超声波测距实习报告.

0信息科学与工程学院计算机辅助综合设计实习报告班级：通信12-2班姓名：覃模广组员：何**学号：3120731231指导老师：陈小琴时间：2015年1月第1页1.超声波概述1.1超声波基本理论1.1.1超声波发展史人类直到第一次世界大战才学会利用超声波，这就是利用“声纳”的原理来探测水中目标及其状态，如潜艇的位置等。40年代末期超声波治疗在欧美兴起，直到1949年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。医学上最早利用超声波是在1942年，奥地利医生杜西克首次用超声波技术扫描脑部结构，以后到了60年代医生们开始将超声波应用于腹部器官的探测。1956年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。如今，超声波已广泛应用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。1.1.2超声波的本质声波是声音的类别之一，属于机械波，是人们能感觉得到的纵波，频率大小范围为16Hz-20KHz。当声波的频率小于16Hz时就称为次声波，大于20KHz则叫做超声波。其中超声波是种波动形式，它能作为探测和负载信息的载体；超声波也是种能量形式，如果其强度超过一定程度时，它能与传播超声波媒质的相互作用，去影响，甚至破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。超声波的反射、折射、衍射、散射在媒质中等传播规律，和可听声波的传播规律没有本质区别。但超声波波长短，达到厘米，甚至达到毫米。1.1.3超声波的应用正因为超声波在物理化学方面的独特特性，因此，超声波在许多方面都有广泛的应用。归结起来，超声波主要应用在以下几个方面：(1)在检验方面的应用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。而超声波的测距原理：采用了超声波在空气中的传播速度为已知条件，测量的声波在发射后碰到障碍物反射的回来的时间，用发射和接收的时间差确定出发射点至障碍物的实际测量距离。超声波的测距主要应用在倒车提醒、工业现场等距离测量，虽然目前测距量程上能有百米，但测量精度只可以到厘米的数量级。(2)在超声处理方面的应用利用超声的机械效应、温热效应、理化效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化、脱气、除尘、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。(3)在基础研究方面的应用超声学是研究超声的科学，它是声学的一个重要分支。超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。机械运动为一种最简单、最一般物质的运动，它较之其他的物质运动和物质的自身结构之间关系非常紧密。超声振动本来就属于种机械运动，因此，利用超声学也是研究物质的结构的一个重要的途径之一。2超声波测距方法与原理2.1超声波测距方法2.1.1方法种类介绍和说明目前，市场上利用超声波测距原理制成的测距系统种类繁多，但是超声波的测距方案总下来有下面几种：（1）相位的检测法第2页相位的检测法可分2种：一方法是用发射不同频率超声波来显现的。先开始发射波长为1的超声波。检测出回波相位为1。假设所用的波周期数m,则能求的目标物体的距离为：112Lm(3-1)同样道理可以算出第二束波形测距的计算公式为：222Ln(3-2)其中：2为第二束波的相位角，2是波长，n是周期数。又由于m和n都为正数,与此同时再一次进行时间补偿算法，可准确求目标距离值。但是因为超声波探头是有固定频率，假设改变频率，系统衰减会大，需要两套信号的检测电路，实施难度加大，不适宜采用。二方法是使用单一超声波的探头来进行相位的检测法检测，这种方法是待测距离在一个周期内使用，若过选用40kHz超声波为传播介质，一个周期对应检测距离为3400.0000250.00858.5Lmmm，因此，这种方法的准确度很高。（2）幅值的检测法幅值德检测法是开始发射固定频率的超声波，接着使用反射或对射法的检测接收得到的超声波脉冲的强度，从超声波回波衰减理论，认真对回波脉冲强度的进行分析，从而求得目标距离。（3）渡越时间法（也是本实习的做法）渡越时间意思是开始从传感器发射出超声波开始计时，经气体的介质传播，达到传感器接收到回波时计时的停止。因为在一定的环境下，温度不会变化，或变化较缓慢，可近似认为常数，这时声速是保持不变的。所以能通过检测渡越的时间，结合现场声速，从而求得传感器和目标之间的距离。2.2超声波测距原理与超声波传感器2.2.1超声波测距原理超声技术是一门以物理、电子、机械及材料学为基础的通用技术之一。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程而完成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。超声波遥控近距离遥控中的一种的实际方法，人们可以听到的声音的频率估算为20Hz~20kHz，低于20Hz和高于20kHz的声音，人耳一般都听不到，人把高于20kHz声波叫做超声波。它属于一种机械振动波，能够在气体与液体、固体中传播，它在空气中的传播的速度是340m/s，与光波及电磁波相比较是极度缓慢的。超声波拥有方向性，即传播能量相对于其他波而言很集中，这一点和可听见声波相异。另外，超声波在传播途中若遇到不同的媒介，大部分能量会被反射。超声波测距从原理上可有共振式与脉冲反射式两种。因为应用要求十分限定，这里用脉冲反射式，即是利用超声的反射的特性。超声波测距的原理是经过超声波发射传感器向某方向发射出超声波，在发射的时刻同时开始计时间，超声波在空气传播，途中要是遇到障碍物立即返回，当超声波接收器收到反射波时就停止计时。平常温度下超声波在空气中传播速度是C=340m/s，依据计时器记录时间t，就能计算到发射点距离障碍物距离(S)，即为S=C*t/2=C*t0，其中，t0就是所谓渡越的时间。在超声波测量的系统中，若频率取得太低，外界杂音干扰的较多；若频率取得太高，在传播的过程中衰减得较大。所以在超声波测量中，常使用40KHz的一种超声波。现在超声波测量的距离一般是几米至几十米，是种适合室内的测量方式。因为超声波的发射与接收器件拥有固有频率的特性，有很高抗干扰的性能。所谓的超声波测距的原理属于一种种时间差测距法，超声波发射器向某方向发射出超第3页声波，在发射的时刻的同时计算传播时间，超声波在空气中传播，若是遇到障碍物会返回来，每当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是340m/s,根据计时器记录时间t，就能够计算出发射点距离障碍物的距离（s),即为：s=340t/2.超声波测距原理是采用超声波在于空气中传播的速度为已知条件，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算发射点到障碍物的实际距离。2.2.2超声波传感器超声传感器是把其他形式的能转换为所需的超声能或者把超声能转换为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声传感器有两类，即电声型与流体动力型。电声型主要有：1.压电传感器；2.磁致伸缩传感器；3.静电传感器。压电传感器属于超声传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、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件，是超声波检测装置的重要组成部分。传感器的主要的组成部分为压电晶片。每当压电晶片受到发射电脉冲激励后产生振动，即是可发射声脉冲，为逆压电效应。每当超声波作用于晶片时侯，由晶片受迫振动造成的形变可转变成相应电信号，为正压电效应。前者是用在超声波发射，后者即是超声波接收。超声波传感器一般是采用双压电陶瓷晶片制作成的。这一种超声传感器需要的是压电材料较少，价格的低廉，并且非常适用的气体与液体介质中。在压电陶瓷晶片上有个固定谐振频率，即中心频率f0发射出超声波时，附在其上的交变电压频率要和它固有的谐振频率一样。这样的话，超声传感器会有较高灵敏度。超声波传感器内部的结构是由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳和金属网构成的，值得一提的是，压电陶瓷晶片便是传感器的核心，锥形辐射喇叭能使发射与接收超声波的能量集中，并且使传感器会有一定指向角，金属壳可以防止外界力量对于压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。金属网同样是起保护作用的器件，同时不影响发射和接收超声波。3系统电路设计（系统总方案两人共同完成，经过讨论确定方案如下）3.1总体方案设计超声波测距仪整体结构图包括超声波发射电路,超声波接收电路,单片机电路,显示电路与温度测量电路等几部分模块组成。利用单片机来实现对超声波和超声波转换模块的控制。具体见图所示。超声波测距系统结构框图3.2硬件部分利用AltiumDesigner09进行各模块电路原理图的绘制及PCB设计制作3.2.1单片机系统及显示电路用超声波发射器向某一方向发送超声波，同时在放射的时候开始计时，在超声波遇到障碍物的时候反射回来，超声波接收器在接收到反射回来的超声波时停止计时。通过公式S=VT/2可以测出汽车与障碍物之间的距离通过LED显示屏显示出来。单片机采用STC89C52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振,以获得较稳定的时钟频率,减小测量误差。单片超声波接收超声波发送扫描驱动LED显示单片机控制第4页机用外中断1口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号,利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管,段码用74HC573驱动,位码用PNP三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图所示图1-1单片机控制电路原理图3.2.251单片机P0口为什么要接上拉电阻？p0口内部没有上拉电阻，如果没有加外部上拉电阻的话，几乎没有什么驱动能力。外上拉电阻的问题。是否需要上拉电阻，对于TTL电路输入端来说并不是关键，加与不加是要看你的单片机IO口的属性。如果单片机的输出端口是推挽输出的，那么这个上拉电阻根本没有必要，但如果单片机的IO口是开漏输出或者是内部弱上拉输出的，那这个时候就需要接一个上拉电阻。上拉电阻的大小一般参照后级电路所需要驱动电流的5～10倍来选取，可大不可小，一般现在用10K或者4K7的比较多，但如果对功耗要求比较严格，这个电阻就需要去计算，阻值太大那么容易受干扰，太小功耗不能满足，不需要去权衡.在这里要驱动数码管，需要的电流是5~10MA，但是P0口输出电流不到1个毫安，是无法点亮发光二极管的。如果接上上拉电阻，阻值为10k，然后数码管下端如果是低电平，5-0=5v。573为锁存器，输入并行信号输出并行信号。74HC573输出电流是正负20ma，单LED数码管的一般电流为10ma，可直接驱动。3.2.3共阳极四位七段数码管（12个引脚）怎么连接到单片机上？正面看的话，上面6脚，下面6脚，共12脚上面从左到右是1,a,f,2,3,b下面从左到右是e,d,dp,c,g,4其中1,2,3,4是4个数码管的位选，因为是共阳，所以这几脚高第5页电平时才有可能点亮数码管，记得要三极管驱动，9012就可以了。9012的C加个限流电阻接电源，B接单片机，E接1,2,3,4。单片机给高电平时选中。a,b,c,d,e,f,g,dp是段码，低电平有效，一般也送单片机控制4.外围电路设计4.1.1超声波发射电路：超声波发射电路设计：在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。经过电阻分压后到达基极通过集电极输出后经过中周变压器组成谐振回路，最终将频率为40KHZ的信号作用于发射探头上，使其产生共振后，发射出超声波。4.1.2超声波接收电路：超声波检测接收电路：对于本系统的设计，其难点在于40KHz信号的产生。由于超声波传感器的中心工作频率为40KHz，当偏离这个频率时，其接收器的灵敏度将明显降低，具体可以从超声波传器的特性曲线中得知。当发送40KHz的频率时，接收到的信号最强，因此距离也就最大，而当