实验四超声波测距电路设计改后文档格式.docx

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采用单片机实现超声波测距的原理、方法及接口电路的设计。

六、实验原理

声波是一种能在气体、液体和固体中传播的机械波。

根据振动频率的不同，可分为次声波、声波、超声波和微波等。

1）次声波：

振动频率低于l6Hz的机械波。

2）声波：

振动频率在16—20KHz之间的机械波，在这个频率范围内能为人耳所闻。

3）超声波：

高于20KHz的机械波。

超声波与一般声波比较，它的振动频率高，而且波长短，因而具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的一般声波，并且具有很高的穿透能力。

例如，在钢材中甚至可穿透10米以上。

超声波在均匀介质中按直线方向传播，但到达界面或者遇到另一种介质时，也像光波一样产生反射和折射，并且服从几何光学的反射、折射定律。

超声波在反射、折射过程中，其能量及波型都将发生变化。

超声波在界面上的反射能量与透射能量的变化。

取决于两种介质声阻抗特性。

和其他声波一样，两介质的声阻抗特性差愈大，则反射波的强度愈大。

例如，钢与空气的声阻抗特性相差10万倍，故超声波几乎不通过空气与钢的介面，全部反射。

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减，能量的衰减决定于波的扩散、散射（或漫射）及吸收。

扩散衰减，是超声波随着传播距离的增加，在单位面积内声能的减弱；

散射衰减，是由于介质不均匀性产生的能量损失；

超声波被介质吸收后，将声能直接转换为热能，这是由于介质的导热性、粘滞性及弹性造成的。

以超声波为检测手段，包括有发射超声波和接收超声波，并将接收的超声波转换成电量输出的装置称为超声波传感器。

习惯上称为超声波换能器或超声波探头。

常用的超声波传感器有两种，即压电式超声波传感器（或称压电式超声波探头）和磁致式超声波传感器。

本实验采用的是压电式超声波传感器,主要由超声波发射器（或称发射探头）和超声波接收器（或称接收探头）两部分组成，它们都是利用压电材料（如石英、压电陶瓷等）的压电效应进行工作的。

利用逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，产生超声波，以此作为超声波的发射器。

而利用正压电效应将接收的超声振动波转换成电信号，以此作为超声波的接收器。

6.1压电式超声波传感器的原理

目前，超声波传感器大致可以分为两类：

一类是用电气方式产生的超声波，一类是用机械方式产生的超声波。

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。

在工程中，目前较为常用的是压电式超声波传感器。

压电式超声波传感器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

压电式超声波发生器的内部有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，且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，这时即为超声波接收器。

6.2超声波传感器的测距原理：

超声波发射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=340t/2

图1超声波传感器结构示意图

为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：

v=331.4+0.61T

式中，T为实际温度（℃），v的单位为m/s。

七．注意事项：

1.使用电烙铁注意安全。

烙铁会产生高热，万一不小心碰触将会导致严重烫伤，使用时千万要小心。

2.焊接每个结点不要超过一秒钟：

焊接时间过久，会导致焊锡过热反白，电子零件也会因为过热而损坏，因此要特别注意焊接时间。

正常不过热的接点，焊锡会呈现金属光泽。

3.接点形状：

以立体圆弧形状为佳，过大、过小、尖塔状、孔隙没有填满都是不良的接点形状。

4.检测电子零件：

试问您在焊接之前，是否确定每一个电子零件都是好的？

是否都用万用表作过测量？

任何一个电子零件故障，都会导致整个电路无法正常工作，所以这个程序是绝对必要的，您检测了么？

八．成绩考核：

1.电路设计：

30分/4学时

2.焊接电路：

3.电路调试：

4.实验报告：

10分

九、参考资料：

附录一：

超声波测距系统的发射与接收电路的设计

在工程实践中，超声波由于指向性强、能量消耗缓慢且在介质中传播的距离较远，因而经常用于距离的测量。

它主要应用于倒车雷达、测距仪、物位测量仪、移动机器人的研制、建筑施工工地以及一些工业现场等，例如：

距离、液位、井深、管道长度、流速等场合。

利用超声波检测往往比较迅速、方便，且计算简单、易于做到实时控制，在测量精度方面也能达到工业实用的要求，因此得到了广泛的应用。

1、超声波测距原理及系统组成

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。

设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为v，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出：

D=vt/2，图2是相应的系统框图：

图2超声波测距系统组成框图

基本原理：

经发射器发射出长约6mm，频率为40KHZ的超声波信号。

此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。

它接收到信号后产生mV级的微弱电压信号。

2、电路原理

2.1超声波发射电路

由两块555集成电路组成。

IC1（555）组成超声波脉冲信号发生器，工作周期计算公式如下，实际电路中由于元器件等误差，会有一些差别。

条件:

RA=9.1MΩ、RB=150KΩ、C=0.01μF

TL=0.69xRBxC 

=0.69x150x103x0.01x10-6 

=1msec 

TH 

=0.69x（RA+RB）xC

=0.69x9250x103x0.01x10-6 

=64msec

IC2组成超声波载波信号发生器。

由IC1输出的脉冲信号控制，输出1ms频率40kHz，占空比50％的脉冲，停止64ms。

计算公式如下：

RA=1.5KΩ、RB=15KΩ、C=1000pF

TL=0.69xRBxC

=0.69x15x103x1000x10-12 

=10μsec 

=0.69x（RA+RB）xC 

=0.69x16.5x103x1000x10-12 

=11μsec 

f=1/（TL+TH） 

=1/（（10.35+11.39）x10-6） 

=46.0KHz

由IC3（CD4069）组成超声波发射头驱动电路。

2.2超声波接收电路

超声波接收头和IC4组成超声波信号的检测和放大。

反射回来的超声波信号经IC4的2级放大1000倍（60dB），第1级放大100倍（40dB），第2级放大10倍（20dB）。

由于一般的运算放大器需要正、负对称电源，而该装置电源用的是单电源（9V）供电，为保证其可靠工作，这里用R10和R11进行分压，这时在IC4的同相端有4.5V的中点电压，这样可以保证放大的交流信号的质量，不至于产生信号失真。

C9、D1、D2、C10组成的倍压检波电路取出反射回来的检测脉冲信号送至IC5进行处理。

IC5组成信号比较电路，对接收信号进行调整输出，供后续电路测量使用，下面分析其工作原理。

由Ra、Rb、IC5组成信号比较器。

其中

Vrf=（RbxVcc）/（Ra+Rb） 

=（47KΩx9V）/（1MΩ+47KΩ） 

=0.4V

所以当IN3点（IC5的反相端）过来的脉冲信号电压高于0.4V时，OUT4点电压将由高电平"

1"

到低电平"

0"

。

图示参数的最小测量距离在40cm左右。

附录二：

基于ATmega8的超声波倒车雷达实现方案

1引言

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中的传播距离较远，因而超声波经常用于距离

测量，如测距仪和物位测量仪等都可以用超声波来实现。

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、汽车工业等领域中有广泛的应用。

本文根据笔者所在的武汉理工大学汽车电子电器研究所研发的一种由单片机开发的超声波倒车雷达报警器方案，详细介绍了其硬件软件实现过程。

2设计目标

报警器利用超声波回声测距的原理，测量车后一定距离内的物体，并以AVRmega8系列单片机作为中心控制单元。

这种超声波雷达可以及时显示车后障碍物的距离和方位，显示范围为0.5m~9.9m，当距离大于2m时显示车后障碍物的方位;

当距离小于2m时，除了显示其方位外，还可按照三段距离分别给出三种报警信号，以警示司机三种不同程度的紧急状态，使司机据此作出相应的操作，防止事故的发生。

3超声波测距原理

3.1超声波发生器

超声波发生器分为两类:

一类是用机械方式产生超声波，包括加尔统笛、气流笛等一类是用电气方式产生超声波，包括压电型、磁致伸缩型和电动型等;

它们所产生的超声波的频率、功能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型超声波发生器。

3.2压电式超声波发生器原理

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。

超声波发生器内部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，如果两电极间未加电压，当共振板接受到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这是它就成为超声波接收器了。

3.3超声波测距原理

超声波测距是通过不断检测发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离S=Ct/2,式中的C为超声波波速。

由于超声波也是一种声波，其速度C与温度有关，在温度确定后，只要测得超声波往返时间，即可求得距离。

4Atmega8的功能特点

ATMEL公司在2002年第一季度推出的一款新型AVR单片机。

在AVR家族中，ATmega8L是一款非常特殊的单片机，它的芯片内部集成了大容量的寄存器和丰富的硬件接口电路，具有其他高档AVR单片机MEGA系列的全部特点，采用了小引脚封装（为DIP28），价格却与低档单片机相当，同时具有AVR单片机的ISP（在线编程）性能。

是AVR高档单片机中内部接口丰富、功能齐全、性价比最好的品种。

它的主要性能如下:

4.1先进的RISC精简指令集结构

130条功能强大的指令，大多数为单时钟周期指令;

32个8位通用工作寄存器;

工作在16MHz时具有16MIPS的性能;

执行速度为2个时钟周期的片内乘法器。

4.2大容量的非易失性程序和数据存储器

ATmega8L具有可擦写10000次的8K字节Flash程序存储器;

支持在线编程（