倒车防撞报警器的设计.doc

1、毕业设计（论文） 摘要本设计采用超声波测距，可用作汽车泊车安全辅助装置，能以声音和更为直观的LED 显示告知驾驶员汽车周围障碍物的情况，解除了驾驶员在泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的烦扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了泊车安全性。本设计硬件部分主要由单片机控制电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路、电源电路和报警电路组成，软件部分主要由主程序、超声波发射接收中断程序、距离计算子程序及显示子程序等部分组成。本设计由STC89C52RC单片机控制时间计数，计算超声波自发射至接收的往返时间，利用超声波在空气中的传输速度，从而得到实测距离。该设计的电路设计合理简单

2、、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量误差方面能够达到简单工业实用的要求。关键词：单片机；超声波测距；超声波换能器；STC89C52RC。AbstractThis design adopts ultrasonic ranging,which can be used for car parking safety auxiliary devices.It coulde use sound and more intuitive LED display to inform the driver case of the car around obstacles, lif

3、ted the drivers when parking and start vehicles visiting around caused annoyance. In addition ，it coulde help pilot removed the sight vision blind angle and fuzzy, improved parking safety defects.The hardware of this design mainly composed by the MCU control circuit, ultrasonic transmitter circuit,

4、ultrasonic receiving circuit, LED display circuit, power circuit and alarm circuit. And software is mainly composed of the main program, ultrasonic transmitting and receiving interrupt program, distance calculation and display subroutine subprogram components.This design uses STC89C52RC single-chip

5、microcomputer control the time counts, since launch to receive calculation ultrasonic round-trip time, using ultrasonic transmission speed in the air, thereby get the measured distance.The circuit design of this design reasonable performance good, stable and fast inspection speed, simple calculation

6、, easy to achieve real-time control, and in the measurement error can achieve simple industrial practical requirement.Key words: MCU, Ultrasonic ranging, Ultrasonic transducer, STC89C52RC.1 绪论1.1课题研究背景随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，我国汽车的数量逐年攀升。据公安部交管局2010年11月发布的数据，截止2010年9月底，我国汽车保有量为8500万辆。而随着中国城市化的加速推进，这一数字还会

7、在相当长时间内持续高水平的增长。汽车的数量逐年增加，造成公路、街道、停车场、车库等越来越拥挤。在享受汽车给我们带来的便利的同时，由于倒车而产生的问题也同益突出。因为驾驶员在驾车时的视野范围是很有限的，通过车内和外侧的反光镜可以大幅度提高驾驶员的视野范围，但位于车正后方的障碍物以及高度不足以通过反光镜看到的或者距离车身过近的障碍物都可能处于驾驶员的视野死角或者视野模糊区中。这样，小则对驾驶员的泊车、倒车造成不便，大则也会带来一些危险。据初步调查统计，15的汽车事故是由汽车倒车“后视”不良造成的。因此，人们对汽车操纵的便捷性提出了更高的要求，希望有种装置能够解决汽车倒车给人们带来的不便，消除驾驶中

8、的不安全因素，可将车辆快速准确地停放到指定的位置。鉴于此，设计一种响应快、可靠性高且较为经济的汽车倒车防撞报警系统势在必行。本文介绍的倒车防撞报警器，与汽车配备的倒车雷达原理和用途一致，都是利用超声波测距原理实现实时测距，都是用作“泊车辅助装置”，可称作“简单型”的倒车雷达。但相比市场上各种价格昂贵的倒车雷达产品，本文介绍的倒车防撞报警器，价格更为经济，电路更为简单，精度也能满足常用要求。防撞报警器是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，由超声波传感器(俗称探头)、单片机控制系统、LED显示和蜂鸣器等部分组成。防撞报警器的主要作用是在倒车时，利用超声波测距原理，由装置于车尾保险杠上的超声波传感器发

9、送超声波，超声波遇到障碍物后反射至超声波传感器，从而计算出车体与障碍物之间的实际距离，再给驾驶员以提示，使停车和倒车更容易、更安全。该装置能够在驾驶员视野的死角处，通过LED显示、声音等形式为驾驶员提供信息和警示来告知驾驶员周围障碍物的情况，使驾驶员能够更清楚的了解周围障碍物的情况，对驾驶员的起步、泊车、倒车等环节有很大帮助，提高了驾驶的安全性。1.2课题国内外研究现状我国倒车雷达从2000年开始起步，从最初只是奔驰、宝马等高档车的专利，发展到现在成为许多轿车的标准配置。经过多年的发展，倒车雷达系统已经历了六代技术改良，不管从结构外观上还是性能价格上，这六代产品都各有特点。第一代：倒车时通过喇

10、叭提醒。“倒车请注意、倒车请注意!”，想必不少人还记得这种声音。现在第一代的倒车雷达只有小部分大卡车、泥头车在使用。只要司机挂上倒车档，喇叭就会响起，提醒周围的人注意。从某种意义上说，这对司机并没有直接的帮助，不是真正的倒车雷达，只是在提示路人小心。该类产品价格便宜，但基本属于淘汰产品。 第二代：采用蜂鸣器产生不同声音来提示驾驶员。在倒车时，蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀”的响声，这是倒车雷达系统的真正开始。倒车时在车后一定距离内有障碍物，蜂鸣器就会开始工作，蜂鸣声音越急，表示车辆离障碍物越近。因为没有语音提示，也没有距离显示，虽然司机知道有障碍物，但不能确定障碍物离车体有多远，所以对驾驶员帮助不大。

11、第三代：数码波段显示的倒车雷达系统。这代产品比第二代进步很多，可以显示车后障碍物离车体的距离。显示车后障碍物和车体之间距离的方式有两种：一种是数字显示方式，通过LED显示车体与障碍物间的距离；另一种是用颜色来区别：绿色代表安全距离，黄色代表警告距离，红色代表危险距离。这一代倒车雷达已经比较先进了，缺点是精确度不高、安装不美观。第四代：液晶荧屏动态显示。这一代的倒车雷达有一个质的飞跃，可以看清车体与障碍物之间的实际距离和其图像效果。此类倒车雷达不用挂倒车档，只要发动汽车，显示器上就会出现汽车图案以及车辆周围障碍物的距离，色彩清晰漂亮，外表美观，可以直接粘贴在仪表盘上，安装很方便。但这一代的产品灵

12、敏度不太高，抗干扰能力不强，所以误报也较多。第五代：魔幻镜倒车雷达。结合了前几代产品的优点，采用了最新仿生超声雷达技术，配以高速电脑控制，可全天候准确地测知2米以内的障碍物，并以不同等级的声音提示和直观的显示提醒驾驶员。魔幻镜倒车雷达可以把后视镜、倒车雷达、免提电话、温度显示和车内空气污染显示等多项功能整合在一起，并设计了语音功能。这一代倒车雷达的功能较多，但成本也比较高。第六代：整合影音系统。这一代倒车雷达是专门为高档轿车生产的。从外观上来看，它比第五代倒车雷达更为精致典雅；从功能上来看，它除了具备第五代产品的所有功能之外，还整合了高档轿车具备的影音系统，可以在显示器上观看DVD影像，但相应

13、的成本也更高。目前，国内市场上的倒车雷达产品主要由国外公司占据着。国内一些公司虽然也推出了相应的倒车雷达产品，但在质量上、市场份额上都无法与国外厂商相比拟。一些核心元器件，国内相同产品达不到国外水平或者无法生产。在倒车雷达等辅助倒车研究领域，美国、德国、日本等发达国家的技术远远走在前面。他们在汽车信息化技术的研究上起步较早，并且自身在半导体、微电子领域也具有很大的优势。因此，在这些国家智能化车载电子设备的发展已经达到了相当高的水平，很多高科技车载电子设备已经相当普及。随着汽车工业的飞速发展，在辅助倒车领域，国外已经出现了停车入位导航系统。梅赛德斯车厂已经在使用雷达探测技术来帮助驾驶者更快更安全

14、地停车。导航雷达探测器能够探测出经过路线上的停车空位，并向驾驶者发出信号。这个时候，驾驶者可以通过探测器显示的位置找到空位。在整个停车过程中，驾驶员切换到倒档后，导航系统会由始至终地监测汽车的位置和角度。如果驾驶者中断倒车，导航系统还会自动计算出新的最佳停车路线和角度。在日本，丰田公司研制的导航系统已经可以实现准确地全自动停车。当导航系统锁定一个合适的停车空位之后，只要驾驶员换到倒档，仪表盘上的屏幕上就会开始显示由安装在汽车背部的摄像头传送过来的车后图像。此时，驾驶者只需对导航系统选择的提供车位置进行确认。在此之后，就可以松开方向盘和脚刹，保持适当的速度。从这里开始，停车过程便由配备了超声波雷

15、达和摄像头的停车导航系统全权接手。如果想要中止停车程序，驾驶者只需踩下刹车就可以了。而且这款设备现在已经开始在一些高档轿车上配备使用。1.3课题研究的目的及意义本文介绍的倒车防撞报警器的核心就是超声波测距原理的应用，市场上广泛应用的倒车雷达也是如此。所以，归根结底本课题研究的目的和意义本质上是归于超声波测距系统的。从小的应用方面来说，本课题的研究直接解决了司机倒车时的困扰，更能有效地降低倒车过程中发生的大小事故。但从更广泛的应用来讲，超声波测距系统的研究在许多工业、交通运输业、军事等等方面有着更为广泛显著的应用。随着雷达技术、激光技术、电子技术的发展，超声波技术也得到和不断的更新和发展，超声波

16、技术已经从最初的理论研究发展到大范围地应用在无损探伤、测温、测距、流量测量、液体成分测量、岩体检测等方面。在这期间，超声波技术不断得到完善并趋于成熟。与发达国家相比，目前我国所研制出的超声波测距系统在性能方面有了很大的改善，但在精度等方面仍然很落后。高速度和高效率是现代化工业的标志，这些都是建立在高质量的基础之上，精度作为高质量的一个重要指标，需要加大力度对其进行研究。而且我国正在使用的高精度超声测距系统大多以进口国外为主，很大程度的制约了工业的发展。因此尽快展开超声波测距系统精度的深入研究并进行自主研发显得尤为重要。本课题研究具有重要的实际应用价值和深远的战略意义。1.4论文主要内容及章节安

17、排本文以倒车防撞报警器为研究目标，从理论和实践两个方面对超声波测距技术的应用进行探讨，并将超声波测距技术应用于本课题的研究。现将本文的主要内容和章节安排简要介绍如下：第1章介绍本课题的研究背景、国内外研究状况及课题研究目的和意义。第2章介绍超声波基本理论。第3章阐述系统总体方案。第4章详述本设计的硬件电路设计。第5章阐述本设计的软件设计。第6章论述本设计的系统误差及其改进。第7章讲述总结。2 超声波基本理论2.1超声波发展简史意大利科学家斯帕拉捷习惯晚饭后到附近的街道上散步。他常常看到，很多蝙蝠灵活的在空中飞来飞去，却从不会撞到墙壁上。这个现象引起了他的好奇：蝙蝠凭什么特殊本领在夜空中自由自在

18、的飞行呢？为了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列试验。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能准确地分辨障碍物。只有当耳朵被堵住时，蝙蝠就不能分辨障碍物。斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密。后来人们继续研究，终于弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人听不见的“超声波”，这种声音沿着直线传播，碰到物体后就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。当然，以上的故事是个美丽的楔子。真正超声波的研究和发展，与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。自19世纪末到20世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术

19、产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推广超声波技术的历史篇章。1883年Galton首次制成超声波气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声波。此后又出现了各种形式的汽笛和夜哨等机械型超声波换能器。20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万(Paul Langevin)用天然压电石英制成了夹心式超声换能器，并成功地应用于水下探测潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种超声换能器。

20、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。材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电

21、半导体以及塑料压电薄膜(PVDF)等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。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。2.2超声波简介声波是属于声音的类别之一，属于机械波，是人耳能感受到的一种纵波，其频率范围为16Hz-20KHz。当声波的频率低于16Hz时就叫做次声波，高于20KHz则称为超声波。超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等用

22、作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：传播特性超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。功率特性当声音在空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。声波功率就是表示声波做功快慢的物

23、理量。在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。空化作用当超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。2.3超声波的应用由于超声波在物理化学方面的独特特性，所以超声波在许多方面都有广泛的应用

24、。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。超声波探伤是利用超声波能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法，当超声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件底面时就分别发生反射波来，在荧光屏上形成脉冲波形，根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。超声波测厚，是根据超声波脉冲反射原理来进行厚度测量的，当探头发射的超声波脉冲通过被测物体到达材料分界面时，脉冲被反射回探头，通过精确测量超声

25、波在材料中传播的时间来确定被测材料的厚度。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。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。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术，把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装

26、置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已。 (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。 超声波焊接是利用高频振动波传递到两个需焊接的物体表面，在加压的情况下，使两个物体表面相互摩擦而形

27、成分子层之间的熔合。超声波焊接主要分超声波塑料焊接和超声波金属焊接，超声波塑料焊接具有焊接速度快，焊接强度高、密封性好的优点；而超声波金属焊接的优点在于快速、节能、熔合强度高、导电性好、无火花、接近冷态加工。针对所有的应用市场，超音波焊接其特有的优点快捷、高效、清洁和牢固，赢得了各行各业的认可，在汽车、家电、包装、玩具业、电子等行业的应用也越来越广泛。超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。超声波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清洁度高，不须

28、人手接触清洗液，安全可靠，对工件表面无损伤，节省溶剂、热能、工作场地和人工等诸多优点。超声波清洗方式超过一般的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂像一些表面凹凸不平、有盲孔的机械零部件，一些特别小而对请洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果。超声波技术在医疗方面的独特疗效已得到医学界的普遍认可，并越来越被临床重视和采用。超声波治疗时将超声波能量作用于人体病变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。超声波的机械作用可软化组织，增强渗透，提高代谢，促进血液循环，刺激神经系统和细胞功能，因此具有超声波独特的治疗意义。超声温热效应

29、可增加血液循环，加速代谢，改善局部组织营养，增强酶活力。一般情况下，超声波的热作用以骨和结缔组织为显著，脂肪与血液为最少。超声波治疗以疗效独特，长期治疗无毒副作用的安全特性见长，在肢体运动康复、心脑血管疾病治疗方面有着独特的优势，其体外无创的物理治疗手段比较适合在社区、医院运用。(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。机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械

30、运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程（如分子的内、外自由度之间能量转换的热弛豫，分子结构状态变化的结构弛豫等过程）及微观谐振过程（如铁磁、顺磁、核磁共振等）之间的关系，通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这些方面的研究构成了分子声学这一声学分支。随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能声子来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵

31、振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科量子声学也正在形成。超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、超声学材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在

32、着许多尚待深入研究的问题，对许多超声波应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断地向前发展着。2.4超声波的衰减特性从理论上讲，超声波衰减主要有三个方面：(1) 由声速扩展引起的衰减在声波的传播过程中，随着传播距离的增大，非平面声波的声速不断扩展增大，因此单位面积上的声压随距离的增大而减弱，这种衰减称为扩散衰减。(2) 由散射引起的衰减由于实际材料不可能是绝对均匀的，例如材料中外来杂质金属中的第二相析出、晶粒的任意取向等均会导致整个材料声学特性阻抗不均，从而引起超声波的散射。被散射的超声波在介质中沿着复杂的路径传播下

33、去，最终变成热能，这种衰减称为散射衰减。(3) 由介质的吸收引起的衰减超声波在介质中传播时，内于介质的粘滞性而造成质点之间的内摩擦，从而使一部分声能转变成热能。同时，由于介质的热传导，介质的稠密和稀疏部分之间进行热交换，从而导致声能的损耗，以及由于分子弛豫现象造成的吸收，这些都是介质的吸收现象，这种衰减称为吸收衰减。扩散衰减仅取决于波的几何形状而与传播介质的性质无关。对于大多数金属和固体介质来说，通常所说的超声波的衰减，即(衰减系数)表征的衰减仅包括散射衰减和吸收衰减而不包括扩散衰减。因此，空气介质的衰减系数也由两部分组成，可由下式表示： （2-1）式中：为热传导系数，为超声波频率，为动力粘滞

34、系数，为超声波传播速度，为定容比热，为定压比热，为传播介质密度。式(2-1)中第一项是由内摩擦引起的衰减系数，第二项是由热传导引起的衰减系数，由于后者比前者小得多，故在忽略热传导引起的超声波衰减的情况下，衰减系数可以由下式表示： （2-2）把 代入式（2-2）可得： （2-3）由式(2-3)可知：温度一定时，、均一定，衰减系数与频率的平方成正比；频率越高，衰减的系数就越大，传播的距离也就越短。2.5超声波的基本参数（1）声压垂直作用于单位面积上的压力称为声压。当介质中有超声波传播时，介质质点的振动使得介质中压强交替变化。声压就是超声场中某一点在某一瞬间所具有的压强与没有超声波存在时同一点的静态

35、压强之差，用表示，单位是帕斯卡。超声场中某一点的声压可以用式（2-4）表示： （2-4）其中，为介质密度，为超声波在介质中的传播速度，为介质质点的振幅，为介质质点的角频率，为该点与波源的距离。又因，所以，超声场中某一点的声压与超声波的频率成正比。（2）声强声强是指声波传播的能流密度，即在单位时间内通过垂直于传播方向上单位面积的声音能量，用表示。超声波在介质中传播时，若单位时间内传递的能量越多，则声强就越大。平均声强的计算公式如式(2-5)所示： （2-5）（3）声场声波为一点源时，声波从声源向四面八方辐射，如果声源(探头)的尺寸比波长大时，则声波从声源集中成一波束，以某一角度扩散出去，在声源(

36、探头)的中心轴线上声压和声强最大，偏离中心轴线一角度时，声压减小，形成声波的主瓣(主波束)，离声源近处声压交替出现最大与最小值点，形成声波的副瓣。时的扩散角称为声波的半扩散角，根据声源形状的不同，声波半扩散角的表达式也不同。声源为圆板形时的半扩散角如式(2-6)所示: (2-6)式(2-6)中，为半扩散角，为声波在介质中的波长，为声源直径，为常数。值取决于对扩散角的限制，一般取波束边缘声压为零时的值，即=1.22(4)声阻抗超声波在介质中传播时任何一点的声压与该质点振动速度之比称为声阻抗。声阻抗越大，质点的振动速度就越小，声阻抗为传播介质的密度与声速之积。声阻抗是表征介质声学性质的重要物理量，

37、超声波在两种介质组成的界面上的反射和透射与这两种介质的声阻抗密切相关。2.6超声波测距方法目前，市场上利用超声波测距原理制成的测距系统种类繁多，但是超声波测距的方案总归下来有已下几种：（1）相位检测法相位发检测法可分为两种：一种方法是通过发射不同频率的超声波来实现的。首先，发射一束波长为的超声波。检测到回波的相位为。设经过的波周期数,则可求的目标物体的距离为： (2-7)同样可以得到第二束波形的测距计算公式为： (2-8)其中：为第二束波的相位角，为波长，为波的周期数。又因为和都为正数,同时再进行时间补偿的算法，可精确求的目标距离的值。然而由于超声波探头为固定的频率，倘若改变频率，系统的衰减比

38、较大，需要两套信号检测电路，实施的难度大，不宜采用。另一种方法是通过单一的超声波探头进行相位检测法检测，此种方法是待测距离在一个周期以内使用，如过选用40kHz的超声波作为介质，一个周期对应的检测距离为，显然，此种方法的精确度很高。（2）幅值检测法幅值检测法就是先发射固定频率的超声波，然后使用反射或者对射法检测接收到的超声波的脉冲强度，根据超声波回波衰减理论，对回波脉冲强度的进行分析，进而求得目标距离。（3）渡越时间法渡越时间是指从传感器发射超声波出去开始计时，经过气体介质传播，到传感器接收到回波时计时停止。由于在一定的环境下，温度是不会变化的，或者变化缓慢，可近似为常数，此时声速是不变化的。

39、因此可以通过检测渡越时间，结合现场的声速，进而求的传感器与目标之间的距离。3 系统总体设计3.1系统测距方法的选择前面提到，超声波测距的方法主要有三种，为相位检测法、幅值检测法和渡越时间法。相位检测法检测精度高，但是检测距离有限，达不到本课题设计的要求。由于超声波在传播过程中，由于空气杂质含量不同，衰减系数也不一样，声波幅值检测法的检测精度和稳定性受到很大的限制，所以此种方法不适合本课题的应用。而渡越时间法工作原理简单，电路容易实现。但是由于气体介质对超声波存在反射和散射，使得超声波在传播过程中有很大的衰减，超声波的最大检测距离因此受到一定程度的限制。另一方便面超声波的最大检测距离与传感器的发

40、射功率和电路的放大倍数有关，发射功率越大，电路的放大倍数越大，接收电路的灵敏度越好，检测距离就越远。因此可以通过提高放大倍数和采用发射功率较大的超声波探头来解决此问题。此外超声波在空气中的传播速度与温度有很大关系，因此需对其进行温度补偿，而温度补偿在软件和硬件上也很容易实现。综上，本设计的测距方法采用渡越时间法。具体测距原理阐述如下。超声波发射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立即停 止计时。超声波在空气中的传播速度为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=34

41、0t/2最常用的超声测距的方法是回声探测法，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为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面的距离s，即：s=340t/2。 由于超声波也是一种声波，其声速V与温度有关。在使用时，如果传播介质温度变化不大，则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。如果对测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。这就是超声

42、波测距仪的基本原理。如图2-3所示： 超声波发射 障碍物 S H 超声波接收图3-1 （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=20度时,V=344m/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。3.2系统总体方案设计超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和

43、往返时间检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值检测法易受反射波的影响。本设计硬件设计采用超声波往返时间检测法，其原理为:检测从超声波发射器发出的超声波(假设传播介质为气体)，经气体介质的传播到接收器的时间，即往返时间。往返时间与气体介质中的声速相乘，就是声波传输的距离。本设计的硬件系统以宏晶科技的STC89C52RC单片机为控制中心构建，包括单片机外围电路、电源电路、超声波发射电路、超声波接收电路、数码管显示电路及报警电路。整个系统由单片机控制运行，首先由单片机控制NE555定时器工作产生40KHz的方波，同时单片机内部定时器开始计数。由NE555产生的方波送给超声波发射电路

44、发出超声波，待超声波遇到障碍物返回后，由超声波接收电路接收。超声波接收电路接收到超声波后，会产生一个下降沿的电压信号，这个信号由P3.2口输入单片机，从而关闭定时器。定时器关闭后，距离运算程序就会运行，得出结果通过数码管显示电路显示距离和确定是否报警。整个系统结构框图如下图所示：图3-2 系统框图3.3硬件选型3.3.1超声波探头的主要参数及选择一、主要参数（1）中心频率中心频率，即压电晶片的谐振频率。当施加于它两端的交变电压频率等于晶片的中心频率时，输出能量最大，传感器的灵敏度最高。中心频率最高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200K

45、Hz、400KHz等。（2）灵敏度灵敏度的单位是分贝(dB)，数值为负，它主要取决于晶片材料及制造工艺。（3）指向角指向角是超声波传感器方向性的一个参数，指向角越小，方向性越强。一般为几度至几十度。（4）工作温度工作温度是指能使传感器正常工作的温度范围，其温度上限应远于居里点温度。以石英晶片为例，当温度达至时灵敏度可降低6。一旦达到居里温度点(),就完全丧失压电性能。供诊断用的超声波传感器的功率较小，工作温度不高，在温度范围内可以长期工作。治疗用的超声波传感器温度较高，必须采取冷却降温措施。二、超声波探头的选择超声波传感器有多种结构形式，可分成直探头(接收纵波)、斜探头(接收横波)、表面波探头

46、(接收表面波)、收发一体式探头、收发分体式双探头等。超声波传感器分通用型、宽频带型、耐高温型、密封放水型等多种产品。一般电子市场上出售的超声波传感器常见的有收发一体式和收发分体式两种。其中收发一体式就是发送器和接受器为一体的传感器，即可发送超声波，又可接受超声波；收发分体式是发送器用作发送超声波，接受器用作接受超声波。超声波传感器的主要性能指标包括：(1)工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。(2)工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。(3)灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。在超声波测量系统中，频率取得太低，外界的杂音干扰较多；频率取得太高，在传播的过程中衰减较大，检测距离越短，分辨力也变高。基于以上的考虑，本设计采用压电式超声波传感器，为了充分发挥本设计的优越性，换能器选择收发分体式换能器TCT40-16