超声波的原理是什么啊？

　　我们把频率高于20KHz的声波称为超声波，超声波具有良好的方向性和穿透能力，特别是在水中，传播距离更远。无论是在军事上、农业上还是在生活中都有广泛的应用，可以用来测速度、测距离、消毒杀菌、清洗、焊接等。
　　人耳能听到的超声波频率范围大概是20Hz-20KHz，超声波的频率大于人类听觉上限，因此叫做“超声波”。
　　超声波与普通声波一样，也具有反射、折射、衍射、散射等特点，但是超声波的波长较短，有的是几厘米，低至千分之几毫米。波长越短，声波的衍射特性就越差，可以在介质中稳定地进行直线传播，因此波长较短的超声波具有很强的直线传播能力。众所周知，声音在空气中传播时，会推动空气中的粒子振动做功，而声波功率的大小表示声波做功快慢，在相同环境下，声波的频率越高功率就越大。超声波的频率大于20KHz，因此超声波的功率较高。
　　超声波主要有两个参数：
　　频率：F≥20000Hz（通常把F≥15000Hz的声波也称为超声波）；
　　功率密度：p=发射功率（W）/发射面积（cm2）；通常p≥ 举报，一经查实，本站将立刻删除。

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1、应用电子技术专业毕业论文-基于单片机的汽车倒车测距仪的设计 摘 要 本文利用超声波传输中距离与时间的关系采用AT89C51单片机进行控制及数据处理设计出了能精确测量点间距离的超声波测距仪,利用所设计出的汽车倒车测距仪，能比较精确测量车后障碍物距离。在分析国内外单片机汽车倒车测距仪相关技术的根底上，结合最新研究成果，对基于超声波测距的倒车测距系统的研制进行了深入探讨和研究。该系统分为测距模块、系统控制模块和显示报警模块，并分别对其进行方案分析，构建了单片机汽车倒车测距仪构架和设计方案,在硬件电路中，详细阐述了运用单片机技术实现的可视倒车预警系统的测距实现原理，分析了以单片机为主控单元的系统硬件和

汽车倒车测距仪的硬件设计94.1 设计的思路 94.2 设计的重点与难点 .94.3硬件设计的根本原理及原理图95 超声波汽车倒车测距仪软件设计.145.1 主程序编制及流程图 .165.2 中断效劳程序的流程图及编制.165.3 显示距离

7、子程序和延时子程序. 175.4信号处理程序185.5程序中有关存储器，存放器及标志位的内容及用途21结论 23致谢 . 25参考文献.261 绪论汽车倒车测距仪能测量并显示车辆后部障碍物离车辆的距离,同时用间歇嘟嘟声报警,间歇时间随障碍物距离缩短而缩短。驾驶员不但可以直接观察被显示的距 离,还可以用听觉判断车后障碍物距离的远近。特别适用于长车身车辆倒车。仪器共有三局部组成:监控器、接线盒与探测器。监控器由单片计算机为核心的集成电路组成,发射,并接收频率稳定的40kHz超声波,根据发射信号与回波信号之间的时间差计算障碍物与车辆后部的距离。监控器安装在驾驶室驾驶员便于观察的位置,面板上有3位LE

8、D数码管显示器,清晰悦目,小数点固定在第一位数后, 显示单位精确到厘米。接线盒包括电器盒主体，电器盒主体内设有电器插座，所述电器插座与电器盒主体。由于本实用新型中电器插座与电器盒主体之间为拆分式结构连接，根据车型需要，当汽车的电气电路或电气连接变更时，不用重新开发电器盒模具，只需拔掉电器插座，在其空位上安装另一个不同结构的电器插座，快速便捷。探测器是用来探测汽车后障碍物离车距离及时反响给电路，保证倒车平安性。利用超声测距技术与单片机设计制作出超声波汽车倒车测距仪。该系统在常见的汽车倒车预警装置的根底上采用计算机控制技术和超声波测距技术，通过显示障碍物与汽车的距离并根据其距离远近实时发出报警，解

9、除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，提高了驾驶平安性。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的本钱很高，并且显示距离也比较困难，操作使用也不是很方便，而本设计研究的测距器本钱低廉，性能优良，市场前景极为广阔，对提高我国汽车工业实际水平，具有较大的时间意义，在整个倒车过程中自动测量车尾到最近障碍物的距离，并用数字显示出来，在倒车到极限距离时会发出急促的警告声，提醒驾驶员注意刹车。本设计可有效的减少和防止那些视野不良的大型汽车如冷藏车、集装箱车、垃圾车、食品车、载货车、公共汽车等倒车交通事故，另外还特别适用于夜间辅助倒车、倒车入库以及进入停车场停车到位，甚至

10、还能防止盗贼扒车。 近年来随着科技的飞速开展，单片机的应用正在不断深入，同时带动传统控制检测技术更新快。在自动控制的单片机应用系统中，单片机往往作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，应根据具体硬件结构软硬件结合，加以完善。2 超声波传感器的介绍2.1 超声波传感器的概述2.1.1 超声波传感器的含义 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的鼓励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深

11、度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。2.1.2 超声波传感器及其测距原理 超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换，发射超声波；而在收到回波的时候，那么将超声振动转换成电信号。超声波测距的原理一般采用渡越

12、时间法TOF。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离测量距离的方法有很多种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以到达毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也能到达要求。 超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产

13、生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。2.2 超声波传感器的特点 超声波传感器实质上是一种可逆的换能器。一方面，它将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波;另一方面，它又将接收的超声波能量转变为电振荡。因此超声波传感器可分为发送器及接收器。典型的产品是在空气中传播的小型超声波传感器。2.3 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、热的、电磁的和化学的超声效应，包括以下4种效应：1.机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时 ,悬浮在流

14、体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处，在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时，由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化见电介质物理学和磁致伸缩。2.空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡 。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压，压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和，而从液体逸出，成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开成一空洞，称为空化。空洞内为液体蒸汽或溶于液体的另一种气体，甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压，同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩

15、擦可形成电荷，并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。3.热效应。由于超声波频率高，能量大，被介质吸收时能产生显著的热效应。4.化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反响。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢；溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸；染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后，特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收，这说明空化作用使分子结构发生了改变 。2.4 超声波传感器的

16、应用1.超声波距离传感器技术的应用 超声波传感器包括三个局部:超声换能器、处理单元和输出级。首先处理单元对超声换能器加以电压鼓励,其受激后以脉冲形式发出超声波,接着超声换能器转入接受状态,处理单元对接收到的超声波脉冲进行分析,判断收到的信号是不是所发出的超声波的回声。如果是,就测量超声波的行程时间,根据测量的时间换算为行程,除以2,即为反射超声波的物体距离。把超声波传感器安装在适宜的位置,对准被测物变化方向发射超声波,就可测量物体外表与传感器的距离。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射

17、超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回波的时候,那么将超声振动转换成电信号。 2.超声波传感器在医学上的应用 超声波在医学上的应用主要是诊断疾病,它已经成为了临床医学中不可缺少的诊断方法。超声波诊断的优点是:对受检者无痛苦、无损害、方法简便、显像清晰、诊断的准确率高等。 3.超声波传感器在测量液位的应用 超声波测量液位的根本原理是:由超声探头发出的超声脉冲信号,在气体中传播,遇到空气与液体的界面后被反射,接收到回波信号后计算其超声波往返的传播时间,即可换算出距离或液位高度。超声波测量方法有很多其它方法不可比较的优点:1无任何机械传动部件,也不接触被测液体,属于非接触式测量,不怕电磁干

18、扰,不怕酸碱等强腐蚀性液体等,因此性能稳定、可靠性高、寿命长;2其响应时间短可以方便的实现无滞后的实时测量。 4.超声波传感器在测距系统中的应用 超声测距大致有以下方法:取输出脉冲的平均值电压,该电压 其幅值根本固定与距离成正比,测量电压即可测得距离;测量输出脉冲的宽度,即发射超声波与接收超声波的时间间隔 t,故被测距离为 S1/2vt。如果测距精度要求很高,那么应通过温度补偿的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。 3 单片机的介绍3.1 单片机的定义 单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、

19、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。3.2 单片机的特点系统单片机主要有如下特点：1.有优异的性能价格比。2.集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。3.控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运

20、行速度均高于同一档次的微机。4.低功耗、低电压，便于生产便携式产品。5.外部总线增加了I2CInter-Integrated Circuit及SPISerial Peripheral Interface等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。6.单片机的系统扩展和系统配置较典型、标准，容易构成各种规模的应用。3.3 单片机的应用单片机的应用范围很广，在以下各个领域有广泛的应用：1.工业自动化。主要是过程控制技术、数据采集、测控技术和机电一体化技术机器人。2.智能仪器仪表。用于提高仪器的精度和准确度。3.消费类电子产品。主要是家电领域。像洗衣机、电冰箱、空调、电视、微波炉、 、IC卡、汽车

21、电子设备等。4.通信方面。用于调制解调器、程控交换技术以及各种通信设备。5.武器装备。飞机、军舰、坦克、导弹、鱼雷制导、智能武器装备、航天飞机导航系统等都有单片机深入其中。6.终端机外部设备控制。计算机网络终端设备如银行终端以及计算机外部设备，如打印机、硬盘驱动器、绘图机、 机、复印机等，在这些设备中都使用了单片机。7.多机分布式系统。可用单片机构成分布式测控系统，它使单片机进入了一个新的水平。3.4 AT89C51单片机的介绍3.4.1 系统概述AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROM?Falsh Programmable and Erasable Read On

22、ly Memory的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 3.4.2 AT89C51的特点1.与MCS-51

23、存放器区：4个存放器区，每个区有R0-R7八个工作存放器；8位并行输入输出端口：P0、P1、P2和P3；定时/计数器：2个16位的定时/计数器 T0、T1；串型口：全双工串行端口RXD：接收端、TXD发送端；中断系统：设有5个中断源T0、T1、Int0、Int1、ES；系统扩展能力：可外接64K的 ROM 和64K的 RAM；堆栈：设在RAM单元、位置可以浮动通过指针SP来确定堆栈在RAM中的位置系统复位时SP07H；布尔处理机：配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算；指令系统：111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移和布尔操作5大类。3.4.4 AT89C51单片机的引脚

设计的思路本系统的设计思想是采用以AT89C51单片机为核心，来设计一种低本

26、钱、高精度、微型化数字显示超声波测距仪。 超声波测距可测出回波和发射脉冲之间的时间间隔，利用SCt/2就可以算出距离，再在LED上显示出来。当然还可以设置假设干个键，以用来控制电路的工作状态。限制的最大可测距离存有四个因素:超声波的幅度，反射面的质地，反射面和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。 根据设计要求并综合各方面因素，采用AT89C51单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED数字显示，超声波驱动信号可以用单片机的定时器和计数器来完成。4.2 设计的重点与难点本设计的任务是设计一个超声波测距仪，可以应用于汽车倒车位置监控，也

27、可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。测量范围在0.10-4.00m，测量精度1cm，测量时与被测物体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果，能够手工设定报警量值。系统组成的设计：各局部硬件的选取很有讲究，要十分合理。设计的难点是：1超声波信号的接收、发射的设计2显示电路设计3流程图及程序的设计4.3 硬件设计的根本原理及原理图4.3.1 超声波发生器 由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和位测量仪等都可以通过超声波来实现。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到达工业实用的要求，因此在

28、移动机器人研制上也得到了广泛的应用。为了使汽车能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息距离和方向。本文所介绍的超声波测距系统，就是为汽车了解其前方环境而提供一个运动距离信息。为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。4.3.2 压电式超声波发生器 压电式超声波发生器实际上是

29、利用压电晶体的谐振来工作的。，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，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。 4.3.3 超声波发射器根本原理 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：s340*t/

30、2 。这就是所谓的时间差测距法。 超声波在空气中的传播速度与声速相当，约为340m/s.从信号放射到遇障碍物反射接收，有几毫秒至几十毫秒的时间间隔，可以根据这个时间间隔来计算出障碍物到超声波信号发射体的距离。电路框图如图4.1所示。.4 电路原理图 电路如图4.2所示。图为汽车倒车测距仪的电原理图，其中3位数码管用来显示所测距离，由P1口输出8段段码，P2.0-P2.2输出3位位码。P2.6控制倒车指示灯VD1，倒车指示灯VD1亮。其它外围电路分析如下。图4.2 汽车倒车测距仪电原理图140KHZ超声波发射电路 电路如图4.3所示。4011的两个“与非门E,F组成多谐振荡器，调节RP1可调节谐

31、振频率。P2.4口控制多谐振荡器的振荡。P2.4输出高电平时，电路振荡，发射40KHZ超声波；P2.4输出低电平时，停止发射。下列图为超声波发射电路原理图图4.3 40KHZ超声波发射电路2.嘟声音响电路 电路如图4.4所示。4011的另外两个“与非门G,H组成多谐振荡器，谐振频率约为800HZ。P2.5控制多谐振荡器振荡，高电平时发出嘟声，低电平时无声。CPU可根据距离远近控制P2.5输出方波的频率，即控制嘟声的间隙时间。LM386是集成功率放大器，作为功率放大器件，驱动扬声器发声。下列图为嘟声音响电路：3.回波接收电路 电路图如图4.5所示。它接收由障碍物反射回来的超声波。其中，LM324

32、的3个运算放大器A,B,C组成3级回波信号放大电路。其中L1,C9组成选频电路，滤除40KHZ以外的干扰信号。D2、C12组成信号整流滤波电路，将接收到的40KHZ反射波交流信号转化为直流电压信号。LM324的第四个运放D作为电压比较器，将信号直流电压与设定的基准电压比较，当信号电压大于基准电压时，比较器输出正脉冲，V5导通，P0.0接收负脉冲信号，CPU中断，记录发射信号与接收信号之间的时间，并换算为距离。图4.5 回波接收电路5 超声波汽车倒车测距仪软件设计 主程序编制及流程图5.1.1 编制要点及流程图 图5.1为主程序流程图，。开机后先显示“-亮灯并发声约0.5s，表示开始工作。T0用

33、于记录发射至接收的时间间隔t单位为ms。初始化后，程序控制发射40KHZ的超声波信号，发射开始立即启动定时器T0开始计时。发射时间为1ms。CPU接收回波信号后，立即产生INT0中断同时T0立即停止计数。定时器T0专门用于记录CPU发射脉冲信号前沿至回波脉冲信号前沿之间的距离t,由此时间可换算出障碍物的距离，并决定嘟声间隙。可设定T1的定时值，用来控制嘟声间隙时间和闪烁显示时间。考虑到汽车倒车测距精度不高，为了使计算简化，取空气中声速为340m/s,或34cm/ms,那么障碍物距离为dt*34cm/ms/2t*17cm/ms.5.1.2

信号处理首先判断有无回波信号。假设连续4次无回波信号，那么说明车后无障碍物，或障碍物距离较远已超出最大探测距离，此时置闪烁显示“-并发出长嘟声。 由于CPU工作速度比倒车速度快的多，所以不需要每次收到信号后立即显示，收到信号可先存起来，存满4个信号，连同原来显示的信号共五个信号，从中筛选一个正确信号。 考虑到人的视觉

39、特性，假设每取一个信号就更换一次显示，那么显示过快，人眼接受不了，反而认为仪器不稳定。另外，还有一个判断是否需要更换显示值的问题。当障碍物距离小于0.5m时，距离变化1m就要及时更换;当距离在0.51m之间时，假设新值与原显示值之差大于5cm那么更换，否那么不予更换；当距离在12m之间时，假设新老值差大于10cm那么更换；当距离在2m以上时，假设新老值差大于20cm,那么更换，否那么不予更换。不更换那么返回重测。流程图如图5.3:空气中有各种干扰信号，如汽车鸣笛，排气时发出的噪声。这些噪声中含有40KHZ的谐波成分，被放大后可能引起显示干扰。另外，汽车运行特别是刚启动时，电源中也有许多干扰脉冲

40、。因此，除在硬件电路中采取措施外，软件中还要参加抗干扰程序。一般可根据倒车的速度和回波信号脉宽来分析，对接收的信号进行甄别，筛选出正确信号。WORK:JBC 01H,WORK1 ；有回波信号那么转存 DJNZ R3, GORET ；无回波信号那么判别“连续无回波信号次数 MOV R3, #04H ；“连续无回波信号4次那么重置初值 LCALL FLASN

十位显示符存放器42H百位显示符存放器44H 嘟声方波

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