毕业设计（论文）基于单片机的超声测距系统设计.doc

摘 要系统的设计主要包括两部分，即硬件电路和软件程序。硬件电路主要包括单片机电路、超声波发射电路、超声波接收电路、显示电路等，另外还有复位电路和LED显示控制电路等。我采用以AT89s51单片机为核心的低成本、高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路。整个电路采用模块化设计，由信号发射和接收、温度测量、显示等模块组成。软件程序主要由主程序、预置子程序、发射子程序、接收子程序、显示子程序等模块组成。它控制单片机进行数据发送与接收，在一定温度下对超声波速度的校正，还有将数据正确显示在LED上。另外程序控制单片机消除各探头对发射和接收超声波的影响。关键词：超声波；测距；传感器；单片机AbstractThe system design includes two components, namely hardware and software program. The hardware circuit includes a micro controller circuit, ultrasonic transmitter circuit, ultrasonic receiver circuit, display circuit, in addition to the reset circuit and the LED display control circuit. AT89S51 micro controller as the core of low-cost, high-precision, miniaturization of digital display hardware circuit of the ultrasonic range finder. The entire circuit is modular in design by the signal transmitting and receiving, temperature measurement, display modules. Software program from the main program, preset subroutine, emission subroutine receive subroutine, such as display subroutine modules. It controls the micro controller for data sending and receiving, at a certain temperature on ultrasonic velocity correction data correctly displayed on the LED. In addition, the program control micro controller eliminate the impact of each probe for transmitting and receiving ultrasonic.KEY WORDS ultrasonic,location,sensor, micro controller,AT89S51目 录摘要IAbstractII1 绪 论- 1 -1.1 设计课题的提出- 1 -1.2 超声波在测量领域的发展概况- 2 -1.3 本课题研究的内容及意义- 3 -2 超声波和超声传感器- 4 -2.1 超声波- 4 -2.1.1 声波简述- 4 -2.1.2 声波的反射与折射原理- 6 -2.2 超声传感器- 8 -2.2.1 超声传感器原理- 8 -2.2.2 超声波传感器的检测方式- 9 -2.2.3 结构构成- 9 -2.2.2 超声传感器结构图- 11 -2.3 超声传感器的主要参数以及选择- 13 -2.3.1 主要参数- 13 -2.3.2 超声传感器的选择- 14 -3 超声波测距原理- 15 -3.1 超声波测距原理- 15 -3.2 传感器的指向角- 16 -3.3 测距仪的工作频率- 17 -3.4 测量盲区- 17 -4 系统设计方案- 19 -4.1 系统功能框图- 19 -4.2 单片机外围电路- 20 -4.2.1 发射模块电路器件连接图- 20 -4.2.2 接收模块电路器件连接图- 20 -4.2.3 测温模块电路- 21 -4.2.4 LCD显示屏- 22 -4.2.5 单片机- 23 -4.3 整机电路连接图- 24 -5 软件设计- 26 -5.1 程序流程图- 26 -5.2 程序源代码- 27 -6 系统总体分析- 34 -6.1 误差分析- 34 -6.2 系统改进方案- 35 -总结- 36 -致谢- 37 -附录一 89s51单片机引脚示意图及说明- 38 -附图1 89s51内部框图- 39 -附图2 CX20106A示意图及引脚说明- 40 -附图3 74LS04框图及真值表- 40 -参考文献- 41 -1 绪 论1.1 设计课题的提出在二十初始至今的一百多年的时间里，随着各领域的科学技术的不断进步，多个科学领域的技术和产品等得到不断的优化和创新。在这之中，计算机技术、自动化技术和机器人技术等发展得尤为突出，而支持其发展得技术之中，测距和识别问题显得越来越重要。传统的接触式测量方法已经满足不了发展的需要，例如，在测量城市的马路宽度时，若仍然使用接触式测量的方法测量的话，不但得不到较为满意的精度结果，而且还会造成一定的交通拥堵；而若改用新一代的非接触式的测量仪器（如 激光测距仪）和测量方法则很容易就解决了二者的矛盾问题。再如，机器人对前方障碍物的测距与识别，若采用传统的测量方法根本很难实现机器人技术的要求；假若采用激光测距或者是超声波测距的发式，上述问题就迎刃而解了。所以，非接触测量与识别的技术在许多科学领域里已经是无法摒弃的了。在自动化装配、检测、分类、加工与运输过程中，需要对任意放置的物体零件进行操作作业，必须对零件的形状位置以及状态等进行自动识别，要是在运输过程中的识别就更加复杂困难了，因此人们也迫切需要非接触式的测量仪器。目前为止，主流的非接触测量仪器通常都是采用超声波、激光和雷达。激光测距运用的是光波的反射特性，而且由于激光的单一性、直线性和集束性的特性，适合用于远距离高精度的测量；雷达测距仪运用的是电磁波的反射原理，也可用于远距离测距，但是，由于特性的限制，其误差比前者要大。激光和电磁波在一定的意义上讲其原理是一样的，都是利用电磁波的反射特性，只是光波的特性相对优良一些。但是两者的技术复杂，造价偏高，不利于普及应用，在某些领域里有其自身的局限性，相比之下，超声波具有以下的突出优点：1.超声波在空气中的传播速度只有光波的百万分之一，定向性强，能量损耗较为缓慢，因此可用于近距离目标的测量；2.超声波对色彩和光照度不敏感，可用于识别透明、半透明以及漫反射的物体（如玻璃、抛光体）目标；3.超声波对空间中的光线和电磁环境不敏感，因此使用与黑暗、有灰尘或烟雾、强电磁干扰、有毒等恶劣环境中；4.超声波传感器的结构简单、体积小、成本低、信息处理简单可靠，易于小型化和集成化并且可以进行实时监控。因此，基于超声波方法的非接触检测和识别手段，已经越来越能引起科技人员们的重视。在机器人领域、导航系统、机械加工自动化以及自动化检测、自动测距、定位、液位测量等方面已经得到了广泛应用，并在一些新的领域不断发展和渗透。我相信，在将来的技术突破后，超声波还会被用于更多的科学领域里，会涵盖人们生活、学习和工作的方方面面。1.2 超声波在测量领域的发展概况超声检测主要以超声波为载体，即通过超声波在介质中传播、散射、反射、折射、吸收和波形转换参数等，并提取出反应介质本身特性和内部结构的参数信息，从而达到检测被检测物的性质、形状或几何尺寸、内部结构等目的。我国的探伤、无损等检测技术和仪器是从无到有，从低级水平逐渐发展到普及应用的现阶段水平。全世界各国超声波检测仪器的研制生产也大致按此规律发展变化。二十世纪五十年代，我国的一些科研单位引进了欧洲的超声仪，并进行了仿制。随后，国内的大学研制出了电子管式的CTS-10型非金属超声检测仪，但是由于当时的装备制造技术的制约限制，但是，仪器的性能稳定，图形清晰。由于机器在外形以及重量上受到制约，在当时只有个别的科研单位在使用，在其他部门使用不多。直到七十年代，无损检测技术还处在实验室的发展阶段，不具备推广普及条件，所以此类的仪器没有多大的发展，最主要的还是电子管式的超声检测仪器，如进口的UCT-2，还有国产的CTS-10等仪器。国建委科技司在1976年主持召开了全国建筑检测技术交流会后，同年，混凝土无损检测技术被列为国家重点攻关项目，国内六个单位共同攻关研究。也是从此时开始，无损检测技术在我国被开展了有计划的研究。伴随着电子技术工业的飞速发展，特别是半导体式的元器件发展异常迅猛，用半导体元件代替电子管元件，促进了无损检测技术的发展与普及。国外的罗马尼亚的N2701型，英国C.N.S公司的PUNDIT型等。并且，由于采用了晶体管分立器件作为基本的电路元件，有利于对信号进行波形和数码之间的转换盒显示。不仅如此，它还有利于仪器的小型化、轻量化和电路集成化，从而使得仪器的自身重量至少减轻一半以上，荣上述的罗马尼亚N2701型只有10Kg，英国的PUNDIT型更是轻量化到了只有3.5Kg的便携式的程度。七十年代后期，建科院的JC-2型便携式超声波检测仪问世。它采用TTL线路和数码显示方式，且重量只有5Kg。同期问世的还有SC-2、SYC-2型超声波检测仪，这些仪器的成功为我国的超声仪器的发展奠定了良好的基础。在电子技术的良好基础上，智能型的监测分析仪相继研制成功。从此超声仪的发展呈现一片繁荣景象。这其中2000A型超声分析检测仪就是一种内带微处理器的智能检测仪。它可以实时显示检测数据，性能稳定，可靠性搞高，并具有数据实时存储等功能，在国内同类产品中处于先进地位。然而，在20世纪后期，由于电子技术的垄断，电子产品的价格相当高，高技术含量的电子产品的价格更是高的惊人。在当时也只是推广，而得不到普及的程度。时至今日，电子工业中的技术不断得到突破，其价格也在因为各方面的原因而不断下降。昔日的尖端技术产品，在今日已不具有高端产品的地位，所以其价格的下降也是一个必然。在此之后，各类的超声波仪器才得到真正意义的普及。目前，计算机技术发展得相当成熟，而且计算机强大的功能，使得一机多用性凸显，这样的一机多用性实际上解决了很多非一体设计的仪器所带来的很多麻烦。运用计算机的模拟功能可以舍去超声仪器的许多设计，而且，计算机可以综合发挥各模块的优点。总之，将各自的优点集合设计才是所有设计的宗旨。当今中国已成为名副其实的世界工厂，各种产品的生产对超声仪提出了各种新的要求和需求，从而又进一步促进了科研人员对新一代、多样化的超声仪的研究热情。由于内外环境的影响，超声仪器在我国的发展无论在科研方面，还是在市场需求方面，都有百花齐放的的趋势。而且，在一些特殊的领域里，一批超声技术和超声仪器大有赶上国外产品的趋势，少数甚至有超越之势。综上所述，我国的超声产品由初步研究、引进吸收再研制和赶超的三个阶段。从发展趋势来看，那必将是一片欣欣向荣的景象。1.3 本课题研究的内容及意义本文将在理论方面对普通的超声波测距仪的理论分析，超声波测距仪的理论设计和误差等参数作进一步细化分析。同时研究具体的可行实施方案，在此基础上，研究开发出以Atmel89S51单片机为核心，采用40KHz压电超声传感器的超声测距仪。要求突出线路简单，高集成度，体积小，重量轻，低功耗本质特点；高精度、高灵敏度以及测量范围广（4cm3.5m)的参数稳定性特性；成本低，开发周期断等经济特性；调试方便和携带方便等使用特性。本课题研究的意义是多方面的，其中包括通过实际参与有利于加强对相关科学技术的发展得认识；通过实际参与设计，进一步学习和掌握相关的理论知识。同时还具有加强技术研究的科学意义。2 超声波和超声传感器2.1 超声波2.1.1 声波简述声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。图2-1 声波频谱图由于声源在介质中的施力方向与波的传播方向不同，声波的波形也不同。一般有一下几种：1. 纵波质点振动方向与传播方向一致的波，称为纵波。能在能在固液气三相介质中传播。2. 横波质点的振动方向与传播方向相垂直的波。只能在固体中传播。3. 表面波质点的振动方向介于纵波与横波之间，沿着表面传播，振幅随着深度的增加而迅速的减弱，称为表面波。它只能在固体的表面传播。低于此范围的声波成为次声波，高于此范围的声波成为超声波。本文主要研究超声波在测距领域的应用，所以主要对超声波进行阐述。超声波主要有一下特点：（1）超声波，频率高于20000Hz；（2）几乎呈直线传播，具有较强的穿透能力和良好的反射性能；（3）探测距离远，定位精度高； （4）检测灵敏度高，可获得丰富的探测信息；（5）用于医疗检测很安全。而且，声波的频率和速度越高，它的某些特性和光波就越相近，例如反射特性、折射特性等。由于超声波具有上述特点，超声效应得以广泛用于实际，主要有如下几方面：超声检验。超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已（见全息术）。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。 超声处理。利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。基础研究。超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收（见声波）。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质。但对频率在1012赫以上的特超声波，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。本文主要研究讨论超声波的第二种用途中的超声波测距，既然要利用，那就要对他进行一定的特性分析并利用这些分析结果。2.1.2 声波的反射与折射原理当声波从一种介质传播到另一种介质时，在介质的分界面上一部分能量被界面反射回到原来的介质当中，称为反射，反射回来的波称为反射波；一部分则透过界面，在另一介质中继续传播，称为折射，其能量波称为折射波。图解如图2-2所示。图2-2 波的反射与折射的原理图图中，中间的竖线为法线；角为入射角，其定义为入射波和法线的夹角；'为反射角，定义为反射波与法线的夹角；为折射角，定义为折射波与法线的夹角。超声波的折射与反射满足以下几个规律：1. 反射定律入射角的正弦值sin 与反射角的正弦值 sin 的比，等于波束之比。反射波的和入射波的波形一致，波速一致，反射角' 等于入射角 。2. 折射定律3. 入射角的正玄值sin 与折射角的正玄值sin 的比，也称为折射系数，等于介质一种的波速V1与介质二中的波速V2之比,即（2-1）4. 反射系数当声波从一种介质中传播进入到另一种介质继续传播时由于两种两种介质的密度不同和声波在各自中传播的速度不同，因此在介质分界面上会产生反射和折射，反射声波的强度与入射声波强度之比，称为反射系数。则反射系数N的大小为（2-2）式中：IR为反射声强；I0为入射声强；Z1为第一介质的声阻抗；Z2为第二介质的声阻抗。当声波垂直与界面入射时，即时，（2-2）式可简化为：(2-3)标准大气压之下，若声波由水到空气的顺序传播，声阻抗约为=1.44×106，2=4×102 ，将这两值代入（2-3）可得=. ，由上述可知道，当声波从固态或液态介质传播到气态介质中，或相反路径传播时，由于两介质之间的声阻抗相差悬殊，声波几乎可以全部被反射回到入介质当中继续传播。2.1.3 声波的衰减声波在介质中传播时会被介质本身的材料所吸收而减弱，气态介质对声波能量的吸收最强，其次是液态介质，固态介质对声波能量的吸收最小，因此声波在固态介质中传播时的衰减最小。因此，同一频率的声纳比超声波测距仪的传播距离都要远。对于超声波而言，由于它的频率很高，所以它无论是在任何一种介质中的衰减程度都要高于中低频声波在三态介质中传播时的衰减程度。因此，超声波在空气中的传播距离并不远，但足够满足一般的探测需要。衰减的大小用衰减系数a表示，其单位为dB/m,其他常用的衰减系数单位还有dB/mm。在一般的探测频率上材料的衰减系数在一道几百之间，如水和一些材料的衰减系数a为1000到4000dB/mm 。假如a为1dB/mm时，声波穿透1mm的距离时，其衰减量为10%；穿透20mm的距离后，其衰减量为90% 。此外，超声波的声速还与温度有关，如果温度变化不大，可认为声速基本不变。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。温度补偿方法如(2-4)可知，超声波在空气中的传播速度与温度T（单位：摄氏度）有如下近似关系：表2-1 温度与声速的关系表温度T/-30-20-100102030声速313319322331337344350其中，T为0时的声波速度为331.45 m/s,T为实际温度（）。在常温下，温度每变化1摄氏度，超声波速度变化约为O.6 m/s,所以通过测温电路测量出当前温度，就可以计算出超声波在当前温度下的传输速度。2.2 超声传感器2.2.1 超声传感器原理 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、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标，包括； （1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。（2）工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。（3）灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。2.2.2 超声波传感器的检测方式超声波的检测方式主要有一下四点：第一、穿透式超声波传感器的检测方式当物体在发送器与接收器之间通过时，检测超声波束衰减或遮挡的情况从而判断有无物体通过。这种方式的检测距离约1m，作为标准被检测物体使用100mm×100mm的方形板。它与光电传感器不同，也可以检测透明体等。第二、限定距离式超声波传感器的检测方式当发送超声波束碰到被检测物体时，仅检测电位器设定距离内物体反射波的方式，从而判断在设定距离内有无物体通过。若被检测物体的检测面为平面时，则可检测透明体。若被检测物体相对传感器的检测面为倾斜时，则有时不能检测到被测物体。若被检测物体不是平面形状，实际使用超声波传感器时一定要确认是否能检测到被测物体。第三、限定范围式超声波传感器的检测方式在距离设定范围内放置的反射板碰到发送的超声波束时，则被检测物体遮挡反射板的正常反射波，若检测到反射板的反射波衰减或遮挡情况，就能判断有无物体通过。另外，检测范围也可以是由距离切换开关设定的范围。第四、回归反射式超声波传感器的检测方式回归反射式超声波传感器的检测方式与穿透超声波传感器的相同，主要用于发送器设置与布线困难的场合。若反射面为固定的平面物体，则可用作回归反射式超声波传感器的反射板。另外，光电传感器所用的反射板同样也可以用于这种超声波传感器。这种超声波传感器可用脉冲市制的超声波替代光电传感器的光，因此，可检测透明的物体。利用超声波的传播速度比光速慢的特点，调整用门信号控制被测物体反射的超声波的检测时间，可以构成限定距离式与限定范围式超声波传感器。本文选用第二种方式作为基本原理，并在此基础上少许变更，将判断是否有障碍物，改为测量障碍物的距离。2.2.3 结构构成由于用户的要求不同，各个行业的需求也不同，所以，超声仪器的各不相同，甚至可以说是千差万别，但是，其电路基本原理都是一样的。一下就以压电晶片式超声传感器作原理解析说明。下图为双压电晶片传感器图解晶片图2-3 双压电经片传感器如图2-3所示，在上下两晶片上加以交流电压时，若A晶片的电场方向与极化方向相反，则B晶片的电场方向相反，因此，上下伸缩配合，形成超声波振动。双压电晶片式超声传感器的等效电路图如下：图2-4 双压电晶等效电路图压电效应有逆效应和顺效应，超声波传感器是可逆元件，超声波发送器就是利用压电逆效应的原理。所谓压电逆效应如图4-5所示，是在压电元件上施加电压，元件就变形，即称应变。若在图4-5a所示的已极化的压电陶瓷上施加如图4-5b所示极性的电压，外部正电荷与压电陶瓷的极化正电荷相斥，同时，外部负电荷与极化负电荷相斥。由于相斥的作用，压电陶瓷在厚度方向上缩短，在长度方向上伸长。若外部施加的极性变反，如图4-5c所示那样，压电陶瓷在厚度方向上伸长，在长度方向上缩短。 a b c图2-5 2.2.2 超声传感器结构图如以下两图所示，图2-6（a）和图2-6（b）分别为不带匹配器和待匹配器的两种不同型号的超声发生器的纵剖面的示意图。如（b）图所示的超声仪更适合有高精度要求的产品使用。图2-6（a）图2-6（b）以下是本文所选用的超声传感器的结构示意图图2-7超声波传感器采用双晶振子，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。采用双晶振子的超声波传感器,若在发送器的双晶振子(谐振频率为40kHz)上施加40kHz的高频电压，压电陶瓷片就根据所加的高频电压极性伸长与缩短，于是就能发送40kHz频率的超声波。超声波以疏密波形式传播，传送给超声波接收器。超声波接收器是利用压电效应的原理，即在压电元件的特定方向上施加压力，元件就发生应变，则产生一面为正极，另一面为负极的电压。若接收到发送器发送的超声波，振子就以发送超声波的频率进行振动，于是，就产生与超声波频率相同的高频电压，当然这种电压是非常小的，必须采用放大器放大。现以MA40S2R接收器和MA40S2S发送器为例说明超声波传感器的各种特性，表2-2示出的就是这种超声波传感器的特性。传感器的标称频率为40kHz，这是压电元件的中心频率，实际上发送超声波时是串联谐振与并联谐振的中心频率，而接收时各自使用并联谐振频率。表2-2 超声波传感器MA40S2R/S的特性种类特性MA40S2R接收MA40S2S发送标称频率40kHz灵敏度74dB以上100dB以上带宽6kHz以上(80dB)7kHz以上(90dB)电容1600pF1600pF绝缘电阻100M以上温度特性20+60范围内灵敏度变化在10dB以内数据来源： 2005年4月传感器技术及其应用超声波传感器的带宽较窄，大部分是在标称频率附近使用，为此，要采取措施扩展频带，例如，接入电感等。另外，发送超声波时输入功率较大，温度变化使谐振频率偏移是不可避免的，为此，对于压电陶瓷元件非常重要的是要进行频率调整和阻抗匹配。MA40S2R/S传感器的发送与接收的灵敏度都是以标称频率为中心逐渐降低，为此，发生超声波时要充分考虑到这一点以免逸出标称频率。图4-4表示传感器方向性的特性，这种传感器在较宽范围内具有较高的检测灵敏度，因此，适用于物体检测与防犯报警装置等。另外，对于这种传感器，一般来说温度越高，中心频率越低，为此，在宽范围环境温度下使用时，不仅在外部进行温度补偿，在传感器内部也要进行温度补偿。2.3 超声传感器的主要参数以及选择2.3.1 主要参数1. 中心频率压电晶片的谐振频率，称为中心频率。当施加在它两端的交变电压的频率等于晶片的中心频率时，输出的能量最大，传感器的灵敏度最高。由于频率高衰减快的缘故，在中心频率上时，测距的有效距离最短，但分辨率最高。朝见常见的超声传感器的中心频率为30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz。2. 灵敏度灵敏度的单位是分呗（dB)，其数值为负，它主要取决于晶片的材料以及制造工艺等。3. 指向角指向角是超声传感器方向性的一个参数，指向角越小，说明其方向性越强。一般在几度以上，几十度以下。图4-8传感器的方向性4. 工作温度工作温度是指能使传感器正常工作的范围，其上限因该远于居里点温度。以石英晶片为例，大温度达到+290时，传感器的灵敏度可降低6%。一旦达到居里点温度+573时，传感器就完全丧失了电压性能。诊断用的超声传感器的功率较小，工作温度也较低，一般在-20+70的范围内可长期正常工作。医用的超声传感器的温度较高，因此在使用过程中必须采取冷却降温措施，以确保安全。2.3.2 超声传感器的选择超声波的结构形式多种多样，通常可以分为通用型、宽频带型、耐高温型密封防水型等多种产品。现在电子市场上出售的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。本文中选用的探头是40KHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40K1和一支接收传感器UCM-R40Kl组成，其特性参数如表2-2所示。3 超声波测距原理3.1 超声波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v，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： (3-1)这就是所谓的时间差测距法。采用超声波测量大气中的地面距离，是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，由于超声测距是一种非接触检测技术，不受光线、被测对象颜色等的影响，在较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力。因此，用途极度广泛。例如:测绘地形图，建造房屋、桥梁、道路、开挖矿山、油井等，利用超声波测量地面距离的方法，是利用光电技术实现的，超声测距仪的优点是:仪器造价比光波测距仪低，省力、操作方便。由于是利用超声波测距，要测量预期的距离，所以产生的超声波要有一定的功率和合理的频率才能达到预定的传播距离，同时这是得到足够的回波功率的必要条件，只有的得到足够的回波频率，接收电路才能检测到回波信号和防止外界干扰信号的干扰。经分析和大量实验表明，频率为40KHz左右的超声波在空气中传播效果最佳，同时为了处理方便，发射的超声波被调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。发射器但是，超声波发射器和超声波接收器并不是在一个位置上的，换句话说就是二者之间有一定的距离，如图所示障碍物接收器 图3-1 测距原理示意图如图3-1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，在已知超声波声速V的前提下，有：（3-2）由直角三角形的三边关系，可得所测距离d的值（3-3）当s>>h时，sin=conh/2,此时有（3-4）结合（2-4）的公式分析，可得到（3-5）其中，V0为T=0时的声速，T0为当前温度，t为发送到接收的时间。根据公式（3-5）计算就可以得出当前所测障碍物的距离。3.2 传感器的指向角传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，记为，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长A，传感器半径r有关。由（3-6）选f0=40KHz时，=cfo=85mm。当f0选定后，指向角近似与传感器半径成反比。指向角愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径，r=63mm，故（3-7）3.3 测距仪的工作频率空气中超声波的衰减对频率厂很敏感，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。传感器的工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：1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，就必须降低工作频率。2工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。3从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比，虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。3.4 测量盲区由于在硬件布置上发射探头与接受探头相邻，所以发射探头发出的超声波会第一个到达接收探头。是接受探头检测到信号，但这一信号不是反射信号，即误信号。而这一信号一旦被检测到就会被接收电路处理而产生出发单片机的中断信号，继而单片机对此做出响应，但这不是真正要测得值，属于误操作。所以我们要在发出脉冲后演示一段时间才允许单片机接受中断信号。这样，在延时这段时间里超声波所能走过的距离是不能被检测的，这就是产品的测量盲区。超声波测距盲区与超声波的余振时间有关，余振时间一般在1-2毫秒，如果加载支超声波头的信号电压低一些，这个时间还会小，可以小0.1-0.2毫秒，但这时的最远测量距也会降低。发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。在具体设计中，比较了25us(1个40KHz方波脉冲)，100us(4个40KHz方波脉冲)，200us(8个40KHz方波脉冲)，800us(32个40KHz方波脉冲)的发射脉冲宽度，作为发射信号后的接收信号。最终采用短距离(2m内)发射200us(8个40KHz方波脉冲)发射脉冲宽度；长距离(2m外)发射800us(32个40KHz脉冲方波)的发射脉冲宽度，同时单片机编程避开盲区。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。