倒車(chē)防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

PAGE畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：倒車(chē)防撞報(bào)警器的設(shè)計(jì)姓名：學(xué)院：專(zhuān)業(yè)：班級(jí)：學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師：摘要本設(shè)計(jì)采用超聲波測(cè)距，可用作汽車(chē)泊車(chē)安全輔助裝置，能以聲音和更為直觀的LED顯示告知駕駛員汽車(chē)周?chē)系K物的情況，解除了駕駛員在泊車(chē)和起動(dòng)車(chē)輛時(shí)前后左右探視所引起的煩擾，并幫助駕駛員掃除了視野死角和視線模糊的缺陷，提高了泊車(chē)安全性。本設(shè)計(jì)硬件部分主要由單片機(jī)控制電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、數(shù)碼管顯示電路、電源電路和報(bào)警電路組成，軟件部分主要由主程序、超聲波發(fā)射接收中斷程序、距離計(jì)算子程序及顯示子程序等部分組成。本設(shè)計(jì)由STC89C52RC單片機(jī)控制時(shí)間計(jì)數(shù)，計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，利用超聲波在空氣中的傳輸速度，從而得到實(shí)測(cè)距離。該設(shè)計(jì)的電路設(shè)計(jì)合理簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、性能良好、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量誤差方面能夠達(dá)到簡(jiǎn)單工業(yè)實(shí)用的要求。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；超聲波測(cè)距；超聲波換能器；STC89C52RC。

AbstractThisdesignadoptsultrasonicranging,whichcanbeusedforcarparkingsafetyauxiliarydevices.ItcouldeusesoundandmoreintuitiveLEDdisplaytoinformthedrivercaseofthecararoundobstacles,liftedthedriverswhenparkingandstartvehiclesvisitingaroundcausedannoyance.Inaddition，itcouldehelppilotremovedthesightvisionblindangleandfuzzy,improvedparkingsafetydefects.ThehardwareofthisdesignmainlycomposedbytheMCUcontrolcircuit,ultrasonictransmittercircuit,ultrasonicreceivingcircuit,LEDdisplaycircuit,powercircuitandalarmcircuit.Andsoftwareismainlycomposedofthemainprogram,ultrasonictransmittingandreceivinginterruptprogram,distancecalculationanddisplaysubroutinesubprogramcomponents.ThisdesignusesSTC89C52RCsingle-chipmicrocomputercontrolthetimecounts,sincelaunchtoreceivecalculationultrasonicround-triptime,usingultrasonictransmissionspeedintheair,therebygetthemeasureddistance.Thecircuitdesignofthisdesignreasonableperformancegood,stableandfastinspectionspeed,simplecalculation,easytoachievereal-timecontrol,andinthemeasurementerrorcanachievesimpleindustrialpracticalrequirement.Keywords:MCU,Ultrasonicranging,Ultrasonictransducer,STC89C52RC.目錄TOC\o"1-3"\h\u30634摘要 210289Abstract 33079緒論 676661.1課題研究背景 658511.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 6110921.3課題研究的目的及意義 837701.4論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排 9263092超聲波基本理論 10271042.1超聲波發(fā)展簡(jiǎn)史 10186962.2超聲波簡(jiǎn)介 1150122.3超聲波的應(yīng)用 1122424(1)在檢驗(yàn)方面的應(yīng)用 1219847(2)在超聲處理方面的應(yīng)用 1224307(3)在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用 13259682.4超聲波的衰減特性 149319(1)由聲速擴(kuò)展引起的衰減 1410283(2)由散射引起的衰減 1429461(3)由介質(zhì)的吸收引起的衰減 1418272.5超聲波的基本參數(shù) 1517992（1）聲壓 1518905（2）聲強(qiáng) 159048（3）聲場(chǎng) 1613498(4)聲阻抗 1619532.6超聲波測(cè)距方法 166064（1）相位檢測(cè)法 1613160（2）幅值檢測(cè)法 172564（3）渡越時(shí)間法 1783453系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 1816783.1系統(tǒng)測(cè)距方法的選擇 18114603.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 19292653.3硬件選型 20306683.3.1超聲波探頭的主要參數(shù)及選擇 20104733.3.2單片機(jī)選擇 22176863.3.3其他元器件選擇 23177844硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24233634.1單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 24214984.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì) 25324484.2.1超聲波換能器 25138554.2.2NE555簡(jiǎn)介 27178275軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2882255.1主程序設(shè)計(jì) 28142635.2子程序設(shè)計(jì) 29300065.2.1初始化程序 299325.2.2中斷程序 30185655.2.3顯示程序 3168046.1系統(tǒng)誤差分析 33119736.1.1溫度對(duì)超聲波聲速的影響 33199096.1.2回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響 34117716.1.3超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響 3497046.2針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案 3417384(1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期； 3410815(2)在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)； 34297(3)提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差； 3515824(4)補(bǔ)償溫度對(duì)傳播聲速的影響； 3526135(5)補(bǔ)償系統(tǒng)電路的時(shí)間延遲。 35110637總結(jié) 3622507附錄 3731690元件清單： 37

緒論1.1課題研究背景隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，我國(guó)汽車(chē)的數(shù)量逐年攀升。據(jù)公安部交管局2010年11月發(fā)布的數(shù)據(jù)，截止2010年9月底，我國(guó)汽車(chē)保有量為8500萬(wàn)輛。而隨著中國(guó)城市化的加速推進(jìn)，這一數(shù)字還會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)持續(xù)高水平的增長(zhǎng)。汽車(chē)的數(shù)量逐年增加，造成公路、街道、停車(chē)場(chǎng)、車(chē)庫(kù)等越來(lái)越擁擠。在享受汽車(chē)給我們帶來(lái)的便利的同時(shí)，由于倒車(chē)而產(chǎn)生的問(wèn)題也同益突出。因?yàn)轳{駛員在駕車(chē)時(shí)的視野范圍是很有限的，通過(guò)車(chē)內(nèi)和外側(cè)的反光鏡可以大幅度提高駕駛員的視野范圍，但位于車(chē)正后方的障礙物以及高度不足以通過(guò)反光鏡看到的或者距離車(chē)身過(guò)近的障礙物都可能處于駕駛員的視野死角或者視野模糊區(qū)中。這樣，小則對(duì)駕駛員的泊車(chē)、倒車(chē)造成不便，大則也會(huì)帶來(lái)一些危險(xiǎn)。據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，15％的汽車(chē)事故是由汽車(chē)倒車(chē)“后視”不良造成的。因此，人們對(duì)汽車(chē)操縱的便捷性提出了更高的要求，希望有種裝置能夠解決汽車(chē)倒車(chē)給人們帶來(lái)的不便，消除駕駛中的不安全因素，可將車(chē)輛快速準(zhǔn)確地停放到指定的位置。鑒于此，設(shè)計(jì)一種響應(yīng)快、可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車(chē)倒車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行。本文介紹的倒車(chē)防撞報(bào)警器，與汽車(chē)配備的倒車(chē)?yán)走_(dá)原理和用途一致，都是利用超聲波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)距，都是用作“泊車(chē)輔助裝置”，可稱(chēng)作“簡(jiǎn)單型”的倒車(chē)?yán)走_(dá)。但相比市場(chǎng)上各種價(jià)格昂貴的倒車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品，本文介紹的倒車(chē)防撞報(bào)警器，價(jià)格更為經(jīng)濟(jì)，電路更為簡(jiǎn)單，精度也能滿足常用要求。防撞報(bào)警器是汽車(chē)泊車(chē)或者倒車(chē)時(shí)的安全輔助裝置，由超聲波傳感器(俗稱(chēng)探頭)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、LED顯示和蜂鳴器等部分組成。防撞報(bào)警器的主要作用是在倒車(chē)時(shí)，利用超聲波測(cè)距原理，由裝置于車(chē)尾保險(xiǎn)杠上的超聲波傳感器發(fā)送超聲波，超聲波遇到障礙物后反射至超聲波傳感器，從而計(jì)算出車(chē)體與障礙物之間的實(shí)際距離，再給駕駛員以提示，使停車(chē)和倒車(chē)更容易、更安全。該裝置能夠在駕駛員視野的死角處，通過(guò)LED顯示、聲音等形式為駕駛員提供信息和警示來(lái)告知駕駛員周?chē)系K物的情況，使駕駛員能夠更清楚的了解周?chē)系K物的情況，對(duì)駕駛員的起步、泊車(chē)、倒車(chē)等環(huán)節(jié)有很大幫助，提高了駕駛的安全性。1.2課題國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國(guó)倒車(chē)?yán)走_(dá)從2000年開(kāi)始起步，從最初只是奔馳、寶馬等高檔車(chē)的專(zhuān)利，發(fā)展到現(xiàn)在成為許多轎車(chē)的標(biāo)準(zhǔn)配置。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)已經(jīng)歷了六代技術(shù)改良，不管從結(jié)構(gòu)外觀上還是性能價(jià)格上，這六代產(chǎn)品都各有特點(diǎn)。第一代：倒車(chē)時(shí)通過(guò)喇叭提醒?！暗管?chē)請(qǐng)注意、倒車(chē)請(qǐng)注意!”，想必不少人還記得這種聲音?，F(xiàn)在第一代的倒車(chē)?yán)走_(dá)只有小部分大卡車(chē)、泥頭車(chē)在使用。只要司機(jī)掛上倒車(chē)檔，喇叭就會(huì)響起，提醒周?chē)娜俗⒁?。從某種意義上說(shuō)，這對(duì)司機(jī)并沒(méi)有直接的幫助，不是真正的倒車(chē)?yán)走_(dá)，只是在提示路人小心。該類(lèi)產(chǎn)品價(jià)格便宜，但基本屬于淘汰產(chǎn)品。第二代：采用蜂鳴器產(chǎn)生不同聲音來(lái)提示駕駛員。在倒車(chē)時(shí)，蜂鳴器發(fā)出“嘀、嘀、嘀”的響聲，這是倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的真正開(kāi)始。倒車(chē)時(shí)在車(chē)后一定距離內(nèi)有障礙物，蜂鳴器就會(huì)開(kāi)始工作，蜂鳴聲音越急，表示車(chē)輛離障礙物越近。因?yàn)闆](méi)有語(yǔ)音提示，也沒(méi)有距離顯示，雖然司機(jī)知道有障礙物，但不能確定障礙物離車(chē)體有多遠(yuǎn)，所以對(duì)駕駛員幫助不大。第三代：數(shù)碼波段顯示的倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)。這代產(chǎn)品比第二代進(jìn)步很多，可以顯示車(chē)后障礙物離車(chē)體的距離。顯示車(chē)后障礙物和車(chē)體之間距離的方式有兩種：一種是數(shù)字顯示方式，通過(guò)LED顯示車(chē)體與障礙物間的距離；另一種是用顏色來(lái)區(qū)別：綠色代表安全距離，黃色代表警告距離，紅色代表危險(xiǎn)距離。這一代倒車(chē)?yán)走_(dá)已經(jīng)比較先進(jìn)了，缺點(diǎn)是精確度不高、安裝不美觀。第四代：液晶熒屏動(dòng)態(tài)顯示。這一代的倒車(chē)?yán)走_(dá)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，可以看清車(chē)體與障礙物之間的實(shí)際距離和其圖像效果。此類(lèi)倒車(chē)?yán)走_(dá)不用掛倒車(chē)檔，只要發(fā)動(dòng)汽車(chē)，顯示器上就會(huì)出現(xiàn)汽車(chē)圖案以及車(chē)輛周?chē)系K物的距離，色彩清晰漂亮，外表美觀，可以直接粘貼在儀表盤(pán)上，安裝很方便。但這一代的產(chǎn)品靈敏度不太高，抗干擾能力不強(qiáng)，所以誤報(bào)也較多。第五代：魔幻鏡倒車(chē)?yán)走_(dá)。結(jié)合了前幾代產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)，采用了最新仿生超聲雷達(dá)技術(shù)，配以高速電腦控制，可全天候準(zhǔn)確地測(cè)知2米以內(nèi)的障礙物，并以不同等級(jí)的聲音提示和直觀的顯示提醒駕駛員。魔幻鏡倒車(chē)?yán)走_(dá)可以把后視鏡、倒車(chē)?yán)走_(dá)、免提電話、溫度顯示和車(chē)內(nèi)空氣污染顯示等多項(xiàng)功能整合在一起，并設(shè)計(jì)了語(yǔ)音功能。這一代倒車(chē)?yán)走_(dá)的功能較多，但成本也比較高。第六代：整合影音系統(tǒng)。這一代倒車(chē)?yán)走_(dá)是專(zhuān)門(mén)為高檔轎車(chē)生產(chǎn)的。從外觀上來(lái)看，它比第五代倒車(chē)?yán)走_(dá)更為精致典雅；從功能上來(lái)看，它除了具備第五代產(chǎn)品的所有功能之外，還整合了高檔轎車(chē)具備的影音系統(tǒng)，可以在顯示器上觀看DVD影像，但相應(yīng)的成本也更高。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的倒車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品主要由國(guó)外公司占據(jù)著。國(guó)內(nèi)一些公司雖然也推出了相應(yīng)的倒車(chē)?yán)走_(dá)產(chǎn)品，但在質(zhì)量上、市場(chǎng)份額上都無(wú)法與國(guó)外廠商相比擬。一些核心元器件，國(guó)內(nèi)相同產(chǎn)品達(dá)不到國(guó)外水平或者無(wú)法生產(chǎn)。在倒車(chē)?yán)走_(dá)等輔助倒車(chē)研究領(lǐng)域，美國(guó)、德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)走在前面。他們?cè)谄?chē)信息化技術(shù)的研究上起步較早，并且自身在半導(dǎo)體、微電子領(lǐng)域也具有很大的優(yōu)勢(shì)。因此，在這些國(guó)家智能化車(chē)載電子設(shè)備的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，很多高科技車(chē)載電子設(shè)備已經(jīng)相當(dāng)普及。隨著汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，在輔助倒車(chē)領(lǐng)域，國(guó)外已經(jīng)出現(xiàn)了停車(chē)入位導(dǎo)航系統(tǒng)。梅賽德斯車(chē)廠已經(jīng)在使用雷達(dá)探測(cè)技術(shù)來(lái)幫助駕駛者更快更安全地停車(chē)。導(dǎo)航雷達(dá)探測(cè)器能夠探測(cè)出經(jīng)過(guò)路線上的停車(chē)空位，并向駕駛者發(fā)出信號(hào)。這個(gè)時(shí)候，駕駛者可以通過(guò)探測(cè)器顯示的位置找到空位。在整個(gè)停車(chē)過(guò)程中，駕駛員切換到倒檔后，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)由始至終地監(jiān)測(cè)汽車(chē)的位置和角度。如果駕駛者中斷倒車(chē)，導(dǎo)航系統(tǒng)還會(huì)自動(dòng)計(jì)算出新的最佳停車(chē)路線和角度。在日本，豐田公司研制的導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確地全自動(dòng)停車(chē)。當(dāng)導(dǎo)航系統(tǒng)鎖定一個(gè)合適的停車(chē)空位之后，只要駕駛員換到倒檔，儀表盤(pán)上的屏幕上就會(huì)開(kāi)始顯示由安裝在汽車(chē)背部的攝像頭傳送過(guò)來(lái)的車(chē)后圖像。此時(shí)，駕駛者只需對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)選擇的提供車(chē)位置進(jìn)行確認(rèn)。在此之后，就可以松開(kāi)方向盤(pán)和腳剎，保持適當(dāng)?shù)乃俣?。從這里開(kāi)始，停車(chē)過(guò)程便由配備了超聲波雷達(dá)和攝像頭的停車(chē)導(dǎo)航系統(tǒng)全權(quán)接手。如果想要中止停車(chē)程序，駕駛者只需踩下剎車(chē)就可以了。而且這款設(shè)備現(xiàn)在已經(jīng)開(kāi)始在一些高檔轎車(chē)上配備使用。1.3課題研究的目的及意義本文介紹的倒車(chē)防撞報(bào)警器的核心就是超聲波測(cè)距原理的應(yīng)用，市場(chǎng)上廣泛應(yīng)用的倒車(chē)?yán)走_(dá)也是如此。所以，歸根結(jié)底本課題研究的目的和意義本質(zhì)上是歸于超聲波測(cè)距系統(tǒng)的。從小的應(yīng)用方面來(lái)說(shuō)，本課題的研究直接解決了司機(jī)倒車(chē)時(shí)的困擾，更能有效地降低倒車(chē)過(guò)程中發(fā)生的大小事故。但從更廣泛的應(yīng)用來(lái)講，超聲波測(cè)距系統(tǒng)的研究在許多工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)、軍事等等方面有著更為廣泛顯著的應(yīng)用。隨著雷達(dá)技術(shù)、激光技術(shù)、電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波技術(shù)也得到和不斷的更新和發(fā)展，超聲波技術(shù)已經(jīng)從最初的理論研究發(fā)展到大范圍地應(yīng)用在無(wú)損探傷、測(cè)溫、測(cè)距、流量測(cè)量、液體成分測(cè)量、巖體檢測(cè)等方面。在這期間，超聲波技術(shù)不斷得到完善并趨于成熟。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，目前我國(guó)所研制出的超聲波測(cè)距系統(tǒng)在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。高速度和高效率是現(xiàn)代化工業(yè)的標(biāo)志，這些都是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上，精度作為高質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，需要加大力度對(duì)其進(jìn)行研究。而且我國(guó)正在使用的高精度超聲測(cè)距系統(tǒng)大多以進(jìn)口國(guó)外為主，很大程度的制約了工業(yè)的發(fā)展。因此盡快展開(kāi)超聲波測(cè)距系統(tǒng)精度的深入研究并進(jìn)行自主研發(fā)顯得尤為重要。本課題研究具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值和深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義。1.4論文主要內(nèi)容及章節(jié)安排本文以倒車(chē)防撞報(bào)警器為研究目標(biāo)，從理論和實(shí)踐兩個(gè)方面對(duì)超聲波測(cè)距技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探討，并將超聲波測(cè)距技術(shù)應(yīng)用于本課題的研究?，F(xiàn)將本文的主要內(nèi)容和章節(jié)安排簡(jiǎn)要介紹如下：第1章介紹本課題的研究背景、國(guó)內(nèi)外研究狀況及課題研究目的和意義。第2章介紹超聲波基本理論。第3章闡述系統(tǒng)總體方案。第4章詳述本設(shè)計(jì)的硬件電路設(shè)計(jì)。第5章闡述本設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)。第6章論述本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)誤差及其改進(jìn)。第7章講述總結(jié)。

2超聲波基本理論2.1超聲波發(fā)展簡(jiǎn)史意大利科學(xué)家斯帕拉捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步。他常常看到，很多蝙蝠靈活的在空中飛來(lái)飛去，卻從不會(huì)撞到墻壁上。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？為了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列試驗(yàn)。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能準(zhǔn)確地分辨障礙物。只有當(dāng)耳朵被堵住時(shí)，蝙蝠就不能分辨障礙物。斯帕拉捷的實(shí)驗(yàn)，揭開(kāi)了蝙蝠飛行的秘密。后來(lái)人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。原來(lái)，蝙蝠靠喉嚨發(fā)出人聽(tīng)不見(jiàn)的“超聲波”，這種聲音沿著直線傳播，碰到物體后就像光照到鏡子上那樣反射回來(lái)。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的自由飛翔，捕捉食物。當(dāng)然，以上的故事是個(gè)美麗的楔子。真正超聲波的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。自19世紀(jì)末到20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開(kāi)了發(fā)展與推廣超聲波技術(shù)的歷史篇章。1883年Galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過(guò)狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和夜哨等機(jī)械型超聲波換能器。20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。1917年，法國(guó)物理學(xué)家朗之萬(wàn)(PaulLangevin)用天然壓電石英制成了夾心式超聲換能器，并成功地應(yīng)用于水下探測(cè)潛艇。隨著軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。人類(lèi)直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會(huì)利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來(lái)探測(cè)水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。40年代末期超聲波治療在歐美興起，直到1949年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)上最早利用超聲波是在1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲波技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)，以后到了60年代醫(yī)生們開(kāi)始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測(cè)。1956年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階段。材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機(jī)電耦合系數(shù)高、價(jià)格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜(PVDF)等。產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由單純的縱波擴(kuò)大為橫波、扭轉(zhuǎn)波、彎曲波、表面波等。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。如今，超聲波已廣泛應(yīng)用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。2.2超聲波簡(jiǎn)介聲波是屬于聲音的類(lèi)別之一，屬于機(jī)械波，是人耳能感受到的一種縱波，其頻率范圍為16Hz-20KHz。當(dāng)聲波的頻率低于16Hz時(shí)就叫做次聲波，高于20KHz則稱(chēng)為超聲波。超聲波是一種波動(dòng)形式，它可以作為探測(cè)與負(fù)載信息的載體或媒介（如B超等用作診斷）；超聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超聲波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波在媒質(zhì)中的反射、折射、衍射、散射等傳播規(guī)律，與可聽(tīng)聲波的規(guī)律并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別。但是超聲波的波長(zhǎng)很短，只有幾厘米，甚至千分之幾毫米。與可聽(tīng)聲波比較，超聲波具有許多奇異特性：傳播特性──超聲波的波長(zhǎng)很短，通常的障礙物的尺寸要比超聲波的波長(zhǎng)大好多倍，因此超聲波的衍射本領(lǐng)很差，它在均勻介質(zhì)中能夠定向直線傳播，超聲波的波長(zhǎng)越短，這一特性就越顯著。功率特性──當(dāng)聲音在空氣中傳播時(shí)，推動(dòng)空氣中的微粒往復(fù)振動(dòng)而對(duì)微粒做功。聲波功率就是表示聲波做功快慢的物理量。在相同強(qiáng)度下，聲波的頻率越高，它所具有的功率就越大。由于超聲波頻率很高，所以超聲波與一般聲波相比，它的功率是非常大的?？栈饔茅ぉぎ?dāng)超聲波在液體中傳播時(shí)，由于液體微粒的劇烈振動(dòng)，會(huì)在液體內(nèi)部產(chǎn)生小空洞。這些小空洞迅速脹大和閉合，會(huì)使液體微粒之間發(fā)生猛烈的撞擊作用，從而產(chǎn)生幾千到上萬(wàn)個(gè)大氣壓的壓強(qiáng)。微粒間這種劇烈的相互作用，會(huì)使液體的溫度驟然升高，起到了很好的攪拌作用，從而使兩種不相溶的液體（如水和油）發(fā)生乳化，并且加速溶質(zhì)的溶解，加速化學(xué)反應(yīng)。這種由超聲波作用在液體中所引起的各種效應(yīng)稱(chēng)為超聲波的空化作用。2.3超聲波的應(yīng)用由于超聲波在物理化學(xué)方面的獨(dú)特特性，所以超聲波在許多方面都有廣泛的應(yīng)用。歸結(jié)起來(lái)，超聲波主要應(yīng)用在以下幾個(gè)方面：(1)在檢驗(yàn)方面的應(yīng)用超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波來(lái)，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。超聲波測(cè)厚，是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來(lái)進(jìn)行厚度測(cè)量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，雖然目前的測(cè)距量程上能達(dá)到百米，但測(cè)量的精度往往只能達(dá)到厘米數(shù)量級(jí)。超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對(duì)聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器，利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。上述裝置稱(chēng)為超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來(lái)對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來(lái)顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。聲全息術(shù)是利用超聲波的干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像的聲成像技術(shù)，其原理與光波的全息術(shù)基本相同，只是記錄手段不同而已。(2)在超聲處理方面的應(yīng)用利用超聲的機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、理化效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用。超聲波焊接是利用高頻振動(dòng)波傳遞到兩個(gè)需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個(gè)物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波焊接主要分超聲波塑料焊接和超聲波金屬焊接，超聲波塑料焊接具有焊接速度快，焊接強(qiáng)度高、密封性好的優(yōu)點(diǎn)；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無(wú)火花、接近冷態(tài)加工。針對(duì)所有的應(yīng)用市場(chǎng)，超音波焊接其特有的優(yōu)點(diǎn)——快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認(rèn)可，在汽車(chē)、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對(duì)液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機(jī)中，空化作用和直進(jìn)流作用應(yīng)用得更多。超聲波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清潔度高，不須人手接觸清洗液，安全可靠，對(duì)工件表面無(wú)損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工等諸多優(yōu)點(diǎn)。超聲波清洗方式超過(guò)一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機(jī)械零部件，一些特別小而對(duì)請(qǐng)潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機(jī)械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達(dá)到很理想的效果。超聲波技術(shù)在醫(yī)療方面的獨(dú)特療效已得到醫(yī)學(xué)界的普遍認(rèn)可，并越來(lái)越被臨床重視和采用。超聲波治療時(shí)將超聲波能量作用于人體病變部位，以達(dá)到治療疾患和促進(jìn)機(jī)體康復(fù)的目的。超聲波的機(jī)械作用可軟化組織，增強(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨(dú)特的治療意義。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波治療以療效獨(dú)特，長(zhǎng)期治療無(wú)毒副作用的安全特性見(jiàn)長(zhǎng)，在肢體運(yùn)動(dòng)康復(fù)、心腦血管疾病治療方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其體外無(wú)創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運(yùn)用。(3)在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用超聲學(xué)是研究超聲的科學(xué)，它是聲學(xué)的一個(gè)重要分支。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門(mén)的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單、也最普通的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，它和其他形式的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動(dòng)本身就是一種機(jī)械運(yùn)動(dòng)，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要途徑。20世紀(jì)40年代起，人們?cè)谘芯棵劫|(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時(shí)，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過(guò)程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過(guò)程）及微觀諧振過(guò)程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動(dòng)的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來(lái)研究原子間的相互作用、能量傳遞等問(wèn)題是十分有意義的。通過(guò)對(duì)甚高頻超聲聲速和衰減的測(cè)定，可以了解聲波與點(diǎn)陣振動(dòng)的相互關(guān)系及點(diǎn)陣振動(dòng)各模式之間的耦合情況，還可以用來(lái)研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過(guò)程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門(mén)新分支學(xué)科──量子聲學(xué)也正在形成。超聲學(xué)是一門(mén)應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來(lái)的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國(guó)防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、超聲學(xué)材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時(shí)，超聲學(xué)的發(fā)展又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學(xué)仍是一門(mén)年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問(wèn)題，對(duì)許多超聲波應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問(wèn)題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷地向前發(fā)展著。2.4超聲波的衰減特性從理論上講，超聲波衰減主要有三個(gè)方面：(1)由聲速擴(kuò)展引起的衰減在聲波的傳播過(guò)程中，隨著傳播距離的增大，非平面聲波的聲速不斷擴(kuò)展增大，因此單位面積上的聲壓隨距離的增大而減弱，這種衰減稱(chēng)為擴(kuò)散衰減。(2)由散射引起的衰減由于實(shí)際材料不可能是絕對(duì)均勻的，例如材料中外來(lái)雜質(zhì)金屬中的第二相析出、晶粒的任意取向等均會(huì)導(dǎo)致整個(gè)材料聲學(xué)特性阻抗不均，從而引起超聲波的散射。被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變成熱能，這種衰減稱(chēng)為散射衰減。(3)由介質(zhì)的吸收引起的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，內(nèi)于介質(zhì)的粘滯性而造成質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)變成熱能。同時(shí)，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進(jìn)行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，以及由于分子弛豫現(xiàn)象造成的吸收，這些都是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象，這種衰減稱(chēng)為吸收衰減。擴(kuò)散衰減僅取決于波的幾何形狀而與傳播介質(zhì)的性質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)于大多數(shù)金屬和固體介質(zhì)來(lái)說(shuō)，通常所說(shuō)的超聲波的衰減，即(衰減系數(shù))表征的衰減僅包括散射衰減和吸收衰減而不包括擴(kuò)散衰減。因此，空氣介質(zhì)的衰減系數(shù)也由兩部分組成，可由下式表示：（2-1）式中：為熱傳導(dǎo)系數(shù)，為超聲波頻率，為動(dòng)力粘滯系數(shù)，為超聲波傳播速度，為定容比熱，為定壓比熱，為傳播介質(zhì)密度。式(2-1)中第一項(xiàng)是由內(nèi)摩擦引起的衰減系數(shù)，第二項(xiàng)是由熱傳導(dǎo)引起的衰減系數(shù)，由于后者比前者小得多，故在忽略熱傳導(dǎo)引起的超聲波衰減的情況下，衰減系數(shù)可以由下式表示： （2-2）把代入式（2-2）可得： （2-3）由式(2-3)可知：溫度一定時(shí)，、、均一定，衰減系數(shù)與頻率的平方成正比；頻率越高，衰減的系數(shù)就越大，傳播的距離也就越短。2.5超聲波的基本參數(shù)（1）聲壓垂直作用于單位面積上的壓力稱(chēng)為聲壓。當(dāng)介質(zhì)中有超聲波傳播時(shí)，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)使得介質(zhì)中壓強(qiáng)交替變化。聲壓就是超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)在某一瞬間所具有的壓強(qiáng)與沒(méi)有超聲波存在時(shí)同一點(diǎn)的靜態(tài)壓強(qiáng)之差，用表示，單位是帕斯卡。超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓可以用式（2-4）表示： （2-4）其中，為介質(zhì)密度，為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度，為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振幅，為介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的角頻率，為該點(diǎn)與波源的距離。又因，所以，超聲場(chǎng)中某一點(diǎn)的聲壓與超聲波的頻率成正比。（2）聲強(qiáng)聲強(qiáng)是指聲波傳播的能流密度，即在單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)垂直于傳播方向上單位面積的聲音能量，用表示。超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，若單位時(shí)間內(nèi)傳遞的能量越多，則聲強(qiáng)就越大。平均聲強(qiáng)的計(jì)算公式如式(2-5)所示： （2-5）（3）聲場(chǎng)聲波為一點(diǎn)源時(shí)，聲波從聲源向四面八方輻射，如果聲源(探頭)的尺寸比波長(zhǎng)大時(shí)，則聲波從聲源集中成一波束，以某一角度擴(kuò)散出去，在聲源(探頭)的中心軸線上聲壓和聲強(qiáng)最大，偏離中心軸線一角度時(shí)，聲壓減小，形成聲波的主瓣(主波束)，離聲源近處聲壓交替出現(xiàn)最大與最小值點(diǎn)，形成聲波的副瓣。時(shí)的擴(kuò)散角稱(chēng)為聲波的半擴(kuò)散角，根據(jù)聲源形狀的不同，聲波半擴(kuò)散角的表達(dá)式也不同。聲源為圓板形時(shí)的半擴(kuò)散角如式(2-6)所示: (2-6)式(2-6)中，為半擴(kuò)散角，為聲波在介質(zhì)中的波長(zhǎng)，為聲源直徑，為常數(shù)。值取決于對(duì)擴(kuò)散角的限制，一般取波束邊緣聲壓為零時(shí)的值，即=1.22(4)聲阻抗超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)任何一點(diǎn)的聲壓與該質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)速度之比稱(chēng)為聲阻抗。聲阻抗越大，質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)速度就越小，聲阻抗為傳播介質(zhì)的密度與聲速之積。聲阻抗是表征介質(zhì)聲學(xué)性質(zhì)的重要物理量，超聲波在兩種介質(zhì)組成的界面上的反射和透射與這兩種介質(zhì)的聲阻抗密切相關(guān)。2.6超聲波測(cè)距方法目前，市場(chǎng)上利用超聲波測(cè)距原理制成的測(cè)距系統(tǒng)種類(lèi)繁多，但是超聲波測(cè)距的方案總歸下來(lái)有已下幾種：（1）相位檢測(cè)法相位發(fā)檢測(cè)法可分為兩種：一種方法是通過(guò)發(fā)射不同頻率的超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)的。首先，發(fā)射一束波長(zhǎng)為的超聲波。檢測(cè)到回波的相位為。設(shè)經(jīng)過(guò)的波周期數(shù),則可求的目標(biāo)物體的距離為：(2-7)同樣可以得到第二束波形的測(cè)距計(jì)算公式為： (2-8)其中：為第二束波的相位角，為波長(zhǎng)，為波的周期數(shù)。又因?yàn)楹投紴檎龜?shù),同時(shí)再進(jìn)行時(shí)間補(bǔ)償?shù)乃惴?，可精確求的目標(biāo)距離的值。然而由于超聲波探頭為固定的頻率，倘若改變頻率，系統(tǒng)的衰減比較大，需要兩套信號(hào)檢測(cè)電路，實(shí)施的難度大，不宜采用。另一種方法是通過(guò)單一的超聲波探頭進(jìn)行相位檢測(cè)法檢測(cè)，此種方法是待測(cè)距離在一個(gè)周期以內(nèi)使用，如過(guò)選用40kHz的超聲波作為介質(zhì)，一個(gè)周期對(duì)應(yīng)的檢測(cè)距離為，顯然，此種方法的精確度很高。（2）幅值檢測(cè)法幅值檢測(cè)法就是先發(fā)射固定頻率的超聲波，然后使用反射或者對(duì)射法檢測(cè)接收到的超聲波的脈沖強(qiáng)度，根據(jù)超聲波回波衰減理論，對(duì)回波脈沖強(qiáng)度的進(jìn)行分析，進(jìn)而求得目標(biāo)距離。（3）渡越時(shí)間法渡越時(shí)間是指從傳感器發(fā)射超聲波出去開(kāi)始計(jì)時(shí)，經(jīng)過(guò)氣體介質(zhì)傳播，到傳感器接收到回波時(shí)計(jì)時(shí)停止。由于在一定的環(huán)境下，溫度是不會(huì)變化的，或者變化緩慢，可近似為常數(shù)，此時(shí)聲速是不變化的。因此可以通過(guò)檢測(cè)渡越時(shí)間，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)的聲速，進(jìn)而求的傳感器與目標(biāo)之間的距離。

3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)測(cè)距方法的選擇前面提到，超聲波測(cè)距的方法主要有三種，為相位檢測(cè)法、幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法。相位檢測(cè)法檢測(cè)精度高，但是檢測(cè)距離有限，達(dá)不到本課題設(shè)計(jì)的要求。由于超聲波在傳播過(guò)程中，由于空氣雜質(zhì)含量不同，衰減系數(shù)也不一樣，聲波幅值檢測(cè)法的檢測(cè)精度和穩(wěn)定性受到很大的限制，所以此種方法不適合本課題的應(yīng)用。而渡越時(shí)間法工作原理簡(jiǎn)單，電路容易實(shí)現(xiàn)。但是由于氣體介質(zhì)對(duì)超聲波存在反射和散射，使得超聲波在傳播過(guò)程中有很大的衰減，超聲波的最大檢測(cè)距離因此受到一定程度的限制。另一方便面超聲波的最大檢測(cè)距離與傳感器的發(fā)射功率和電路的放大倍數(shù)有關(guān)，發(fā)射功率越大，電路的放大倍數(shù)越大，接收電路的靈敏度越好，檢測(cè)距離就越遠(yuǎn)。因此可以通過(guò)提高放大倍數(shù)和采用發(fā)射功率較大的超聲波探頭來(lái)解決此問(wèn)題。此外超聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關(guān)系，因此需對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而溫度補(bǔ)償在軟件和硬件上也很容易實(shí)現(xiàn)。綜上，本設(shè)計(jì)的測(cè)距方法采用渡越時(shí)間法。具體測(cè)距原理闡述如下。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過(guò)程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖2-3所示：超聲波發(fā)射障礙物SHθ超聲波接收?qǐng)D3-1（3-1）（3-2）式中:L兩探頭之間中心距離的一半。又知道超聲波傳播的距離為:(3-3)式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度；t—超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。將（3—2）、（3—3）代入（3-1）中得：(3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù)(例如在溫度T=20度時(shí),V=344m/s)；當(dāng)需要測(cè)量的距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于L時(shí),則(3—4)變?yōu)?(3-5)所以,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間t,就可以得出測(cè)量的距離H。3.2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限；聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為:檢測(cè)從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波(假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體)，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)以宏晶科技的STC89C52RC單片機(jī)為控制中心構(gòu)建，包括單片機(jī)外圍電路、電源電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、數(shù)碼管顯示電路及報(bào)警電路。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)控制運(yùn)行，首先由單片機(jī)控制NE555定時(shí)器工作產(chǎn)生40KHz的方波，同時(shí)單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。由NE555產(chǎn)生的方波送給超聲波發(fā)射電路發(fā)出超聲波，待超聲波遇到障礙物返回后，由超聲波接收電路接收。超聲波接收電路接收到超聲波后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿的電壓信號(hào)，這個(gè)信號(hào)由P3.2口輸入單片機(jī)，從而關(guān)閉定時(shí)器。定時(shí)器關(guān)閉后，距離運(yùn)算程序就會(huì)運(yùn)行，得出結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管顯示電路顯示距離和確定是否報(bào)警。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下圖所示：圖3-2系統(tǒng)框圖3.3硬件選型3.3.1超聲波探頭的主要參數(shù)及選擇一、主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。常見(jiàn)超聲波傳感器的中心頻率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。（4）工作溫度工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)至?xí)r靈敏度可降低6％。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)(),就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施。二、超聲波探頭的選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見(jiàn)的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波；收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：(1)工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。(2)工作溫度。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。(3)靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多；頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高?；谝陨系目紤]，本設(shè)計(jì)采用壓電式超聲波傳感器，為了充分發(fā)揮本設(shè)計(jì)的優(yōu)越性，換能器選擇收發(fā)分體式換能器TCT40-16。TCT40-16T/R的性能指標(biāo)如下表所示：表3-1TCT40-16T/R的指向特性如圖3-3所示：圖3-33.3.2單片機(jī)選擇單片機(jī)是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。因此其性能將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇好的單片機(jī)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求以及總體設(shè)計(jì)思路對(duì)所選擇的單片機(jī)要求進(jìn)行進(jìn)一步的概括。系統(tǒng)最少需要2個(gè)定時(shí)器，一個(gè)為計(jì)算渡越時(shí)間需要，另一個(gè)為系統(tǒng)延時(shí)用。需要一個(gè)外部中斷，用于接收超聲波信號(hào)外部中斷。需要一個(gè)串行通行口，供與上位機(jī)用。最少需要18個(gè)I/O口，供鍵盤(pán)電路、顯示電路及各控制電路用。由此，這里采用宏晶科技的STC89C52RC單片機(jī)作為主控單片機(jī)。STC89C52單片機(jī)性能卓越、保密性好、燒寫(xiě)程序方便、燒寫(xiě)速度快、可重復(fù)燒寫(xiě)10萬(wàn)次!是普通51單片機(jī)的100倍.STC89C52完全兼容AT89C51AT89C52AT89S51AT89S52而且加入了更多新功能,它內(nèi)部有1280字節(jié)的SRAM、8-64K字節(jié)的內(nèi)部程序存儲(chǔ)器、2-8K字節(jié)的ISP引導(dǎo)碼、除P0-P3口外還多P4口(PLCC封裝)、片內(nèi)自帶8路8位AD(AD系列)，片內(nèi)自帶EEPROM、片機(jī)自帶看門(mén)狗、雙數(shù)據(jù)指針等。PAGE3.3.3其他元器件選擇顯示部分是采用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法，CD4511控制段選碼，74LS138控制位選信號(hào)。發(fā)射部分超聲波探頭的選用前面已經(jīng)有所敘述，相應(yīng)的信號(hào)處理元件選用NE555和TC4069。超聲波的接收信號(hào)選用CX20106芯片處理。單片機(jī)的外圍電路元件選用11.0592MHz的晶振，串口通信選用MAX232。報(bào)警電路選用蜂鳴器。

4硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì)本部分的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是連接單片機(jī)的一些輔助電路，主要是鍵盤(pán)電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路和串口通信電路。其中，晶振電路和串口通信電路在單片機(jī)STC89C52RC的技術(shù)手冊(cè)里面有詳盡的陳述，本文不再做細(xì)致分析與敘述。鍵盤(pán)電路采用行列式鍵盤(pán)接口，利用程序掃描法查詢按鍵狀態(tài)，從而執(zhí)行相應(yīng)子程序，完成相關(guān)功能。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，除了進(jìn)入系統(tǒng)正常的初始化之外，當(dāng)由于程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為擺脫困境，也需按復(fù)位鍵以重新啟動(dòng)。所以，系統(tǒng)的復(fù)位電路必須準(zhǔn)確、可靠地工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在單片機(jī)的RST引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘振蕩脈沖以上的高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了保證應(yīng)用系統(tǒng)可靠地復(fù)位，在設(shè)計(jì)復(fù)位電路時(shí)，通常使RST保持高電平。只要RST保持高電平，則單片機(jī)就循環(huán)復(fù)位。單片機(jī)復(fù)位電路通常采用以下幾種方式：①上電自動(dòng)復(fù)位，在通電瞬間，由于RC電路充電過(guò)程中，RESET端出現(xiàn)正脈沖，從而使單片機(jī)復(fù)位；②按鍵電平復(fù)位，通過(guò)使復(fù)位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實(shí)現(xiàn)的；③系統(tǒng)復(fù)位，在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端和外圍電路復(fù)位端。這特別適合于應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)干擾大、電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境，并且，當(dāng)系統(tǒng)有多個(gè)復(fù)位端時(shí)，能保證可靠地同步復(fù)位。此次設(shè)計(jì)本著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、干擾小的思想，故采用上電自動(dòng)復(fù)位。具體電路如圖4-1所示圖4-1單片機(jī)系統(tǒng)外圍電路4.2超聲波發(fā)射電路設(shè)計(jì)4.2.1超聲波換能器超聲波換能器(UltrasonicTransducer)是把別種能源的信號(hào)轉(zhuǎn)換成所要求的超聲波信號(hào)或者能量的器件；或者反之，是把超聲波信號(hào)或者能量轉(zhuǎn)換成另一種形式的信號(hào)或者能量的器件。超聲波換能器有多種類(lèi)型，如電聲型超聲波換能器(包括壓電換能器，磁致伸縮換能器，電動(dòng)式換能器和電磁式換能器)，流體動(dòng)力型換能器，氣介超聲波換能器，聚焦超聲波換能器，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)超聲波換能器，彎曲振動(dòng)超聲波換能器，檢測(cè)超聲波換能器等。超聲波由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(jīng)常用于距離的測(cè)量。本次設(shè)計(jì)是用于測(cè)距，需要轉(zhuǎn)換的信號(hào)是超聲波和其他信號(hào)（電壓信號(hào)，電流信號(hào)等），所以選擇壓電式超聲波換能器。所以，以下介紹壓電式超聲波傳感器的原理及應(yīng)用。某些單晶材料的結(jié)構(gòu)具有非對(duì)稱(chēng)特性，當(dāng)這些材料受到外加應(yīng)力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，其內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)的變化（形變）會(huì)破壞原來(lái)宏觀表現(xiàn)為電中性的狀態(tài)，產(chǎn)生極化電場(chǎng)（電極化），所產(chǎn)生的電場(chǎng)（電極化強(qiáng)度）與應(yīng)變的大小成正比。這種現(xiàn)象稱(chēng)為正壓電效應(yīng)，它是由居里兄弟于1880年發(fā)現(xiàn)的。隨后，在1881年又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這類(lèi)單晶材料還具有逆壓電效應(yīng)，即具有正壓電效應(yīng)的材料在受到外加電場(chǎng)作用時(shí)，會(huì)有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生，其應(yīng)變與外電場(chǎng)的大小成正比。壓電效應(yīng)是晶體結(jié)構(gòu)的一個(gè)特性，它與晶體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱(chēng)性有關(guān)，而壓電效應(yīng)的大小及性質(zhì)則與施加的應(yīng)力或電場(chǎng)對(duì)晶體結(jié)晶軸的相對(duì)方向有關(guān)。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部就夠如下圖所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)，它就是一個(gè)超聲波發(fā)生換能器；反之，如果兩電極間沒(méi)有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這是它就成為超聲波接收換能器了。在壓電陶瓷片上加有大小和方向不斷變化的變流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向，是外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為的交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒質(zhì)，便會(huì)發(fā)出聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械波，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械的變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的信號(hào)。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。圖4-2超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖圖4-3是壓電晶片的等效電路。為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻，和為機(jī)械共振回路的電容和電感。為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固有的諧振頻率，即中心頻率，發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致；接收超聲波時(shí)，作用在其上面的超聲機(jī)械波的頻率也要與它的固有頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用的壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便地改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。用于測(cè)距的傳感器的中心頻率一般為40KHz。圖4-3壓電晶片等效電路4.2.2NE555簡(jiǎn)介NE555(TimerIC)大約在1971年由SigneticsCorporation發(fā)布，在當(dāng)時(shí)是唯一計(jì)數(shù)快速且商業(yè)化的TimerIC。在往后的30年來(lái)非常普遍被使用，且延伸出許多的應(yīng)用電路。盡管近年來(lái)CMOS技術(shù)版本的TimerIC如MOTOROLA的MC1455已被大量的使用，但原規(guī)格的NE555依然正常的在市場(chǎng)上供應(yīng)。盡管新版IC在功能上有部份的改善，但其引腳功能并沒(méi)變化，所以到目前都可直接的代用。NE555是屬于555系列的計(jì)時(shí)IC的其中的一種型號(hào)，555系列IC的接腳功能及運(yùn)用都是相容的，只是型號(hào)不同的因其價(jià)格不同其穩(wěn)定度、省電、可產(chǎn)生的振蕩頻率也不大相同。555是一個(gè)用途很廣且相當(dāng)普遍的計(jì)時(shí)IC，只需少數(shù)的電阻和電容，便可產(chǎn)生數(shù)位電路所需的各種不同頻率的脈沖信號(hào)。NE555的特點(diǎn)有：(1)只需簡(jiǎn)單的電阻器、電容器，即可完成特定的振蕩延時(shí)作用。其延時(shí)范圍極廣，可由幾微秒至幾小時(shí)之久。(2)它的操作電源范圍極大，可與TTL，CMOS等邏輯門(mén)配合，也就是它的輸出觸發(fā)準(zhǔn)位及輸入觸發(fā)準(zhǔn)位，均能與這些邏輯系列的高、低態(tài)組合。(3)其輸出端的供給電流大，可直接推動(dòng)多種自動(dòng)控制的負(fù)載。5軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1主程序設(shè)計(jì)主程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的功能，主程序的編寫(xiě)是在各個(gè)子程序的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。主程序程序指導(dǎo)各個(gè)子程序依次工作，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的測(cè)距功能。主程序開(kāi)始時(shí)，要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，初始化包括I/O端口的初始化、中斷的初始化、定時(shí)器的初始化等等。在初始化完成后，開(kāi)始40KHz脈沖信號(hào)的發(fā)射。由單片機(jī)P2.7端口控制NE555產(chǎn)生40KHz的脈沖信號(hào)，同時(shí)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)時(shí)。單片機(jī)用外部中斷0來(lái)接收超聲波回波信號(hào)，當(dāng)接收到中斷時(shí)，定時(shí)器0計(jì)時(shí)停止。記錄下這一數(shù)據(jù)，單片機(jī)開(kāi)始距離計(jì)算。計(jì)算結(jié)果出來(lái)后，結(jié)果被顯示子程序調(diào)用，距離顯示在LED上。主程序的工作流程圖如圖5-1所示。主程序代碼如下：voidMain(void){//主程序 InitCPU(); while(1) {//主循環(huán) TimeAndComSelect(); switch(bSysStatus) { caseS_Idle: key_DealNews(); break; caseS_DISPLAY: DisplayLED(Index); Index++; if(Index>=4) { Index=0; } break; caseS_DATACOLLECT: DataCollect(); break; caseS_SAMPLETH: Ds18b20(); break; caseS_KEYSCAN: Key_Scan(); break; } }}5.2子程序設(shè)計(jì)5.2.1初始化程序voidInitCPU(){ EA=0; //DisabletheInterrupt PSW=0x00; //Selectregisterbank0 TMOD=0x21;//Time0mode1TH0=L5MS_H; //fosc=11.0592mhz5mstimerinterruptTL0=L5MS_L; TH1=L9600; TL1=L9600; SCON=0x40; //UartBaudcontrol PCON=0x80; //PowerControl // IP=0x00; //Interruptpiror IP=01;IT0=1; //Timer0Interruptenable IT1=1;//Timer1Interruptenable EX0=1; //ExternalInterruptdownedgetriggerEX1=0;ET0=1; //EnableTimer0 ET1=0;TR0=1; //Timer0Interruptenable TR1=1;REN=1;ES=1; EA=1; P0=0xff; P1=0xff; P2=0xff; P3=0xff;}5.2.2中斷程序voidTimeAndComSelect(){ if(m_bSys5ms) { m_bSys5ms=0; bSysStatus=S_DISPLAY; } elseif(m_bSysScanKey) { m_bSysScanKey=0; bSysStatus=S_KEYSCAN; } elseif(m_bDataCollect) { m_bDataCollect=0; bSysStatus=S_DATACOLLECT; } elseif(m_bSampleTh) { m_bSampleTh=0; bSysStatus=S_SAMPLETH; } else { bSysStatus=S_Idle; }}5.2.3顯示程序voidDataCollect(){ floattempfloat; uinttempint; Result=113.5; tempfloat=Result*100; tempint=(uint)tempfloat; DisBuf[0]=tempint/1000; DisBuf[1]=tempint%1000/100; DisBuf[2]=tempint%100/10; DisBuf[3]=tempint%10;}voidDisplayLED(byteIndex1){ tempbyte=0; tempbyte=Index1<<4; if(m_bEnterSetStatus&&(Index1==CursorPosition)) {//開(kāi)始閃爍 if(m_bSYS500ms) {//亮 tempbyte+=DisBuf[Index1]; } else {//滅 tempbyte+=10; } } else { tempbyte+=DisBuf[Index1]; } P0=tempbyte;}

6系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn)6.1系統(tǒng)誤差分析6.1.1溫度對(duì)超聲波聲速的影響空氣中傳播的超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響即：（5-1）其中B為氣體的彈性模量，r為氣體的密度。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得：B=g·r，其中g(shù)為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為1.40，P為氣體的壓強(qiáng)。氣體的壓強(qiáng)為：（5-2）其中，R為普適常量8.314kg/mol，T為氣體溫度K(絕對(duì)溫度)，M為氣體分子量，空氣為28.8×10-3kg/mol。所以（5-3）由公式5-3可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。例如：20℃時(shí)，T=293.15，CS=344.2m/s；40℃時(shí)，T=313.15，CS=355.8m/s；-20℃時(shí),T＝253.15，CS=319.9m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。6.1.2回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過(guò)程，超聲波會(huì)有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x處有被測(cè)物，則空氣中傳播的超聲波波動(dòng)方程描述為：A=A(x)cos(ax+kt)（5-4）其中A為超聲傳感器接收的振幅；A0為超聲傳感器初始振幅；α為衰減系數(shù)；x為超聲波傳播距離；w角頻率；k為波數(shù)。衰減系數(shù)α=b·f。其中b為空氣介質(zhì)常數(shù)，f為超聲波頻率。由此可見(jiàn)，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù)(萬(wàn)倍級(jí))和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。6.1.3超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測(cè)距常用壓電材料傳感器，例如TCT40壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：S=d·E（5-5）其中d為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。6.2針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。測(cè)距系統(tǒng)一般由超聲波發(fā)送、接收、時(shí)間計(jì)測(cè)、微機(jī)控制和溫度測(cè)量五個(gè)部分組成。如何提高測(cè)量精度是超聲測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)。其提高測(cè)距精度的措施下：(1)合理選擇超聲波工作頻率、脈寬及脈沖發(fā)射周期；據(jù)經(jīng)驗(yàn)，超聲測(cè)距的工作頻率選擇f=40kHz較為合適：發(fā)射脈寬一般應(yīng)大于填充波周期的10倍以上即：T>0.25s，考慮換能器通頻帶及抑制噪聲的能力，選擇發(fā)射脈寬1ms；脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。(2)在超聲波接收回路中串入增益調(diào)節(jié)(AGC)及自動(dòng)增益負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)；因超聲接收波的幅值隨傳播距離的增大呈指數(shù)規(guī)律衰減，所以采用(AGC)電路使放大倍數(shù)隨測(cè)距距離的增大呈指數(shù)規(guī)律增加的電路，