无损检测技术的应用

新疆工业高等专科学校

毕 业 设 计（论 文）

专 业 化工设备08-3班 学生姓名 杜金龙 学 号 081040 小组成员 指导教师 乔老师 完成日期 2011.4.17

题 目 无损检测技术在化工设备中的应用

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摘 要

随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。

论文的内容是基于AT89C51单片机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单片机的倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，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。最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。

关键字：单片机 超声波 AT89C51

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目 录

第1章 绪论 ...................................................................................................... 1 1.1 超声检测发展综述 ................................................................................. 1 1.2 论文主要内容和章节安排 ..................................................................... 3

第2章 超声波测距原理 .................................................................................... 4 2.1 超声波传感器介绍 ................................................................................. 4 2.2 超声波检测概述 ..................................................................................... 5 2.2.1 超声探伤 .......................................................................................... 6 2.3 超声测距原理及实现 ........................................................................... 7

第3章 单片机超声波测距系统构想 ................................................................ 8 3.1 超声波测距系统总体方案 ..................................................................... 8 3.2 系统主要参数考虑 ................................................................................. 9 3.2.1 传感器指向角 .................................................................................. 9 3.2.2 测距仪的工作频率 ........................................................................ 10 3.2.3 声速 ................................................................................................ 10 3.2.4 发射脉冲宽度 ................................................................................ 10 3.2.5 测量盲区 ........................................................................................ 10

第4章 单片机倒车防撞报警系统各组成单元方案设计 .............................11 4.1 发射接收电路方案设计 ........................................................................11 4.2 显示报警单元方案设计 ....................................................................... 16 4.2.1 系统显示电路设计 ........................................................................ 17 4.2.2 系统报警电路设计 ........................................................................ 17 4.3 单片机复位电路 ................................................................................... 18 4.4 时钟电路 ............................................................................................... 19

第5章 系统硬件及软件实现 ........................................................................ 20 5.1 单片机硬件介绍 ................................................................................... 20 5.1.1 单片机AT89C51介绍 ................................................................... 20 5.1.2 8155芯片介绍 ............................................................................... 22 5.1.3 74LS244芯片介绍......................................................................... 22 5.2 运算放大器 ........................................................................................... 23 5.3 LM567芯片介绍 .................................................................................. 24 5.4 探头UCM介绍 .................................................................................. 25

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第6章 系统误差分析及改进 ........................................................................ 26 6.1 误差产生原因分析 ............................................................................... 27 6.1.1 温度对超声声速的影响 ................................................................ 27 6.1.2 回波检测对时间测量的影响 ........................................................ 27 6.1.3 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响 ................ 27 6.2 针对误差产生原因的系统改进方案 ................................................... 40

参考文献 ............................................................................................................ 42 致谢 .................................................................................................................... 43

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第1章 绪 论

随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超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——折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。

1.1 超声波检测发展综述

高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。

我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，也大致按此规律发展变化。

五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好的效果。

五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Hg。该仪器性能稳定，波形清晰。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式的 UCT-2，CTS-10 型仪器。

1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的

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PUNDIT 便携式超声仪。

1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。

超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。

超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。

八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测的发展方向。厦门大学的某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。

目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。

随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。

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其数字和波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。

目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。

1.2 本论文的主要内容，章节安排

本论文第一章绪论部分主要介绍了超声波的发展状况，以及目前的现状和前景。第二章超声波测距原理主要介绍了超声波传感器，超声波传感器的特性，传感器的检测概述和超声波测距的原理及实现。第三章单片机倒车防撞报警系统总体构想主要介绍了超声测距系统的总体方案，系统主要参数考虑和超声测距系统的总体构成。第四章超声波测距系统各组成单元方案设计(包括发射接收电路设计、显示电路设计、报警电路设计、晶振电路设计、复位电路设计等)。并详细介绍了最终确定的各单元设计方案以及最终方案的设计原理。第五章系统硬件软件实现部分主要介绍了各模块中的硬件部分以及软件的实现。第六章给出系统的误差分析和系统改进。

第2章 超声波测距原理

2.1超声波传感器介绍

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，因此在测控系统的研制上得到了广泛应用。

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能或是把超声能转变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大类，即电声

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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。流体动力型中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”。

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。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。其具有下列的特性：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，只要对这种材料加以交变电场，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。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉冲，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。

图2.1压电式超声波传感器结构图

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的，超声波发生器内部结构如图2.1所示，它有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，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，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，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

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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。

2.2 超声波检测概述

超声波是一种频率超过 20kHz 的机械波。超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、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，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，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。

超声波在介质（固体、液体、气体）中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属，非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验；在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等；在人体中则可以协助临床诊断疾病（如肝脓肿、肿瘤、胆结石等）和探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时，利用多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外、声发射、声成像技术（包括声全息成像技术）的发展更大大丰富了超声检测的内容。

超声波测量在国防、航空航天、电力、石化、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。

2.2.1 超声探伤

超声波在被检材料（金属、非金属）中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探

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测其内部各种缺陷（如裂纹、气泡、夹杂物等）的大小，形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门，已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段。超声探伤按其方法和目的可分为如下诸种：

一、脉冲反射法

把超声脉冲发射到物体中再接收来自物体中的反射波，这种探伤方法称为脉冲反射法。它是超声探伤中最基本的方法。在脉冲反射法中，根据声束传播情况可分为直探法和斜探法；根据探伤所用波形可分为纵波探伤法、横波探伤法、表面波探伤法和板波探伤法；根据探头个数和作用可分为单探头法和双探头法；根据声耦合方式可分为直接接触法和水浸法等等。由于这些方法具有各自的特点，所以广泛用来对金属和非金属材料及其制品进行无损检验。

二、穿透法

利用穿过被检物体的超声波的穿透率和有无声影进行探伤检验的方法称为穿透法。穿透法有连续波穿透法，脉冲穿透法和共振穿透法等。此方法的优点是适用于薄工件；由于超声波传播路程仅为反射法的一半，故适用于检查衰减大的材料；探伤图形直观，只要定好检查标准就可以进行作业；易实现自动探伤、检查速度快。缺点是不能知道缺陷的深度位置；缺陷探测灵敏度一般比反射法低，难以检查较小缺陷。

三、共振法

把频率连续改变的超声波射入被检材料，根据材料的共振状况测量其厚度或检查有无缺陷等材料性质的方法称为共振法。共振法一般用来测量金属板、管壁、容器壁的厚度或腐蚀程度，测量声速，检查板中的分层和进行材质判定。

四、声阻法

声阻法是利用被测物件的振动特性，即被测物对探头所呈现的机械阻抗的变化来进行检测的一种无损检测法。它多用于检测物体表面的成层情况，例如用来检查基体材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作频率范围一般都较低（如几千赫兹）。用这种方法工作时，把探头和被测件直接接触，使被测件和探头结合在一起构成一个共振体，探头一方面是振动源，同时也是检测部件，当被测件的有效厚度不同时（例如，若膜片未粘上，则有效厚度仅为膜片的厚度，若已完好的粘接上，则有效厚度包括膜片和基体材料的厚度），该共振体频率特性就不同，从而可根据其频率特性来判定膜片在某个小区域的粘接情况。

2.3 超声波测距的原理及实现

超声测距从原理上可分为共振式、脉冲反射式两种。由于应用要求限定，在这里使用脉冲反射式，即利用超声的反射特性。超声波测距原理是通过超声波发射传感器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就停止计时。常温下超声波在空气中的传播速度为 C=340m/s，根据计时器记录的时间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(S)，即：

S=C*t/2=C*t0 ，其中，t0就是所谓的渡越时间。

可以看出主要部分有：

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(1) 供应电能的脉冲发生器（发射电路）； (2) 使接收和发射隔离的开关部分；

(3) 转换电能为声能，且将声能透射到介质中的发射传感器； (4) 接收反射声能（回波）和转换声能为电信号的接收传感器；

(5) 接收放大器，可以使微弱的回声放大到一定幅度，并使回声激发记录设备；

(6) 记录/控制设备，通常控制发射到传感器中的电能，并控制声能脉冲发射到记录回波的时间，存储所要求的数据，并将时间间隔转换成距离。

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。故在超声波测量中，常使用 40KHz 的超声波。目前超声波测量的距离一般为几米到几十米，是一种适合室内测量的方式。由于超声波发射与接收器件具有固有的频率特性，具有很高的抗干扰性能。

距离测量系统常用的频率范围为 25KHz～300KHz 的脉冲压力波，发射和接收的传感器有时共用一个，或者两个是分开使用的。发射电路一般由振荡和功放两部分组成，负责向传感器输出一个有一定宽度的高压脉冲串，并由传感器转换成声能发射出去；接收放大器用于放大回声信号以便记录，同时为了使它能接收具有一定频带宽度的短脉冲信号，接收放大器要有足够的频带宽度；收/发隔离则使接收装置避开强大的发射信号；记录/控制部分启动或关闭发射电路并记录发射的瞬时及接收的瞬时，并将时差换算成距离读数并加以显示或记录。

第3章 单片机超声波测距构想

该超声测距系统的应用背景是基于 DSP 的超声信号检测中的先期部分。因此初步计划是在室内小范围的测距，限定在 4 米之内。本章从整体结构角度讨论了测距系统的组成及一些系统主要参数。

3.1超声波测距系统的总体方案

系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的，系统结构如图 3.1 所示。

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图 3.1 超声波测距硬件电路图

电子市场上常见的超声探头是收发分体式，一般频率为 40KHz。如果需要更高频率的超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，拟选用的探头是 40KHz 的超声传感器，有一支接收传感器 SZW-R40-10P和一支发射传感器SZW-S40-12M，其特性参数如表 3.1所示。

发射电路通常有调谐式和非调谐式。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，发射出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有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声。

电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率 40KHz，这样才能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，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可回复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。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。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。

表3.1传感器特性参数

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发射部分的点脉冲电压很高，但是由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。接收部分就是由三级放大电路，检波电路及门限判别电路构成的，其中包括杂波抑制电路。最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。但是由于超声传感器固有特性，即盲区的存在，对于回波的接收和处理造成了相当程度的影响。

3.2系统主要参数考虑

系统的主要参数有传感器的指向角、测距的工作频率、声速、脉冲宽度、测量盲区等，下面做介绍并阐述。

3.2.1 传感器的指向角θ

传感器的指向角是声束半功率点的夹角，是影响测距的一个重要技术参数，它直接影响测量的分辨率。对圆片传感器来说，它的大小与工作波长λ，传感器半径 r 有关。

由(2π/λ)*r*sin(θ/2)=1.615 (3-1)

选 f0=40KHz 时，λ＝C/f0=8.5mm。当 f0选定后，指向角θ近似与传感器半径成反比。指向角θ愈小，空间分辨率愈高，则要求传感器半径 r 愈大。鉴于目前电子市场的压电传感片规格有限，为降低成本，在不降低空间分辨率的条件下，选用国产现有压电传感器片最大半径 r=6.3mm，故θ=2*arcsin(1*r)=75°。

λ/2*π

3.2.2 测距仪的工作频率

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由文献[5]知，空气中超声波的衰减系数为α=αaαs=Af2+Bf4。所以，空气中超声波的衰减对频率很敏感，要求合理选择超声波频率，一般在 40KHz 左右。太高频率的超声波在空气中是无法传播开去的。传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器的尺寸。

工作频率的确定主要基于以下几点考虑：

(1) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。

(2) 工作频率越高，对相同尺寸的换能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。

(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。

综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz，定为 44KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。

3.2.3 声速

由公式(2-1)，声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。声速随温度变化公式为

V=331.4＋0.607T(mm/ms) (3-2)

式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 mm/ms。

3.2.4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。根据资料，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 24μs (1 个 40KHz 脉冲方波)，120μs( 5 个 40KHz 脉冲方波)，240μs (10 个 40KHz 脉冲方波)，720μs( 30 个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度作为发射信号后的接收信号，最终选用 120μs (5 个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。

3.2.5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

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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：

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。

第4章 单片机倒车防撞报警系统各组成单元设计

该超声波测距系统由超声波发射与接收电路、单片机硬件接口电路、显示报警电路组成，下面主要通过各个模块的各种方案比较，确定设计的最终方案。该系统的核心部分采用性能较好的AT89C51单片机。

4.1发射与接收电路的设计方案

超声波发射与接收电路是整个系统的重要部分，因此确定一种好的设计方案关系整个系统的精确性和安全可靠性。本文通过多种方案比较，以达到最佳方案确定。

1、发射电路

发射电路由555多谐振荡器和数字功率放大器组成。采用555 多谐振荡器可以实现宽范围占空比的调节，并且电路设计简单占用面积小。如图4.2所示，由单片机.P1.0口发出同步脉冲信号，该同步脉冲启动多谐振荡器，使其输出20KHz的高频电压信号，经过整形及功放电路加至超声波换能器探头，根据逆压电效应，产生振动频率为20KHz 的超声波。

2、接收电路

接收电路主要由回波放大接收电路及比较电路组成。如图4.3所示，首先调节可调电阻R使比较器A1 同相端电位高于2.5V。由于D1输出低电平， 而反相器N 输出高电平，所以有RS 触发器的S=0，R=1，Q=1，INT0=0当P1.0发出启动

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信号（如图4.2中的（1）所示）经过微分电路形成的同步脉冲信号通过反相器N 的反相功能，R=0，D1 箝位释放S=1，Q=0，INT0=1（正跳变），T0 计数器开始记数，脉冲经过之后S=R=1，Q=0，INT0=1。 回波信号经过放大滤波送至比较器A1的反相端，它是叠加在2.5V上的频率为20KHz的高频电压信号。如图4.2中的（3）所示，其前上升沿使A1输出低电平，S=0，R=1，Q=1，INT0=0（负跳变）；即INT0获得负跳沿信号，CPU 响应中断请求，使T0计数器停止计数，记数值N 送存RAM。

3、盲区干扰信号的消隐

通常发射换能器和接收换能器都是平行放置且距离较近。当发射探头发射超声波时接收换能器接收到的第一个波是串扰直通波，也称泄漏波它是近源的波束旁瓣或通过绕射由发射换能器直接到达接收换能器而造成的。因此，通常接收探头会引起强烈的感应信号。所以必须将其隐去,当P1.0输出启动信息,同步脉冲加至比较器A2时，A2 输出一远大于2.5V 的电压， 经D2降压后大约等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延迟作用，A1同相端将产生一定宽度和高度的方波，如图4.2中的（4）所示。它的宽度和幅度都大于发射串扰信号，A1 输出端即RS触发器S端仍为高电平，这样串扰信号将被隐去，这段时间称为盲区，约2毫秒。

图4.2 测距脉冲图

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图4.3 超声波回波接收电路

设计方案四:

1、发射电路

发射电路由脉冲产生电路和发射电路组成。脉冲产生电路的主要任务是产生40KHz 脉冲电压。它由与非门和电阻电容构成振荡电路，由单片机P1.1 口控制其是否工作。其电路图如图1所示。脉冲产生电路的输出电压经脉冲变压器升压后输出到超声传感器。其中，脉冲变压器对脉冲电压变换值的大小直接影响测距范围，应尽量提供脉冲变压器副边电压幅值。

2、接收电路

接收电路的主要任务是检测回波，并向单片机发出中断以停止计时。接收电路设计的好坏直接影响超声波在空气中传播时间的测量。接收部分电路由检波电路、滤波放大电路和整形电路组成。检波电路拾取回波中的正半波，以便后级电路放大；整形电路把回波信号整理为单片机系统能够接收的信号并向单片机申请中断以停止计时。接收电路的主体是滤波放大电路。由于超声回波信号十分微弱并含有噪声，S/N较小，所以接收电路设置了两级高Q值的滤波放大电路。滤波放大电路采用二阶带通滤波放大器，一级和二级滤波放大电路采用相同的结构和参数。其电路如图4.5所示。图4.5 中，R11、R12、C13、C14、R15 和运算放大器Amp1A 组成了一级滤波放大电路；R21、R22、C23、C24、R25 和运算放大器Amp1B 组成了二级滤波放大电路。

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图4.4 发射部分电路

图4.5 一次和二次滤波放大电路

发射接收电路中应考虑的各种问题：

发射波形如图 4.6，传感器的振荡波形要经过一段时间才能达到稳定状态，理论上信号的幅度时指数上升的，Q 各周期后达到满幅度的 95%，1.5Q 个周期后达到 99%。为提高传感器的灵敏度，Q 值一般不能太低，为使传感器充分振荡起来，发射脉宽要求不能小于 Q 个振荡周期，才能使发射幅度基本达到最大。考虑到测量“盲区”，这里选择脉宽为 120μs，包含 5 个调制的 44KHz 的方波信号。

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图 4.6 发射波形

由文献[3]知，测距仪的发射波形如图 4.6，在规定时刻将一持续时间为τ的正弦波加到传感器上，然后关闭发射电路，打开接收通道，接收来自障碍物的反射波。

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失，接收预放大单元的作用是对有用的信号进行放大，并抑制其它的噪声和干扰，从而达到最大信噪比，以利检测单元的正确检测。

如何达到信号的最佳接收关系整个系统的准确性和安全性，所以也应考虑到影响接收信号的各方面问题。在传感器接收到的信号中，除了障碍物反射的回波外，总混有杂波和干扰脉冲等环境噪声。室内环境中噪声主要集中在低频段，远离回波信号频率，因此系统的总噪声系数主要有接收机的内部噪声决定，其功率谱宽度远大于接收机的通频带。我们可以近似的将其作为白噪声处理，根据已有知识，输入为已知信号加白噪声的条件下，匹配滤波器的输出信噪比最大。匹配 滤波器具有以下特点：

(1) 输出最大信噪比与信号波形无关

(2) 匹配滤波器对信号的幅度和时延具有适应性，即对只有幅度和出现时间不同的信号，它们的匹配滤波器是相同的。

(3) 匹配滤波器与相关接收和相关器具有等效性。

实际上很难得到精确的匹配滤波器，由于单个射频脉冲的频谱是连续的，用普通的窄带滤波器就能把其主峰部分(w 附近)滤波出来，适当的选择滤波器的通带宽度就能取得与匹配滤波器相差不多的效果。

图 4.7 信号放大器原理图

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接收放大器的作用是放大有用信号，并抑止其它噪声与干扰，从而达到最大的信噪比，以利于检测电路的正确检测。放大器组成框图如图 4.7，采用三级放大电路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使输入信号功率最大。带通放大器选择最佳时间带宽积，以达到匹配滤波的效果。模拟开关起收发隔离的作用。在测量近距离时，模拟开关闭合，发射信号可以进入接收通道；测量远距离时，模拟开关断开，发射信号不可以进入接收通道。程控放大器分为 2 档，分别放大 10 倍和 100 倍，由控制端 A1，A0 控制。

综合以上四种方案比较，最后确定超声波发射接收电路如图4.8所示。该电路简单实用，通过两极放大，增强接收信号，比较适合本设计需要。

测距系统中的超声波传感器采用压电陶瓷传感器，他的工作电压是40kHZ的脉冲信号，前方测距电路的输入端接单片机P1.0端口，单片机执行程序后，在P1.0端口输出一个40kHZ的脉冲信号，经过三极管T放大，驱动超声波发射头UCM40T，发出40kHZ的脉冲超声波，且持续发射200μs。右侧和左侧测距电路的输入端分别接P1.1和P1.2端口，原理和前方测距相同。

图4.8基于AT89C51单片机的超声波测距系统发射接收电路

由AT89C51单片机编程，执行程序后P1.0 口产生40KHZ的脉冲信号，经三极管放大后来驱动超声波发射探头UCM40T，产生超声波。接收头采用和发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两级放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率f0=1/1.1R8C3,电容C4 决定其锁定带宽。调解R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平越变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INTO或INT1端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。

4.2 显示报警单元方案设计

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显示报警单元是经过超声波发射接收电路及单片机AT89C51处理后把信号转化为人为可以知觉的数字显示和报警响应，以进一步避免事故发生。显示报警电路由显示和报警两部分电路组成，主要实现在出现紧急情况下的显示报警功能，以此提醒驾驶员。

4.2.1系统显示电路设计

显示器是一个典型的输出设备，而且其应用是极为广泛的，几乎所有的电子产品都要使用显示器，其差别仅在于显示器的结构类型不同而已。最简单的显示器可以使LED 发光二极管，给出一个简单的开关量信息，而复杂的较完整的显示器应该是 CRT监视器或者屏幕较大的 LCD 液晶屏。综合课题的实际要求以及考虑单片机的接口资源，采用串行方式显示的 LED 驱动输出设备。由于全程显示的距离范围在 4 米之内，用 3 个 LED 数码管表示距离的 cm数值。

在单片机应用系统中，发光二极管LED显示器常用两种驱动方式：静态显示驱动和动态显示驱动。所谓静态显示驱动，就是给要点亮的LED通以恒定的电流，即每一位LED显示器各引脚都要占用单独的具有锁存功能的I/O接口。单片机只需要把要显示的字形段码发送到接口电路并保持不变即可，如果要显示新的数据，再发送新的字形段码。因此，使用这种方法单片机中CPU开销小，但这种驱动方法需要寄存器、译码器等硬件设备。当需要显示的位数增加时，所需的器件和连线也相应增加，成本也增加。而所谓动态显示驱动就是给欲点亮的LED通以脉冲电流，即采用分时的方法，轮流控制各个显示器的COM端，使各个显示器轮流点亮，这时LED的亮度就是通断的平均亮度。考虑各种因素，本设计选用动态驱动显示。本设计选用8155芯片作为单片机应用系统扩展的I/O口。8155的PA口作为LED的字形输出口，为提高显示亮度，采用8路反相驱动器74LS244驱动；PC口作为LED的位选控制口，采用共阳极的LED显示器，由于8段全亮时位控线的驱动电流较大，采用6路反相驱动器74LS06以提高驱动能力。

图4.13系统显示电路

4.2.2系统报警电路设计

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系统报警电路由一个运算放大器、一个发光二极管和一个喇叭组成。R25的阻值为1K，R26的阻值为10K。对于二级运算放大,都采用F007芯片.两级放大电路均是负反馈接法,即反相比例运算电路.而反相比例运算电路中,输入信号从反相输入端输入,同相输入端接地.根据“虚短”和“虚断”的特点，即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所谓“虚短”是由于理想集成运放Au0??。所以可以认为两个输入端之间的差模电压近似为零，即Uid=u_=u+?0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于两个输入端间的电压为零，而又不是短路，故称为“虚短”。而“虚断”是由于理想集成运放的输入电阻Rid??，故可以认为输入端不取电流，即i_=i+?0.这样，输入端相当于断路，而又不是断开，称为“虚断”。而电路中，反相输入端与地端等电位，但又不是真正接地，这种情况称为“虚地”。

uIu_?u0Rf?u0Rf所以iI=RI,iF=信号进行放大。

=Rf，因为i_=0,iI=if,则可得u0=-RiuI.故可将

图4.14 系统报警电路

当单片机AT89C51通过P1.0，P1.1，P1.2三个I/O口，发射出超声波的信号，即输出一个高电平给这三个I/O口，大约5V的电压，同时单片机计数器T0开始计时。则信号经过三极管T1，T2，T3进行放大。使电流达到T40-16的工作电流，从而发射出超声波。

当T40-16发射出去的超声波遇到障碍物时会被反射回来，这时接收器R40-16便会将反射回来的超声波接收，并转换成电信号，经过运算放大器的两极放大，将信号送给LM567的输入端，当LM567的输入端电流大于25mA时，其8号输出引脚会产生一个信号，使得单片机AT89C51产生一个中断。这样，计数器便停止计数。单片机把计得的时间差进行运算，根据S=170*t这个公式来计算车与障碍物的距离，并把运算结果以十进制的方式送到七段LED显示电路去显示。如果距离小于0.5m，则单片机AT89C51便给P1.5口一个信号，使得报警电路工作，实现报警。

4、3单片机复位电路

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在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。

单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式： a、上电自动复位

在通电瞬间，由于R2C电路充电过程中，RST端出现正脉冲，从而使单片机复位。

图4.15上电复位电路

b、按键电平复位

通过使复位端经电阻与VCC电源接通而实现的。 c、系统复位

在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠工作，常将RC电路接施密特电路后再接入单片机复位端和外围电路复位端。这特别适合于应用现场干扰大、电压波动大的工作环境，并且，当系统有多个复位端时，能保证可靠地同步复位。

考虑本设计结构简单，干扰小，故采用上电自动复位。

4.4时钟电路

时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容和一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。

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图4.16晶振电路

电路中的C1和C2一般取30PF左右，而晶体振荡器的频率范围通常是1.2～12MHz，而电路中采用6MHz，晶体振荡器的频率越高，振荡频率就越高。

第5章 系统硬件及软件实现

5.1 单片机硬件介绍

5.1.1单片机 AT89C51介绍

AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。

AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

I/O 端口的编程实际上就是根据应用电路的具体功能和要求对 I/O 寄存器进行编程。具体步骤如下：

(1) 根据实际电路的要求，选择要使用哪些 I/O 端口，用 EQU 伪指令定义其相应的寄存器；

(2) 初始化端口的数据输出寄存器，应避免端口作为输出时的开始阶段出现不确定状态，影响外围电路正常工作；

(3) 根据外围电路功能，确定 I/O 端口的方向，初始化端口的数据方向寄存器。对于用作输入的端口可以不考虑方向初始化，因为 I/O 的复位缺省值为输入；

(4) 用作输入的 I/O 管脚，如需上拉，再通过输入上拉使能寄存器为其内部配置上拉电阻；

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(5) 最后对 I/O 端口进行输出(写数据输出寄存器)和输入(读端口)编程，完成对外围电路的相应功能。

图5.1 AT89C51单片机芯片

根据系统设计要求，各接口功能如下： P1.0: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于前方测距电路） P1.1: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于右侧测距电路） P1.2: 产生输出一个40KHZ的脉冲信号。（用于左侧测距电路） INT0: 产生中断请求，接前方测距电路。 INT1: 产生中断请求，接前方测距电路。

P1.3: 接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P1.4: 接ICA3输入端，用于中断优先级的判断。 P0.0: 用于显示输出，接显示器。 P0.1: 用于显示输出，接显示器。 P0.2: 用于显示输出，接显示器。 P0.3: 用于显示输出，接显示器。 P0.4: 用于显示输出，接显示器。 P0.5: 用于显示输出，接显示器。 P0.6: 用于显示输出，接显示器。 P0.7: 用于显示输出，接显示器。 P2.7: 接报警电路 P2.0: 接报警电路 P2.1: 接报警电路

XTAL1：接外部晶振的一个引脚。在单片机内部，它是一反相放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。它采用外部振荡器时，些引脚应接地。

XTAL2：接外部晶振的一个引脚。在片内接至振荡器的反相放大器输出端和内部时钟发生器输入端。当采用外部振荡器时，则此引脚接外部振荡信号的输入。

RST：AT89C51 的复位信号输入引脚，高电位工作，当要对芯片又时，只要将此引脚电位提升到高电位，并持续两个机器周期以上的时间，AT89C51 便能完成系统复位的各项工作，使得内部特殊功能寄存器的内容均被设成已知状态。

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5.1.2 8155芯片介绍

图5.2 8155芯片

8155引脚功能：

AD7～AD0（19～12脚）：三态地址/数据引出线； CE（8）：片选信号线，低电平有效； RD（9）：存储器读信号线，低电平有效； WR（10）：存储器写信号线，低电平有效； ALE（11）：地址及片选信号锁存信号线，高电平有效；

IO/M (7)：I/O接口与存储器选择信号线，高电平表示选择I/O接口，低电平表示选择存储器；

PA7～PA0（28～21）：A口输入/输出线； PB7～PB0（36～29）：B口输入/输出线； PC5～PC0（5、2、1、39、38、37）：C口输入/输出线或控制信号线； T/IN（3）：定时器/计数器输入端； （T/OUT）（6）：定时器/计数器输出端； RESET（4）：复位，高电平有效，复位后三个I/O口均为输入功能。

5.1.3 74LS244芯片介绍

74LS244内部共有两个四位三态缓冲器,分别以1G和2G作为它们的选通工作信号。当1G和2G都为低电平时,输入端A和输出端Y状态相同;当1G和2G都为高电平时,输出呈高阻态。

74LS244内部结构图:

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图5.3 74LS244内部结构图

表5.1 74LS244的真值表

8 输入3态缓冲电路；

把8个输入分成2组，4个一组； H＝高电平； L＝低电平； Z＝高阻；

G＝0 的时候，输入－>输出； G＝1的时候，输出为高阻态。

5.2

运算放大器

主要技术参数:

1、开环差模电压增益Au0：Au0是指集成运放在无外加反馈情况下,并工作在线性区时的差模电压增益.用分贝表示则是20lgAu0.性能较好的集成运放的Au0可达140db以上。

2、输入失调电压及其温漂：失调电压的大小主要反映了差分输入元件的失配；输入失调电压是随温度,电源电压或时间而变化的,通常将输入失调电压对温

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度的平均变化率称为输入电压温度漂移。

3、输入失调电流及其温漂：在常温下，输入信号为零时，放大器的两个输入端的基极静态电流之差称为输入失调电流II0。输入失调电流温度漂移是指输入失调电压随温度变化的平均变化率。一般以mA/0C为单位。高质量的为每度几个皮安。

4、输入偏置电流IIB：IIB是指常温下输入信号为零时，两个输入端静态电流的平均值，即

IIB=（IB1+IB2）/2 （5-1）

IIB的大小反映了放大器的输入电阻和输入失调电流的大小，IIB越小，运算放大器的输入电阻越高，输入失调电流越小。

5、差模输入电阻Rid：Rid是指运算放大器两个输入端之间的动态电阻，一般为几兆。

6、输出电阻R0：运算放大器在开环工作时，在输出端对地之间看进去的等效电阻即为输出电阻。R0大小放映了运算放大器的负载能力。

7、共模抑制比KcmR

KcmR=Aud/Auc （5-2）

用dB表示，即为20lg(Aud/Auc).

8、最大差模输入电压UidM：UIdM是指运算放大器同相端和反相端之间所能加的最大电压。

9、最大共模输入电压UicM：UIcM是指运算放大器在线性工作范围内能承受的最大共模输入电压。

5.3 LM567芯片介绍

图

LM567芯片的内部结构和引脚图如5.5所示。

图5.5 LM567芯片逻辑图

LM567的主要参数如下：

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1、电源电压 4.75～9V； 2、静态工作电流 8mA； 3、最高工作频率 500KHz； 4、8脚最大吸收电流 l00mA。 LM567的工作原理

5、6脚外接定时电阻及电容决定锁相环内部压控振荡器的中心频率(fo=1/1.1RC)。第2脚对地接电容C2为相位比较器输出的低通滤波器。第2脚所接电容C2对锁相环的捕捉带宽Bw有影响。第1脚对地接一电容C1为正交相位检波器的输出滤波，其电容值应不小于2脚所接电容约两倍，即Cl大于、等于2C2。第3脚为信号输入端，要求输入信号的幅度大于25mV，最佳值为200mV左右。当LM567的输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率fo附近时，逻辑输出端（8脚）将由原高电平变为低电平，输出一个负脉冲。8脚不仅可以实现选频，而且还有负脉冲形成功能。改变Rp可改变选频频率。由于8脚为集电极开路输出，故实际应用时，其8脚应接一上拉电阻至电源正极Vdd。

5.4 探头UCM介绍

压电陶瓷超声波换能器（超声波传感器）体积小，灵敏度高、性能可靠、价格低廉，是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件、用此换能器构成的超声波遥控开关，可使家电产品、电子玩具加速更新换代，提高市场竞争能力。

表2.1 传感器特性参数

型号 结构 发射距离 使用方式 谐振频率 频带宽 灵敏度 外形尺寸 温度范围 相对湿度

UCM—T40K1 开放式 8—10米 发射 UCM—R40K1 开放式 8—10米 接收 40KHZ±1KHZ 2KHZ±0.5KHZ ≥—70dB / V / ubar ∮16mm322.5mm —20℃~ + 60 ℃ 20 ± 5℃时达98% 40KHZ±1KHZ 2KHZ±0.5KHZ ≥—70dB / V / ubar ∮16mm322.5mm —20℃~ + 60 ℃ 20 ± 5℃时达98% 使用注意事项：两接线脚焊接时间不宜过长，以免器件内之焊点溶化脱焊及造成底座与接线脚之间松动。不宜与腐蚀性物质接触。

5.4

系统软件结构

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在系统硬件构架了超声波测距的基本功能之后，系统软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。根据第二节所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能：

一、信号控制

在系统硬件中，已经完成了发射电路、接收电路、检测电路、显示电路、门限检测的设计。在系统软件中，要完成增益控制信号、门控信号、发射脉冲信号、峰值采集信号、远近控制信号的时序及输出。

二、数据存储

为了得到发射信号与接收回波间的时间差，要读出此刻计数器的计数值，然后存储在 RAM 中，而且每次发射周期的开始，需要对计数器清零，以备后续处理。

三、 信号处理

RAM 中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5*V*T＝0.5*V*(Tr*N)其中，T 为发射信号到接收之间经历的时间，Tr 为方波信号作为计数脉冲时计数器的时间分辨率，N 为计数器的值。在这个部分中，信号处理包括计数值与距离值换算，二进制与十进制转换。

四、 数据传输与显示

经软件处理得到的距离送显示输出，用三位 LED 表示。由于采用了单片机AT89C51并考虑整个系统的控制流程，整个系统软件都有 AT89C51系列单片机汇编语言实现。由于距离值的得出及显示是在中断子程序中完成的，因此在初始化发射程序后进入中断响应的等待。在中断响应之后，原始数据经计数值与距离值换算子程序，二进制与十进制转换子程序后显示输出。整个系统软件功能的实现可以分为主程序、中断服务程序几个主要部分。

第6章 系统误差分析及改进

前面几章介绍了超声测距系统的设计，本章将介绍利用超声波测距系统误差产生的原因及系统的改进。

超声波测距由于其在使用中不受光照度、电磁场、色彩等因素的影响，加之结构简单成本低，在机器人避障和定位、汽车倒车、水库液位测量等方面已经有了广泛的应用。从原理上讲，超声测距有脉冲回波法、共振法和频差法。其中脉冲回波法测距常用，其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间ts，在已知超声波声速Cs 的前提下，可计算被测物的距离D，即：D=CT/2。由于温度影响超声波在空气中的传播速度；超声波反射回波很难精确捕捉，致使超声波在空气中传播的时间很难精确测量。这些因素使超声波测距的精度和范围受到影响。

本文从引起超声测距误差的原因入手，分析了温度对超声波声速的影响，回波检测对时间测量的影响和超声波传感器所加电压对测量精度和范围的影响。在

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此基础上，开发出以AT89C51单片机为核心，采用40KHz 压电超声波传感器，应用于长大汽车和货车等车辆倒车检测的车载超声测距仪。

6.1误差产生原因分析

6.1.1 温度对超声波声速的影响

空气中传播的超声波是由机械振动产生的纵波，由于气体具有反抗压缩和扩张的弹性模量，气体反抗压缩变化力的作用，实现超声波在空气中传播。因此，超声波的传播速度受气体的密度、温度及气体分子成份的影响 即：

C?B/p （6-1）

其中B为气体的弹性模量，r为气体的密度。气体弹性模量，由理想气体压缩特性可得：B=g·r ，其中g为定压热容与定容热容的比值，空气为1.40，P为气体的压强。气体的压强为：

P?R·TV?R·T·PM （6-2）

其中，R为普适常量 8.314kg/mol，T为气体温度K(绝对温度)，M为气体分子量，

空气为28.8×10-3 kg/mol。所以

C?r·R·TM （6-3）

由公式6-3可知，超声声速与空气的温度有密切关系。例如：20 ℃时，T=293.15，

CS=344.2 m/s；40℃时，T=313.15，CS=355.8 m/s；-20℃时,T＝253.15，CS=319.9 m/s；从上面的计算可以看出，温度对超声波在空气中的传播速度有明显的影响。当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度的影响。

6.1.2 回波检测对时间测量的影响

超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。设在距离超声接收器x 处有被测物，则空气中传播的超声波波动方程描述为：

A=A(x)cos(ax+kt) （6-4）

其中A为超声传感器接收的振幅；A0 为超声传感器初始振幅；α为衰减系数；x 为超声波传播距离；w角频率；k 为波数。衰减系数α=b·f。其中b为空气介质常数，f为超声波频率。由此可见，超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于距离测量。由于超声回波随距离的增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数(万倍级)和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。

6.1.3 超声传感器所加脉冲电压对测量范围和精度的影响

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制作超声传感器的材料分为磁致伸缩材料和压电材料两种。超声测距常用压电材料传感器，例如TR40 压电超声传感器。超声传感器外加脉冲电压的幅值会影响压电转换效率。当压电材料不受外力时，其应变S与外加电场强度E 的关系为：

S=d·E （6-5）

其中d 为应变电场常数。超声传感器外加的脉冲电压影响压电材料的电场强度，从而影响其应变量和超声转换的效率，进而影响超声波幅值。这些会直接影响超声波的回波幅值。所以，为提高压电转换效率，提高超声测距精度和范围，应尽量提高超声传感器外加脉冲电压的幅值。

6.2 针对误差产生原因的系统改进方案

在实际应用中，为了方便处理，超声波常调制成具有一定间隔的调制脉冲波信号。测距系统一般由超声波发送、接收、时间计测、微机控制和温度测量五个部分组成。如何提高测量精度是超声测距的关键技术。其提高测距精度的措施下：

(1)合理选择超声波工作频率、脉宽及脉冲发射周期

据经验，超声测距的工作频率选择f=40kHz 较为合适：发射脉宽一般应大于填充波周期的10倍以上即：T>0.25s，考虑换能器通频带及抑制噪声的能力，选择发射脉宽1ms；脉冲发射周期的选择主要考虑微机处理数据的速度，速度赶快，脉冲发射周期可选短些。

(2) 在超声波接收回路中串入增益调节(AGC)及自动增益负反馈控制环节 因超声接收波的幅值随传播距离的增大呈指数规律衰减，所以采用(AGC)电路使放大倍数随测距距离的增大呈指数规律增加的电路，使接收器波形的幅值不随测量距离的变化而大幅度的变化，采用电流负反馈环节能使接收波形更加稳定。

(3)提高计时精度，减少时间量化误差

如采用芯片计时器，计时器的计数频率越高，则时间量化误差造成的测距误差就越小。例如：单片机内置计时器的计数频率只有晶振频率的十二分之一，当晶振频率为6MHz时，计数频率为0.5MHz此时在空气中的测距时间量化误差为0.68mm；当晶振频率为12MHz时，计数频率为1MHz，此时测距时间量化误差为0.34mm。若采用外部硬件计时电路，则计数频率可直接引用单片机的晶振频率，时间量化误差更小。

(4)补偿温度对传播声速的影响

超声波在介质中的传播速度与温度、压力等因数有关，其中温度的影响最大，因此需要对其进行补偿。有文献表明，按下式计算声速可以达到较高的精度：

在空气中，C?331.41?t273m/s；

在海水中，C=1450+4.21t-0.037t·t+1,14(S-35)+0.175P m/s

式中：t—摄氏温度；S—水盐度，按千分比计算；P—海水静压力，单位为大气压。声速可以用声速仪测量，以验证理论计算的准确性。

(5) 补偿系统电路的时间延迟

系统电路的时间延迟可通过实验测定，通过测试两个已知标准距离S1、S2所得到的时间t1、t2，可求出系统电路的延迟?，??(s1·t2-s2·t1)/(s2-s1)。

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