超聲波傳感器的設(shè)計與應(yīng)用

1、傳感器課程設(shè)計（2010級）題目：超聲波傳感器的設(shè)計與應(yīng)用學(xué)員姓名：xxx學(xué)號：201003011020學(xué)員姓名：xxx學(xué)號：201003011027學(xué)員姓名：xxx學(xué)號：201003011003xxx二一三年九月目 錄第一章 超聲波傳感器簡介1.1超聲波傳感器是什么21.2超聲波傳感器應(yīng)用前景2第二章超聲波傳感器設(shè)計32.1設(shè)計目標(biāo)描述32.2 設(shè)計指標(biāo)32.3 傳感器結(jié)構(gòu)概述42.4 傳感器設(shè)計原理42.4.1 物理部分設(shè)計42.4.2 電路部分設(shè)計7第三章 硬件設(shè)計83.1 單片機(jī)設(shè)計83.2 傳感器設(shè)計113.3 單片機(jī)與傳感器連接12第四章 軟件設(shè)計134.1 總體設(shè)計思路134.2

2、 軟件程序13第五章 測試結(jié)果與分析21第六章 結(jié)論22參考文獻(xiàn)24第一章 超聲波傳感器的設(shè)計1.1超聲波傳感器是什么超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。1.2超聲波傳感器應(yīng)用前景隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將

3、在傳感器中的應(yīng)用越來越廣。在人類文明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術(shù)一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在人們可以想象的所有領(lǐng)域中，它幾乎無所不在。傳感器是世界各國發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，在各國有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門的共同努力下，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。但就目前技術(shù)水平來說，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個正在蓬勃發(fā)展而又有無限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。展望未來，超聲波傳感器作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求，如聲納的發(fā)展趨勢基本為：研制具有更高定位精度的被動

4、測距聲納，以滿足水中武器實(shí)施全隱蔽攻擊的需要；繼續(xù)發(fā)展采用低頻線譜檢測的潛艇拖曳線列陣聲納，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程的被動探測和識別；研制更適合于淺海工作的潛艇聲納，特別是解決淺海水中目標(biāo)識別問題；大力降低潛艇自噪聲，改善潛艇聲納的工作環(huán)境。無庸置疑，未來的超聲波傳感器將與自動化智能化接軌，與其他的傳感器集成和融合，形成多傳感器。隨著傳感器的技術(shù)進(jìn)步，傳感器將從具有單純判斷功能發(fā)展到具有學(xué)習(xí)功能，最終發(fā)展到具有創(chuàng)造力。在新的世紀(jì)里，面貌一新的傳感器將發(fā)揮更大的作用。第二章 超聲波傳感器設(shè)計2.1設(shè)計目標(biāo)描述圖2-1超聲波傳感器此次，我們所設(shè)計的超聲波傳感器預(yù)計 將 應(yīng)用在日常生活中一些電子產(chǎn)品之中。所以，我

5、們所設(shè)計的超聲波傳感器很多相應(yīng)的指標(biāo)，要求不會很高。從而相應(yīng)降低成本。而在體積方面也不是特別小。2.2設(shè)計指標(biāo)工作電壓：DC 5 V工作電流：15 mA工作頻率：40 Hz工作溫度：-10+70工作頻率：40kHz最遠(yuǎn)射程：4 m最近射程：2 cm測量角度：15度輸入觸發(fā)信號：10 us的TTL脈沖輸出反饋信號：與射程成比例的TTL輸出信號2.3 傳感器結(jié)構(gòu)概述圖2-3傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示，我們所設(shè)計的超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)主要部分是一個錐形振子和雙壓電陶瓷晶片。當(dāng)壓電陶瓷晶片的兩極外加電壓脈沖信號時，壓電晶片利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生振動。當(dāng)脈沖信號的頻率等于壓電晶片的固有頻率時，將產(chǎn)生共振效

6、應(yīng)，從而產(chǎn)生超聲波。超聲波以疏密形式傳播傳給接收器。接受器中的壓電晶片也會相應(yīng)振動，利用壓電效應(yīng)產(chǎn)生電信號。實(shí)際上這種變化的電信號是很小的，因此要用放大電路去放大。2.4 傳感器設(shè)計原理物理部分設(shè)計壓電材料是超聲波傳感器的關(guān)鍵部分，現(xiàn)在市場較多使用壓電陶瓷作為超聲波傳感器的敏感原件。那么，壓電陶瓷的振動模式和它的具體材料將決定超聲波的諧振頻率。由于我們所需的工作頻率是40kHz，可選的震動模式有兩種，一個是薄長條的長度伸縮振動模式，其振動的頻率范圍是：15200kHz；另一個是圓片厚度彎曲振動模式，其振動的頻率范圍是：270kHz。我們選擇第二種，因?yàn)樗姆秶咏?。于是，有fr=NrttD2

7、fr是諧振頻率，Nrt是頻率常數(shù)與材料有關(guān)，t是厚度，D是直徑。當(dāng)把兩個厚度相同，有電極的圓形壓電陶瓷片粘連在一起時，可以產(chǎn)生彎曲振動，極化方向相反時，以串聯(lián)方式接入電源，在電場激勵下，整個陶瓷片就會產(chǎn)生厚度彎曲振動。我們在下面的公式推導(dǎo)中，我們以矩形（正方形）模擬圓形。對于薄板的小撓度彎曲振動其形變分量可表示為：x=-2ux2zy=-2uy2zz=-22uxyz其中，u為板的撓度。則其壓電方程可以簡化為：x=s11Ex+s12Ey+d31Ezy=s12Ex+s11Ey+d31EzDz=d31x+y+33TEz其中，Ez及Dz為厚度方向的電場及電位移分量，s11E和s12E是彈性柔順常數(shù)，d3

8、1是壓電應(yīng)變常數(shù)，33T為自由節(jié)點(diǎn)常數(shù)分量。令n=xy稱為機(jī)械耦合系數(shù)。則：x=s11E+s12Enx+d31Ez1y=s11E+s12Eny+d31Ez(2)由(1)得 x=x-d31Ezs11E+s12En (3)由x產(chǎn)生的彎矩可表示為Mx=-H2H2xWzdz(4)計算此積分，將(3)代入(4)得到：Mx=-WH312s11E+s12En2ux2(5)根據(jù)力矩平衡方程，在不計轉(zhuǎn)動的情況下可得：Mx=-WH312s11E+s12En3ux3(6)由此可得到矩形薄板繞y軸的彎曲振動方程：-4ux4=1cx2R22ut2(7)由(7)可得矩形薄板繞y軸彎曲振動的位移分布：uxx=Axcoshk

9、xx+Bxsinhkxx+Cxcoskxx+Dxcoskxx(8)同理做類似的推導(dǎo)，我們也可以得到矩形薄板繞x軸的彎曲振動的位移方程。并最終得到共振頻率的方程：ij2=x2+y2+21-2xy(9)當(dāng)薄板壓電陶瓷振子的材料，幾何尺寸及振動模式給定后可得出關(guān)于頻率的根。我們所使用的材料是鈦酸鉛，其密度是7.7g/m3，居里溫度是520，相對介電常數(shù)150，壓電系數(shù)是-6.8，d33是56，彈性系數(shù)為7.8，品質(zhì)因數(shù)是1300。通過這些參數(shù)，推算出我們的傳感器的直徑大概為9.3mm，厚度約是0.7mm。由此根據(jù)最開始的頻率公式可以算出我們的壓電振子的實(shí)際共振頻率為38kHz。物理部分我們從給出的條

10、件開始，由材料所處運(yùn)動狀態(tài)求得材料尺寸，在由最初公式，得到實(shí)際頻率是多少，來說明物理設(shè)計過程電路設(shè)計部分圖2-4 壓電元件等效電路圖壓電元件在受到敏感軸向外力作用以后，會在電極表面產(chǎn)生不同極性的電荷，因此，他相當(dāng)于一個電荷器，又相當(dāng)于一個平板電容器，于是它就有兩種等效電路，一種是電荷源等效電路，另一種是電壓源等效電路。如圖2-4：壓電式傳感器相當(dāng)于平板電容器，所以內(nèi)部阻抗很高，因此輸出信號很小，不能直接顯示和記錄，需要進(jìn)行阻抗變換和放大，所以測量電路的作用是：阻抗變換器，將高阻抗變?yōu)榈妥杩?；信號放大器，進(jìn)行電壓放大和電荷放大。第三章 硬件設(shè)計3.1單片機(jī)設(shè)計圖3-1 開發(fā)板實(shí)物圖本次實(shí)驗(yàn)選擇m

11、ini80E開發(fā)板，如圖3-1：超聲波傳感器測距，利用了它如下的功能：圖3-2數(shù)碼管原理及實(shí)物圖（1）8個高亮數(shù)碼管顯示用于顯示所測的距離，第二位為千位，依次第三位為百位，第四位為十位，第五位為個位。 數(shù)據(jù)的單位為cm，所測的距離在2-400cm之間。（2） 8個高亮發(fā)光二極管（跑馬燈、指示燈、紅綠燈）圖3-3LED燈原理及實(shí)物圖低電平時LED點(diǎn)亮，高電平時LED熄滅。LED2為傳感器的控制口，一直處于低電平狀態(tài)，亮紅燈。實(shí)驗(yàn)用LED3-8指示距離的遠(yuǎn)近，當(dāng)距離在0-40cm時，LED3點(diǎn)亮；當(dāng)距離在40-80cm時， LED4點(diǎn)亮，同時其他燈熄滅；當(dāng)距離在當(dāng)距離在80-120cm時， LED

12、5點(diǎn)亮，同時其他燈熄滅；以此類推，120-160cm時，LED6點(diǎn)亮；160-200cm時， LED7點(diǎn)亮；160-200cm時，LED8點(diǎn)亮。圖3-4 獨(dú)立鍵盤原理及實(shí)物圖（3）獨(dú)立按鍵獨(dú)立按鍵軟件操作簡單，主要檢測按鍵連接的IO口是否為0，為0表示按鍵按下，實(shí)驗(yàn)利用按鍵完成數(shù)據(jù)的保持與重新測距功能。當(dāng)s2按下時，顯示在數(shù)碼管上的數(shù)據(jù)將保持不變，便于檢測者記錄數(shù)據(jù)；當(dāng)s1按下時，傳感器開始重新測距，并顯示新的數(shù)據(jù)。（4）定時器 利用16位的定時器，實(shí)現(xiàn)時間的累加，利用發(fā)出超聲波與接收的時間差來計算出所測的距離。圖3-5 STC實(shí)物圖（5）STC12C5A60S2芯片 STC12C5A60S2

13、單片機(jī)具有如下特點(diǎn)1、具有電源指示；2、所以I/O口以引出；3、可以實(shí)現(xiàn)與電腦串口通信；4、可以實(shí)現(xiàn)雙串口通訊；5、具有上電復(fù)位和手動復(fù)位；6、附帶SD卡讀寫接口；7、支持STC串口下載；8、雙串口通訊（注：只能使用串口一下載程序）；9、八路LED燈（注：可拔出短路帽，斷開LED燈）；10、可端子接線供電、可排針引電；11、7805供電，輸入電壓范圍寬，且確保AD參考電壓準(zhǔn)確。STC12C5A60S2單片機(jī)的工作電壓為直流4.55.5伏（或者USB供電）圖3-6 RS232實(shí)物圖（6）標(biāo)準(zhǔn)的RS232通信接口（PC通信）圖3-7 通訊接口原理圖RS232芯片用于電壓轉(zhuǎn)換，將電腦電平轉(zhuǎn)換成TTL

14、電平。在開發(fā)板上我們主要使用了三根線，發(fā)送線TXD，接收線RXD，地線GND。它主要用于基礎(chǔ)的串口通信（使用串口調(diào)試程序進(jìn)行調(diào)試），和STC單片機(jī)程序的在線下載。（7）USB電源輸入圖3-8 USB電源輸入原理圖使用了USB將電腦與單片機(jī)相接，用于直流電源供電。電壓為5V。圖3-9 USB電源輸入實(shí)物圖3.2 傳感器設(shè)計 采用了 HC-SR04超聲波傳感器，如圖3-10：圖3-10 超聲波傳感器實(shí)物圖使用方法：工作時,一個控制口發(fā)一個10US以上的高電平,就可以在接收口等待高電平輸出.一有輸出就可以開定時器計時,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值,此時就為此次測距的時間,方可算出距離.3.3

15、 單片機(jī)與傳感器連接 用了杜邦線，將傳感器與單片機(jī)相連，一共四根線。地線，電源線，控制線與接收線。其中，定義P1.0口為控制線，控制傳感器超聲波的發(fā)射，P3.2口為接收線，用于接收遇到障礙物返回的超聲波。電源線與開發(fā)板的5v電源接口相連，地線與開發(fā)板的地線相連。如圖3-11圖3-11 開發(fā)板接線圖第四章 軟件設(shè)計4.1總體設(shè)計思路超聲波測距的原理是借助于超聲波脈沖回波渡越時間法來實(shí)現(xiàn)的。因此，主要由定時器來完成時間的累加，將超聲波的發(fā)射時間與被接收到的 時間間隔得到并存放在寄存器中，再由公式計算出傳感器到目標(biāo)的距離，并顯示在數(shù)碼顯示管上。以下為總體設(shè)計框圖：初始化 定時器計時發(fā)射超聲波接收超聲

16、波記下時間計算距離顯示4.2 軟件程序：/一線式超聲波測距模組測試代碼/MCU- STC10F04XE/晶振:4M/說明:程序中我們讀回測量的距離并通過六個LED燈來顯示出來/2-40厘米 蜂鳴器響 第一個燈及數(shù)碼管閃爍 40-80厘米 第二個燈亮/80-120厘米 第三個燈亮 120-160厘米 第四個燈亮 160-200厘米 第五個燈亮 /200-240厘米 第六個燈亮 #include<reg51.h>#include <intrins.H>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int uchar dis

17、tance_H0,distance_L0;unsigned char const dofly=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f; / 顯示段碼值01234567unsigned char code seg=0,1,2,3,4,5,6,7; /分別對應(yīng)相應(yīng)的數(shù)碼管點(diǎn)亮,即位碼/特殊寄存器定義sfr CLK_DIV =0x97;/STC MCU IO register define total waysfr P1M1= 0x91;sfr P1M0= 0x92;sfr P3M1= 0xB1;sfr P3M0= 0xB2;/IO口引腳說

18、明sbit Trig0 =P10;sbit Echo0 =P32;sbit led1_4 =P11; sbit led4_8 =P12;sbit led8_12 =P13;sbit led12_16 =P14;sbit led16_20 =P15;sbit led20_24 =P16;sbit SPK=P11;void IO_inint(void);void sys_inint(void);void delay_nop(uint timer);void led_out(void);/*- 函數(shù)聲明-*/void DelayUs2x(unsigned char t);/函數(shù)聲明 void Del

19、ayMs(unsigned char t);void IO_inint(void) CLK_DIV=0x02; /系統(tǒng)時鐘四分之一分頻 P1M1= 0x00; /0000 0000 P1M0= 0x1e; /0001 1110 P1=0x00; /0000 0000 P3M1= 0x04; /0000 0100 P3M0= 0x00; /0000 0000/定時中斷初始化設(shè)定void sys_inint0(void) TMOD=0x01; TH0=0x00; TL0=0x00; TR0=0; IT0=1; EX0=1; EA=1; / 延時子程序/-void delay(unsigned in

20、t cnt) while(-cnt);/NOP延時void delay_nop(uint timer) while(timer-)_nop_();/外部中斷0，用做判斷回波電平 void int0_routine0(void) interrupt 0 EX1=0; distance_H0 =TH0; /取出定時器0的值 distance_L0 =TL0; /取出定時器0的值 EX0=0; /關(guān)閉外部中斷 void DelayUs2x(unsigned char t) while(-t);/LED輸出及數(shù)碼管控制void led_out0(void) uint distance0; unsign

21、ed char i; int j; int display5; distance0=distance_H0; /測量結(jié)果的高8位 distance0<<=8; /放入16位的高8位 distance0=distance0|distance_L0; /與低8位合并成為16位結(jié)果數(shù)據(jù) distance0*=4; /因?yàn)槎〞r器為4分頻 distance0/=58; /一厘米就是58us for(j=0;j<=100;j+) display0=distance0/1000;display1=(distance0%1000)/100;display2=(distance0%1000%1

22、00)/10; display3=distance0%10/1; for(i=0;i<=3;i+) P0=doflydisplayi;/取顯示數(shù)據(jù)，段碼 P2=segi+1; /取位碼 delay(200); /掃描間隙延時，時間太長會閃爍，太短會造成重影 if(distance0>=2&&distance0<=40)/測量距離在2到40厘米時,led2_4燈亮 led1_4=0; for(i=0;i<200;i+) /喇叭發(fā)聲的時間循環(huán)，改變大小可以改變發(fā)聲時間長短 delay(80); /參數(shù)決定發(fā)聲的頻率，估算值，可以自行更改參數(shù)并 SPK=!SP

23、K; SPK=1; /喇叭停止工作，間歇的時間，可更改 delay(2000); else led1_4=1; if(distance0>40&&distance0<=80)/測量距離在40到80厘米時,led4_8燈亮 led4_8=0; else led4_8=1; if(distance0>80&&distance0<=120)/測量距離在80到120厘米時,led8_12燈亮 led8_12=0; else led8_12=1; if(distance0>120&&distance0<=160)/測量距

24、離在120到160厘米時,led12_14燈亮 led12_16=0; else led12_16=1; if(distance0>160&&distance0<=200)/測量距離在160到200厘米時,led16_20燈亮 led16_20=0; else led16_20=1; if(distance0>200&&distance0<=240)/測量距離在200到240厘米時,led20_24燈亮 led20_24=0; else led20_24=1; void DelayMs(unsigned char t) while(t-)

25、 DelayUs2x(245); /大致延時1mS DelayUs2x(245); /系統(tǒng)主程序void main(void) IO_inint(); sys_inint0(); while(1) Trig0=1; delay_nop(20); Trig0=0; while(!Echo0); TR0=1; /啟動定時器0 EX0=1; /打開外部中斷1 while(TH0<40); TR0=0; /關(guān)閉定時器1 TH0=0; /定時器1清零 TL0=0; /定時器1清零 led_out0();第五章 測試結(jié)果與分析如表6-1，我們用超聲波傳感器測了距離，并記錄下了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象： 數(shù)碼管顯示數(shù)

26、據(jù)（cm） 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象2-40LED2點(diǎn)亮并閃爍，為紅色，蜂鳴器響，頻率與燈閃爍的頻率一致40-80LED3一直亮，為黃色，蜂鳴器不響80-120LED4一直亮，為黃色，蜂鳴器不響120-160LED5一直亮，為綠色，蜂鳴器不響160-200LED6一直亮，為綠色，蜂鳴器不響200-240LED7一直亮，為白色，蜂鳴器不響240-280LED8一直亮，為白色，蜂鳴器不響280-415LED28都不亮，蜂鳴器不響表6-1實(shí)驗(yàn)分析：LED燈是用來表示距離的遠(yuǎn)近的，程序設(shè)計每隔40cm換一個燈亮；并且設(shè)計了一個蜂鳴器，間距在2-40cm也就是最短間距時，蜂鳴器響，用于表示警告。由于蜂鳴器的頻率與燈管閃

27、爍的頻率是一個頻率，所以它們變化是一致的。所設(shè)計的傳感器的測量范圍為2-415cm，當(dāng)距離小于2cm時，數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示為00000，原因是超聲波傳感器有兩個控制端，發(fā)射端與接收端，它們雖然相近但有一定距離。當(dāng)障礙物太近時，發(fā)射端發(fā)射出的超聲波遇障礙物后直線返回，接收端沒有接收到超聲波，所以顯示為00000，由實(shí)驗(yàn)得它所能測得的最小距離為2cm。當(dāng)距離大于415cm時，數(shù)碼管數(shù)據(jù)顯示也為00000，這是由于超聲波在傳播中有能量衰減，當(dāng)距離太遠(yuǎn)時，超聲波的能量衰減到不足以使接受端產(chǎn)生相應(yīng)的高電平，所以數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)生相應(yīng)的高電實(shí)際距離()顯示距離()15151515151514153029293029

28、293030454444444546454560585859585958587574737574737474平，所以數(shù)據(jù)顯示也為00000。 此外，我們做了所測實(shí)際距離與顯示距離的對照，如表6-2： 表6-2實(shí)驗(yàn)分析：發(fā)射端接收端由于發(fā)射端和接收端有一定的距離，所以超聲波的來去傳播路線有一個夾角。如圖我們在15cm的時候，將程序調(diào)試，使數(shù)據(jù)顯示為15cm，當(dāng)距離變遠(yuǎn)時，夾角變小，此時我們?nèi)匀挥迷瓉淼墓接嬎悖厝粫碚`差，而且是數(shù)據(jù)會小于實(shí)際的數(shù)據(jù)。第六章 結(jié)論 在本次傳感器的設(shè)計中，我們學(xué)到了很多知識。首先，我們學(xué)到了如何查找資料，我們查找并讀閱了很多相關(guān)資料，了解到了傳感器的基本設(shè)計原理。又從超聲波的性質(zhì)出發(fā)，設(shè)計出了超聲波傳感器，提高了我們的自學(xué)能力。在這期間，最難的就是公式推導(dǎo)，每一步的公式都需要很深的數(shù)學(xué)功底。 在測試過程中，最主要的是將傳感器與單片機(jī)的正確連接，并通過單片機(jī)對傳感器傳回來的信號進(jìn)行相應(yīng)的操作。在測試過程中我們對單片機(jī)有了更進(jìn)一步的熟悉并能進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)用。我們學(xué)習(xí)了開發(fā)板上的每一個模塊的功能，