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人們可以聽到的聲音的頻率為20Hz~2KHz，也就是可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，20KHz以上的聲音稱為超聲波（Ultrasound），一般說(shuō)話的頻率范圍是10Hz-8KHz。超聲波方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，超聲波因其頻率下限大約等于人的聽覺(jué)上限而得名。
超聲波頻率分布
超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。超聲波在介質(zhì)中傳播的波形取決于介質(zhì)可以承受何種作用力以及如何對(duì)介質(zhì)激發(fā)超聲波。 通常有如下三種: 當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向一致時(shí)，此超聲波為縱波波型。任何固體介質(zhì)當(dāng)其體積發(fā)生交替變化時(shí)均能產(chǎn)生縱波。在工業(yè)中應(yīng)用主要采用縱向振蕩。 當(dāng)介質(zhì)中質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與超聲波的傳播方向相垂直時(shí)，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質(zhì)除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當(dāng)其有剪切力交替作用于固體介質(zhì)時(shí)均能產(chǎn)生橫波。橫波只能在固體介質(zhì)中傳播。 是沿著固體表面?zhèn)鞑サ木哂锌v波和橫波的雙重性質(zhì)的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成, 振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長(zhǎng)深處振幅最強(qiáng)，隨著深度的增加很快衰減，實(shí)際上離表面一個(gè)波長(zhǎng)以上的地方，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的振幅已經(jīng)很微弱了。 另外，超聲波也有折射和反射現(xiàn)象，并且在傳播過(guò)程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，，一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠(yuǎn)。
利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測(cè)量?jī)x器及裝置，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，并在通訊、醫(yī)療、家電、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等各方面得到廣泛應(yīng)用。
能夠產(chǎn)生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應(yīng)方法、磁致伸縮效應(yīng)方法、靜電效應(yīng)方法和電磁效應(yīng)方法等。當(dāng)給壓電晶片兩極施加一個(gè)電壓短脈沖時(shí), 由于逆壓電效應(yīng)，晶片將發(fā)生彈性形變而產(chǎn)生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關(guān), 適當(dāng)選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波, 即超聲波。此種方式發(fā)射出的是一個(gè)超聲波波包，通常稱為脈沖波。超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要應(yīng)用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、及機(jī)器人自動(dòng)避障行走、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)例如：液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。
目前有兩種常用的超聲波測(cè)距方案。一種是基于單片機(jī)或者嵌入式設(shè)備的超聲波測(cè)距系統(tǒng)，一種是基于CPLD(Complex Programmable Logic Device)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。
如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用第一種方案，利用嵌入式設(shè)備編程產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，經(jīng)過(guò)發(fā)射驅(qū)動(dòng)電路放大，使超聲波傳感器發(fā)射端震蕩，發(fā)射超聲波。超聲波經(jīng)發(fā)射物反射回來(lái)，由傳感器接收端接收，再經(jīng)過(guò)接收電路放大、整形。以嵌入式微核心的超聲波測(cè)距系統(tǒng)通過(guò)嵌入式設(shè)備記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和反射波的時(shí)間。當(dāng)收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)跳變。通過(guò)定時(shí)器計(jì)數(shù)，計(jì)算時(shí)間差，就可以計(jì)算出相應(yīng)的距離。
圖1 超聲波測(cè)距原理
超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。首先，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間T秒，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離L，即：L= C×T /2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。
由于超聲波也是一種聲波，其聲速 C 與溫度有關(guān)，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?nbsp;
表1 超聲波波速與溫度的關(guān)系由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，是作為倒車距離測(cè)量的理想選擇。超聲波為直線傳播，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，這就使得超聲波傳感器的使用變得簡(jiǎn)單。
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(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)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(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)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(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測(cè)手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。
超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構(gòu)成。兩電極間加上一定的電壓時(shí)壓電晶片就會(huì)被壓縮產(chǎn)生機(jī)械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復(fù)原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會(huì)保持一定的頻率振動(dòng)。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)得此型號(hào)壓電晶片的固有頻率為38.4 KHz，則在兩極外加頻率為40 KHz的方波脈沖信號(hào)，此時(shí)壓電晶片產(chǎn)生共振，向外發(fā)射出超聲波。同理，沒(méi)有外加脈沖信號(hào)的超聲波傳感器在共振板接收到超聲波時(shí)也會(huì)產(chǎn)生共振，在兩極間產(chǎn)生電信號(hào)。
超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測(cè)作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個(gè)探頭反射、一個(gè)探頭接收）等。
超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個(gè)探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)，包括： 工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時(shí)，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時(shí)診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長(zhǎng)時(shí)間地工作而不產(chǎn)生失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨(dú)的制冷設(shè)備。 主要取決于制造晶片本身。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。如圖2所示，HC-SR04模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，能和國(guó)外的SRF05、SRF02等超聲波測(cè)距模塊相媲美。模塊高精度，盲區(qū)(2cm)超近，最大識(shí)別距離為300cm。
圖2 HC-SR04模塊實(shí)物圖
如圖3所示，系統(tǒng)的工作是由軟件和硬件的配合過(guò)程。先由嵌入式微處理器使555使能端置1，繼而555送出40KHz頻率的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)壓電換能器（超聲波發(fā)射頭）將信號(hào)發(fā)射出去，即發(fā)射超聲波，同時(shí)該時(shí)刻啟動(dòng)定時(shí)器開時(shí)計(jì)時(shí)。該信號(hào)遇到障礙物反射回來(lái)在此稱為回波。同時(shí)，壓電換能器（超聲波接收頭）將接收的回波及接收超聲波,通過(guò)信號(hào)處理的檢波放大，通過(guò)三級(jí)放大后再送到比較器進(jìn)行比較，輸出比較電壓，輸出電壓經(jīng)過(guò)三極管以后，使之電壓與嵌入式微處理器的I/O口相匹配最后送至處理器處理。 
圖3 超聲波測(cè)距原理框圖
（2）產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域 機(jī)器人避障、物體測(cè)距、液位檢測(cè)、公共安防、停車場(chǎng)檢測(cè)。
（3）主要技術(shù)參數(shù) 
（4）接線方式及工作原理 接線方式：VCC、trig(控制端)、 echo(接收端)、 GND。
如圖4所示，超聲波傳感器基本工作原理如下：
采用IO口TRIG觸發(fā)測(cè)距，給大于10us的高電平信號(hào)；
模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波,自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；
有信號(hào)返回，通過(guò)IO口ECHO輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2。
圖4 傳感器的方向圖本模塊使用方法簡(jiǎn)單，通過(guò)嵌入式微處理器控制口發(fā)一個(gè)10us以上的高電平，啟動(dòng)超聲波傳感器模塊發(fā)出8個(gè)40KHz的周期電平。然后開啟定時(shí)器，再延時(shí)100us左右以避免發(fā)射探頭的余振的干擾。接著通過(guò)在while循環(huán)中查詢外部中斷是不是已經(jīng)捕獲到回波信號(hào)，一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)。回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到接收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔就可以計(jì)算得到距離。
如圖5 所示為超聲測(cè)距模塊的時(shí)序圖，根據(jù)時(shí)序圖，可以知道，回響信號(hào)的高電平就是我們用來(lái)測(cè)量距離的重要指標(biāo)，通過(guò)距離與速度和時(shí)間的關(guān)系，從而求得相應(yīng)的距離。
圖5 超聲測(cè)距時(shí)序圖
一個(gè) 10us 以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出 8次40KHz 周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)，回響信號(hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過(guò)發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)的時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。建議測(cè)量周期為 60ms 以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。
圖6 出了超聲測(cè)距模塊的發(fā)射端電路。  圖7 超聲測(cè)距發(fā)射端電路圖
壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。
集成電路CX20106是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38KHz與測(cè)距的超聲波頻率40KHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路。實(shí)驗(yàn)證明用CX20106接收超聲波(無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。 
圖8 超聲波接收電路
圖10 超聲波收發(fā)電路超聲波傳感器應(yīng)用起來(lái)原理簡(jiǎn)單，也很方便，成本也很低。但是目前的超聲波傳感器都有一些缺點(diǎn)，比如，反射問(wèn)題，噪音，交叉問(wèn)題。
1. 反射問(wèn)題
如果被探測(cè)物體始終在合適的角度，那超聲波傳感器將會(huì)獲得正確的角度。但是不幸的是，在實(shí)際使用中，很少被探測(cè)物體是能被正確的檢測(cè)的。 其中可能會(huì)出現(xiàn)幾種誤差：
1)三角誤差
當(dāng)被測(cè)物體與傳感器成一定角度的時(shí)候，所探測(cè)的距離和實(shí)際距離有個(gè)三角誤差。
2)鏡面反射
這個(gè)問(wèn)題和高中物理中所學(xué)的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發(fā)出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無(wú)法產(chǎn)生回波，也就無(wú)法產(chǎn)生距離讀數(shù)。這時(shí)超聲波傳感器會(huì)忽視這個(gè)物體的存在。
3)多次反射
這種現(xiàn)象在探測(cè)墻角或者類似結(jié)構(gòu)的物體時(shí)比較常見。聲波經(jīng)過(guò)多次反彈才被傳感器接收到，因此實(shí)際的探測(cè)值并不是真實(shí)的距離值。
這些問(wèn)題可以通過(guò)使用多個(gè)按照一定角度排列的超聲波圈來(lái)解決。通過(guò)探測(cè)多個(gè)超聲波的返回值，用來(lái)篩選出正確的讀數(shù)。
(2) 噪音
雖然多數(shù)超聲波傳感器的工作頻率為40-45KHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于人類能夠聽到的頻率。但是周圍環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生類似頻率的噪音。比如，電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生一定的高頻，輪子在比較硬的地面上的摩擦所產(chǎn)生的高頻噪音，機(jī)器人本身的抖動(dòng)，甚至當(dāng)有多個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，其它機(jī)器人超聲波傳感器發(fā)出的聲波，這些都會(huì)引起傳感器接收到錯(cuò)誤的信號(hào)。
這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)對(duì)發(fā)射的超聲波進(jìn)行編碼來(lái)解決，比如發(fā)射一組長(zhǎng)短不同的音波，只有當(dāng)探測(cè)頭檢測(cè)到相同組合的音波的時(shí)候，才進(jìn)行距離計(jì)算。這樣可以有效的避免由于環(huán)境噪音所引起的誤讀。
(3)交叉問(wèn)題
交叉問(wèn)題是當(dāng)多個(gè)超聲波傳感器按照一定角度被安裝在機(jī)器人上的時(shí)候所引起的。超聲波X發(fā)出的聲波，經(jīng)過(guò)鏡面反射，被傳感器Z和Y獲得，這時(shí)Z和Y會(huì)根據(jù)這個(gè)信號(hào)來(lái)計(jì)算距離值，從而無(wú)法獲得正確的測(cè)量。
解決的方法可以通過(guò)對(duì)每個(gè)傳感器發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行編碼。讓每個(gè)超聲波傳感器只聽自己的聲音。 本實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)距程序完成超聲波發(fā)射的控制、超聲波回波信號(hào)的檢測(cè)和距離的計(jì)算、左右距離的比較，并顯示。
首先由發(fā)射程序發(fā)射10us的高電平觸發(fā)信號(hào)，控制超聲波發(fā)射器發(fā)射8個(gè)40KHz的方波。發(fā)射器發(fā)射完信號(hào)，接收器回波電平將拉高。然后開啟定時(shí)器，例如在定時(shí)器輸入頻率為f=12MHz，進(jìn)行N=8分頻后每個(gè)計(jì)數(shù)周期為 。再延時(shí)100us左右以避免發(fā)射探頭的余振的干擾，然后通過(guò)在while循環(huán)中查詢外部中斷是不是已經(jīng)捕獲到回波信號(hào)，然后獲得計(jì)時(shí)器計(jì)數(shù)值count，計(jì)算距離值。去掉多余的計(jì)數(shù)誤差后 。
打開工程Distance，修改Main.c中的內(nèi)容如下。/*********************頭文件及定義*************************/ for(i=0; i<1000; i++);="" //="">}void delay10us(uint32 dly) for(i=0; i<160; i++);="" //="">}void ClearRect(int index) drawrect(0,12,128,16,0x2345); drawrect(0,40,128,48,0x2345); drawrect(0,100,128,48,0x2345);{
drawrect(0,0,128,12,0x0000); drawrect(0,12,128,16,0x2345); drawrect(0,28,128,12,0x0000); drawrect(0,40,128,48,0x2345); drawrect(0,88,128,12,0x0000); drawrect(0,100,128,48,0x2345); drawrect(0,148,128,12,0x0000); IO1DIR &=~(1<16); ioz/a=""> PINSEL3=PINSEL3 & 0x00000000; IO1DIR=IO1DIR|0x05700000; DispAscStr(0,12,' ',2,&xpos,&ypos); DispChnStr(xpos,ypos,'超聲模塊測(cè)試',6,&xpos,&ypos); ClearRect(2);
/*******************超聲波測(cè)距************************/ T0CTCR=0; //定時(shí)器模式，檢測(cè)PCLK邊沿 T0TCR=0x01; //計(jì)數(shù)器使能、計(jì)數(shù)器復(fù)位 sndBuf[2]= distance /10000+'0'; //萬(wàn) sndBuf[3]= distance %10000/1000+'0'; //千 sndBuf[4]= distance %1000/100+'0'; //百 sndBuf[5]= distance %100/10+'0'; //十 sndBuf[6]= distance %10+'0'; //個(gè) DispAscStr(0,40,sndBuf,9,&xpos,&ypos); /*****************************************************/本實(shí)驗(yàn)?zāi)７碌管?，?dāng)距離小于20cm時(shí)，提示司機(jī)注意安全倒車距離，大于安全距離時(shí)顯示距離障礙物的距離。修改Main.c中的代碼如下： //模仿倒車，當(dāng)距離小于20cm時(shí)發(fā)出警告，并顯示當(dāng)前距離值
利用聲速、傳播時(shí)間、傳播距離的關(guān)系，模仿實(shí)驗(yàn)條件，簡(jiǎn)單的測(cè)出實(shí)驗(yàn)環(huán)境下的聲速的大概值。
例如在NXP實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)板定時(shí)器輸入頻率為f=12MHz，進(jìn)行N=8分頻后每個(gè)計(jì)數(shù)周期為 ，假設(shè)超聲波聲速為c，則由 ，可知 。
本實(shí)驗(yàn)?zāi)７伦詣?dòng)門的功能。初始時(shí)，門關(guān)閉。當(dāng)有人到達(dá)門前，原有的距離被改變，當(dāng)人與測(cè)距器的距離達(dá)到臨界值時(shí)(例如距離小于50cm)，打開自動(dòng)門。否則，認(rèn)為沒(méi)有人員的到來(lái)，關(guān)閉自動(dòng)門。
idx=0;//初始狀態(tài)，門處于關(guān)閉狀態(tài) drawrect(0,40,128,48,0x2345); DispAscStr(0,40,'status:open',11,&xpos,&ypos); else if((distance>50)&&(idx==0)) drawrect(0,40,128,48,0x2345); DispAscStr(0,40,'status:close',12,&xpos,&ypos);3. 你認(rèn)為超聲波測(cè)距模塊可以應(yīng)用于哪些場(chǎng)合？4. 影響超聲測(cè)距模塊精確度的因素有哪些呢？
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