超声波的基本原理范文

关键词电动自行车追尾防撞报警；系统结构；硬件设计；软件设计

中图分类号TP368.1文献标识码A文章编号1674-6708（2011）56-0121-02

AbstractAtpresent,thesecurityproblemsofelectricbicyclesarefollowedwithinterestbyallcircles.Basedontheultrasonicdistancemeasuringtechnical,thispapertakesthesinglechipmicrocomputerofMCS-51seriesascontrolcore;andthevoicewarningcircuitisusedtorealizetherear-endcollisionofelectricbicycles.Finally,thewarningsystemofavoidingtherear-endcollisionbetweenelectricbicyclesisimplemented.Inordertoguaranteecertainaccuracy,thesystemmeasurestheenvironmentaltemperaturebytheDS18B20temperaturesensor,andmodifiescontinuouslytheformulaoftheultrasonicdistancemeasurement.

Keywordswarningtherear-endcollisionofelectricbicycles;thestructureofsystem;hardwaredesign;softwaredesign

0引言

近年来，电动自行车由于价格低廉、污染轻、使用便利等优点，深受广大消费者的青睐。但随着电动自行车的普及使用，相关的交通事故时有发生；其中追尾碰撞占有相当比例，给骑行者及其家庭带来了一定的经济损失，甚至造成生命威胁。

为了减少和避免电动自行车追尾碰撞交通事故的发生，本文基于超声波测距技术，提出并设计了电动自行车追尾防撞报警系统。当本车与前方车辆（物体）之间的距离小于安全距离时，系统将自动发出语音报警，提醒骑行者引起注意，及时采取措施，以保障安全。

需要指出的是，由于实际对系统测距的要求不是很高（一般只要求达到厘米级），同时考虑到电动自行车的技术指标和使用成本[1]，本文提出的电动自行车追尾防撞报警系统实现方案主要本着能用、实用、经济等原则进行设计的。

1系统结构及工作原理

电动自行车追尾防撞报警系统的结构框图如图1所示。

系统工作原理如下：单片机的P1.0口输出频率为40kHz的方波信号，经功率放大后驱动超声波发射器，使之发出同频率的超声波信号[2]，与此同时计数器开始计时。超声波信号遇障碍物反射至超声波接收器，经过放大处理及脉冲整形后得到有效波形，形成中断信号，送入单片机的INT0口，使单片机的INT0产生中断，计数器停止计时，这样就可以得到超

声波从发射到接收的时间间隔t[3]。由超声波测距原理知道，本车与障碍物之间的距离d为：

d=v*t/2（1）

而超声波的传播速度v与环境温度t有关，它们之间的关系为：

v=331.45+0.61t（2）

为了比较准确地计算出本车与障碍物之间的距离d，在系统中安置温度传感器，对环境温度进行实时测量[4]。当d的数值超过系统规定的安全距离大小时，启动语音报警功能，提醒骑行者注意，以便其及时做出处理。

图1电动自行车追尾防撞报警系统结构框图

2系统硬件设计

电动自行车追尾防撞报警系统的硬件结构如图2所示。

图2电动自行车追尾防撞报警系统的硬件结构

整个系统的硬件主要由89C51单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、温度传感器和防撞报警信号电路等五部分组成。各部分功能如下：

1）89C51单片机作为系统的核心硬件，起着关键的作用，主要包括利用定时器溢出中断的方式在P1.0口产生对称的40kHz方波信号、温度信号的接收与超声波传播速度的修正、利用中断方式进行超声波传播计时、本车与障碍物之间距离d的计算处理以及防撞信号报警电路的触发等；

2）超声波发射电路的主要作用是发射40kHz方波信号（超声波），其具体结构如图3所示。该电路接收到来自89C51单片机P1.0口的40kHz方波信号，并将其分成两路，经过74HC04六反相器两次和一次放大，构成推拉式反向放大后，输出到超声波换能器，产生超声波，再将其发射出去[5]；

3）超声波接收电路主要由接收红外检波信号的专用芯片CX20106A实现，其内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和整形输出电路组成。由于CX20106A芯片红外发射频率为38kHz，可以适当设计其电路参数，用于接收40kHz的超声波信号。经过内部电路的一系列工作之后，CX20106A芯片输出中断信号给89C51单片机的INT0脚，说明检测到了由障碍物反射回来的超声波。超声波接收电路的具体实现如图4所示[6]；

图3超声波发射电路

图4超声波接收电路

4）本系统中，温度传感器采用美国DALLAS公司生产的DS18B20数字式温度计。DS18B20采用单总线接口，与89C51单片机的P1.3口相连（见图2）。温度传感器的主要作用就是测量实时的环境温度，以便系统能准确地计算出超声波的实际传播速度，从而提高测距的精度；

5）防撞报警信号电路作为系统功能的执行部分，结构和原理比较简单，这里不再详细叙述。

4系统软件设计

系统软件的设计主要包括如下两个方面：1）40kHz方波信号的产生；2）防撞报警功能的实现。根据实际方案，产生40kHz方波信号的程序作为系统的子程序，而防撞报警功能的实现程序作为系统的主程序[7]。其程序流程图分别如图5、图6所示。

5结论

本系统利用超声波测距技术，以89C51单片机作为核心控制器件，采用语音报警电路，对电动自行车的追尾防撞情况进行语音报警，既实用有效、又经济实惠，基本满足大多数用户需求，有着广阔的应用前景。然而，其参考价格可能一时会成为推广瓶颈。因此，如何进一步改进系统的实现方案，尤其是在硬件设计方面下功夫，真正使用户感受到价廉物美，是今后进一步深入探索和研究电动自行车追尾防撞技术的一个重要课题。

图5系统子程序流程图图6系统主程序流程图

参考文献

[1]叶震涛.电动自行车产品主要技术指标解读[J].监督与选择，2008(6)：25-26.

[2]MatthewI.Hailer,andButrusT.Khuri-Yakub.ASurfaceMicromachinedElectrostaticUltrasonicAirTransducer.IEEETRANSACTIONSONULTRASONICS,FERROELECTRICS,ANDFREQUENCYCONTROL,1996,43(1)：1.

[3]肖炎根.基于超声波的语音测距仪的设计[J].现代电子技术，2008(11)：127-129，132.

[4]罗小燕，谭厚初.超声波测距系统中抗干扰措施的研究[J].江西理工大学学报，2006(12)：67-69.

[5]宋永东，周美丽，白宗文.高精度超声波测距系统设计[J].现代电子技术，2008(15)：137-139.

超声波的基本原理范文篇2

关键词：VB；动画仿真系统；高职；超声检测

目前，高职课堂教学面临着课程学时减少、难度增大、学生文化基础薄弱、缺乏学习兴趣等困难。如何提高课堂教学质量，创新教学方法，是值得深入研究的重要课题。

超声检测是无损检测方向一门十分重要的课程，需要学生在理论基础与操作能力上有透彻的理解和娴熟的应用。由于超声检测的部分理论知识枯燥艰深，课堂教学难以让学生建立感性认识，不容易激发学生的学习兴趣。若建立实验室平台则耗时、耗材。如果对这些重要知识点借助计算机进行仿真教学，不仅方便经济，还可以通过修改参数、变换模型，让学生随时观察到系统模型各变量变化的全过程。这样就使学生的学习过程由感性到理性，学生将更深刻地理解超声检测技术。可以此为基础，调动学生进行模拟仿真学习的积极性与参与性，逐步实施基于工作过程的自主学习型高技能人才培养模式。

目前，可以实现仿真的软件很多，基于VB来编写教学仿真系统相对而言直观、灵活。下面笔者将以A型脉冲反射式超声波探伤、超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射以及超声纵波声场三个知识点为例，介绍VB在超声检测教学中的仿真应用。

A型脉冲反射式超声波探伤

（一）基本原理

在一定重复频率的同步脉冲信号触发下，发射电路以相同的重复频率产生高频高压脉冲信号，该信号激励换能器以相同的重复频率发射同频率的超声波。这种超声波传导于工件中，遇到不连续性（包括工件底面）后产生反射，该反射回波被换能器接收并转换为电信号，经接收、放大后传至显示器的垂直偏转板产生垂直偏转。与此同时，在同步信号的触发下，时基电路以相同的重复频率产生时基信号，给显示器的水平偏转板产生时基扫描线。这样，接收信号的波形便显示于示波屏，根据示波屏上显示信号的位置、高度和特征，可判断不连续性的位置、大小和性质。

（二）仿真系统

探伤平台仿真系统涉及信号发送、超声波工件探伤和接收信号显示三大部分，如图1所示。信号发送部分包括同步信号、时基电路和发射信号三个演示框。探伤平台部分用蓝色实体方框表示被测工件，红色实体方框表示换能器（探头），黄色实体方框表示工件内部缺陷，探头接收到激励信号产生超声波，传播到工件内部进行探伤，同时探头经接收电路将微弱的反射信号进行放大处理在显示器部分演示出来，让缺陷回波信号位置随缺陷埋深的变化而变化。演示平台上还设置了频率、幅值等调节参数，通过这些参数的变化，学生可以更深刻地理解超声检测原理。

程序关键部分是超声波激励信号的模拟演示。笔者引用的激励信号为加窗正弦波信号，表达形式为Vin（t）=A[H阶梯函数。

部分程序如下：

Fori=0.5To8*piSteppi/6000

f1（j）=heavi（i*（10^（-6）））-heavi（i*（10^（-6））-n/（fc*1000））

f2（j）=1-Cos（2*pi*fc*i*（10^（-3））/n）

f3（j）=Sin（2*pi*fc*i*（10^（-3）））

Picture2.DrawWidth=1

Picture2.PSet（（i*30+m*4*pi*80）/Frq，Amp*5*f2（j）*f3（j）*f1（j）*30+Picture2.Height/2），vbYellow

j=j+1

Next

……

（三）教学应用

A型脉冲反射式超声波探伤基本工作原理是较难理解的一个知识点。学生很难把同步信号、时基信号、发射信号等概念以及它们之间的联系掌握清楚。为此，教学可安排在实训室进行，一方面，学生自行演示并操作仿真软件方便理解超声检测设备内部的电路运行情况，另一方面，让学生选择检测系统搭建试验平台，同时在超声探伤仪屏幕上观察检测结果。这样，让学生将软硬件结合，动手操作和学习结合，能极好地调动学生的学习兴趣，使学生深入理解超声探伤基本工作原理，为后续实训操作奠定了基础。

超声波倾斜入射到异质界面的反射和折射

（一）基本原理

当超声波在某一介质中以入射角倾斜入射到异质界面时，将会在界面处发生反射、折射和波型转换，即产生反射纵波和反射横波以及折射纵波和折射横波。入射角与反射角之间以及入射角与折射角之间符合施耐尔定律。通过该定律还可以延伸出临界角的概念。

（二）仿真系统

如图2所示，演示平台中包括参数设置和声波传播演示两部分。参数设置涉及两种异质材料和入射角的选择，确定好异质材料，右侧的信息栏中将显示出两种介质的纵波速度与横波速度，有助于学生对材料信息的了解。一旦调节入射角，用直线条表示的超声波随即在平台部分显示出来，借助不同颜色区分入射、反射和折射的纵波与横波，线条的粗细用来表示信号能量的强弱。随着入射角的改变，反射波与折射波角度亦随之发生变化，当条件满足，可以清晰掌握折射角达到90°时波形轨迹的变化，这会使学生对第一临界角和第二临界角的理解更加深入。程序编制过程需要注意的是当入射角达到第一临界角时，在介质2中只有横波而无纵波，此时反射纵波能量加强，当入射角达到第二临界角时，在介质2中既没有横波也没有纵波，反射横波沿界面传播。

（三）教学应用

这部分是超声检测的重要知识点。在传统教学中，学生由于不熟悉超声波传播特性，只能死记公式，无法灵活运用，对临界角的概念理解不清。在教学中，可将仿真软件与练习题相结合，教师先介绍仿真软件的使用，随即让学生进行仿真操作，模拟各种光疏到光密物质、光密到光疏物质的超声波传播情况，观察第一、第二临界角的产生条件与时机，同时结合仿真动画理解斯奈尔公式每个参数的含义，再结合练习题进行公式运用，之后将公式计算结果在仿真软件中进行验证，保证了学生全面掌握超声波传播原理与斯奈尔定律。

超声纵波声场

（一）基本原理

超声换能器向介质中辐射超声波的区域称为声场，通常用声压分布与声场的指向性来描绘。该声压在极大值和极小值间起伏变化，最后一个极大值点处与声源的距离称为近场长度，用N表示，N=D2/4λ。声场能量主要分布在以声轴线为中心的一定角度内，这种声束集中向一个方向辐射的性质称为声场的指向性，用指向角或半扩散角?兹表示，?兹=sin-11.22λ/D。近场长度和半扩散角是描述声场的两个关键要素，而它们的值主要取决于检测频率和探头晶片尺寸。

（二）仿真系统

如图3所示，演示平台包括参数设置和声场演示两部分。晶片尺寸和检测频率通过滚动条调节大小，从而表现出对声场的影响。演示部分分别用不同颜色表示被检工件、探头、声场，其中近场区声场不扩散，而进入远场区声束开始扩散。当分别改变晶片尺寸和检测频率大小时，可以清晰看到声场中近场长度与扩散情况的变化。由于晶片尺寸和检测频率同时决定声场，因此在程序中需要用到大量条件嵌套语句。

部分程序如下：

PrivateSubHScroll1_Change（）

f=HScroll1.Value

'f为晶片尺寸滚动条数值

SelectCased

'd为检测频率滚动条数值

Case1

SelectCasef

Case1

……

Case2

……

EndSelect

EndSub

（三）教学应用

晶片尺寸与检测频率对声场与扩散角的影响以及近场的概念是学生必须掌握的重要知识点。知识点的掌握主要还是对公式的理解与记忆。学生通过设置仿真参数，模拟各种声场扩散情况，将仿真动画结果与公式实例分析互相验证，不仅能对各参数的含义有更深入的理解，同时将公式运用到实例能真正实现对声场全面的理解。

本文介绍的基于VB实现的教学仿真已经很好地应用于超声检测课程教学，促进了课堂互动，极大地改善了教学效果，强化了学生对知识理解，得到了一致好评，值得教学一线的教师尝试和持续改进。目前，该超声检测课程已成功申报检测技术及应用专业自主学习型高级能人才培养模式实践研究教育教学研究项目，并已获批深圳职业技术学院校级精品课程。

参考文献：

[1]李立宗.VB程序设计教程[M].天津：南开大学出版社，2009.

[2]李淑华.VB程序设计及应用[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]XLin，FGYuan.DiagnosticLambwavesinanintegratedpiezoelectricsensor/actuatorplate:analyticalandexperimentalstudies[J].SmartMater.Struct，2011，（10）:907-913.

[4]史亦韦.超声检测[M].北京“机械工业出版社，2005.

超声波的基本原理范文

【关键词】超声波测距；LCD12864；发射器；接收器；单片机

1.引言

随着科学技术的发展，超声波测距也越来越起到很大的作用。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，如车辆上安装了超声波，给停车、避障提高了准确性，减少了交通事故的发生；如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。也可用于液位、井深、管道长度的测量等场合。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也能达到工业实用的要求

2.模块介绍

2.1超声波测距模块介绍

超声波测距模块可以直接购买如图1所示的模块，其模块有4个引脚输出，Vcc供5V电源，TRIG为触发控制输入端，ECHO为回响信号输出端，GND为地线。

该超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，模块内部包含了超声波发射器，接收器与控制电路。使用时，只要根据时序图，用程序来实现数据采集及显示。

2.2LCD12864显示模块介绍

液晶显示模块是128*64点阵的汉字图形型液晶显示模块，课显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供并行与串行两种连接方式，但我们一般采用并行传输方式，和单片机的连接图如图3所示，具体使用可参考LCD12864的使用说明书，按照指令的要求去编写程序来实现实时显示。特别强调的是：

（1）当模块在接受指令前，先检查内部是否处于非忙碌状态，即读取BF标志，标志为0时，方可接受新的指令，可以专门用一个判断是否忙的函数来检测。程序模块如下：

（2）欲在某一个位置显示中文字符时，应先设定显示字符位置，即先设定显示地址，再写入中文字符编码。

（3）显示ASCII字符过程与显示中文字符过程相同。不过在显示连续字符时，只须设定一次显示地址，由模块自动对地址加1指向下一个字符位置，否则，显示的字符中将会有一个空ASCII字符位置。

（4）当字符编码为2字节时，应先写入高位字节，再写入低位字节。

汉字的显示坐标如表1所示，定义显示值时，在程序编写时要设置好。

具体实施时，只要给出两个参数，即可在相应位置显示，程序代码如下：其中y表示第几行，x表示起始行位置。

有了以上这些基本的简介后，我们就可以很容易根据LCD12864的说明书，分别写出写指令写函数等，然后把超声波测出的距离值实时代入给液晶显示函数，从而实时显示出超声波测出的前方障碍物的距离值。

3.超声波测距并显示的硬件设计

3.1系统框架图（如图2所示）

3.2单片机与超声波模块连接并显示的原理图

其原理图很简单，就是单片机的最小系统模块加常用的LCD12864显示模块，还有就是超声波测距模块的4个引脚，具体原理图如图3所示。

3.3超声波测距的工作时序图

有了系统框图及原理图和超声波的工作时序图（如图4），我们就很容易利用单片机来实时测距并实时显示。以上时序图表明单片机在控制时只需要提供一个10uS以上的脉冲触发信号，该模块内部讲发出8个40Kz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回波信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算得到距离。对于12864的显示原理及显示时序在此不再详述。

4.超声波测距原理及软件设计

超声波测距的基本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，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。首先给TRIG端触发测距，给至少10uS的高电平信号，以此来触发内部的发射器产生40KHz的超声波，同时单片机不断检测是否有回波，当一检测到回波信号是高电平，马上启动定时，开始计时，同时开中断，通过ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。所以测量距离为：

测量距离=（时间*声速（340M/S））/2具体流程图如图5。

建议测量周期在60ms以上。计算是取出的值如何转换，首先把定时器的值取出合并，然后根据晶振值换算出距离公式，具体程序模块如下：

注意事项：

（1）在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。

（2）此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的接地端接地。

（3）测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量结果。

（4）由于超声波有测量盲区的固有特性，因此，如果近距离测量时，当测量位置发生变化而接收到的数据不变时，说明进入了测量盲区。

（5）模块在测量远处物体时，如果没有测量数据返回，可能是超出测量范围，或是测量角度不对。可以适当调整测量角度。

5.结语

本设计软件采用模块化设计，硬件设计简单实用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，所以超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，在移动机器人小车上经常加个舵机，利用超声波测距就可以很容易实现超声波避障小车。超声波测距将会应用在越来越多的领域，也会带来更多的便利。

参考文献

[1]郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京电子工业出版社，2009.

[2]孙贤安，等.基于51单片机的小车蔽障电路实现[J].电气技术与自动化，2006.