基于超声波测距倒车雷达的设计.doc

基于超声波测距技术的倒车雷达装置设计与研究专业班级： 学生姓名：指导教师： 职称： 摘要 汽车倒车雷达是一种能够实时显示车后障碍状况的汽车倒车辅助装置。在现实生活中应用广泛。本文根据超声波在空气中可定向发射和反射的原理，以超声波换能器为接口部件，应用单片机技术设计了一套基于超声波测距的倒车雷达系统。本文的内容是基于超声波测距的倒车防撞系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和AT89C51单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞系统。本系统采用软硬结合的方法，具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。通过多种发射接收电路设计方案比较，得出了最佳设计方案，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。关键词：超声波 测距 AT89C51 倒车雷达Design and Research of Parking Sensors Based on Ultrasonic Ranging Technology Abstract The ultrasonic wave automobile back-draft detector is one kind auxiliary unit that can display the condition of the obstacle behind the vehicle in real time .It applies extremely widely in the real life. In this paper, according to the transmission reflection theory of wave in the air, Using supersonic transducer as interface unit and applying monolithic machine techniques to design a series of bus ultrasonic ranging system.The paper is based on the ultrasonic distance reversing collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of modular and multi-use characteristics.The paper outlines the development and the basic principles of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basic, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design comparison, the best designed program drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function.Keywords： Ultrasonic，Ranging，AT89C51，Parking sensors目录第一章 绪 论51.1 课题的背景和意义51.2 超声波测距仪的国内外现状61.3 本课题的研究内容和目标8第二章 课题设计原理与思路102.1 超声波测距原理102.2 影响精度的因素分析112.2.1 发射接收时间对测量精度的影响分析112.2.2 当地声速对测量精度的影响分析122.3 测量盲区132.4 系统整体设计方案和论证132.4.1 系统整体方案的设计132.4.2 系统整体方案的论证14第三章 系统硬件设计163.1 51系列单片机的功能163.2 超声波发射电路173.2.1 超声波传感器原理及结构173.2.2 超声波传感器的特性183.3 超声波检测接收电路223.3.1 集成电路CX20106A223.3.2 超声波接收电路设计243.4 稳压电源电路253.5 预警电路263.6 键盘控制电路273.7 超声波测距显示电路27第四章 系统软件的设计294.1 超声波测距的算法设计294.2 主程序设计及其流程图314.3 超声波发送及接收中断程序334.4 显示子程序和蜂鸣报警子程序35第五章 系统的软硬件调试36结束语37致 谢38参考文献39附录 程序清单40 第一章 绪 论1.1 课题的背景和意义一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年FGalton的气哨实验，这是人类首次有效产生的高频声波。在之后的三十年中，超声波仍然是一个鲜为人知的东西，由于当时电子技术发展缓慢，对超声波的研究造成了一定程度的影响。在第一次世界大战中，对超声波的研究逐渐受到重视。法国人LaIlgevin使用一种晶体传感器在水下发射和接收相对低频的超声波。他提出的这种方法可以用来检测水中是否存在潜艇并进行水下通信。1929年，Sokoov首先提出用超声波探查金属物内部缺陷的建议。相隔2年，1931年Mulhauser获准一项关于超声检测方法的德国专利，不过他并未做更多的工作。4年之后，1934年Sokoov首次发表了关于在液体槽子里用穿透法作实物试验的结果，他用了各种方法做了实验，用来检测穿过试件的超声能量，其中之一是用简单的光学方法观察液体表面由超声波形成的波纹。德国人Begemann在他的论著ULTRASONIC中，详细的论述了有关超声波的大量早期资料，该论著一直被认为是该领域的经典之作。美国的Firestone和英国的Sproule首次介绍了脉冲回波探伤仪，使超声波检测技术发展到了更重要的阶段。在各种系统中，这是最成功的一种，因为它有最广泛的通用性，其检测结果也最容易解释。这种方法除可用于手工检测外，还可与采用先进技术的自动系统联用，自第一种脉冲回波仪器问世以来，根据相同的原理，有无数种其他仪器得到了发展，并有许多改进和精化。目前，在超声无损检测中，脉冲回波系统仍是使用最为广泛的一种。HuaHong.wallg Yon阐述了其所研究的一种调幅连续超声波大范围动态测距系统。该系统的测距原理是利用超声波传感器发射和接收调幅连续超声波，基于接收信号于发射信号之间的相位差和两传感器之间的正比关系，用相位差法测量传感器之间的动态距离。文中给出了设计原理、硬件实施和测量结果。实验结果表明，该系统在15m的测距精度可达到lcm。中国测试技术研究所的李茂山在超声波测距原理及实践技术中阐述了用超声波在空气里传播速度为已知条件，测量超声波行进于待测距离所耗费时间的超声波测距原理。文中分析了声波的传输特性和影响声速的因素，给出了超声波测距的框图。作者还进行了超声波测距误差源分析以及超声波测距仪的检验。浙江师范大学的李鸣华、余水宝利用单片机开发了一种超声波料位测量系统。作者介绍了超声波料位测量的原理以及超声波料位测量仪的软硬件设计，硬件设计主要分为超声波信号的产生发射电路、信号接收处理电路、AT89c2051单片机控制电路等。作者还分析了造成料位测量误差的几点原因，并给出了几种方法来减少测量误差。比如：在计数电路设计中，采用了“延迟接收，信号分离"的技术和相关计数法减小了计数误差，对于声速的测量误差，使用温度补偿法，在软件设计中采用了查表的方法，由单片机实现自动补偿校正。文中的一些方法对于设计超声波测量系统来说具有一定的参考价值。声速的测量在超声波测距中对提高超声波精度有重要的作用，超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因素有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。中国海洋大学的曹玉华提出了采用温度补偿的方法测量声速，来提高超声波测距精度 。文中温度检测部分采用了美国DALLAS半导体公司生产的可组网单线数字温度传感器DSl8820测量环境温度，用以温度补偿以修正超声波速度，来减小温度变化对距离测量精度的影响。该超声波测距装置在1.5m的测量范围内，测量误差小于5cm.倒车雷达又称泊车辅助系统，是汽车泊车安全辅助装置，能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了安全性。 超声波倒车雷达系统一般由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器等部分组成，现在市场上的倒车雷达大多采用超声波测距原理，驾驶者在倒车时，启动倒车雷达，在控制器的控制下，由装置于车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理，判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有数，使倒车变得更轻松。1.2 超声波测距仪的国内外现状倒车雷达在车挂倒挡时开始工作，由探头、主机和显示器三部分构成，探头可以根据需要安装不同的数量，目前比较常见的是4探头(安装于后保险杠上)和6探头(2前4后)的；除一般的放置位置外，显示器也可以替代原来的后视镜并兼顾这两种功能，它可以显示多种信息。例如障碍物相对于车的距离、角度和车内外温度等(视雷达档次而定)。以4探头液晶显示屏的豪迪倒车雷达为例，它最远可以探测到196m外的障碍物，并可以显示出是由哪个探头探测到的，如果两个探头同时探测到障碍物，则会以离车最近的障碍物为准，有些显示器上还带有“车载免提功能”，其内有扬声器和麦克风，可以进行录音和放音。倒车雷达的提示方法也可以分为数码显示、声音提示和语音提示等，以博视雷达为例，其背光可通过三色变换来警告紧危急程度，声音提示则会通过急促程度的不同告诉驾驶员及时停车有些雷达还特别为喜欢安静的驾驶员设置了静音开关。倒车雷达的接收方式呵以分为有线式和无线式两种，无线接收方式显然更省事，不必“走线”而拆装车内的原有装饰，也不受车型、车长等因素的影响，其价格自然也略高些。国外汽车倒车雷达预警系统早期大多采用红外线的发射与接收原理，不属于雷达产品， 最大的缺点是红外线波易受干扰，整个系统的警示音常呈现不稳定的乱鸣状态，另外对深黑色粗糙表面物体的反应也较差。但更糟糕的是，无论是红外线发射器或接收器，只要任何一方让一层薄薄的冰雪或泥尘覆盖，系统就会失效。最近在欧美出现的一种电磁感应倒车雷达。在线路上套上一个环型的感应圈，该感应圈放置在车后的保险杠内侧，从车外完全看不出有此装置。以感应车后是否有障碍物。此种装置价格中等，并且完全隐密，但可惜的是，安装时必须卸下保险杠，而且只能探测动态物品，当车在后退行进时，可探测到物体，但车一旦停止后退行进，则任何物体都不被认可。换言之，如有任何物品贴在后保险杠，当车一旦停下再启动后，此装置并不会告知驾驶者后方有物品贴在保险杠，此车不能再后退等。德国大众公司已经将超声波测距技术应用在倒车雷达上，并且具有前视和后视功能，采用自举升压的方式驱动8路超声波传感器，目前国内引进车型对这一技术尚不能国产化，仍需要引进德国原厂成品安装。因此，实用性也相当有限。日本、美国和欧洲等国的大汽车公司都投入了相当的人力、物力，采用先进的毫米波雷达、CCD摄像机、GPS和高档微机等制成安全预警系统，使用在其所开发的高级汽车上。据海外媒体报道，戴姆勒-克莱斯勒公司日前成功开发出供商用车使用的电子刹车系统，它与其他刹车系统的区别在于，其在卡车车头设有雷达感应器，感应器在车前观察四周环境，并将所有收集的信息交由一控制器加上处理，形成一虚拟景象，再借助演算法的辅助来判断所发生状况是否需要利用刹车。未来两三年内这种新型刹车系统即可量产上市，但价格昂贵，其过高的成本限制了它应用的普遍性。随着我国汽车产业的高速发展，近两三年我国开始进入私家车时代，交通事故发生的频率也在增加，为提高汽车运行的安全性，倒车雷达预警系统不仅深受驾驶员的青睐，也逐渐成为汽车电子产业中新的增长点。尤其是近两年来，倒车雷达成了商家的电子新爱，众多生产防盗器的厂家纷纷涉足倒车雷达，处在我国汽车电子行业环境的繁荣背景下倒车雷达已渐渐形成一个较大的行业，而且已呈现出一派激烈竞争的态势。倒车雷达系统经历了三个阶段，六代的技术改良，从早期的倒车防撞仪，只能测试车后有限范围的障碍物，并发出警报，发展到根据距离远近程度分段报警，前两个阶段的倒车雷达一般采用专用集成电路，功能较简单。随着人们对汽车驾驶辅助系统易用性要求的提高，以及单片机价格不断下降和汽车电子系统网络化发展的要求，新型的倒车雷达都是以单片机为核心的智能测距传感系统。要求倒车雷达连续测距并显示障碍物距离，并采用不同间歇呜叫频率的声音报警提示距离，让驾驶员全神贯注地注视场景。汽车电子系统网络化发展还要求作为驾驶辅助系统子系统的倒车雷达具有通信功能，能够把数据发送到汽车总线上。如最为先进的倒车雷达系统为“智能可视倒车雷达系统”，它在车尾部撞上针孔摄像头，倒车时可以在DVD显示屏上显示车后的广角真实图像。在近日上市的由东风汽车有限公司乘用车公司推出的全新一代“蓝鸟智尊”，最引人注目的是它配备了倒车影像显示和NAVI卫星导航系统，这两项配置在同级别的轿车上可谓绝无仅有，有效提升了蓝鸟的档次，直接将高级别汽车的智能化从概念引入了应用。在驾驶者挂入倒挡时，中控台上的液晶显示屏会自动切换画面，将车尾摄像头拍下的环境状况展示在驾驶者眼前，最大程度地方便泊车，这项功能在夜间尤其具有价值。而它的NAVI卫星导航系统，使同产成为继丰田之后又一个将GPS导航定位系统引入国内的厂家。目前市场上的倒车雷达品牌可谓是种类繁多，有铁将军、北华三松、固地、博视、奇真、台湾俊邦、豪迪等几十种品牌，价格也是几百、上千元不等，有些厂家还根据车型的不同，设计专用的倒车雷达。1.3 本课题的研究内容和目标本文设计的防撞装置在结构上采用微电脑技术和专用芯片设计，具有结构简单，小型化的特点，非常适合用于测控系统；在软件设计上，突出模块的灵活性，并且C51语言简洁，大大简化了编写程序的工作量。比较现在市场已有的防撞器，该结构紧凑性好、成本低，可靠性好，通信能力强，能有效地避免汽车相撞事故的发生，具有一定的市场价值。超声波测量距离是一种有效的非接触式测距方法，可广泛应用于各种需要测量距离或物位参数的场合。特别是其具有高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。随着科学技术的不断发展超声波测距技术本身也在不断的完善和发展，而基于超声波的倒车雷达的设计也必将越来越精确。第二章 课题设计原理与思路2.1 超声波测距原理超声波测距是通过不断检测超声波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，式中的C为超声波波速。由于超声波也是一种声波，其声速C与温度有关，表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。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。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声波测距仪的机理。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为，根据计时器记录的时间，发射点距障碍物的距离，如图2.2所示 图2-1 超声波测距原理图2-1中被测距离为H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用表示，由图可得： (2-1) (2-2)将式（2-2）带入式（2-1）得： (2-3)在整个传播过程中，超声波所走过的距离为： (2-4)式中：为超声波的传播速度，为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。将式（2-4）带入式（2-3）可得： (2-5)当被测距离H远远大于M时，式（2-5）变为： (2-6)这就是所谓的时间差测距法。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。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40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。图2-2为倒车雷达的工作原理框图。 超声波接收 单片机控制器超声波发送LED显示扫描驱动声光报警 图2-2 倒车雷达原理框图2.2 影响精度的因素分析2.2.1 发射接收时间对测量精度的影响分析 采用TR40压电超声波传感器，脉冲发射由单片机控制，发射频率40KHz ，忽略脉冲电路硬件产生的延时，可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。对于接收到的回波，超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减，其衰减遵循指数规律。设测量设备基准面距被测物距离为h，则空气中传播的超声波波动方程为： （2-7）由以上公式可知，超声波在传播过程中存在衰减，且超声波频率越高，衰减越快，但频率的增高有利于提高超声波的指向性。经以上分析，超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大，收到的回波信号可能十分微弱，要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接受时间，必须对收到的信号进行足够的放大，否则不正确的判断回波时间，会对超声波测量精度产生影响。 2.2.2 当地声速对测量精度的影响分析 当地声速对超声波测距测量精度的影响远远要比收发时间的影响严重。超声波在大气中传播的速度受介质气体的温度、密度及气体分子成分的影响，即：（2-8）由上式知，在空气中，当地声速只决定于气体的温度，因此获得准确的当地气温可以有效的提高超声波测距时的测量精度。工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下： （2-9）式中C0=331.4m/s；T为绝对温度，单位K。 式（2-9）一般能为声速的换算提供较为准确的结果。实际情况下，温度每上升或者下降 1 , 声速将增加或者减少0.607m/s ，这个影响对于较高精度的测量是相当严重的。因此提高超声波测量精度的重中之重就是获得准确的当地声速。对于时间误差主要由发送计时点和接收计时点准确性确定，为了能够提高计时点选择的准确性，本文提出了对发射信号和加收信号通过校正的方式来实现准确计时。此外，当要求测距误差小于1mm时，假定超声波速度C=344m/s(20室温)，忽略声速的传播误差，则测距误差St<0.000 002 907s，即2.907ms。根据以上过计算可知，在超声波的传播速度是准确的前提下，测量距离的传播时间差值精度只要在达到微秒级，就能保证测距误差小于1mm的误差。使用的12 MHz晶体作时钟基准的AT89C51单片机定时器能方便的计数到1s的精度，因此系统采用AT89C51的定时器能保证时间误差在1mm的测量范围内。2.3 测量盲区在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这时需要注意的。由于发射脉冲自身有一定的宽带，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离称为盲区，具体分析如下：当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短的时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振（由于机械惯性作用）。因此，在一段较长的时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具有一定的幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平VM；另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平，当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号幅值需达到规定的阀值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阀值才能使接收信号放大器有输入信号。2.4 系统整体设计方案和论证由于超声波指向性强，能量萧寒缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，你用超声波测量距离，设计比较方便，计算原理也较简单，并且在测量精度方面也能达到倒车雷达设计的要求2.4.1 系统整体方案的设计该设计的应用背景是基于AT89C51的超声信号检测的。因此初步计划是在室内小范围的测试，限定在2.5米左右。单片机（AT89C51）发出短暂的40KHz信号，反射后的超声波经超声波接收器作为系统的输入，锁相环对此型号进行技术判断后，把相应的计算结果送到LED显示电路显示，并进行报警。超生波发射电路通常分为调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈（有时装在探头内），谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固定参数决定，频带较宽。将一定频率的交流电压加到发射传感器的固有频率40KHz，使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接受传感器上接受的回波功率就比较大，对于接受电路的设计就相对简单一些。但是每一支实际的发生传感器有其工作电压的极限值，同时发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。发射部件的点脉冲电压很高，但是由于障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是有两级放大电路，检波电路及锁相环构成，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机（AT89C51）能够识别的中断信号作为回波到达的标志单片机发出启动信号，超声波模块经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。若测得距离小于事先设定的数值，则发出声音预警。2.4.2 系统整体方案的论证超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一发种是射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器。硬件电路的设计主要包括三端稳压电源电路、单片机及其辅助电路、超声波发射和超声波检测接收电路、显示电路四部分组成。单片机采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。单片机用P1.0端口输出超声模块所需的启动信号，超声波发射探头发出40KHZ的超声波。利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用实用的4位共阳LED数码管，段码AG接单片机的P0.0P0.6，位码用PNP三极管9012驱动。第三章 系统硬件设计3.1 51系列单片机的功能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T0和T1，4个8B的I/O端： P0，P1，P2，P3，一个全双工串行通信口等组成。特别是该系列单片机片内的Flash可编程、可擦除只读存储器(EPROM)，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3-1所示。图3-1 AT89C51单片机结构及引脚图5l系列单片机提供以下功能：4 KB存储器；256 B RAM；32条I/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基于超声波测距的倒车雷达系统。3.2 超声波发射电路超声波由于其指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，而经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如液位、井深、管道长度等场合。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，因此在测控系统中得到了广泛应用。超声传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声波能量或是把超声波能量转变为同频率的其他形式的能量的器件。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：压电传感器，磁致伸缩传感器，静电传感器。流体动力型包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”。3.2.1 超声波传感器原理及结构压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头有压电晶片、契块、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，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，铌酸锂等，属于压电陶瓷的有锆钛酸铅，钛酸钡等。压电材料具有一种特性，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，只要对这种材料加上交变电场，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。当压电晶片受到发射电脉冲激励后会产生振动，即可发射超声脉冲，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f0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。压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的，超声波发生器内部结构如图3-2所示，它有两个压电晶片的一个共振板，当它的两级外加脉冲信号，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，并带动共振板的振动，便产生超声波。反之，如果两级间为外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转化为电信号，这时它就成为超声波传感器。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率f0。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3-2 超声波传感器的内部结构超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属外壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。3.2.2 超声波传感器的特性超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的传感器SZW-S40-12M发射型超声波传感器的特性为例加以说明。1 频率特性a) b)图3-3 超声波传感器的频率特性图a）超声波传感器的声压能级 b）超声波传感器的灵敏度图3-3是超声波发射传感器的升压能级和灵敏度。其中，40KHz处为超声波发射传感器的中心频率，在40KHz处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在40KHz处所产生的超声声压能级最高。而在40KHz两侧，声压能级迅速衰减。其频率特性如图3-4所示。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率40KHz的交流电压来激励。图3-4 超声发射传感器频率特性另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在40KHz处最尖锐，输出电信号的振幅最大，即在40KHz处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R也有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果R较小，频率特性变得光滑而且有较宽的带宽，同时灵敏度也随之降低，并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗的前置放大器配合使用，才能有较高的接收灵敏度。考虑到实际工程测量的要求，可以选用超声波频率f = 40KHz，波长 = 0.85cm。2 指向特性实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡器，辐射出一个半球而波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器的空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是0度时电压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为40度到80度，本设计要求传感器的指向角为75度。图2-8是电路中选用的发射传感器的指向特性及结构。a） b） 图3-5 超声波传感器指向特性a）及结构b）超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，探头（又称超声波换能器）选用压电式，可采用软件发生法和硬件发生法产生超声波。前者利用软件产生40KHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。这种方法的特点是充分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流100mA以上的驱动电路。第二种方法是利用超声波专业发生电路或通用发生电路产生超声波信号，并直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无需驱动电路，但缺点是灵活性低。本设计采用第二种方法产生超声波发射信号。40KHz的超声波是利用LC震荡电路振荡产生的，其振荡频率计算公式如下： （3-1）脉冲发射采用软件方式，利用AT89C51的P1.0口发射40 KHz的方波信号，经过74LS04放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间，而相对于LSTTL逻辑IC，它的功耗减小很多。对于HC类型，其工作电压为26 V，它具有高抗扰度，可以兼容直接输入LSTTL逻辑信号和CMOS逻辑输入等特点。本系统将40 KHz方波信号分成两路，分别由74LS04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。电路图如图3-6所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输出40KHz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。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻R4、R5一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。图3-6超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加