在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mV。
输出端8脚，由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。
在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。
当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。
2.3显示电路设计
在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：
静态显示和动态扫描显示。
静态显示，每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口用于笔划段字形代码。
单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路即可，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，所以，用这种方法单片机中CPU的开销小。
可以提供单独锁存的I/O接口电路很多，这里以常用的串并转换电路74LS164作为本系统的显示部分，如图4所示。
在本系统中把要显示的数分别放在显示缓冲区60H-65H共6个单元中，并且分别对应各个数码管LED0-LED5。
出口：
将预置在显示缓冲区中的6个数成相应的显示字形码，然后输出到显示器中显示。
2.4声光提示电路
采用串口静态显示，由555组成时基振荡电路，能根据距离的远近驱动蜂鸣器发出音调不同的报警声，由于用单片机控制，所以报警功能很容易实现。
3软件设计方案
AT89C51单片机和其开发应用系统具有语言简洁、可移植性好、表达能力强、表达方式灵活、可进行结构化设计、可直接控制计算机硬件、生成代码质量高、使用方便等诸多优点。
本次设计的总程序采用模块化设计，由主程序、发射子程序、接收子程序、定时子程序、显示子程序等模块组成。
图5为主程序流程图。
4结论
本系统测量范围较大（最大限定15m），测量误差小，且所用元件都是常规部件，因而本系统具有较强的实用价值。
要满足更高的精度要求,还须进行适当改进，例如
1．可增加温度补偿单元；
要想通过测量超声波传播时间确定距离，声速C必须恒定，实际上声速随介质、温度、压力等变化而变化。
一般情况下，由于大气压力变化很小，因此传播速度主要考虑温度的影响。
对一定介质，通常采用对温度进行修正的方法，可以测得比较准确的距离。
通过对温度修正来校正声速的方法，即用测温元件测量实际环境，根据声速与温度的关系计算出测量时实际环境中的声速，再根据测距公式得到距离。
空气中声速C与温度T的关系在常温下可由下面近似公式
（2）表示:
C=（331.4+0.607T）m/s
（2）
2.可以进一步改进接收电路，提高接收电路的反应速度；对于发射电路，可以直接采用硬件电路发生脉冲等。
利用超声波检测往往比较迅速，方便，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。
超声波测量在国防，航空航天，电力，石化，机械，材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量，保障安全，还可起到节约能源，降低成本的作用。
超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。
近十几年来，由于微机技术，现代电子技术，信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围，超声波测距技术将会有更大的发展
参考文献
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