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1、太原工业学院毕业设计(论文)学 位 论 文超声测距汽车倒车雷达的设计作 者 姓 名： 傅红雪 学 科 专 业： 通信工程 学 号： 092027220 指 导 教 师： *副教授 完 成 日 期： 2013-06-15 太原工业学院Taiyuan Institute of TechnologyI太原工业学院毕业设计(论文)37诚信申明本人申明：本人所提交的毕业设计（论文）超声测距汽车倒车雷达的设计的所有材料是本人在指导教师指导下独立研究、写作、完成的成果，设计（论文）中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果，均真实可靠；有关教师、同学和其他人员对我的设计（论文）的写作、修订提出过并为我
2、在设计（论文）中加以采纳的意见、建议，均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。特此申明。本人签名： 2013年06月15日毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 超声测距汽车倒车雷达的设计 系部： 电子工程系 专业： 通信工程 学号： 092027220 学生： 傅红雪 指导教师（含职称）： *(副教授) 专业负责人： * 1设计（论文）的主要任务及目标随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超
3、声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求。现阶段声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新
4、的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。主要任务：提高超声波测距精度，减小测量盲区和扩大应用范围。目标：通过超声波的发送和接收的时间差侧得距离，通过LED显示测得的距离。利用超声波的指向性强、能量消耗慢、传播距离远等特点设计实现生活中很多场合如汽车倒车、机器人避障、工业测井、水库液位测量等需要自动进行非接触测距的工作2设计（论文）的基本要求和内容基本要求：1）进行方案分析论证，原理综述，方法拟定。2）进行器件选择，电路设计与制作工作并进行系统联调.内容：了解超声波测距仪的原理；根据超声波测距仪原理设计出超声波测距仪的硬件结构电路；对设计的电路进行分析能够产生超声波，实现超声波的发送和接收，
5、从而实现利用超声波方法实现测距；编写主程序和中断服务程序；以数字的形式显示测量距离；总体分析设计方案。3主要参考文献1 张永瑞. 电子测量技术基础M. 西安电子科技大学出版社, 1994.2 汪德彪. MCS - 51单片机原理及接口技术M. 电子工业出版社, 2007.3 徐英慧,等. ARM 嵌入式系统设计基于S3C2410与LinuxM. 北京航空航天大学出版社, 2007.4 孙琼. 嵌入式Linux应用程序开发详解M. 人民邮电出版社, 2006.5 马忠梅,李善平,等. ARM&Linux嵌入式系统教程M. 北京航空航天大学出版社, 2004.6 王其民. Linux实务操作及程序
6、应用M. 中国青年出版社, 2001.7 张谦琳.超声波检测原理和方法.北京：中国科技大学出版社，1993.108 九州.放大电路实用设计手册.沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.59 樊昌元，丁义元. 高精度测距雷达研究.电子测量与仪器学报，2000.1010 苏伟，巩壁建.超声波测距误差分析.传感器技术，2004.11 永学等.1-Wire总线数字温度传感器DS18B20及应用.电子产品世界，2003.1212 胜全.D18B20数字温度计在微机温度采集系统中的序编制. 南京：南京大学出版，1998. 313 M.Toda.Cylindrical PVDF film Transmitter
7、 and Receivers for Air Ultrasound.IEEE trans Ultrasonic? Ferroelect，Freq.ContL，200214 E.Maioneetal.TransducerDesign for Portable Ultrasound Enhanced TransdermalDrug-Delivery System.IEEE Trans.Ultrasonic Ferroelect.，Freq.Contr.，200215 HongjiangHe Jianyi Liu.The Design of Ultrasonic Distance Measureme
8、nt System Based on S3C2410C.2008 International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation16 WKappes, B Rockstroh, F Walte. Ultrasonic Testing Station for Wheel-Sets of Passenger Trains of the Deutshe Bahn AG.Insight.2001,43(11):751 -75317 M.Parrilia, J: J. Anaya, C. Fritsch. Dig
9、ital signal processing techniques for high accuracy Ultrasonic range measurementsJ, IEEE Trans on Instrumentation and Measurement, Aug. 2002:759-7634进度安排设计（论文）各阶段名称起 止 日 期1超声波测距的基本理论及测量方案3.43.242超声波测距系统的硬件设计3.254.203超声波测距系统的软件设计4.215.154测距系统实验与误差分析5.166.85结论与展望6.96.20超声测距汽车倒车雷达的设计摘要本设计采用超声波测距，可用作汽车泊
10、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、超声波发射接收子程序、距离计算子程序及显示子程序等部分组成。本设计由AT89C2051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、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
11、，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：AT89C2051，超声波，数码管，汽车倒车The design of the car reversing radar AbstractThis design uses the ultrasonic ranging, can be used for car parking safety auxiliary devices, to sound and more ocular LED display told the driver of the car around obstacles, lifting the driver in the p
12、arking and starting vehicles around when visiting caused the trouble, and help eliminate the vision blind Angle and the driver of sight fuzzy defects, improve the safety car parking.The design of hardware mainly by single-chip microcomputer control circuit, ultrasound circuit, ultrasonic receiving c
13、ircuit, digital circuit, the pipe display circuit and alarm circuit composition, the software of mainly by the main program, ultrasound receiving interruption program, distance subroutines and display subroutines components. This design by single chip microcomputer AT89C2051 control time count, the
14、calculation to receive from launch ultrasonic round-trip time, use of ultrasonic transmission speed in the air, so as to get the distance. The design of the circuit design simple, reasonable stable and good performance, test speed, simple calculation, easy to do real-time control, and in the measure
15、ment error can achieve simple industrial practical requirement.Keywords: AT89C2051 ，Ultrasonic，Digital tube，Automobile reverse目 录1.绪论11.1课题研究背景及目的11.2课题国内外研究状况11.3系统整体方案的设计与论证32.超声波基本发展史及原理52.1超声波发展简史52.2超声波的应用62.3超生波测距方法93.系统整体设计113.1系统整体设计框图113.2硬件选型113.2.1超声波探头的中心频率及主要参数113.2.2单片机的选择133.2.3其他元器件的
16、选择144.硬件电路设计154.1单片机外围电路设计154.2超声波发射电路设计154.3超声波接收电路设计164.3.1CX2016A简介164.3.2超声波接收电路184.4LED显示电路194.5报警电路设计205.软件系统设计225.1 程序完成的功能225.2 编程语言的选择225.3 主要部分程序流程图.235.4 实现重要功能的程序的分析.23 5.4.1实现温度读取功能.23 5.4.2实现根据温度转化声速.24 5.4.3实现距离计算.25 5.4.4 主函数的结构与内容.256.仿真.287.结论31参考文献.32致谢.34附录.351绪论1.1课题研究背景及目的随着科学技
17、术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术水平来说，可以被人类很好掌握的测距方法还为数不多，因此，超声波测距就成为一个逐步蒸蒸日上而又有巨大潜力的技术手段及应用领域。对未来做合理预测，超声波测距仪将成为一种崭新的极其实用的测距仪器，在很多领域都将有很大的发展空间，更加高定位高精度将成为其方向发展，以满足日益发展的社会需要，如倒车雷达，工地及工业现场，声纳探测等方面都有其广泛的应用，经济，军事，文化方面都有重要的应用价值。毋庸置疑，未来的超声波测距仪将于自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪从具有单纯判断动能，发展到具有学习功能，
18、最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。随着社会飞速发展，人们生活水平的不断提高，汽车愈来愈成为人们不可缺少的最常用的交通工具，交通安全问题变的日益严重。而通过研究汽车倒车雷达系统，可以达到很高的采集速率和精度。汽车倒车时可以检测车辆后面的障碍物、并显示其距离，至危险区域后会自动报警。本设计综合了电子技术、计算机技术、数据处理技术等知识，设计利用单片机控制的汽车倒车雷达超声波测距系统，实现汽车倒车的安全保障，这就是我设计的意义。1.2课题国内外研究状况我国倒车雷达从2000年开始起步，从最初只是法拉利、保时捷等高档车的专属配置，到今天成为许多经济型轿车的常用配置。
19、历经十多年的探索发展，共计有六代的技术改良发生，根据其“性能价格”和“结构外观”，这几代产品分别有以下特点第一代：倒车时通过喇叭提醒。“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
20、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。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，
21、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
22、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、英国、德国等发达国家的此项技术远远领先于其他国家。汽车信息化技术研究在这些国家发展较早，更何况又在在微电子、半导体领域同样具备很多优势。所以，车载电子设备在这些国家或地区已经达到了相当高的水准，已经相当程度的普及了高科技车载电
23、子设备。汽车工业的快速发展对辅助倒车领域产生立极大影响，很多国家已经出现了停车入位导航设备。奔驰车厂已经在使用雷达探测技术来辅助驾驶员更快捷更安全地停车入库。经过路线上的停车空位可以被导航雷达探测器准确的探测出，同时向驾驶者发出signal。此时，探测器可以为驾驶者显示出合理空位。纵观完整停车过程，驾驶者换到倒档后，导航装置会从头到尾地监测汽车的角度和位置。倘若驾驶员暂停倒车，导航系统也可以重新计算出新的最佳停车角度与路线。在日本，斯巴鲁公司研发的导航系统已经完全做到可以准确地自动停车。在导航系统确认一个合理的停车位以后，只要驾驶者切换到倒档，仪表盘就会开始显示汽车背部的摄像装备传送过来的汽车
24、后面的图像。这时，驾驶员只需要确认导航系统提供的停车位置。这以后，就能够松开刹车、方向盘，保持合理的速度。由这里开始，停车过程便由配备了超声波雷达和摄像头的停车导航系统完全控制。倘若驾驶者想要暂停停车程序，就只需踩下脚刹就可以实现中断。并且现在某些高档车上已经开始逐步安装使用这款装置。1.3系统整体方案的设计与论证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。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，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。本设计属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现
25、。利用超声波测距原理，测量汽车倒车时的安全距离，当车辆与后方车辆的距离小于安全距离时，发出声光报警，并显示车辆与后方车辆的距离，提醒驾驶员及时采取减速、制动等措施，从而达到避免车辆与后方车辆的碰撞等事故。整个系统由超声波发射、超声波接收、51单片机控制系统、距离显示等设备组成。 “利用超声波的发射和接受” 是超声波测距的原理，距离=超声波传播时间*超声波速度。可被实际应用的超声测距方法一般有两种：一种是发射波抵达物体后，然后被反射回来后再接收的反射波方式，常应用于测距仪；另一种是在被测距离的两端，一端发射，一端接收的直接波方式。本设计采用第一种方法。超声波传感器的选择决定了测距仪的分辨率。超声
26、波传感器是一种采用压电效应的传感器，经常使用的材质是压电陶瓷。因为超声波在空气中传播时会有一定程度的衰减，衰减的程度与频率的高低是正相关关系；而频率高分辨率也高，所以短距离测量时应该选择频率高的传感器，但是长距离的测量时应该使用低频率的传感器。2超声波基本发展史及原理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
27、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，终于弄清了蝙蝠“超声定位”的原理原来，蝙蝠通过喉部器官发出人听不见的“超声波”，这种“波”沿着直线传播，根据反射原理，同样可以极快的反射过来。蝙蝠再用耳朵接收这种“超声波”，就能迅速做出判断，完成满足自身要求的各种活动。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
28、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，由于电子学的发展，人们可以应用一些材料的“压电效应”和“磁致伸缩效应”制造各种“机电换能器”。1917年，法国物理家朗之万利用天然压电石英制作成功了“夹心式超声换能器”，并成功地将其应用于水下探测潜艇。伴随着超声应用在国民经济、军事各部门中的不停发展，又出现更大、性能更好的超声功率的磁致伸缩换能器，还出现了各种种类不同用途的电动型、电磁力型、静电型等多种“超声换能器“。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
29、位置等。40年代末期超声波治疗在欧美兴起，直到1949年召开的首届国际医学超声波学术会议上，才第一次出现了超声治疗方面的学术交流，为超声治疗学的发展奠定了较为系统的理论基础。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。直到1956年第二次国际超声医学学术会议上才有更多有新见解的论文发表，超声治疗才真正进入到实用成熟阶段。材料科学的发展，使得应用频率非常高的压电换能器也由最初的天然压电晶体发展到价格低廉、性能优越、机电耦合系数高的塑料压电薄膜(PVDF)、压电陶瓷、压电半导体以及人工压电单晶等。产生和检
30、测超声波的频率，也由几十千赫上升到上千兆赫。产生和接收的波型也由最初单纯的纵波发展扩大为扭转波、横波、表面波、弯曲波等。例如频率为几十兆赫至上千兆赫的微型表面波都已成功地应用于成像技术、电子通信和雷达等方面。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。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。
31、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，通过精确测量超声波在材料中传播的时长来确定被测材料的厚度。超声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，根据发射到接收的时间长短计算出障碍物到发射点的距离长短。超声测
32、距主要应用场合有：工业现场、建筑工地、倒车入库等的距离长短测量，虽然当前的测距量程上能达到百米数量级，但是测量的精度却仅能达到厘米。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术，把由换能器发出的超声波经过声透镜聚焦到不透明的试样上面，从试样透射出的超声波携带了被照射部位的信息（如对声波的吸收、散射和反射的能力大小），经声透镜汇集到压电接收器上，然后将电信号输入至放大器，应用扫描系统可以把不透明试样的形象显示到荧光屏上。上面所描述的装置叫做超声显微镜。超声成像技术已经在医疗检查方面获得非常广泛的应用，在微电子器件制造业中用来对LSI进行检测，在材料科学中用于显示合金中晶粒间界和不同组分的区域等
33、信息。“声全息术”是应用超声波干涉原理记录和重现不透明物的立体图像声成像技术，它的原理和光波的全息术基本原理一样，不同的地方是两者的记录手段不同。 (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
34、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
35、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
36、，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
37、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
38、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
39、了超声学是在不断地向前发展着。2.3超生波测距方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=340t/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
40、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。这就是超声波测距仪的基本原理。如图2-1所示： T超声波发射 障碍物 S H 超声波接收图2-1 超声波测距仪基本原理 （2-1） （2-2）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: (2-3)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（22）、
41、（23）代入（2-1）中得： (2-4)cos2HarctgvtH=L1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(24)变为: (2-5) vtH2=1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系统整体设计3.1系统整体设计框图本设计以AT89C51单片机为核心，通过扫描按键的状态，由声波换能器TCT40-16TR1发出40KHz的超声波方波信号，有定时器T0产生方波驱动信号，同时，启动计数器T1，用来计数，也就是测算方波发射到接收所需要的时间。经障碍物反射后由超声波接收换能器接收反
42、射信号，经放大电路放大后，由P1.7来接收超声波反射信号，当接收到该信号后，关闭计数器T1，记下此时的时间，转入执行计算距离子程序，由子程序计算距离，并启动LED显示其数值，同时，当到达危险距离时发出滴答滴答的响声。整个系统结构框图如图3-1所示：超声波发射器放大电路超声波接收器放大电路锁相环检波电路定时器单片机控制显示器图3-1 系统结构框图3.2硬件选型3.2.1超声波探头的中心频率及主要参数一、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。中心频率越高，测距越短，而分辨力越高。常见超声波传感器的中
43、心频率有30KHz、40KHz、75KHz、200KHz、400KHz等。本设计采用40KHZ的探头TCT40-16T/R。（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-20到+70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。TCT40-16T/R的性能指标如表3-1所示：表3-1 TCT40-16T/R性能指标型号T40-16TT40-16R功能发射接收中心频率40khz（2.5%误差）40khz（2.5%）声压114dBmin灵敏度68dBmin电容2500pf（20%）2500pf（20%）最大电压20v20v指向性60（25%）60