第11章超声波传感器.doc

第11章 超声波传感器及其应用
随着现代科技的飞速发展，各种高新传感器应运而生，超声波传感器就是其中之一，在一些测量人们不方便到达的地方的一些物理量时，利用超声波传感器可以实现。如果需要测量深井距离最好的方法就是利用超声波传感器帮助实现。
超声波传感器实物如图11-1所示。

图11-1 超声波传感器实物图
超声波测量距离是最常用方法之一，测量距离的原理是测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波速度就得到2倍的声源与障碍物之间的距离。
超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用也是其最主要的应用领域，下面以医学为例子说明超声波传感技术的应用。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。因而推广容易，受到医务工作者和患者的欢迎。当超声波在人体组织中传播遇到两层声阻抗不同的介质界面是，在该界面就产生反射回声。每遇到一个反射面时，回声在示波器的屏幕上显示出来，而两个界面的阻抗差值也决定了回声的振幅的高低。
　　在工业方面，超声波的典型应用是对金属的无损探伤和超声波测厚两种。过去，许多技术因为无法探测到物体组织内部而受到阻碍，超声波传感技术的出现改变了这种状况。当然更多的超声波传感器是固定地安装在不同的装置上，“悄无声息”地探测人们所需要的信号。在未来的应用中，超声波将与信息技术、新材料技术结合起来，将出现更多的智能化、高灵敏度的超声波传感器。
　　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。
超声波距离传感器可以广泛应用在物位（液位）监测，机器人防撞，各种超声波接近开关，以及防盗报警等相关领域，工作可靠，安装方便， 防水型，发射夹角较小，灵敏度高，方便与工业显示仪表连接 。

11.1 超声波传感器
为了正确使用超声波传感器，简单了解一下其工作原理十分必要。
11.1.1 超声波传感器原理
超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收原理是当超声波作用在磁滞材料时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。
超声波是指频率高于20kHz的机械波。作为传感器它必须具备产生超声波和接收超声波的装置，完成这些功能的装置习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率变化产生机械变形。另一方面当振动压电陶瓷时则会产生电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振荡器（即双压电晶片元件）施加一个电信号时就会因为弯曲振动发出超声波。相反当双压电晶片元件施加超声振动时就会产生一个电信号。基于以上作用，就可以用压电陶瓷制成超声波传感器。
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换，即在发射超声波的时候将电能转换成机械波发射；接收时将收到的回波转换成电信号。
超声波传感器是应用传感器头部的压振陶瓷的振动，产生高频(人耳听不见)声波来停止感应的，假如这声波碰到了某个物体反射回来，传感器就能接纳到回波。传感器依据声波波长和发射及接纳回波的时间差就能肯定传感器探头与物体之间的间隔。典型应用，一个传感器能够经过按钮的设定来具有近间隔和远间隔两种设定，无论物体在那一种界线里，传感器都能够检测到。
例如：超声波传感器能够装置在一个装液体的池子上，或者是一个装小球的箱子上，向这个容器发出声波，经过接纳到返回波的时间长短就能肯定这个容器是满的、空的或者是局部满的。
超声波传感器还能够是对射式的，即独立的发射器和接纳器。当检测迟缓挪动的物体，或者需求快速响应或者在湿润环境中应用时，这种对射式或者叫分体式的超声波传感器十分适用。
11.1.2 超声波传感器的主要性能指标
超声波传感器的主要性能指标有：
1、工作频率
工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出端能量最大，灵敏度也最高。
2、工作温度
由于压电材料受温度变化而存在些许变化，对于小功率的超声波传感器功率比较低，可以长时间工作，而对于大功率的超声波传感器则工作时间不宜过长，如果需要长时间工作，应该采取散热手段。
超声波在空气中传播的速度，在340m/S左右，与环境温度和适度有关系的，所以超声波测距最好加温度补偿电路。

3、灵敏度
主要取决于制造晶片本身，机电耦合系数大则灵敏度高，反之则低。
11.1.3 超声波的应用领域
1.超声检验
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。超声成像是利用超声波呈现不透明物内部形象的技术 。把从换能器发出的超声波经声透镜聚焦在不透明试样上，从试样透出的超声波携带了被照部位的信息（如对声波的反射、吸收和散射的能力），经声透镜汇聚在压电接收器上，所得电信号输入放大器，利用扫描系统可把不透明试样的形象显示在荧光屏上。上述装置称为超声显微镜。超声成像技术已在医疗检查方面获得普遍应用，在微电子器件制造业中用来对大规模集成电路进行检查，在材料科学中用来显示合金中不同组分的区域和晶粒间界等。声全息术是利用超声波的干涉原理记录和重现不透明物的立体图像的声成像技术，其原理与光波的全息术基本相同，只是记录手段不同而已。用同一超声信号源激励两个放置在液体中的换能器，它们分别发射两束相干的超声波：一束透过被研究的物体后成为物波，另一束作为参考波。物波和参考波在液面上相干叠加形成声全息图，用激光束照射声全息图，利用激光在声全息图上反射时产生的衍射效应而获得物的重现像，通常用摄像机和电视机作实时观察。
2.超声处理
利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、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。
3.基础研究
超声波作用于介质后，在介质中产生声弛豫过程，声弛豫过程伴随着能量在分子各自电度间的输运过程，并在宏观上表现出对声波的吸收。通过物质对超声的吸收规律可探索物质的特性和结构，这方面的研究构成了分子声学这一声学分支。普通声波的波长远大于固体中的原子间距，在此条件下固体可当作连续介质 。但对频率在1012Hz以上的 特超声波 ，波长可与固体中的原子间距相比拟，此时必须把固体当作是具有空间周期性的点阵结构。点阵振动的能量是量子化的 ，称为声子（见固体物理学）。特超声对固体的作用可归结为特超声与热声子、电子、光子和各种准粒子的相互作用。对固体中特超声的产生、检测和传播规律的研究，以及量子液体——液态氦中声现象的研究构成了近代声学的新领域。

11.2 6500系列超声波传感器模块
此超声波传感器模块是集发送与接收一体的一种传感器。传感器里面有一个圆形的薄片，薄片的材料是塑料，在其正面涂了一层金属薄膜，在其背面有一个铝制的后板。薄片和后板构成了一个电容器，当给薄片加上频率为49.4kHz的方波电压时，薄片以同样的频率震动，从而产生频率为49.4kHz的超声波。当接收回波时，模块内有一个调谐电路，使得只有频率接近49.4kHz的信号才能被接收，而其它频率的信号则被过滤。
6500系列超声波传感器模块（以下简称6500模块）是在600系列超声波传感器的基础上进行改进而成的，其实物如图11-2所示。其中（a）为实物图、（b）为解剖图。

图10-2 6500系列超声波传感器模块实物图
11.2.1 6500系列超声波传感器模块简介
6500系列超声波传感器模块是基于600系列超声波传感器组合而成，集发射和接收于一身，并且提供直接和单片机连接的接口信号。
6500系列超声波传感器模块的原理如图11-3所示。

11-3 6500系列超声波传感器模块的原理图

图中TL851是一个经济的数字12步测距控制集成电路。内部有一个420KHz的陶瓷晶振，6500系列超声波距离模块开始工作时，在发送的前16个周期，陶瓷晶振被8．5分频，形成49．4KHz的超声波信号，然后通过三极管Q1和变压器T1输送至超声波传感器。发送之后陶瓷晶振被4．5分频，以供单片机定时用。TL852是专门为接收超声波而设计的芯片。因为返回的超声波信号比较微弱，需要进行放大才能被单片机接收，TL852主要提供了放大电路．当TL852接收到4个脉冲信号时，就通过REC给TL851发送高电平表明超
声波已经接收。
被检测物反射回的回波传输后为了消除传感器固有的阻尼振荡，测距控制 IC 的接收输入 (REC) 在开始信号(INIT) 之后通过内部消隐被抑制 2.38 ms。如果需要减少消隐时间 ，那么 BINH 输入变成高电平，这样在内部消隐之前中止接收输入消隐。这样就可以检测最短 1.33 英尺的距离（相对于 2.38 ms），另外如果传感器衰减的够快那么返回信号将不被响应。
6500模块有两个基本工作模式：单回波模式和多回波模式。电源 (VCC) 的应用，开始输入 (INIT) 的应用，传输的结果，和抑制消隐输入(BINH)的使用在两种工作模式下基本上都是一样的。加电以后，INIT 信号变成高电平前必须至少经过 5 ms，在此期间，所有的内部电路被重置、内部振荡器稳定。当 INIT 变为高电平后驱动传感器 (XDCR)发出信号。49.4 kHz 下 16 个脉冲从传感器中发出。16 脉冲传输完后，为了最合适的接收工作，传感器中保持 200 VDC 偏压（推荐）。 被检测物反射回的回波传输后为了消除传感器固有的阻尼振荡，测距控制 IC 的接收输入 (REC) 在开始信号(INIT) 之后通过内 部消隐被抑制 2.38 ms。如果需要减少消隐时间 ，那么 BINH 输入变成高电平，这样在内部消隐之前中止接收输入消隐。这样就可以检测最短 1.33 英尺的距离（相对于 2.38 ms），另外如果传感器衰减的够快那么返回信号将不被响应。
单回波模式：单回波工作模式下，所需要做的就是等待传输信号的返回，每英尺的输出和返回大约需要 0.9 ms。 返回信号被放 大并作为一个高电平信号输出。INIT 变成高电平和 Echo (ECHO)输出变为高电平之间的时间与传感器与测量目标之间的距离 是成比例的。如果需要，当准备下一次传输的时候可以返回一个低电平的 INIT 信号然后再使它变为高电平，这样就可以使周 期重复。
多回波模式：600系列智能传感器有一个外部消隐输入, BLNK, 在多回波工作模式下可以选择性的排除回波，也可以区分与目标物相隔3英寸的回波。如果多于一个目标和单传输检测多重回波，那么这个周期有些许的差别。 接收到第一个使ECHO输出 变为高电平的返回信号以后， 消隐输入 (BLNK) 必须变成高电平然后再变为低电平，以重置 ECHO 输出，这样就可以接收下 一个返回信号了。消隐信号在解决所有第一个目标返回的全部16个返回脉冲期间必须至少保持0.44ms，并且允许内部延迟时间。此符合相隔3英寸的两个目标。
增益控制和增益调节 INIT 变为高电平，一个周期开始，接收放大器增益被非连续性的提高，因为传输信号随着距离的增长在衰减。大约在38ms时获得最大的增益。为了校准增益电位器，将探测目标放置在希望探测的最远距离处。旋转“增益调节”按钮，顺时针旋到底，然后慢慢地顺时针旋转“增益控制”直到探测出现，再旋转增益控制。
注意：为了可靠测量总是调节“增益控制”到所需的最小增益。过多地增益可能导致目标探测的失败。

11.2.2 6500模块引脚介绍
6500模块引脚如图11-4所示。

图11-4 6500模块引脚图
第 1脚 电源：接工作电源。
第2 脚 公共端 ：接电源地。
第3 脚 回波输出 ：TTL 逻辑电平输出(0-5 VDC)，当接收到回波信号时改变状态。
第4 脚 OSC 输出：TTL 逻辑电平输出(0-5 VDC)，内部49,4 kHz晶振器输出。 注意：只有当INIT信号(pin5)是高电平时该脚输出 。
第 5 脚 INIT 输入 ：TTL 逻辑电平输入或输出， 当从低到高变化时初始化一个传输/接收周期，目标探测期间信号必须保持高电平
第 6 脚 BINH 输入 ：TTL 逻辑电平输入：高电平时可进行多目标探测， 正常工作下与第2脚可连接也可不连接。
第 7 脚 BLNK 输入 ：TTL 逻辑电平输入：当发出一个信号后，输入信号为高电平时重置接收器的阈值， 这样可进行多回波检测，正常工作下与pin2脚可连接也可不连接。
可编程跳线： 跳线安装后内部5 Hz重复率，消除外部INIT输入。当连接时，内部晶振提供 INIT信号， 此时INIT管脚输出。
增益调整可改变输出信号的强弱。
11.2.3 6500模块技术参数
1）、工作环境
技术参数
最大
最小
单位
供电电压， Vcc
12
5
V
高电平输入电压，VIH（BLNK、BINH、INIT）

2.1
V
低电平输入电压， VIL（BLNK、BINH、INIT）
0.8

V
INIT、 ECHO 、 OSC 输出电压
6.8

V
延迟时间，INIT变为高电平

58
ms
循环周期

0
ms
空气中工作温度
40
0
℃
2）、技术参数
参数
测试条件
典型
最小
最大
单位
输入电流 （BLNK、BINH、INIT）
Vi = 2.1 V

1
mA
高电平输出电流IOH （ECHO、OSC、INIT）
VOH = 5.5V

100
μA
低电平输出电压VOL （ECHO、 OSC、INIT）
IOL= 1.6 mA

0.4
V
内部消隐期

2.38

ms
XMIT 驱动信号时间

1.1

ms
16脉冲时的频率 OSC 输出

49.9

kHz
传输周期 XMIT 输出

49.9

kHz
16脉冲后的频率 OSC 输出

93.3

kHz
传输周期 XMIT 输出

0

kHz
供电电流传输期间

2000
mA
供电电流传输后

100
mA

11.3 应用举例
本系统采用AT89C51来实现对6500模块的控制。单片机通过P1.4引脚来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0（P3.2）引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。 其计算公式为：

11.3.1 超声波测距的硬件设计
超声波测距的硬件设计连接图如图11-5所示：

图11-5 超声波测距的硬件设计连接图
工作原理：
1、 按下S1键，开始测量；通常情况下P1.0高电平，当按下启动按钮时，P1.0低电
平。
2、 单片机通过P1.4送出“0”，启动6500模块进入测量、同时启动定时器开始
定时。
3、 当 INT0（P3.2）出现高电平时停止定时器。
4、 将定时时间换算成已秒为单位。由于系统采用12MHz晶振，则机器周期为1μs，
因此应该将μs换算成s。
5、 根据D=C t / 2，由定时时间计算被测量距离。
6、 将被测量距离在显示器显示。显示器采用7段共阴极数码管，显示方式采用动态
显示，段码由P0口提供，位码分别由P2.0、P2.1、P2.2提供。为了增强位码的驱动能力，这里采用C9013三极管进行放大。

11.3.2 程序流程图
超声波测距系统的程序流程图如图11-6所示。

图11-6 超声波测距系统的程序流程图
11.3.3 程序清单

JS EQU 30H
BCS EQU 40H
CS EQU 50H
JI EUQ 60H
ORG 0000H
AJMP START
ORG 000BH
PUSH PSW
PUSH ACC
INC DPTR ；对100μs进行计数
POP ACC
POP PSW
RETI
START: MOV SP,#70H ；设置堆栈指针
MOV TMOD #0AH ；设置T0方式2且定时受INT0控制
MOV TH0,#150H ；定时100μs
MOV TL0,#0150H
MOV DPTR,#0000H ；计数单元清零
MOV IE,#82H ；开中断
STAR0: JB P1.4,$ ；等待键盘输入
CLR P1.4 ；有键盘输入，启动距离测量
SETB TR0 ；定时开始
STAR1: JB P3.2,$ ；等待回波
CLR TR0 ；有回波，停止定时
SETB P1.4 ；停止距离测量
MOV R0,#BCS ；保存定时时间，作为被乘数
MOV @R0,DPL
INC R0
MOV @R0,DPH
MOV DPTR,#17000 ；声速常数C（340）/2=170，定时间以100μs 为单位
MOV R0,CS ；保存常数，作为乘数
MOV @R0,DPL
INC R0
MOV @R0,DPH
MOV R0,#CS ；进入多字节乘法程序
MOV R1,#BCS
MOV R2,#02H
MOV R3,R2
MOV R4,#JI
DOMUL: MOV A,R1
MOV R6,A
MOV A,R0
MOV R5,A
MOV A,R2
ADD A,R3
MOV 26H,A
MOV R7,A
MOV A,R4
MOV R0,A
CLEAR: MOV @R0,#00H
INC R0
DJNZ R7,CLEAR
MOV A,R4
MOV R7,A
MOV 27H,R7
MOV 20H,R2
LP0: MOV A,R5
MOV R0,A
MOV A,@R0
MOV B,@R1
MUL AB
MOV 21H,A
MOV A,R4
MOV R0,A
MOV A,21H
ADD A,@R0
MOV @R0,A
MOV A,B
INC R0
ADDC A,@R0
MOV @R0,A
INC R0
MOV A,@R0
ADDC A,#00H
MOV @R0,A
DEC R0
MOV A,R0
MOV R4,A
INC R1
DJNZ R2,LP0
MOV R2,20H
MOV A,R6
MOV R1,A
MOV A,R7
INC A
MOV R7,A
MOV R4,A
INC R5
DJNZ R3,LP0
MOV R4,27H
MOV R5,26H
INC R4
INC R4
MOV R0,R4 ；取运算结果
MOV R2,@R0
INC R0
MOV R3,@R0
CLR A ；将多字节二进制转换成相应BCD码
MOV R4，A
MOV R5，A
MOV R6，A
MOV R7，#10H
LP1: CLR C
MOV A,R2
RLC A
MOV R2,A
MOV A,R3
RLC A
MOV R3,A
MOV A,R4
ADDC A,R4
DA A
MOV R4,A
MOV A,R5
ADDC A,R5
DA A
MOV R5,A
MOV A,R6
ADDC A,R6
DA A
MOV R6,A
DJNZ R7,LP1
LP2: MOV A,R4 ；将转换结果的个、十、百位送显示器显示
ANL A,#0FH ；取个位
MOV DPTR,#TAB
MOVC A,@A+DPTR ；取段码
MOV P0,A ；段码送P0口
MOV P2,#01H ；位码送P2口
ACALL DELAY ；DELAY为延时20ms子程序
MOV A,R4
ANL A,#0F0H ；取十位
SWAP
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
MOV P2,#02H
ACALL DELAY
MOV A,R5
ANL A,#0FH ；取百位
MOVC A,@A+DPTR
MOV P0,A
MOV P2,#04H
ACALL DELAY
JNB P1.4,LP2 ；没有下一次测量请求，继续显示本次测量结果
AJMP START ；有下一次测量请求，进行新一轮测量
TAB: DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H,7FH,6FH
END
编程序过程的几点说明：
1、 由于单片机主要作为微型控制器，做数据处理不是强项。尤其进行多字节的乘法、
除法和BCD转换都比较麻烦，所以程序比较长。
2、 本例由于显示器只取3位，而且按照整数设计，只显示测量距离的个、十、百位，
没有考虑小数。如果要求精度在小数点后面几位就应该添加相应数码管。
3、 量程最大为“999”米，如果扩大量程，整数部分还应该添加相应数码管
4、 这里主要教读者如何实现超声波传感器与单片机的连接的方法，如果要求成为高精
度测量仪，在程序设计上还需要进一步调整。

练习11
请将图11-5中的显示数位由3位扩大到4位。