基于51单片机的超声波测距系统的毕业设计报告

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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儿交流电压，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。

A 压电晶片 B

图2-3双压电晶片示意图

双压电晶片如图2-3所示，当在AB间施加交流电压时，若A片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。

图2-4双压电晶片的等效电路图

双压电晶片的等效电路如图2-4所示，CO为静电电容，R为陶瓷材料介电损耗,并联电阻Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为损耗串联电阻。压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率?o。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。

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。

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2.2.2超声波传感器选择

超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器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4OKHz的收发分体式超声传感器，由一支发射传感器UCM-T40KI和一支接收传感器UCM-R4OKI组成，其特性参数如表2-5所示。

表2-5传感器特性参数表 型号 结构 使用方式 中心频率 频带宽 灵敏度 声压 指向角 容量 UCM-T40K1 开放式 发射 40?1KHZ 2?0.5KHZ 110dBVubar UCM-R40KQ 开放式 接收 38?1KHZ 2?0.5KHZ ?65dBVubar 115dBmin(0dB?0.02mPa) ?70dBmin(0dB?1Vubar) 75o 2500?25%pF 80o 2500?25%pF 2.2.3超声波测距的原理

超声波测距方法主要有三种：1）相位检测法：精度高，但检测范围有限；2）声波幅值检测法：易受反射波的影响；3）渡越时间法：工作方式简单，直观，在硬件控制和软件设计上都容易实现，其原理为：检测从发射传感器发射的超声波经气体介质传播到接收传感器的时间t，这个时间就是渡越时间，然后求出距离l。设l为测量距离，t为往返时间差，超声波的传播速度为c，则有l=ct/2。综合以上分析，本设计将采用渡越时间法。

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图 2-6 测距原理

由于超声波也是一种声波，其声速c与空气温度有关，一般来说，温度每升高1摄氏度，声速增加0.6米／秒。表2-7列出了几种温度下的声速：

表2-7 声速与温度的关系表

温度（摄氏度） 声速（米／秒）

－30 －20 －10 0 313

319

325

10 20 30 100

323 338 344 349 386

在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速c是基本不变的，计算时取c为340m/s。如果测距精度要求很高，则可通过改变硬件电路增加温度补偿电路的方法或者在硬件电路基本不变的情况下通过软件改进算法的方法来加以校正。

在本系统中利用AT89S52中的定时器测量超声波传播时间，利用DS18B20测量环境温度，从而提高测距精度。空气中声速与温度的关系可表示为：

c?331.45T?273.16?331.4?0.6T(m/s)273.16 (2-3)

声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离：L=1/2(331.4+0.6T)t。 （系统中应用该式进行温度补偿）

如果为了进一步提高测量精度，本设计中将根据需要利用软件方式增加角度补偿的

222设计：s?l?h。 （系统中应用该式进行角度补偿）

2.2.4发射脉冲宽度

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。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。但是根据实际的经验，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 25μs(l个40KHz方波脉冲)， 100μs(4个40KHz方波脉冲)，200μs(8个40KHz方波脉冲)， 800μs(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 200μs(8个40KHz方波脉冲)发射脉冲宽度;长距离(2m外)发射 800μs(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

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面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。

2.2.5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，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，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:

图2-8传感器回波测距原理分析图

如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，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，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，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，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图2-8可见，从b点以后，接收的信号低于闽值，相当于测距的远限。另外，从图中A点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从c点以后，发射信号低出阈值Vm，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，所以在要求较高时，把oc这段时间规定为盲区时间。从距离上说，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb为可测距范围;b点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。

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