超声波传感器设计报告

重庆三峡职业学院

智能电子产品设计与制作实训报告项目名称超声波传感器

班级13级应用电子技术1班

姓名___________________________

学号___________________________

2014 --2015 学年度2 学期

机械与电子工程系

一超声波传感器简介

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激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。超声波传感器可以对集装箱状态进行探测，可以应用于食品加工厂，实现塑料包装检测的闭环控制系统。超声波传感器对透明或有色物体，金属或非金属物体，固体、液体、粉状物质均能检测。

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，所以它可以分成发送器或接收器。有的超声波传感器既作发送，也能作接收。这里仅介绍小型超声波传感器，发送与接收略有差别，它适用于在空气中传播，工作频率一般为23-25KHZ 及40-45KHZ。这类传感器适用于测距、遥控、防盗等用途。该种有T/R-40-60，T/R-40-12等（其中T表示发送，R表示接收，40表示频率为40KHZ，16及12表示其外径尺寸，以毫米计）。另有一种密封式超声波传感器（MA40EI型）。它的特点是具有防水作用（但不能放入水中），可以作料位及接近开关用，它的性能较好。超声波应用有三种基本类型，透射型用于遥控器，防盗报警器、自动门、接近开关等；分离式反射型用于测距、液位或料位；反射型用于材料探伤、测厚等。

二超声波传感器的组成

超声波传感器是指产生超声波和接收超声波的装置，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器利用压电晶体的压电效应和电致伸缩效应，将机械能与电能相互转换，并利用波的传输特性，实现对各种参量的测量，属典型的双向传感器。因此，超声波传感器由发射传感器（简称发射探头）和接收传感器（简称接收探头）两部分组成，如图6-3所示。

图6-3 超声波传感器的组成

三超声波传感器的工作原理

人们能听到声音是由于物体振动产生的，它的频率在20HZ-20KHZ范围内，超过20KHZ 称为超声波，低于20HZ的称为次声波。常用的超声波频率为几十KHZ-几十MHZ。

超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，有两种形式：横向振荡（横波）及纵向振荡（纵波）。在工业中应用主要采用纵向振荡。超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。另外，它也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHZ，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，并在通讯，医疗家电等各方面得到广泛应用。

四硬件电路设计

我们设计的超声波测距系统由74LS04发射模块，CX20106A接收模块，数码管显示和AT89C51单片机构成。

五硬件电路分析

接收电路

接收电路中2脚与地之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R1或减小C1,将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C1的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R2=4.7Ω，C1=1μF。

3脚与地之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间响应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3μf。 5脚中R4用于设置中心频率，R4=200k是，f0=38KHz，阻值越大中心频率越低。6脚与地之间接一个积分电容，标准值为330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。

六软件设计

系统程序流程图如图所示：

工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完12个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。

七结论

本课题介绍了一种基于单片机的超声波测距系统的原理和设计。对超声波测距传感器的硬件和软件进行设计。超声波传感器是本系统的核心器件，本论文详细地介绍了超声波传感器的原理、结构、检测方式以及它的一些特性。深入地了解超声波传感器的工作原理，更好的进行设计测距电路。单片机是本系统的控制部分，采用Atmel公司生产的STC89C52芯片。驱动超声波传感器的40kHz的方波信号，就是由单片机编程产生的。本系统的发射电路采用74LS04，通过它对单片机产生的方波信号进行放大，以驱动传感器工作。接收电路采用CX20106A芯片，通过接收电路对接收到的信号进行放大和整形，最终再输出负脉冲给单片

机响应中断程序。本系统的数码管显示部分采用的是静态扫描方式，利用单片机进行软件译码。软件代码采用C语言编程，主要包括主程序、延时1s子程序以及显示子程序等，测距传感器主要实现方波信号的接收和发送、时间差的读取、距离的计算以及显示输出的译码等功能。本课题所设计的超声波测距系统具有测量精度较高、速度快、控制简单方便等优点。测距系统在许多工业现场和自动控制场合，都有很重要的作用。但由于经验不足，电路硬件、软件部分都有不够完善的地方，在今后的学习中会进一步改进。总体来说，最重要的是在本课题的设计过程中我学到了很多知识，从中受益匪浅。了解了超声波传感器的原理，学会了各种放大电路的分析、设计，也掌握了单片机的开发过程和利用单片机设计电路的方法。对一块电路板的设计、焊板、调试、改进等整个过程，有了更深入的理解和掌握。这些对我今后的学习和工作都会有很大帮助的。