【正文】 （ ） ： （ ） 式中： K體積彈性模量 熱容比 P靜態(tài)壓力 ρ 密度 例： T=0 176。 C，超聲波在空氣中的傳播速度 C1=, ?kC ?1?????2C?南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 C=+ (m/s) （ ） 式中 T:176。 C 超聲波傳感器 超聲波傳 感器是近年來出現(xiàn)的用于超聲控制元件，它分為發(fā)射器和接收器。發(fā)射器將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為超聲波向空間發(fā)射，接收器將接收的超聲波進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號。實(shí)質(zhì)上是一種可逆的換能器，即將電振蕩的能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振蕩，形成超聲波；或者由超聲波能量轉(zhuǎn)換為電振蕩。常用的傳感器有 T40XX和 R40XX系列，UCM40T， UCM40R等，其中 T代表發(fā)射傳感器， R代表接收傳感器， 40為中心頻率 40KHz。T/R40的特征參數(shù)如表 1所示。 表 1 T/R40的特征參數(shù)圖 總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類： 1）使用電氣方式產(chǎn)生超聲波； 2）是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型，磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各有不同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，其又可分為兩類： （ 1）順壓電效應(yīng)： 某些電介物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力作 用而變形時(shí)，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面上產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱順壓電效應(yīng)（超聲波接收器的工作原理）。 （ 2）逆壓電效應(yīng)： 在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，會產(chǎn)生機(jī)械變形，當(dāng)去掉外加電場時(shí)，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（超聲波發(fā)射器的工作原理）。 型號 T/R4016 中心頻率 40177。 1KHz 發(fā) 射電壓 大于 115DB 接收靈敏度 大于 64DB/V/ubar 6DB指向 50deg 電容 2400177。 25% 允許輸入電壓 20V 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 工作原理 當(dāng) 40KHZ的脈沖電信號加在超聲波發(fā)射器上，由壓電陶瓷激勵(lì)器和諧振片轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動，經(jīng)錐形輻射器將超聲振動信號以疏密波的形式向外發(fā)射出去。（錐 形輻射器控制超聲波的發(fā)射角度） 接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將電能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，由于該電脈沖的信號幅度很小（μ V級）經(jīng)信號放大器放大，最后驅(qū)動執(zhí)行器使電路工作。 常用的超聲波傳感器的諧振頻率（即中心頻率）為 23KHz ，40KHz,75KHz,200KHz,400KHz等，諧振頻率高，在相同發(fā)射功率的前提下檢測距離短，但分辨力提高。 超聲測距原理 測距是立足于聲速在既定的均勻媒介傳播速度有一恒定數(shù)值，不隨聲波頻率變化的特點(diǎn)。超聲波測距的關(guān)鍵是把聲源由 反射到返回的傳播時(shí)間計(jì)量出來，若要求測距誤差小于 米，那么測量時(shí)間的誤差必須小于 30 微秒。因此，實(shí)現(xiàn)聲波測距須避開直接測量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測長精度。 本文的硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測法，其原理為 :檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波 (假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體 )，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間即往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。根據(jù)選擇的超聲波傳感器的不同，其工作原理也相應(yīng)有所不同。如收發(fā)一體的傳感器，其工作原理圖如圖 ；收發(fā)分體超聲波傳感器，其工作原理圖如圖 。根據(jù)圖 過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離 h 利用直角三角形可求得： （ ） 而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即 :(1) （ ） 2*tVL ?? ?22 2hSL ??南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 圖 收發(fā)一體式換能器工作原理圖 圖 超聲波測距原理 在上式中， L 為待測距離， v 為超聲波的聲速， t 為往返時(shí)間（其中所測量的t為超聲波走過 2s路程所需的時(shí)間。但由于超聲波的速度比較快，在測短距離的時(shí)候，將其作為超聲波走過 2L路程的時(shí)間）。若要求測距誤差小于 1cm，已知聲速v=344m/s(20℃時(shí) )，顯然，直接用秒表測時(shí)間是不現(xiàn)實(shí)的。因此，實(shí)現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時(shí)間的方法，才能獲得實(shí)用的測長精度。對超聲波傳播時(shí)間的測量可以歸結(jié)到對超聲波回波前沿的檢測。檢測脈沖計(jì)數(shù)法 : 脈沖檢測法是對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的脈沖進(jìn)行檢測的方法。本文采用的是脈沖檢測計(jì)數(shù)法。這種方法實(shí)現(xiàn)起來較包絡(luò)檢測方便，電路實(shí)現(xiàn)簡單，精度也較高 [9]。實(shí)現(xiàn)的方法是當(dāng)回波信號經(jīng)放大處理后，進(jìn)入比較器，調(diào)整好合適的閾值在比較器的輸出端就會產(chǎn)生正負(fù)電平的變化，再通過三極管的截止和飽和的兩種狀態(tài)來產(chǎn)生高低電平的變化。利用查詢或 者中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時(shí)間。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)過程中，采用的是查詢方式來檢測是否接收到了回波信號。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 盲區(qū)處理 盲區(qū)處理是超聲波測距的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，盲區(qū)范圍大小是衡量測距系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)。在利用超聲波測量兩點(diǎn)間的距離時(shí)，對近距離測量要求高，因此盲區(qū)處理更為關(guān)鍵。盲區(qū)的形成是為解決超聲波自身繞射問題而延伸出的另一問題。雖然增大超聲波換能器之間的距離能減少盲區(qū)范圍，但是由于受整個(gè)系統(tǒng)體積所限，而且增大超聲波換能器之問的距離使回波容易發(fā)散，所以本系統(tǒng)超聲波換能器的之 間距離要盡量縮小，有部分波未經(jīng)反射物就直接進(jìn)入到接收換能器，形成繞射現(xiàn)象。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案論證 方案一 本方案使用的單片機(jī)是 stc89c52，它經(jīng)濟(jì)易用，且片內(nèi)有 8K的 ROM，便于編程。 在超聲波產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì)中，首先通過軟件編程的方式由單片機(jī)的 生 40KHz的脈沖信號，再經(jīng)過三極管 8050和變壓器進(jìn)行功率放大。在變壓器副線圈上將電壓 10倍放大，這時(shí)在超聲波傳感器發(fā)射端上加載的正弦電壓幅值約為 100V來驅(qū)動超聲波發(fā)射端 UCM40T，發(fā)出 40KHZ的脈沖波信號，且持續(xù)發(fā)射 200us。 接收端采用與發(fā)射端配對的 UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?。在接收電路中設(shè)計(jì)了前置放大、帶通濾波（中心頻率 f0=40KHz）、自動增益控制（ AGC）電路和整形電路。前置放大前置放大、自動增益控制 (AGC)電路把微弱回波信號放大了 200倍以上，足夠滿足后面整形電路的需要；帶通濾波電路為濾波效果比較理想的高 Q值、窄寬帶的二階帶通濾波器。由于超聲波回波信號隨著被測距離大小的變化，其幅值變化也很大， 必須經(jīng)過增益控制， 以滿足整形電路的要求。實(shí)現(xiàn)增益 隨時(shí)間呈指數(shù)變化的 AGC電路有多種 ,設(shè)計(jì)了通過軟、硬件結(jié)合的 AGC電路 ,它是由可編程放大器 AD620AN 、數(shù)字電位器 MAX5400 結(jié)合單片機(jī)聯(lián)合實(shí)現(xiàn) [9]。 方案二 在此方案中，仍然采用 stc89c52作為超聲波測距系統(tǒng)的中心。但是采用 555芯片來產(chǎn)生 40KHz的超聲波信號，并且通過單片機(jī)的一個(gè) I/O口來控制 555芯片是否振蕩。然而要想利用超聲波測得的距離越遠(yuǎn)其發(fā)射功率也就需要更大，增大功率的方式有增大電流或是增大電壓的方式。在驅(qū)動電路中采用的是非門 CD4069構(gòu)成推挽式的電流放大電路 ，通過提 高 CD4069的工作電壓的方式來將電壓增大，進(jìn)而增大發(fā)射功率。 在超聲波接收放大模塊中，采用的是專用集成芯片 CX20206A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、 限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成，可以利用它作為超聲波檢測電路。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 路輸出到鎖相環(huán)路，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的計(jì)時(shí) [11]。 方案三 在此方案中，采用 STC989C52單片機(jī)作為超聲波測距的核心部分。在超聲波產(chǎn)生電路中，主要是利用單片的 I/O口 555芯片的 4腳。當(dāng) ，555芯片不工作；當(dāng) ， 555芯片構(gòu)成了多諧振蕩器從而在 3腳輸出40KHz的脈沖信號。在超聲波發(fā)射電路中采用的是 CMOS系列的與非門 CD4069構(gòu)成推挽式的反向放大電路，同時(shí)也可以通過加大 CD4069的工作電壓的方式來進(jìn)一步增大發(fā)射功率。 在超聲波接收放大部分，采用的一階 RC濾波電路和運(yùn)放 TL084構(gòu)成的放大電路。由于超聲波接收器接收的信號幅度為毫伏級 ，因此采用將接收到的信號先濾波后放大的處理方式。在放大電路的設(shè)計(jì)中，為了避免由于增益過大造成運(yùn)放的自激振蕩，而采用兩級放大的方式，放大倍數(shù)為 400多倍。然后經(jīng)過峰值檢波后轉(zhuǎn)化為直流信號，在經(jīng)過電壓跟隨器、電壓比較電路和利用三極管的截止與飽和狀態(tài)來獲取所需要的電平送至單片機(jī)處理。 在超聲波發(fā)射的同時(shí)，啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0用作計(jì)數(shù)方式，利用定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波從開始發(fā)射到接收到信號的時(shí)間。當(dāng)接收到超聲波的反射波時(shí)，接收電路的輸出端就會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳變，即在 ，從而來停止 T1計(jì)數(shù)，然后通過相應(yīng)的計(jì)算來算出所測距離并顯示。 方案確定 超聲波測距系統(tǒng)從理論上說是發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢话l(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。但是，每一只實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個(gè)極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一 定的幅度。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志。 在方案一中，采用單片機(jī)的 I/O口來做超聲波的產(chǎn)生電路，在發(fā)射超聲波的同南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 時(shí)將無法即時(shí)開啟計(jì)數(shù)器來準(zhǔn)確計(jì)算超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間，這樣將會帶來較大的誤差。另外采用變壓器的方式來增大發(fā)射功率，使得加載在超聲波傳感器的電壓為 100V，而且在超聲波接收電路中采用自動增益的方式，這樣可以利用超聲波來近距離測量以及測量較遠(yuǎn)的距離。但是在本課題的技術(shù)指標(biāo)中要求的距離為4cm4m，當(dāng)采用此方案時(shí)，其發(fā)射的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出所需要的功 率，造成性價(jià)比下降，而且 U=100V可能超過了超聲波傳感器工作電壓的極限值，將對傳感器內(nèi)部造成損傷。同時(shí)也可能會給使用者帶來造成觸電的危險(xiǎn)，而且變壓器的體積比較大，在使用時(shí)也會帶來許多不便。 在方案二中，通過使用單片機(jī)的 I/O口來控制 555芯片工作與否的方式來發(fā)射超聲波，這就使得在計(jì)數(shù)時(shí)能夠獲得比方案一更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。另外還使用了專用集成芯片 CX20206A和鎖相環(huán)電路，使得在頻率上能夠很好的鎖定 f0=40KHz的信號，抗干擾的能力較強(qiáng)，但是在采用這種方案將會大大提高設(shè)計(jì)成本。而且使得設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)更加的復(fù)雜 。 方案三在超聲波發(fā)射電路中采用了和方案二相同的電路，只是在超聲波接收部分的電路上有很大的不同。在此方案中，考慮到超聲波傳感器的一些特性（即只有在 40KHz左右的信號能夠通過傳感器，其它頻率信號其衰減較快），因此在濾波電路中，只是采用 RC電路構(gòu)成濾波電路。在信號放大模塊的電路中，考慮到傳感器所接收到的信號幅度為毫伏級以及運(yùn)放在增益過大時(shí)容易造成自激振蕩的特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)采用了兩級放大的模式，最終放大 400多倍，而且直接通過硬件就可以實(shí)現(xiàn)，使得在設(shè)