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文献综述
研究背景与意义
随着现代科学技术的不断发展，超声波在人类生活运用中有着越来越广泛的最用。由于超声波有着指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远的优良特性，其在测距方面有着不可替代的作用和广泛的发展前景。[1]并且超声波测距仪操作简单，使用方便，适用性强，在特殊环境中也能稳定发挥其性能，被大量使用于电力、水力、通讯、环境、建筑、地质、警务、消防、爆破、海航、铁路、军事、农业、房地产和户外运动等各个方面。[2]随着各行各业的发展，超声波测距仪有着越来越多的需求和越来越广泛的运用。这些特点可使测量仪器不受被测介质的影响，大大解决了传统测量仪器存在的问题，比如，在粉尘多情况下对人引起的身体接触伤害，腐蚀性质的被测物对测仪器腐蚀，触电接触不良造成的误测等。此外，该技术对被测元件无损耗，使测量仪器使用寿命延长，并且能量消耗低，节省了大量人力物力。
国外测距仪早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术的应用，逐步向机电一
体化发展，并且总结了许多新的测量原理。在传统原理中也渗透了电子技术及微机技术，
结构有了很大的改善，功能有了很大的提高。从国外测距仪表发展的技术动向看，当前国外测距仪新技术普遍应用，普遍采用电子设计自动化、计算机辅助测试、数字信号处理、专用集成电路及表面贴装技术等。呈现出智能化测距仪、非接触测量方式的测距仪、新原理的小型测距[3]。国内的早期的测距仪也是基于机械原理的，但是随着世界的电子技术的发展，国内测距仪在各方面不甘落后，甚至在某一方面科技含量更高。国内对超声波回波信号处理方法，新型超声波换能器研发、超声波发射脉冲选取等方面进行了大量理论分析与研究，并针对超声测距的常见影响因素提出温度补偿、接收回路串入自动增益调节环节等提高超声波测距精度的措施。[4]
研究方案
超声波测距仪由单片机系统，显示电路，超声波发射电路，超声波接受电路4部分制作成。超声波测距的方法有多种：如往返时间检测法、相位检测法、声波幅值检测法。本设计采用往返时间检测法测距。经由单片机系统控制发射电路发射超声波信号，控制接受电路接受反射回的超声波信号，再通过单片机系统的计算，将最终数据发送显示电路，使用者可以得知所需要数据。[5,6]由于超声波的速度与所在环境的温度有光，在使用时由于环境存在温度过高或过低的情况，可以采取温度补偿的方法加以修正，运用单片机进行数据补偿或者测量实际温度后加以计算，最终得到正确的数据。[7]
其工作机理是依据压电材料的正逆压电效应，利用逆压电效应产生超声波，即逆压电效应是在压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号，材料就会产生随所加电压的变化规律而变化的机械形变，这种机械形变推动周围介质振动，产生疏密相间的机械波，如果其振动频在超声范围内，这种机械波就是超声波。[8]首先由单片机驱动产生晶振，由超声波发射探头发送出去，在遇到障碍物反射回来时由超声波接收探头检测到信号，然后经过滤波、大、整形之后送入单片机进行计算，把计算结果输出到LED液晶显示屏上。[8,9]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；另一类是用机械方式。产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率，功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。[10]本次课题设计超声波传感器采用电气方式中的压电式超声波换能器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。[2]在超声波电路中，发射端输出一系列脉冲方波，脉冲宽度越大，输出的个数越多，能量越大，所能测的距离也越远。超声波发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。[11,12]
超声波测距器的软件设计主要由主程序，超声波发生子程序，超声波接收中断程序及显示子程序组成，由于C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序行动的时间，而超声波测距器的程序既有较复杂的计算（计算距离时），又要求精确计算程序运行时间（超声波测距时），所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。[13,14]模拟电路和数字电路属于抽象学科，基础理论知识包括模拟电路、数字电路和C语言知识。在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。[15]如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。然后用文本编辑器（如EDIT、CCED等）编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。运行正确后，就可以写片（将程序固化在EPROM中）。在源程序被编译后，生成了扩展名为HEX的目标文件，一般编程器能够识别这种格式的文件，只要将此文件调入即可写片。[7]
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