【正文】 )(1010RWCRLQm???e)(10?超聲波換能器的工作效率為 01R??相臨兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)，以使前后金屬蓋板與同一極性的電極相連，否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增大，兩芯片之間，芯片與金屬蓋板間通常以薄黃銅片（厚度小于 ） ，作為焊接電極引線用；芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠膠合，在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。在電——聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開(kāi)口，使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。目前市面上出售的超聲波傳感器種類有通用型，拓寬型，寬帶域型，防水型和高頻型等這幾類。雖然通用型超聲波傳感器有頻率帶寬較窄的缺點(diǎn)，但是卻可以換來(lái)高靈敏度，抗噪聲干擾強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。超聲波基本應(yīng)用電路主要分為三類： 1）直射型，主要用于遙控及報(bào)警電路 2）分離反射型，主要用于測(cè)距，料位測(cè)量等電路3）反射型，主要用于材料的探傷，測(cè)厚電路。鑒于成本的考慮，選用了普通的 T/R40 系列的超聲波發(fā)射/接收傳感器。T/R40 系列超聲波傳感器典型的工作頻率為（3941）KHZ，其具體參數(shù)見(jiàn)表 和表 。表 外形尺寸（T/R4—XX 中的“XX”表示傳感器的外徑尺寸）型號(hào) A(mm) B(mm) C(mm) D（mm）T/R4012 T/R4016 T/R4018A 表 電氣參數(shù)接收靈敏度工作頻率（KHZ）帶寬（KHZ）型號(hào) 聲平電壓在 40KHZ 時(shí) 發(fā)送 接收電容（pF）T/R4012 112db最小值67db（3941）KHZ最小5/100db最小5/75db（24752525）%T/R4016 115db最小值64db（3941）KHZ最小6/103db最小6/71db（23752425）%T/R4018A115db最小值64db（3941）KHZ最小6/103db最小6/71db（23752425）%24A115db最小值64db（3941）KHZ最小6/100db最小6/71db（23752425）% 傳感器位置 由于是測(cè)距系統(tǒng)是采用超聲波發(fā)射和接收分離反射型結(jié)構(gòu)，所以發(fā)射頭和接收頭應(yīng)該在同一平行直線上。出于距離和發(fā)射夾角所引起的誤差以及超聲波信號(hào)在傳播過(guò)程中衰減問(wèn)題的考慮，發(fā)射和接收探頭距離不可以太遠(yuǎn)，而又為了避免發(fā)射頭對(duì)接收頭接收信號(hào)產(chǎn)生的干擾，二者也不能間隔太近。經(jīng)過(guò)參考前人的經(jīng)驗(yàn)以及調(diào)試時(shí)的實(shí)際情況，應(yīng)保持超聲波發(fā)射頭和接收頭中心軸線平行并相距 48cm 即可。 設(shè)計(jì)方案的論證超聲波探測(cè)技術(shù)主要用于中程測(cè)距、結(jié)構(gòu)探傷、智能控制等領(lǐng)域，超聲波換能器是其核心部件，換能器按其工作介質(zhì)可分為氣相、液相和固相換能器；按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為38KHz、40KHz 等不同等級(jí)。本設(shè)計(jì)選用氣相、窄波束、40KHz 的超聲波換能器。當(dāng)利用超聲波探測(cè)器測(cè)距時(shí)常用兩種方法——強(qiáng)度法和反射時(shí)間法，強(qiáng)度 法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來(lái)測(cè)量被測(cè)物的距離，被測(cè)物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測(cè)物的遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦合信號(hào)很難消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效，由于直接耦合信號(hào)的影響強(qiáng)度法測(cè)距只適合較短距離的且精度要求不高的場(chǎng)合。反射時(shí)間法其原理是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間 T 利用公式 S=V（T/2） (其中 S 為被測(cè)距離、V 為空氣中聲速、T 為回波時(shí)間（ ）計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度21??的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過(guò)設(shè)置“時(shí)間門(mén)”來(lái)加以克服，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距離的測(cè)距，如果對(duì)聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高，本設(shè)計(jì)中選用此方法。而超聲波傳感器一般要在 40KHZ 才能得到最大的震蕩，超聲波才能傳的更遠(yuǎn)，而要產(chǎn)生 40KHZ 的方波可以直接通過(guò)單片機(jī)輸出 PWM 信號(hào)或通過(guò)外部震蕩電路來(lái)產(chǎn)生，這里我采用的是 52 單片機(jī)，沒(méi)有多余的資源完成這么多工作，故摒棄了由單片機(jī)直接產(chǎn)生 PWM 信號(hào)的方式，而采用了外部電路產(chǎn)生。單片機(jī)的功能特點(diǎn)及測(cè)距原理 　40KHZ 的發(fā)射頻率由 NE555 提供給軟件進(jìn)行處理控制發(fā)射及停止，回波經(jīng)過(guò) STC89C52 對(duì)接收到的信息進(jìn)行處理后，被測(cè)的距離在 LCD 上顯示，顯示部分采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。滿足顯示精度；若該距離小于預(yù)置的汽車低速安全剎車范圍(如：1m 或 )，報(bào)警電路發(fā)出適當(dāng)?shù)木嫣崾疽簦? 口的蜂鳴器輸出控制報(bào)警電路的工作。 3 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 單片機(jī)的選擇在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，選擇合適的系統(tǒng)核心器件就成為能否成功完成設(shè)計(jì)任務(wù)的關(guān)鍵，而作為控制系統(tǒng)核心的單片機(jī)的選擇更是重中之重。目前各半導(dǎo)體公司、電氣商都向市場(chǎng)上推出了形形色色的單片機(jī)，并提供了良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境。選擇好合適的單片機(jī)可以最大地簡(jiǎn)化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，而且功能優(yōu)異，可靠性好，成本低廉，具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，市面上的單片機(jī)不僅種類繁多，而且在性能方面也各有所長(zhǎng)。一般來(lái)說(shuō)，選擇單片機(jī)需要考慮以下幾個(gè)方面：（1）單片機(jī)的基本性能參數(shù)。例如指令執(zhí)行速度，程序存儲(chǔ)器容量，I/O引腳數(shù)量等。 （2）單片機(jī)的增強(qiáng)功能。例如看門(mén)狗、多指針、雙串口等。（3）單片機(jī)的存儲(chǔ)介質(zhì)。對(duì)于程序存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，F(xiàn)lash 存儲(chǔ)器和 OTP（一次性可編程）存儲(chǔ)器相比較，最好是 Flash 存儲(chǔ)器。（4）芯片的封裝形式。如 DIP（雙列直插）封裝，PLCC（PLCC 有對(duì)應(yīng)插座）封裝及表面貼附等。（5）芯片工作溫度范圍符合工業(yè)級(jí)、軍工級(jí)還是商業(yè)級(jí)。如果設(shè)計(jì)戶外產(chǎn)品，必須選用工業(yè)級(jí)。（6）芯片的功耗。比如設(shè)計(jì)并口加密狗時(shí)，信號(hào)線取電只能提供幾 mA 的電流，選用 STC 單片機(jī)就是因?yàn)樗軡M足低功耗的要求。（7）供貨渠道是否暢通、價(jià)格是否低廉。（8）技術(shù)支持網(wǎng)站的速度如何，資料是否豐富。包括芯片手冊(cè)，應(yīng)用指南，設(shè)計(jì)方案，范例程序等。（9）芯片保密性能好、單片機(jī)的抗干擾性能好。STC89 系列單片機(jī)是 MCS51 系列單片機(jī)的派生產(chǎn)品。它在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn) 8052 單片機(jī)完全兼容，DIP40 封裝系列與 8051 為pintopin 兼容。STC89 系列單片機(jī)高速(最高時(shí)鐘頻率 90MHz)，低功耗，在系統(tǒng)/在應(yīng)用可編程(ISP，IAP),不占用戶資源。根據(jù)本系統(tǒng)的實(shí)際情況，選擇STC89C52 單片機(jī)， 單片機(jī)(STC89C52)外觀如圖 31 圖 31 STC89C52 外觀單片機(jī)(STC89C52)的引腳功能圖 32 圖 32 STC98C52 引腳圖單片機(jī)的引腳功能說(shuō)明：1. 電源引腳Vcc　40 腳　正電源腳，工作電壓為 5V。GND　20 腳　接地端2. 時(shí)鐘電路引腳 XTAL1 和 XTAL2為了產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，在 8052 內(nèi)部設(shè)置了一個(gè)反相放大器，XTAL1 是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端，XTAL2 是片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端，也是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。當(dāng)使用自激振蕩方式時(shí)，XTAL1 和 XTAL2 外接石英晶振，使內(nèi)部振蕩器按照石英晶振的頻率振蕩，就產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)。產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)電路如圖 33： 圖 33 時(shí)鐘信號(hào)電路本系統(tǒng)使用的石英晶振頻率為 12MHZ。 　RST　9 腳　　在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)腳保持高電平，52 芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后 P0－P3 口均置 1 引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器 SFR 全部清零。當(dāng)復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為 ROM 的 0000H 處開(kāi)始運(yùn)行程序。常用的復(fù)位電路如下圖所示。圖 34 復(fù)位電路圖復(fù)位電路是手動(dòng)復(fù)位電路如圖 35： 圖 35 復(fù)位電路圖(I/O)引腳　　Pin39Pin32 為 輸入輸出腳，稱為 P0 口，是一個(gè) 8 位漏極開(kāi)路型雙向 I/O 口。內(nèi)部不帶上拉電阻，當(dāng)外接上拉電阻時(shí)，P0 口能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)八個(gè) LSTTL 負(fù)載電路。通常在使用時(shí)外接上拉電阻，用來(lái)驅(qū)動(dòng)多個(gè)數(shù)碼管。在訪問(wèn)外部程序和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0 口是分時(shí)轉(zhuǎn)換的地址(低 8 位)/數(shù)據(jù)總線，不需要外接上拉電阻。Pin1Pin8 為 輸入輸出腳，稱為 P1 口，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 口。P1 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。通常在使用時(shí)外不需要外接 上拉電阻，就可以直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)于輸出功能，在單片機(jī)工作時(shí)，我們可以通過(guò)用指令控制單片機(jī)的引腳輸出高電平或者低電平。如： 指令 CLR ，清零的意思。CLR ；讓單片機(jī)從第一腳輸出低電平。指令 SETB，置 1 的意思。SETB ；讓單片機(jī)從第一個(gè)腳輸出高電平。 Pin21Pin28 為 輸入輸出腳，稱為 P2 口，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)內(nèi)部 Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接收高 8位地址和控制信息。在訪問(wèn)外部程序和 16 位外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2 口送出高8 位地址。而在訪問(wèn) 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)其引腳上的內(nèi)容在此期間不會(huì)改變。 Pin10Pin17 為 輸入輸出腳，稱為 P3 口，是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 口能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) LSTTL 負(fù)載，這 8 個(gè)引腳還用于專門(mén)的第二功能。端口置 1 時(shí)，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。對(duì)內(nèi)部Flash 程序存儲(chǔ)器編程時(shí)，接控制信息。 P1－3 端口在做輸入使用時(shí)，因內(nèi)部有上接電阻，被外部拉低的引腳會(huì)輸出一定的電流。除此之外 P3 端口還用于一些專門(mén)功能，如下表?！? (1) ALE/PROG 30 訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(hào)(此頻率是振蕩器頻率的 1/6)。在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，出現(xiàn)一個(gè) ALE脈沖。對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這個(gè)引腳用于輸入編程脈沖 PROG 表 3—1 P3 口專門(mén)功能P3 引腳 兼用功能 串行通訊輸入（RXD） 串行通訊輸出（TXD） 外部中斷 0（ INT0） 外部中斷 1（INT1） 定時(shí)器 0 輸入(T0) 定時(shí)器 1 輸入(T1) 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通 RD　 (2) PSEN 29 該引是外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)輸出端。當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令或常數(shù)時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期輸出 2 個(gè)脈沖即兩次有效。但訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不會(huì)有脈沖輸出?！? (3) EA/Vpp 31 外部訪問(wèn)允許端。當(dāng)該引腳訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，應(yīng)輸入低電平。要使 AT89S51 只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為 0000HFFFFH）,這時(shí)該引腳必須保持低電平。對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，用于施加 Vpp 編程電壓。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖如下圖 36 所示： 圖 36 單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 發(fā)射電路的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用一個(gè)稍加變化的 555 多諧振蕩器電路來(lái)產(chǎn)生 40KHZ 的方波。并由單片機(jī) I/O 口來(lái)控制其發(fā)送與否。它具有占空比連續(xù)可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，電路如下圖所示。為了能連續(xù)調(diào)節(jié)占空比并能調(diào)節(jié)振蕩頻率，在 555 的第 6 腳和第 7 腳之間接有 WWR2 組成的調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)。對(duì) C1 充電時(shí)，電流是通過(guò) RW和W1，放電時(shí)，通過(guò) WW和 R2。當(dāng) R1＝R2，W2 調(diào)到中心點(diǎn)或不用 W2 時(shí)，因充放電時(shí)間基本相等，其占空比約為 50%，此時(shí)調(diào)節(jié) W1 僅改變頻率