超声测距电路设计制作(南航)
超声测距电路设计制作(南航),超声,测距,电路设计,制作,南航,南京航空航天大学
毕业设计(论文)开题报告题目 超声测距电路设计制作专 业 名 称 测控技术与仪器班 级 学 号 11081334学 生 姓 名 章林强指 导 教 师 周瑞琪填 表 日 期 2015 年 04 月 09 日以下填写内容各专业可根据具体情况进行修改,但每个专业应保持一致。一、选题的依据及意义: 设计一个超声波测距仪。要求能够实现利用超声波进行距离测量,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定的显示测量结果。可用于如汽车倒车提醒、液位、井深、管道长度的测量等不能直接接触测量的场合,也可应用于汽车倒车雷达、航海、宇航、石油化工等工业领域1。超声波简介:超声波是频率高于20000赫兹的声波,它方向性好,穿透能力强,易于获得较集中的声能,在水中传播距离远,可用于测距,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。超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。超声波具有如下特性:(1)超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。(2)超声波可传递很强的能量。(3)超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。(4)超声波在液体介质中传播时,可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。超声效应:当超声波在介质中传播时,由于超声波与介质的相互作用,使介质发生物理的和化学的变化,从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应,包括以下4种效应:机械效应、空化作用、热效应、化学效应2。 超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、单片机技术相结合来实现非接触式距离测量的方法3。由于超声波指向性好,能力消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常被用于距离的测量,利用超声波检测距离设计比较简单,计算处理也比较简单,并且在测量精度方面也能达到日常使用要求。超声波是一种频率在20khz以上的声波,作为一种特殊的声波,同样具有声波传输的基本物理特性:反射、折射、干涉、衍射和散射,与物理联系紧密,应用灵活。并且更适合于高温、高粉尘、高湿度和强电磁干扰等恶劣环境下工作。无论从精度还是可靠性方面,超声波测距都做得比较好。利用超声波测距往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制。具有广泛的应用前景。 二、国内外研究概况及发展趋势: 历史上使用超声波来测量距离是从第二次世界大战时海军的声纳技术的发展开始。声纳是一种利用声波在水下测定目标距离和运动速度的仪器。经过相关科技工作人员的研究超声测距的理论已经非常的明确,各种类型的仪器都发展成熟并且在生产中得到广泛的应用。现在超声波测距系统越来越注重其实用性,因此现在单片机和超声波测距系统开始紧密结合起来。比如说,汽车内置的倒车防撞系统,潜水艇的音波发射系统,医学器械的检测系统,工业自动控制,建筑工程测量和机器人视觉识别等方面都在大量使用单片机来完成其各个任务。这说明,现在在超声波测距方面,单片机的使用正在成为主流。这可归结为三个原因:一是单片机的成本低廉,对于现如今测距系统在很多领域都大量使用的形式下,单片机所节省的制作成本可以更好地用于其它方面,大大提高了社会资源的合理分配:二是单片机系统方便快捷,现在所使用的单片机系统,绝大部分都可以实现程序的修改,因此单片机的使用使测距系统更能体现其灵活性,也使设计出的单片机系统能广泛适用于各个领域4。三是采用的是非接触式测量,由于它具有不受外界因素影响,对环境有一定的适应能力,且操作简单、测量精度较高等优点,大大解决了传统测量仪器存在的问题,从而得到广泛的应用。比如,在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害,腐蚀性质的被测物对测量仪器腐蚀。此外该技术对被测元件无磨损,使测量仪器牢固耐用,使用寿命加长,而且还降低了能量耗损,节省人力和劳动的强度。超声测距技术在各方面都将有很大的发展空间,他将朝着高定位高精度的方向发展,以满足严苛的测距需求,如研究具有高定位精度的被动测距声呐,以满足水中武器实施全隐蔽的需要,继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线阵列声呐,实现远程得的被动探测和识别。研制更适合于浅海工作的潜艇声呐,解决浅海中目标识别的问题。然而超声波测距在实际应用也有很多局限性。由于超声波在传播过程中,声压会随距离的增大而呈指数规律衰减,远目标的回波信号幅度小、信噪比低,用固定阀值的比较器检测回波,可能导致越过门槛的时间前后移动,从而影响计时的准确性,这必然会影响到测距的准确度。另外就是构成超声波传感器的压电陶瓷片在压电的双向转换过程中,存在惯性、滞后等现象,以及超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径,均导致回波信号被展宽,也使测量产生较大的误差,影响了测距的分辨率5。其他如温度,风速等也会对测量造成一定的影响10。 现如今高速发展的科学技术和越来越智能化的社会生活来说,超声波测量技术还需要不断发展,来满足社会进步的需要。现阶段的超声波测距还没有到达顶峰,还有很大的发展空间,而怎样实现超声波测量技术的更智能化,更实用性,是今后超声波测量技术的发展方向。毋庸置疑,未来的超声测距仪将与自动化智能化接轨,随着其它相关的电子技术的发展,更高精度,特种状况下的超声测距仪将会开发出来。三、研究内容及实验方案: 1. 研究内容 (1)了解超声波测距原理。 (2)设计出利用超声波测距离的硬件结构电路。 (3)可以实现以数字形式显示测量距离。2. 试验方案 图 1 系统原理框图2.1 试验设备 本系统包括以下几个部分:以单片机AT89C51为核心,周围电路包括显示电路、超声波发射电路6、超声波检测接收电路、驱动电路等7。 AT89C51单片机内含4kB的只读程序存储器ROM(可反复擦写,修改方便)及128B的随机存储器RAM8,对于只要求测量矿井内部各部分距离的测距系统来说,存储量足够使用。由于AT89C51单片机内部结构相对简单,因此能实现快速测量,而且使用相对方便。在编程方面,AT89C51单片机即可按照常规方式进行编程,也可进行在线编程,且可反复擦洗的程序存储器也能方便的进行程序修改,且比不可擦洗的存储系统大大降低了其成本。2.2 系统工作原理(1) 超声波测距原理超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知,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出发射点到障碍物的实际距离。 图2超声波测距板原理图 由此可见,超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为: L=CT (1.1)式中L为测量的距离长度;C为超声波在空气中的传播速度;T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)910。超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量,虽然目前的测距量程上能达到百米,但测量的精度往往只能达到厘米数量级。由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点,是作为液体高度测量的理想手段11。在精密的液位测量中需要达到毫米级的测量精度,但是目前国内的超声波测距专用集成电路都是只有厘米级的测量精度。通过分析超声波测距误差产生的原因,提高测量时间差到微秒级,所以通过一些误差分析,根据误差产生原因做出相应的补偿就能提高测量的精度。如温度对声速的影响,时间测量的精度等。(2) 超声波测距误差分析根据超声波测距公式L=CT,可知测距的误差是由超声波的传播速度误差和测量距离传播的时间误差引起的。其中温度影响为:01273ccqq=+近似公式为:C=C0+0.607 (1.2)式中,C0为零度时的声波速度332m/s,为实时温度。四、目标、主要特色及工作进度1. 研究目标 根据所了解的单片机知识,和超声相关的基础知识设计出一个能正常工作的超声测测距装置,并且控制好一起的测量精度,和稳定性。了解使用不同型号的芯片对测距仪器整体的影响。 2. 主要特色 (1)超声波发射与接收电路的设计:是选择使用施密特振荡器和数字功率放大电路的方案还是选择使用555多谐振荡器和数字功率放大器作为发射装置、回波放大接收电路及比较电路作为接收装置的方案。(2)直接将测量结果传递到LCD显示单元。(3)显示电路选择什么样的反向驱动器驱动PC口作为LCD的位选控制口来提高其显示亮度, (4)整个装置的造价便宜,原理简单,用途较广。3. 工作进度2015.3.092015.4.10 查阅资料,对课程设计进行初步规划,整理资料 。2015.4.112015.4.19查阅外文资料,翻译论文和撰写开题报告,购买 设计使用的器材。2015.4.202015.4.30对所选择的单片机系统进行学习和认知,以进行下一步设计,设计测量系统,并画出其结构图。2015.5.042015.5.15将电子零部件焊接好调试仪器的性能。2015.5.162015.5.31 对测量系统进行数据校验,完善测量系统。2015.6.012015.6.26撰写毕业论文,准备答辩,毕业答辩。5、 参考文献1 韩赞东.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用J .测控技术, 2002, 13(8): 4546.2 超声波探伤编写组. 超声波探伤M. 电力工业出版社, 1980.3 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用电子技术J电子工业, 2002, 9(6): 3638.4 周润景等.Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M.电子工业出版社,2006.5 BIRD C.Quality control of friction stir welds by the application of non-destructive testingC. 4th International Symposium on Friction Stir Welding,4th International Symposium on Friction Stir Welding, california of USA,2003,2003:3942.6 童诗白 华成英.模拟电子技术基础M.第四版. 高等教育出版社,2006.7 杨自栋.简易超声波测距仪的软硬件设计M. 农业装备与车辆工程出版社,2005.8 郑初华. 汇编语言微机原理及接口技术M.第二版.南昌:电子工业出版社,2010. 9 吴运昌模拟电子线路基础M华南理工大学出版社,2004.10 阎石. 数字电子技术基础M.第五版. 高等教育出版社, 2006.11 韩志军等.单片机应用系统设计M.机械工业出版社,2004.学士学位论文原创性声明本人声明,所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名: 日期:学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名: 日期:导师签名: 日期: 传感器和执行器A 135(2007)381-387 剩余磁场传感的应力测量 约翰W威尔逊,桂云天*,西蒙Barrans哈德斯菲尔德大学,计算与工程专业,昆斯盖特,哈德斯菲尔德HD13DH,2006年4月6日,英国学校收录;2006年7月27日收到在修订后的表格;2006年8月6日接受2006年9月20日可在线查阅。摘要:在工程结构均采用残余应力进行评估应力状态,并判断最终失效的早期迹象的研究方法是非破坏性测试快速发展的研究领域。最近几年在磁应力测量的发展领域使用外加磁场并监控材料改变的磁性质已经做了很多工作,例如研究铁磁材料的磁滞曲线或巴克豪森发射的变化。但被动实地测量的方向相对来说并未开发多少。当磁性金属产生应变时,它们从非磁性状态转变到不可逆磁性状态,这被称为金属磁存储器(MMM)或残余磁场(RMF)。本文研究了在不同情况下的现象,并应用剩余磁场技术进行应力测量。一个三轴磁阻磁场传感器来测量残余的磁场平行材料表面(Bx的),并垂直于材料表面(BZ)的应力,由磁发生机械产生无需外部场感应的磁场区域,并使钢试样处于这个磁场内。测试结果表明,在不使用外加磁场,所述样品中的应力可以用磁场感应的强度来等效的测量出,以Bx的表示特别好的相关性。这项工作的结论是,新无源场技术包括磁场图案与磁场变化率的分析,将证明在某些有利的情况下,例如在役检查复杂几何形状的结构。进一步的研究方向也被突出显示。 关键词:压力测试;剩磁场;金属磁记忆;磁耦合1.简介工程结构提供残余应力特性用来判断最终失效的早期迹象是一种非破坏性测试快速发展的研究领域。此刻使用的检测方法是:剩磁检测 X射线衍射技术1 。基于该测量晶格间距为应变计, X射线衍射技术允许用户宏观和区分微应力,但只对测量表面应力和要求的表面处理。 超声波技术 2 。根据超声波在不同材料介质中速度的变化,超声波检测是具有更大的穿透深度检测技术,但通常需要表面处理和使用的耦合介质。粗糙,形状不规则的,非常小,特别薄或不均匀的材料是很难检查.涡流技术3。基于所测量材料的电磁线圈的阻抗的变化,因为只覆盖导电材料的表面上。涡流技术的缺点是有限的穿透深度,尤其是在铁磁材料。主动磁技术4,5。现场在材料上施加磁场然后检测材料参数的变化,磁滞后和磁巴克豪森排放是用于绘制有关材料特性的理论依据。主动磁技术通常采用高强度,低频率场驱动材料达到磁饱和状态从而提供相对较大的渗透深度。被动磁技术。磁场强度在该材料的表面进行测量,而不事先施加磁场。如被动式磁技术金属磁记忆(MMM)利用变化的自漏磁场的铁磁材料(SMFL)由于几何不连续性,如裂纹和高密度的位错,形成不同于周围的磁特性,如地球磁场领域。这些变化反映该材料的应力历史。本文研究应力测量,包括应用并使用剩余磁场的残余应力(RMF)变异和它的分布图案和磁场周围分布的焊接裂纹。引进后,本文的结构如下。第2节介绍应力测量的背景使用无源磁场和链接的理论磁压力;第3节调查的关系间的剩余磁场变化和施加的压力;第4节报告剩余磁场分布不同的残余应力的不同状态和第5节着眼于场分布周围的焊接样品中的裂缝。本文完成与结论和进一步的工作大纲。2.背景和理论近年来在有应力的磁性材料与外部的结构中现场施加外来磁场相关的的工作已经完成了很多。早在1949年,布朗6预测使用该技术涉及磁化应力曲线与等效替换字段所施加的应力,施加的作为等效施加的磁畴壁的相同的压力下压力。中所示的“真实世界”的压力,磁化曲线图.1用实验方法通过克雷克和生产木7使用金属条带卷绕有线圈的应用恒定磁场和搜索线圈现场测量.该装置被装在一个用金属钼制的盒子里用于屏蔽外来磁场和用杠杆施加的张力或压缩。在克雷克和伍德实验结果中强调了磁滞曲线的非对称性质,相同磁化的变化张力比压力会大得多。在该领域的最新进展中,包括俄罗斯和中国8-11金属磁记忆技术。该技术依赖于铁磁性的自磁化工程结构受环境领域,如地球磁场。这种自我磁化往往被视为铁磁产生负面影响结构和大量的工作是为了抵消它的影响,尤其是在如造船,电力工程行业。被动应力测量技术利用这种现象,通过研究已建立了磁样品随着时间的推移的模型以获得与样品有关应力历史信息,在地球磁场的影响下该技术具有识别多个潜在关注的不同方面,包括:图. 1.实验应力磁化曲线用于使用软钢试样三个不同层次的应用磁学,通过克雷克和木制作。图.2循环加载上的一个铁磁残留磁化 (一)效果样品; (二)磁通量泄漏的几何不连续性的存在。材料的循环加载;作为应力诱发磁化结构的变化包括可逆和不可逆组件,每个应力周期改变磁化级别,导致增加在磁领域中遇到循环加载(图2a)。几何不连续性;在材料中的缺陷会造成磁场漏出的材料而进入空气(图2b)。这种漏磁可以通过现场传感器来检测。应力集中区(SCZ);最大磁场区域电阻反应残余应力集中在该材料中,铁磁性材料在制造过程中形成的产品由于热处理或机械处理,即在钢材焊接接头都可能会存在。在接头冷却时地球的磁场,磁纹理形成在材料中。应力集中区发生的地区如最大晶格畸变,即错位集群,能反映弱点和安全至关重要的结构区域潜在的灾难性的缺陷。该字段围绕一个SCZ分布将具有图10的形式。 3 9,与Bx的表现出峰值磁场强度为中心的SCZ和BZ参展极性开关为中心的SCZ。 这种方法,是用以检测多种潜在的缺陷区域比其它技术有明显的优势。另一个优点是,不需要磁化设备只要使系统处于地球的磁场的磁场中。应力测量系统,如磁巴克豪森技术依靠驱使材料进入饱和磁化状态;这需要高功率电磁而这类设备都是昂贵和笨重的,便携性限制了这种系统应用的领域发展。该技术具有很大的潜力进行结构的总体检查,以检查使用更传统的方法关注的领域。一个样品的磁特性之间的关系和施加的应力通过磁致伸缩现象说明;材料的物理尺寸的变化响应于所施加的磁化。相反的效果是磁力作用12-14,其中应力施加到材料变化的磁和磁特性样本。描述磁场变化的方程式(M)与施加的应力(),通过Jiles开发12: 图 3.理论场分布为Bx的(a)和BZ (二)周围的应力集中区 其中c和是常数。式。 (1 )描述的依赖上不仅应力的材料的磁化,而且还非磁滞磁化曼(理想或无损磁化的材料制成的曲线)和MIRR不可逆组分的磁化。在应力的另一个重要等式/磁耦合是的应力能量( E )诱导外部应力( ),这是计算公式如下:等式突出E对的依赖,角度施加的应力和磁化场和S,所述间饱和磁致伸缩,由最大伸长确定由于磁致伸缩经历的材料时暴露于外部磁场。3.调查剩余磁场中外加拉伸应力调查无源磁性之间的关系场和外加应力的不同级别,显示实验图。4设置使用三个平拉钢样品测量2毫米*30毫米*200毫米。所有的样品都来自单个工件切一块钢板。磁场中的样品中降低到可能的最低水平之前每个测试使用一个手持退磁器。一个HMC1023各向异性磁阻传感器附着到样品以测量的磁场强度中垂直于材料表面(BZ)和平行于材料表面和所施加的力(Bx的)。一菲尔德材料试验机用于拉伸申请从0到200MPa的纵向应力中试样的磁场强度,如由传感器测得的,被连续记录。重复测试与传感器中的两个位置中的钳口之间的试验机。先前的测试结果表明,最大施加到材料中的应力为材料弹性极限范围内,从图中可以看出。 5.从两个传感器的检测结果得出在不同位置处的绝对磁场强度取决于具体施加应力,但其变化率是稳定的,特别是Bx的具有迄今为止与外加应力最好的相关性。 Bx的主动应力测量的优越性可以通过考虑该领域发展的沿着样品的测试过程中的整个长度来解释。它也可从图看出, 5,最初有很少增加,甚至小幅下降的Bx的越来越大的压力施加到材料中。这可以通过理论来解释由Jiles 12开发了磁力的效果。根据这个理论“在一个不断变化的应用压力恒定磁场场时,磁化强度的变化,使得它接近非磁滞磁化“。因此,该理论预测,当将样品处于具有应力状态时,磁不会简单地增加随着增加的压力,但将头朝向非磁滞磁化曲线(理想或无损磁化的材料制成的曲线)。因此,如果在样品中的磁化实际上不是由非磁滞预测更大的磁化磁化曲线,磁化将降低外加应力。作为可用的退磁工序的测试不完善,样品都开始有一定程度的残留磁化,所以重复取一定量的时间收敛。图6. Bx的(a)和BZ ( b)以扁平拉钢样品前和拉伸应力在200MPa的涂布后的强调区域。图6示出了强调的磁场分布与尺寸相同的扁平拉钢样品的面积图4B ,应用程序之前,在200MPa释放后的拉伸应力。图。图6示出的Bx应该表现出类似加大无论身在何处,在强调区域被测量,而BZ也显示增加,减少或没有变化,不同的地方在强调区域也被测量。图五证实了这一点,随着的Bx在显示领域的相当均匀增加实力在这两个传感器位置和BZ呈现出相关性较差与施加的压力,特别是在传感器位置2 ,靠近中心强调区域。它被认为是场分布周围的强调区域将按照所预测的场图形围绕一个SCZ如图。 3 ,在Bx的峰值比强调区和中BZ的极性的开关围绕所述强调区域。加工应激后剩余4场分布在图中所示的试验。 7成立检查的效果引入加工应力的样品中的字段。应力是由一个夹具的瞬时应用引入到样品,从而导致一些压缩应力和一些表面损坏。 BX和BZ测定采用5mm格在拉伸钢样品的表面之前和施用后的压力。图8示出沿其长度的剩余场分布样品之前和应力的使用的应用程序之后夹子和在磁场的变化(BX和BZ)以上样品的表面上。它从图中可以看出。图8a和b是两者的Bx和BZ表示从初始场更大的偏差在强调区,Bx的表现增加沿最夹紧区域和BZ显示增加在该领域梯度,在强调区,其余的无应力区域相对不变。的最大变化的位置在Bx的具有与夹具的位置很强的相关性标记。经过测试样品的检验结果表明麻点从与夹具接触是最明显的之间的区域10毫米和30毫米,对应于字段的最大变化强度。为Bx的磁场强度的峰值,并在开关极性BZ中所示。图8c和d形式的那将围绕SCZ预期的特性可以用来识别使用特征提取强调区技术。图。 8. Bx的(a)和BZ (b)该磁场沿样品的长度的前和应力的应用,并在磁性变化后的组件场, Bx的(c)和BZ ( d)中,在样品为应力的应用的表面上。绕了一条缝5.剩余磁场分布焊接钢管样品进行实验设置,以确定场分布在焊接样品中的裂纹的直接的区域。该在图中所示的样品。 9由两个钢板的测量300 180毫米 12毫米焊接在一起倒最长两侧。将样品研磨下来的相反侧焊缝检验提供一个平坦的表面。有几个大的裂缝,在焊接区;这些中的一个,其宽度的0.5mm左右被选作检查。将样品扫描以1mm的增量在30毫米路径穿过切割裂缝用HMC1023磁场传感器接口到PC,设置测量磁场的BX和BZ组件场。图10示出在裂纹区的两个场分量。它可以从Bx的分布有情节可以看出在磁场强度的(反转)的峰值,最大的形式在裂纹的中心。 BZ在现场交换机的形式极性的区域,围绕裂纹,以最小的字段强度裂纹中心(略有误差可以通过解释所述传感器元件的传感器组件内的定位)。领域中的裂纹面积的分布是相同的形式的周围的缺陷在一个磁通量泄漏测量(MFL)系统15使用有源磁化并类似于一个应力采用被动式磁场测量集中区。它可以从图中可以看出,一个裂缝的存在在传感器的扫描路径将引起可识别的信号在所测量两者的Bx和BZ部件特征场。也可以使用这种独特的磁化图案识别焊接铁磁结构开裂。特点如小波分析的提取技术可开发识别这些区域并估计缺陷尺寸它也将是必要开发的技术来区分从应力集中区的应力引起的字段之间和几何诱导发达国家开裂领域。图9. (一)焊接试验样品的尺寸;焊接裂纹(b)的照片在毫米大小。6.结论几个研究已经开展了。从实验研究中可以得出结论,残留的磁场变化和模式可用于评估残余应力,先施加压力和在先进的信号处理仪器的帮助下来判断缺陷。被动使用MMM可以提供一种低成本测量,便携式用于非破坏性评估和结构健康溶液监控。结果发现,为施加应力的一个测量钢样品的强调区域,平行于场分量施加的应力(Bx的)具有更大的相关性相比于垂直分量,BZ。这是由于在强磁场分布不同这关系到现场分布,压力释放后发展的样本中,其中的图案被实验确认。未来的研究方向将包括磁校正场强度为不同的残余和施加的应力材料,其中,残余应力会被与其他的测量方法进行比较如X射线,中子衍射或超声波技术方法。一种新的无源传感器的残余应力测量和损伤鉴定与考虑性能比较,更多的样本将在未来开发。虽然磁化曲线对不同的材料施加的应力已经生产。希望通过信号处理技术,来补偿环境等变化导致磁场变化的误差并进行校准在施加的压力的情况下就可以实现。致谢作者非常感谢EPSRC和英国皇家社会为这项工作提供资金的人。参考1 C. Mendibide,P. Steyer先生,C. Esnouf,D. Thiaudiere,M. Gailhanou,J.方丹,在工具钢中残余应力状态的X射线衍射分析在PVD的TiN /氮化铬多层涂层沉积中。ECHNOL。 200(2005)165-169。2 M.O.思Chaib,H. Djelouah,T. Boutkedjirt,超声波弯曲材料中的传播,NDT。 38(2005)283-289。3 G.Y.田S. Rangarajan,A. Sophian,采用新颖的应力测量涡流探头,在BINDT年会论文集,托基,英国,2004年。4 S.P.萨格尔,B.R.库马尔,G. Dobmann,D.K.巴塔查亚,磁特性冷轧AISI 304不锈钢,NDTE。38(2005)674-681。5 R.L.胡A.K. SOH,G.P.郑,Y.镍,微磁模拟研究应力对磁化反转和动态滞后,J。的影响MAGN。 MAGN。母校。 (2005)。6 W.F.布朗小,压力大,物理层不可逆磁效应。牧师75(1949)147-154。7 D.J。克雷克,MJ木,在一个恒定的应激性改变磁化应用领域,J.物理学。 D:APPL。物理学。 3(1970)1009年至1016年。8 JL仁,宋K.,GHWu,JM林,金属磁机理研究内存测试,:10亚太会议的论文集无损检测,布里斯班,澳大利亚,9月17日至21日,2001。9 JL仁,宋K.,H.朱,唐北,磁记忆中的应用测试在电站铁磁项目,在:的诉讼SICE 2003年年度大会上,福井,日本2003年8月4日至六日。10 A. Doubov,E.A排雷,焊接接头质量控制存在的问题及金属磁记忆方法可能使用在:会议录第15届世界大会非破坏性检测,罗马,意大利,15-212000年10月。11 A. Dubov,金属磁记忆方法和检验主要特点工具相比,已知的磁性无损检测方法,在:论文集非破坏性检测,蒙特利尔第16届会议AnnualWorld,加拿大,8月30日至9月3日,200412 DC Jiles,的磁效应,J.物理学理论。 D:APPL。物理学。28(1995)1537年至1546年。13 D.P。 布尔特,R.A.朗曼,的磁效应,J起源MAGN。 MAGN。母校。 251(2002)229-243。14陈Y.,B.K. Kriegermeier - 萨顿,J.E.斯奈德,K.W.丹尼斯,R.W.麦卡勒姆,DC Jiles,在扭转应变磁机械效应在铁,钴和镍,J。MAGN。 MAGN。母校。 236(2001)131-138。15 A. Sophian,G.Y.田S.扎伊里,脉冲漏磁探头裂纹检测和表征,参议员执行器125(2006)传记JohnWilson在利兹城市大学于2004获得学士(荣誉)学位后,一直在哈德斯菲尔德大学研究电子及通讯专业因此于2005年1月获得博士学位。目前的研究方向包括用于非破坏性测试铁磁材料和评价的巴克豪森声发射和被动磁场传感技术。格雷迪是系统工程教授,在哈德斯菲尔德大学带领系统工程研究小组。他拥有超过20年在电磁传感器,MEMS,信号处理的领域的研究经验和仪器发展清晰认识。目前,他负责监督6名博士生和由EPSRC,英国皇家学会资助了的两个博士后研究人员研究工程和工业在皇家学院。他已建立国家级别研究中心和海外优秀的学术机构有很好交流环节。迄今为止已经发表了100多篇论文和书籍。在IEEE,NDT的英国研究所研究员是一名高级成员,负者研究所研究员工程技术和常规国际期刊审稿,EPSRC会议建议。西蒙Barrans是哈德斯菲尔德大学应力分析的高级讲师。他在应力和应变分析和有限元分析这两个方面有20年的经验。这方面的经验已经应用到了从一系列应用程序,包括机器工具精度,空气轴承和机械带夹中。3名博士生在他成功的教导和资助下为欧盟工业做了贡献。目前,他正在教授另外两个博士生和博士后研究员。毕业设计(论文)任务书I、毕业设计(论文)题目:超声测距电路设计制作II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求:1、原始资料:超声传感器,单片机数据采集电路;计算机2、毕设要求: (1)熟悉超声检测技术及应用。 (2)掌握超声传感器的种类选择测距传感器型号。 (3)设计制作传感器的信号变换电路。 (4)与单片机组成测距系统,评价性能。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间:1、查阅资料,撰写开题报告,翻译专业文献 03.0904.102、研究超声测距的传感器的类型。 04.1104.193、设计制作超声传感器的转换电路 。 04.2004.304、与单片机连接,编写软件组成,测量及显示结果。 05.0405.155、进行测距实验,与标准对比,评价性能。 05.1605.316、总结并撰写论文,答辩。 06.0106.26 、主 要参考资料:1 张友德.单片微型机原理M. 复旦大学出版社, 2005.2 赵茂泰.智能仪器原理及应用(第二版).北京:电子工业出版社,2004.3 Miller,R.K(Ed) Nondestructive HandbookM.2edition.Volume by AmericanSociety for Nondestructive Testing,1995.4 史亦伟. 超声检测M.北京:机械工业出版社,2005.5 林君. 虚拟仪器原理及应用.北京:科学技术出版社,2005. 测试与光电工程 学院 测控技术与仪器 专业类 100813 班学生(签名): 章林强日期: 自 2015 年 3 月 9 日 至 2015 年 6 月 26 日指导教师(签名): 助理指导教师(并指出所负责的部分): 测控技术与仪器 系 (室) 主任 (签名):毕业设计(论文)题 目: 超声测距电路设计制作 学 院: 测试与光电工程学院专业名称: 测控技术与仪器班级学号: 11081334学生姓名: 章 林 强指导教师: 周 瑞 琪二O一五 年 六月 超声测距电路设计制作学生姓名:章林强 班级:110813 指导老师:周瑞琪摘要:超声波测距组合电路是以电路,传感器,单片机,数码管和程序等综合知识为基础来设计开发的一种测量电子仪器。其中超声波发射和接收系统的主要部分为压电晶片,这种材料具有压电效应,在电磁振荡的作用下发生逆压电效应产生超声波,在超声波的作用下发生正压电效应产生电磁振荡被传感器接收。信号被接收后通过电路的放大和滤波在单片机的程序中计算得到传感器到被测量面的距离,最后通过数码管显示距离。这个电路选用的是STC89C52单片机, 因为STC89C52是STC系列单片机里应用比较广泛的一款,在自动控制领域里享有很高的价值,以其易用性和多功能性受到了广大电子设计爱好者的好评。本次设计主要是利用STC89C52单片机、超声波传感器完成测距报警系统的制作,以STC89C52为主控芯片,利用超声波对距离的检测,将前方物体的距离探测出来,然后单片机处理运算,与设定的报警距离值进行比较判断,当测得距离小于设定值时,STC89C52发出指令控制蜂鸣器报警。关键词: 超声波传感器 STC89C52 蜂鸣器报警 数码管 指导老师签名:Ultrasonic ranging circuit design Student name:Zhang linqiang Class:110813Supervisor: Zhou ruiqi ABSTRACT:Ultrasonic Ranging combining circuit is a comprehensive knowledge of circuits, sensors, microcontrollers, digital control and procedures as a basis for the design and development of an electronic measuring instrument. Wherein the major part of the ultrasonic transmitting and receiving system is a piezoelectric wafer, this material has the piezoelectric effect and inverse piezoelectric effect occurs under the effect of electromagnetic oscillations generating ultrasonic waves, piezoelectric effect occurs under the action of electromagnetic ultrasonic oscillation is generated received by the sensor. Signal is received by the circuit amplification and filtering in MCU program calculated the distance sensor surface to be measured. Finally, the digital display distance. The circuit used is STC89C52 microcontroller, Because STC89C52 is STC Series MCU in a broader application, it enjoys a high value in the field of automatic control, with its ease of use and versatility by the majority of electronic design enthusiasts. This design is the use of STC89C52 microcontroller, ultrasonic sensor alarm system complete production ranging to STC89C52 as the main chip, the use of ultrasonic testing on the distance, the distance of objects detected in front of it, and then single-chip processing operations, and set alarm distance values are compared to judge, when the measured distance is less than the set value, STC89C52 issue commands to control the buzzer alarm.Key words:Ultrasonic sensors STC89C52 Buzzer alarm Signature of supervisor: 目 录1 绪论1.1 项目研究背景及意义(1)2 总体设计方案及论证2.1 总体方案设计(2)3 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块(3)3.2 电源设计(4)3.3 超声波测试模块(4) 3.3.1 超声波的特性(5) 3.3.2 超声波换能器(8)3.4 超声波传感器原理(10)3.5 测距分析(14)3.6 时钟电路的设计(15)3.7 复位电路的设计(16)3.8 声音报警电路的设计(17)3.9 显示模块(17)4 软件设计4.1 主程序工作流程图(18)5 总结参考文献(21)致 谢(22)附录A附录B附录C南昌航空大学2015届学士学位论文超声测距电路设计制作1 绪论1.1项目研究背景及意义 现代有多种多样的测距方法,其中包括接触式和非接触式的方法,接触式中包含刻度尺测量,非接触式包括超声波测距和激光测距,非接触式测距方法常采用激光和超声波主要是由于二者的指向性很强,兼有在介质中传播距离长和能量衰减慢等原因1。工业生产过程中非接触式测距仪应用非常广泛,因为这些方法适用于恶劣工况下使用,并且测量精度高。超声波测量距离作为一种非接触式测量技术,工作时机在光明和黑暗条件不会影响测量结果,以及仪器与被测量位置也不会影响测量结果。相比较与另外测距设备会更加方便,对于温度高、颗粒污染大、空间湿度大、存在腐蚀气体等不方便用接触式测量方法的恶劣环境都能够有满意的测距结果,并且其具有性价比高,仪器维护方便,耗能少,高可靠性,使用寿命长,并且相较于激光测距仪来说避免了对测量者眼睛的伤害2。除此之外汽车倒车雷达的应用已经非常广泛,而且超声可以用来测量倒车距离并将距离指示出来3。根据超声波测距仪的这些特性可以知道这种手段能在矿物质生产企业、电力部门、化学工业、灌装水生产厂、有害水净化消毒厂、农业灌溉用水、环境保护检测、食用品生产(白酒业、冷料业、食用添加剂、食用油、牛奶制品)、防止洪水灾害、水文监测、探明渠、空间位置确定、车辆等业态中的非接触测量。由于其可以在各种条件中实行间隔精确度实时标注,因此液态产品生产企业中能够主动用在饮用水、酒水、冷饮等液体位置控制,可以有效的提高流水线的生产效率,对仪器或者生产线进行差值设定时另一个使用方法,在显示器上直接显示各种罐子的液位高度。因此,在特殊环境,不方便或者不能够直接测量的状况下超声在空气中测距手段有很好很齐全的用途应用4。利用超声波传播来测量距离会有高效、计算简单的效果。更为主要的益处是能够实现在生产过程中随时进行监控,测量结构的精确度和过程中的速度已经达到了实际使用的指标。 为了使移动机器人能够主动的躲避障碍物行走,在机器人身上装备测距系统是必须的,可以使机器人及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向),帮助机器人进行判断。在可动机器或者智能机械的制造上超声波测量距离有很好的应用。同时又因为超声波测距系统所具有的这些优点都是汽车倒车雷达技术所缺少的,因此汽车倒车雷达技术必须用到超声波测距技术。2 总体设计方案及论证2.1 总体方案设计软件设计和硬件设计是超声测距电路设计制作的两个主要工作内容。只有把这两过程做好,设计最后才能成功。硬件设中首先要有采集数据模块和控制按键的模块,显示测量结果的四位数码管和蜂鸣警告模块也是其子模块。电路结构可划分为:显示测量结果的数码管、产生和接收超声波的传感器、蜂鸣声音报警器、单片机控制的电路。很容易可以看出设计的中心单元是控制电路的单片机,所以这个系统可以算是单片机在实际测量系统中的应用之一3。所用的单片机应用系统都是由软硬件构成。单片机是硬件设备里必不可少的、同样输入输出设备和外围的各种应用电路等也是组成的系统的主要硬件,单片机里的各种程序和超声模块里的程序是软件的总称。在单片机应用系统的研制过程中必须解决软硬件设计和全局控制的总体设计。STC89C52单片机被选用当做这个模块的核心,测量结果小于标杆值是,52单片机会自动将所测数据与预设数据比较,来给蜂鸣器发送是否报警的。系统总体的设计方框图如图2.1所示67。电源STC89C52主控制器模块超声波传感器模块按键控制4位数码管显示模块蜂鸣器报警模块图2.1 系统方框图 3 硬件实现及单元电路设计3.1 主控制模块主控制最小系统电路如图3.1所示。 图3.1 最小系统总电路的设计见图3.2,其中主要是硬件的连接。在图中可以看到本设计中使用的器件:包括52单片机、超声模块、显示数码管、按键、报警用蜂鸣器和一些连接电路电容电阻。图中D1为指示电源是否正常工作发光二极管。整个电路中用了三个按键,分别为设定用和加键减键8。图3.2 总设计电路图3.2 电源设计 由于超声测距组合电路能耗较小,且经过试验3节五号干电池能够满足整个系统的正常运行。可以用三个五号可充电电池给电源供电,总电压四点五伏特。3.3 超声波测试模块超声波发射和接收模块采用现成的超声波模块,该模块可以感测到超声波的距离范围在5cm-400cm之间,在超过400cm之后误差会特别大,超声模块所发射超声波频率为4万赫兹,波长为8.5毫米,仪器的测量范围在五个波长以外,因此只能测到5厘米以上。主要是因为超声波在长距离状况下扩散比较大,导致超声波接收传感器接收到的信号较小不会使电路输出高电平。除此之外这个模块的测距精度可达高到 1cm,这主要是因为四位数码管只能显示到厘米。整个模块包括超声波发射器、接收器与控制相关信号接收和发送处理的相关控制电路9。超声波发射器的工作是通过超声换能器来实现的,它能够将电能转换成超音频震动形式,常采用的换能器有压电换能器、电磁声换能器、激光超声换能器、磁致伸缩换能器,但在这个模块中后面三种不适合使用,常用的还是压电换能器。压电换能器的关键元件是压电晶片,其是一种单晶或者多晶体的薄片。同样超声波接收器的重要组成元件也是压电晶片,因此压电晶片的性能将很大程度决定测距仪的性能,压电晶片的主要特性参数包括压电应变常数、压电电压常数、介电常数、机电耦合系数、机械品质因子、频率常数和居里温度10。其中压电应变常数表示在压电晶体上施加单位电压时所产生应变的大小,而压电电压常数与其相反表示的是压电晶体上施加单位应力所产生的电压梯度的大小。性能较好的换能器要求这两个系数较大以获得较高发射灵敏度和接收灵敏度。机电耦合系数表示机械能与声能之间的转换效率同样好的换能器要求机电耦合系数较大以便获得较高的转换效率,机械品质因子表示压电晶体在谐振时储存的机械能与一个周期内损耗的能量之比,要求机械品质因子较小,压电晶片的厚度与固有频率的乘积是一个常数,这个常数是叫做频率常数要求换能器的频率常数和介电常数恰当以便获得合适的频率。压电材料与磁性材料一样,温度会影响压电材料的性能,超过一定温度时,压电效应会消失,而这个温度临界点就是压电材料的居里温度11。要求压电材料的居里温度较高以便仪器能在高温下正常工作。超声波模块就是根据这些指标来制作传感器的。距离测量过程是电路基础应用在数据输入口先触发产生一个合适的电信号,这个电信号会让给模块产生大于百分之一微秒的高电平信号;在模块内经过电路的处理使超声发射器自动发送 8 个 40khz 的方波,方波传播到界面被反射回到超声波接收探头,模块会自动检测超声波引起的微弱电信号,如果检测到有电信号说明超声波被反射回来。有信号返回,然后通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。实物如下图3.3。其中VCC 供4.5V 电源,GND 为地线,TRIG 触发控制信号输入,ECHO 回响信号输出等四支线。图3.3 超声波模块实物图超声波模块是这样使用的:从IO数据口来触发,之后再传到Trig口发出高于10us的高的电平,这就开始测量了;模块自主发出8个40Khz波阵面为平面的方波,之后模块又会感应是否又接收到返回信号;若感应到信号返回,通过IO口之后Echo口会输出一个较高的电压信号,这个信号存在的时间就是超声波传播出去到反射回来的总时间,量到的距离=(高电平时间*340)/ 2,单位为m。程序中测试功能主要由两个函数完成。 实现中采用定时器0进行定时测量,8分频,TCNTT0预设值0XCE,当timer0溢出中断发生2500次时为125ms,计算公式为(单位:ms):T = (定时器0溢出次数 * (0XFF - 0XCE)/ 1000 其中定时器0初值计算依据分频不同而有差异12。3.3.1 超声波的特性人类感官由各种因素综合作用的结果,包括色彩、声音、触觉、气味等,其中声音能够给人类生活带来各种感受。声音的传播都必须在介质的参与下完成,但不同波在同一介质中的传播速度不同,造成这种差异的因素主要是声音的频率不同。按照声音在介质中振动周期的大小可以将声音分为次声波、声波、超声波。次声波是指人的耳朵所感应到的最小频率。这个频率为20赫兹。超声波故名思议是频率超级高的声波(根据大量实验数据统计,取整数为20000赫兹),即使周围环境存在这种声波人类也并不能感觉到,所以把如此高的频率的声音为“超”声。人的听觉范围如图3.4所示。图3.4 人的听觉范围 超声波的特性有:(1)波束特性超声波的振动频率一般都比较大,计算可得它一个周期走的距离较短。超声里模块发射产生波长为8.6mm左右,也正是由于它一个周期走的距离短,声线才具有光线所拥有的一些特性,像反射折射这类特性是一定具有的,还有就是可以有聚焦的现象。按照超声波的形状来分类可以将其分类,一是平面的波、二是柱面状的波、三是像球面状的波。平面形状波顾名思义可知其波阵面为一面一面平行的面平行的面,平面状的波源可以产生平面状的波,对于源大小远大于波长的固体平面波源在各个方向都相同性质的匀状介质中行进的波就可以看成是平面状波。平面状的波传播中不会散开,平面状的波引起的介质振动时振动幅度不会变动并且就算距离改变它也不会变。同样柱面形状的波是指各个波面是有共同轴的圆柱面,直线形的源能够发出这种波,线形的源且长度大于波长的源在各个方向都有相同特性的中间物质中行进的波是柱面状的波,柱面状的波的波束向四面八方散开,与平面状的波不同柱面状的波引起中间物质的振动幅度反比于行进路程的平方根。同样波传播的阵面是有相同球心的波叫做球面状的波,产生这类波的源是一个点,这个源点的大小比波长小很多时在各个方向有一样特性的中间物质中行进的波认为是球面形状的波,它引起中间物质中各质点的振动幅度随波的传播路程具有反比的关系。通过上面对各种波的解释可以知道在超声波测距里采用平面波对测量精度最有益。所以超声波模块产生的是方波13。根据它的波长小以及它的传播所独有的性质可知即超声波会两种物质的分界处会有反射的现象出现且两个角度相等这两个角是入射和反射角,同样还有一点像光线从一种介质行进到新的介质时会有折射的现象产生,发生折射的条件是当声波透过一种物质进入另一种声速不同的物质时就会产生折射现象,也就是说折射会改变超声波的传播方向,折射角的大小与两种介质的声速差有关系,两种介质的声速差别愈大,则折入射角的差别会更大。传播的波还具有叠加、干涉、衍射等特有性质,叠加是指不一样的波在空间碰到事,碰到处传播介质点的振动幅度为每个声波使质点振动幅度的矢量和。之后没个波继续以本身所具备的频率、波长、振动方向等独有性质接着照之前的方位行进,就跟从未碰到似的,这又称之为波的独立性。波的干涉的概念指在二组波的频率、振动方向、相位相同或者是有一直不变的相位差值的条件下,传播中间物质中有些质点振动增强或者有些质点削弱亦或者整个的相抵掉的征象。(2)衰减特性超声在各种中间物质中行进时,会由行进路程的增大,超声能量会慢慢削弱,此就是超声的衰减的象征。造成超声波能量的衰减具有关键的三个因素。分别为扩散衰减、散射衰减、吸收衰减。扩大散开衰减主要与波型相关联,是由于波束的扩大散开,超声波的能量就着行进路程的加大能量减弱。知道平面形状波的波阵面还是平的面,故其声波能量不会根据路程的增加去发生改变。但是球面波和柱面波的波阵面随传播距离增加波阵面面积变大,能量被分散,存在扩散衰减。散射衰减指的超声波在中间物质内行进时,由于中间物质晶界面两侧的晶粒声阻抗不同,使得超声波发生散乱散射引起能量削弱。相同的材料时超声的频率加大散射散射削弱愈加严重。吸收衰减是指超声在中间物质行进时,会导致介质内各个质点间相互摩擦和热传导降低超声的能量降低。引起吸收衰减的程度是多因素的综合结果,超声波频率、介质的晶粒直径、波长、材料的各向异性系数14。一般情况是这些系数越大衰减系数越大。另外一种情况是传播超声波介质的而言。假如一列声波频率确定了,一般来说在气体中行进时的衰减系数要比固体和液体中小。在本论文所涉及的实验里,都是超声在气体中间物质中行进时,吸收衰减较小。(3)超声波的能量传递特性描述超声波能量的概念是声强,所谓声强是说在一个单元时候内垂直通过单元大小面积的声能。超声行进至中间物质时使中间物质运动后得到动能,中间物质除了振动还产生了形变而附加了势能,中间物质的总能量为两者相加后的结果。超声波能量通过介质来传递,介质的振动是周期性的所以介质里单位体积元的动能和弹性势能也是周期性变化的。时而为零时而最大。就好像体积元在不间歇的吸收和发出能量,这就表出超声的能量是慢慢一份一份的发放到外界取得。与我们常见的系统相异的是单位元的动能和势能共同最大最小。原因是其受到摩擦力的影响而不遵守机械能守恒定律。根据其公式可知声强大小与超声的频率成正比。而超声的频率一般都比较大因此超声的能量很高,可以达到大炮声强的十万倍。在很多的工业行当中都会应用超声技术,关键要点正是由于超声附有特别大的声强。正是声波如此作用让中间物质的分子也会跟着动起来,还有就是二者的频率相同,频率确定了分子振动的速度,速度跟频率成正比。中间物质的分子应为振动得到的能量不单单跟分子重量相关联,但是要点还是中间物质的振动速度来决定,也就是说频率高能量也一样的高。很明显超声频率高出一大截对比于我们所听见的声波,正因如此中间物质能量大;这样说来,超声波像是能量源头不断给物质提供能量。 (4)超声波的声压特性声波行进到中间物质时,因为声波振动使中间物质分子对对方造成压缩和稀疏的效果,这样就必然造成中间物质内部的应力有变化特别是在固体内。声压就是声波的作用导致中间固体有附加压力。根据超声场中某一确定点的声压公式可知声压的大小与中间物质密度、波速、超声波频率有正比例的关系13。3.3.2 超声波换能器能够将其它形式的能量转换为超声和能将超声转变成其它形式能量的装配就是超声传感器,也可以称之为超声换能器,或者事超声波探头。超声波的探头关键部件是压电晶片、接头、电导线、外壳、阻尼块。这个东西能做到发生和接收超声信号。在工业检测探伤行业小功率探头使用的比较多。现在使用的探头针对各异缺陷检验有很多不同的结构,可分纵波直探头、横波斜探头、产生表面波的表面波探头、用于检测板材的兰姆波探头、对探头(一个探头发射、一个探头接收)等。超声换能器的重要零件是金属做的外壳抑或是塑胶壳里的压电晶片一块。很多材料可以用来制作压电晶片。根据晶片的尺寸特性,如晶片平面的圆周半径和厚度各异,每个探头的特性在用途上有不同点,为了选择合适的探头,在使用探头之前好好了解这个探头是不可或缺的。超声波传感器的主要性能指标包括:(1)工作频率。传感器工作时候的频率就是压电晶片达到共同振动的频率。当加到压电晶片不同端的相位不停跳动的电信号与压电晶片的共同振动频率一样时,换能器的输出的能量最大,探头的灵敏度也最高。(2)工作温度。超声波探头工作时环境的温度是不确定,有时温度较低,有时温度较高。但是我们常用的传感器的居里点比较高,因此在大部分情况下温度对探头的影响较小。检测用的超声换能器运转时功率很小,工作气温不会高,所以能够连续不断的工作部影响结果。在医院里用来检查或者治疗的仪器功率一般会打一点会辐射很多热量。这样温度就会急剧升高,因此增加冷却设备是一定要的。(3)灵敏度。超声探头的精确程度关键由自身的物理特性来确定。其机电耦合系数大,精确程度自然也高。2020000Hz是我们能感应到的一个频率区间,就是所谓的可以听见的波,当声波频率不在这个区间时,也就是说少于20Hz的声音叫做低频声波,频率高于20000Hz的声音叫做超声波。毫无疑问超声波是直线来传播的,且有很大的频率时,绕过障碍物行进的能力就下降,但反射能力越强的特性。因此,就可以通过超声的具有的此类特性来制造超声换能器。此外,超声波在空气中的传播速度较慢,为340ms左右,有了充裕的时间给仪器来响应。简化使用。在这个组合电路中选用了有压电能的换能器。常用原来用在探头上的事压电晶体或陶瓷,换能器恰是运用压电材料的压电作用运行。相反的逆压电效应让不断快速变化的电振荡换成晶片机械振动,就是这样发出了超声波,利用此特性制成发射探头;相反的用正过来的效应,让超声变换成电信号被换能器接收16。想要好好分析超声的特性和在生活生产中运用超声波,科技人员完成设计和制作了各种发出超声波的仪器。很简单的分了两类:电气和机械方式。比如说压电和磁导至延展或缩短;佳儿同笛、液体哨子、气流旋笛子。这些发出超声指标各异,用武地方也不一样。目前常用压电式超声波发生器。 图3.5 超声波传感器结构 晶体有节奏的振动是压电式发生器的运行依据。上面的图就是发生器内部的构造了,一般是两晶片一个共振板。如果两边的极加上了外加的脉冲刺激,并且频率很好的与共振频率结合,这个时候就有共振了再晶片上,附带的把共振板也带动起来了,这就有了超声波发射出来。另一方面看,如果晶片两个极间什么都没有加时但又有超声波的燃动,这时晶片会做受迫的振动,就很轻松的转换为电信号了,按照这个就成了超声波接收器了17。如图3.5所示。3.4 超声波传感器原理根据市场调查开放型的超声波传感器用的最多了,图3.6已经展示了开放式传感器的结构,在它的底面根据位置安装着一个复合式的振动器。这个复合式振动器是由金属片和压电陶瓷片另外加上谐振器共同构成的两个晶片元件振动器。用过的都知道谐振器是喇叭状的,这样设计的动机是更优的辐射超声波而不损失能量,这样还有一个效果是聚集超声波在中央。如果说交互变化的电压作用在陶瓷上了,就会根据电压的变化而产生有规律的机械振动。另一方面,当压电陶瓷受超声波扰动是时,在陶瓷不同面上会产生交变电势差。根据上面的理论,如果让压电陶瓷或和金属片构成的振动器条件是陶瓷和振动器很好的组合在一起,分为单晶和多晶元件,外加一个交互变化的电信号时,陶瓷晶片因逆压电效应发生弯曲振动而发出超声波18。从对立面来看,当单晶元件或者双压电晶片元件接收到超声波的扰动时,同样会因正压电效应产生一个交变电信号。基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。图3.6 超声波内部结构很明显超声波是一种机械振荡,并且只有在弹性介质中会传播,其频率远远高于20000Hz,按波型可以分为横波和纵波,横波为中间物质的振动方向与波的传播方向垂直而纵波为中间物质振动方向与波的传播方向同向。超声纵波能够在三种状态的物质都可以传播,只是速度不一样而已,但是横波就只有在固体中行进了。超声波有折射反射的特性前面已经介绍,且在行进过程中会发生衰减。超声波的基本特性如下所述:(1)波长很简单的定理频率乘波长就得到速度了,而声波在空气中的传播速度很慢,约为344m/s (20时)。相对来说声波的传播速度较小而频率很大使得波长较短,由于超声波波长较短超声波传感器可以获得较高的距离和方向分辨率19。因为这样特有的性质,使超声测距仪工作运行时有很大的概率得到较准的结果。(2)反射 利用超声波的反射性质可以用来探测在一定空间内是否有物质存在,如果接收到反射波,则空间内一定存在反射体。声呐技术就是利用反射技术探测潜在威胁。像金属、木材、混凝土、玻璃、橡胶和纸这类具有大的反射面的物体超声波几乎可以100反射,因此我们可以很容易地发现这些物体。而布、棉花、绒毛等这里表面有孔隙的物质可以吸收超声波,因此很难利用超声波反射原理来探测它们,潜艇利用这一原理增加隐身性能20。另外超声波在不规则反射体上会向各个方向反射,所以凹凸表面以及斜坡表面的物体很难探测到,这些因素决定了超声波的理想测试环境是在空旷的场所,并且如果测试物体与超声波传播方向垂直,测试的效果会更好。(3)温度效应声波传播的速度c与温度的关系式可以用下列公式表示。c=331.5+0.607t (m/s)式中,t=温度 ()也就是说,周围环境的温度会影响声音在这种介质中的传播速度21。因此,测量周围环境的温度对精确测量两个物体之间的距离是非常重要的,特别是冬季室内外温差很大时,温度对超声波测距的精度影响很大,为了减小这种影响可用18B20作温度补偿来减小温度变化所带来的测量误差,但是本设计的测试环境主要是室内,而且超声波主要是用于测距功能,对测量精度要求并不是特别高,所以关于温度效应对系统的影响问题在这里不做深入的探讨。(4)衰减超声波在空气中传播波强会随着传播距离的增大而成比例的减弱,主要是因为超声波遇到障碍物产生衍射现象导致声能扩散损失,第二个原因是介质会吸收超声波的能量转换成介质自身动能和势能。如图3.7所示,表示声能吸收率与声波频率的关系,超声波的频率越高,衰减率就越高,超声波的传播距离也就越短,由此可见超声波的衰减特性直接影响了超声波传感器有效距离。图3.7 声压在不同距离下的衰减特性(5)声压特性声压级 (S.P.L.) 是表示音量的单位,单位为分贝利用下列公式予以表示。S.P.L.= 20logP/Pre (dB)式中,“P”为有效声压 (bar),“Pre”为参考声压 (210-4bar)如图3.8所示为几种常用超声波传感器的声压图。图 3.8 超声波传感器的声压图(6)灵敏度特性灵敏度是表示声音接收级的单位,使用下列公式予以表示。灵敏度= 20log E/P (dB)式中,“E”为所产生的电压 (Vrms),“P”为输入声压(bar)。超声波传感器的灵敏度直接影响着系统测距范围,如图3.9所示为几种中常见超声波传感器的灵敏度图,从图中可以发现40KHz时传感器的声压级最高,也就是说40KHz时所对应的灵敏度最高22。图3.9 超声波传感器灵敏度示意图(7)辐射特性在平整的台面上安装好超声波传感器。然后测量超声波声压随角度变化的规律。为了准确地描绘出声压与角度的关系,规定声压 (灵敏度) 级衰减6dB的角度被称为半衰减角度,用1/2表示。由于超声波探头的尺寸较小能够很方便的获得精确的辐射角度。如图3.10所示为几种常见超声波传感器的辐射特性示意图。图3.10 超声波传感器辐射特性示意图分析以上研究结果不难看出超声波传感器工作在40KHz范围内具有最大的声压级和最高的灵敏度23。3.5 测距分析本课设制作的超声测距仪使用于测量与声波传播方向垂直且有一定大面积的平面之间的距离,比如测量垂直墙壁的距离。当超声波测距仪向某一方向发射40KHz超声方波时,在发射的同一时刻计时电路开始计时,超声波在空气中传播,如果在途中碰到有一定面积的障碍物超声波被立即反射回来,超声波测距仪的接收探头接收到反射波时计时电路马上停止计时24。根据物理常识知道超声波在空气中的传播速度为340m/s,由电路计时器记录的时间t,就可以很容易的计算出发射点距障碍物的距离(s),即:s=340t/2。超声测距法有好几种,比如回波测距法,或者是一发一收式测距法。但超声回波检测法是最最常用的测距法,因为这种方法在现场测量更方便。对于一发一收式的双探头测距法,这种方法通常不好操作,就算能够操作测量效果也差。在这个过程中还会产生误差,双探头的相对位置没有摆放好等原因都会导致误差23。 超声波在介质中传播时其声速V与温度有关。但在平常使用时,传播介质温度变化一般都不大,认为声速基本没有变化。如果实验要求很高的测距精度,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值修正26。声速确定后,只要测量出超声波往返的时间,即可根据公式求出距离。这就是超声波测距仪的基本原理。如图3.11所示: 超声波发射 障碍物 S H 超声波接收图3.11 超声波的测距原理 (3.1) (3.2) 式中:L-两探头之间中心距离的一半.又知道超声波传播的距离为: (3.3) 式中:v超声波在介质中的传播速度; t超声波从发射到接收所需要的时间.将(32)、(33)代入(3-1)中得: (3.4) 其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);当需要测量的距离H远远大于L时,则(34)变为: (3.5) 所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.3.6 时钟电路的设计如图3.6所示为时钟电路。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置片内振荡器。可以采用石英晶体振荡器或者陶瓷振荡器。如过用外部时钟源来驱动器件,XTAL2应不接电源。时钟电路的一个机器周期含有6个状态周期,而每个状态周期分为2个振荡周期,这样来说一个机器周期就一共有12个振荡周期,如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ,一个振荡周期为1/12us,故而一个机器周期为1us,在这个课设里晶体的振荡器频率为40KHz27。图3.6 时钟电路图3.7 复位电路的设计复位方法一般分为两种,第一种外部按键手动复位和第二种上电自动复位,单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时,则复位信号持续时间应不小于2us。本设计采用的是自动复位电路28。如图3.7示为复位电路。图3.7 复位电路图3.8 声音报警电路的设计如下图所示,用一个Speaker和三极管、电阻接到单片机的P23引脚上,构成声音报警电路29,如图3.8示为声音报警电路。图3.8 声音报警电路图3.9 显示模块 显示模块采用数码管显示接口电路如图3.9图3.9 数码管电路4 软件设计4.1 主程序工作流程图按上述工作原理和硬件结构分析可知系统主程序的工作流程图,如下图4.1所示30;系统初始化报警结束测得距离与设定值比较,小于距离比较,报警是否持续开始启动报警电路开始报警再次检测等待下次报警结束YNNYYN 图4.1 主程序工作流程图超声波探测程序流程图4.2:图4.2 超声波探测程序流程图 5 总结本设计研究了一种基于单片机技术的超声波智能测距报警系统。该系统通过以STC89C52单片机为工作处理器核心,超声波传感器,它是一种新颖的被动式超声波探测器件,能够以非接触测出前方物体距离,并将其转化为相应的电信号输出.该报警器的最大特点就是使用户能够操作简单、易懂、灵活;且安装方便、智能性高。根据已经制作完成的测量仪的实验结果分析可以得出结论,仪器的测量值总是比实际标准值要小、并且随着测量距离的增大误差越来越大。本课设制作的仪器测距范围在2-400cm。10到50厘米的测量范围内误差在2.4厘米以内。测距范围50到200厘米时测量误差会增大至4到7厘米。当超过200厘米是误差就会达到10cm。造成误差的原因有一下几个方面:发射与接收间的时间对测量精度的影响、超声波波束与探测目标的夹角、测量时周边的环境。为了减少误差可以采用时间增益补偿的方法。具体的做法是根据实验数据得出误差规律。在根据这些规律设计一种时间增益补偿电路并且这种补偿电路可以根据实际情况来调整其补偿特性。通过这种方法可以有效的减少误差。 参考文献 1 时德钢,刘晔,王峰等.超声测距仪的研究J.计算机测量与控制,2002,17(7): 2325.2 潘仲明.大量程超声波测距系统研究M.国防科学技术大学出版社,2006.3 韩赞东.超声定位技术在汽车安全预警系统中的应用J .测控技术, 2002, 13(8): 4546.4 夏伏洋.高精度超声波智能测距仪的设计与实现J电脑知识与技术, 2012, 3(4): 2126.5 胡福云.基于单片机的超声波测距仪J.科学咨询,2008, 15(3): 3843,.6 李世军、周惠芳、金徐欢.基于单片机的超声测距仪的研究与设计J. 湖南工程学院学报,2011, 2(4): 3843.7 李丽霞.单片机在超声波测距中的应用电子技术J. 电子工业, 2002, 9(6): 3638.8 韩志军等.单片机应用系统设计M. 机械工业出版社,2004.9 牟海荣.超声测距仪的设计D.华南理工大学,2011: 910. 10 BIRD C.Quality control of friction stir welds by the application of non-destructive testingC. 4th International Symposium on 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汇编语言微机原理及接口技术M.第二版.南昌:电子工业出版社,2010. 致谢由衷的感谢周瑞琪老师在我完成毕业设计的各个环节提供的帮助,从选题开始周老师就非常用心,在购买完成课设的电子元件的问题上老师更是做了很多功课,给我认真的分析了应该选用什么样的单片机以及怎么样的超声波模块,能够使成品有较高的测量精度。在测距仪制作完成后调试阶段遇到的问题,周老师不辞劳苦的帮我检测和改进。最后周老师查出是单片机的程序没有编对,最后周老师把新编好程序的单片机装上系统的时候,才使得整个测距仪精确正常的工作。周老师渊博的知识、严谨治学的态度和平易近人的人格魅力对我的影响非常深远。最后在衷心感谢每一位给予过我帮助的人。 附 录附录A:原理图附录B:元件清单CommentDesignatorLibRefQuantity10K 电阻R14RES2110uF 电容C1Cap Pol1112M 晶振Y116M1D 指示灯D1D1DS04 数码管DS1DS041Header 2 电源接口P2Header 21sw-灰色 电源开关SW1sw-灰色1U1 单片机U1U11蜂鸣器B1BELL18550 三极管Q52N3906120 电容C2, C3CAP2Header 4 超声波接口J1, P1Header 42SW-PB 独立按键S1, S2, S3, S4SW-PB48550 三极管Q1, Q2, Q3, Q42N390642K 电阻R4, R5, R6, R7, R13, R15RES26200 电阻R1, R2, R3, R8, R9, R10, R11, R12RES28 附录C:实物图24
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