【正文】 構(gòu)如圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。如圖44所示。 CAD簡介CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計算機輔助繪圖)的縮寫，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步的認(rèn)識到單純使用計算機繪圖還不能稱之為計算機輔助設(shè)計；真正的設(shè)計是整個產(chǎn)品的設(shè)計，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。二維工程圖設(shè)計只是產(chǎn)品設(shè)計中的一小部分；于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting 改為 Computer Aided Design（計算機輔助設(shè)計），CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個產(chǎn)品的輔助設(shè)計。早在20世紀(jì)70年代軍工部門就是利用計算機來完成飛機，火箭等航空，航天器的設(shè)計工作。電子線路CAD的基本含義是使用計算機來完成電子線路的設(shè)計過程，包含電路原理圖的編輯，電路功能的仿真，工作環(huán)境的模擬，印制板的設(shè)計（自動布局，自動布線）與檢測等等。電子線路CAD軟件還能迅速形成各種各樣的報表文件，如元件清單報表，為元器件的采購及工程欲算等提供了方便，便于新型電子器件和集成電路的應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的飛速用日趨廣泛，電子電路也變得越來越復(fù)雜，這給電路的設(shè)計工作帶來更的難度。因此通過計算機進行電子電路的輔助設(shè)計成為設(shè)計制作電路板的一個基本手段。Protel99SE是澳大利亞Protel Technology公司于2000年推出的一款基于Windows 95/98以上環(huán)境下的全32位EDA（Electronic Design Automation 電子設(shè)計自動化）道路設(shè)計自動化軟件，是一個客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序。而且Protel99SE包含眾多的服務(wù)器程序，總體上可以分為5種，分別為：原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。由于其性能優(yōu)越，Protel99SE已經(jīng)成為電路設(shè)計不可缺少的理想輔助設(shè)計工具。4 硬件電路設(shè)計介紹了本設(shè)計方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計方案來完成具體的電路設(shè)計。 整體電路設(shè)計整體電路的控制核心為單片機AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機電路,顯示電路與溫度測量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖41。圖41超聲波測距原理圖單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。 圖42 超聲波發(fā)送原理圖 超聲波發(fā)射器的注意事項 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。存在4個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。測距誤差主要來源于以下幾個方面：（1）超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；（2）超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關(guān)系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對測距的影響。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為2，當(dāng)很小的時候，可直接按式進行距離的計算；當(dāng)夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： （41） 實際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45176。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。 超聲波發(fā)射電路 超聲波測距技術(shù)經(jīng)過幾年的研究和發(fā)展，已經(jīng)有了很多比較成熟的技術(shù)和設(shè)計方案，使本次設(shè)計能有很多可借鑒的資料，從中學(xué)到了很多寶貴的知識。對自己設(shè)計電路有很大幫助。超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，電路力求簡單實用。我參考電路圖如圖43,44,45,46。吸取幾個圖的優(yōu)點而避免他們的缺點，然后結(jié)合分析設(shè)計超聲波的發(fā)射與接收電路。40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管VTVT2組成強反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T4016的共振頻率。T4016是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。T4016兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。S是電源開關(guān)，按一下S，便能驅(qū)動T4016發(fā)射出一串40kHZ超聲波信號。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。電路不需調(diào)試即可工作。這樣電路很簡單與實用。 圖43 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之二，由VTVT2組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的T4016，其諧振頻率為40kHZ177。2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T4016作為換能器發(fā)出40kHZ的超聲波信號。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬（3~12V），且頻率不變。電感采用固定式。整機工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。 圖44 40khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅(qū)動功能，通過超聲換能器T4016輻射出超聲波去控制接收機。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應(yīng)為40kHZ。振蕩信號分別控制由YFYF3組成的差相驅(qū)動器工作，當(dāng)YF3輸出高電平時，YF4一定輸出低電平；YF3輸出低電平時，YF4輸出高電平。此電平控制T4016換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1~YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，該電路特點是輸出驅(qū)動電流大（大于15mA），效率高等。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號大于10m。圖45 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之四，由LM555時基電路及外圍元件構(gòu)成40kHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器RP阻值，可以改變振蕩頻率。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動超聲波換能器T4016，使之發(fā)射出超聲波信號。電路簡單易制。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。 經(jīng)過認(rèn)真仔細(xì)的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，再經(jīng)過整形放大后來驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。 NE555是一種用途很廣的時基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，～18V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動電流可達200mA。NE555的內(nèi)部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過比較器A1，復(fù)位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。利用NE555可以組成相當(dāng)多的應(yīng)用電路，甚至多達數(shù)百種應(yīng)用電路，在各類書刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門鈴、報警器、信號發(fā)生器、電路檢測儀器、元器件測量儀、定時器、壓頻轉(zhuǎn)換電路、電源應(yīng)用電路、自動控制裝置及其它應(yīng)用電路都有著廣泛的應(yīng)用，這是因為NE555巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的緣故。圖46 40khz超聲波發(fā)射電路 圖47 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳 本次設(shè)計中NE555電路的工作原理是：單片機TXD口發(fā)出低電平，三極管Q5為PNP管所以導(dǎo)通，C極向外輸出高電平。555芯片8腳接到高電平開始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當(dāng)接到單片機的低電平信號后振蕩器開始工作。 Vcc經(jīng)外接電阻R1和R2向電容C充電，當(dāng)C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時，反相比較器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，即V＝0，3腳輸出為“0”，則三極管導(dǎo)通，C經(jīng)三極管和P1放電，當(dāng)Vc下降到Vcc/3時，同相比較器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S＝0，RS觸發(fā)器置位，3腳輸出變?yōu)椤?”，三極管又截止，C又開始充電，如此周而復(fù)始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波，NE555的內(nèi)部電路。由電路可知電容C的放電時間t1＝R2Cln2，充電時間t2＝（R1+R2）Cln2，即可得出輸出脈沖的頻率為：f＝1/t1+t2。所以調(diào)節(jié)R1和R2即可改變脈沖頻率使之等于40KHz。如圖46所示。圖48 方波產(chǎn)生電路 為了使40KHz的方波信號更為可靠，要對其進行整形及放大。信號由NE555的3腳向外輸出，經(jīng)過二極管D2整形，濾去低于低電平 的部分，只保留零電平以上部分。整形后的信號經(jīng)由三極管QQ2放大，此時的信號已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設(shè)計的需要。信號由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。此外在超聲波發(fā)射電路中還加入了消除余振部分以保證電路可以更好的為超聲波發(fā)射器提供信號，也使測量結(jié)果更為精確。因為超聲波探頭是一個感性元件，在一定程度上會表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。所以當(dāng)發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號后，如果沒有合適的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會持續(xù)一段時間，仍然發(fā)射超聲波，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。加入這個電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機控制發(fā)送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個管腳輸出相同的電平。在TXD口為高電平時停止發(fā)射超聲波，此時INT0口也為高電平，使得三極管Q3導(dǎo)通，即打開消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個動作幾乎是同時的，可以提高此后計時的準(zhǔn)確性。電路如圖49所示。圖49方波消除余波電路 圖410 發(fā)射電路模塊 超聲波接收電路在本次設(shè)計中選擇了前置放大電路＋帶通濾波電路＋后級放大電路的類似電路。通過波形整形，積分器，檢波器，帶通濾波，限幅放大和前置放大等實現(xiàn)接收超聲波的功能。如圖411所示： 由于在距離較遠的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右。如圖411所示電路有三級放大：前兩級種放大100倍，采用高速精密放大器LM318， 其帶寬為15MHz，放大倍數(shù)為100倍時，能充分滿足要求；第三級采用LF353運算放大器，帶寬為4MHz，對于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形輸出一個方波信號，此方波信號上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請。在中斷服務(wù)程序中，讀取時間計數(shù)器的計數(shù)值，并結(jié)合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離如圖412所示：圖411 40KHz超聲波接收電路圖412 40KHz超聲波接收電路圖412所示電路為雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機電路，由VTVT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次（發(fā)射機工作一次），觸發(fā)信號經(jīng)CC8向雙穩(wěn)電路送進一個觸發(fā)脈沖，VTVT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時，VD5截止，VT7截止，繼電器K釋放； 當(dāng)再來一個觸發(fā)信號時，VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)，VD5導(dǎo)通，VT7導(dǎo)通，繼電器K吸合......由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實。調(diào)試時，在a點與+16V（電源）之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無反應(yīng)，請檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。再加上設(shè)計中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。為了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于超聲波探頭接收到的信號同樣需要進行處理。探頭收到的回波信號經(jīng)OUT口回到電路中，經(jīng)過電容C10耦合，只保留測距需要的交流信號。電路中加入二極管D1同樣是因為上面提到的探頭的感性。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會出現(xiàn)一個反向電動勢，即電位低于地電位。這樣，如果沒有二極管保護，這個反向電動勢將會全部加在三極管Q4的be結(jié)上，如果探頭的感性比較強，其反向電動勢足以將be結(jié)擊穿。二極管D1提供了一個電流的瀉放電路，也可以說是將反向電動勢降到最?。ǎ?，保護三極管及其他電路。電容C9對經(jīng)過三極管的信號進一步整形，去掉信號波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個上拉電阻的作用，因為回波信號經(jīng)過濾波后很可能會衰減的很嚴(yán)重，所以利用R5將其幅度上拉到5V