【正文】 共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)，它就是一個(gè)超聲波發(fā)生換能器；反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，使機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，這是它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器再結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 圖 23 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波必須要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波功率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成 40KHz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號(hào)。 本測(cè)距儀使用的超聲波換能器是 TCT4012F1(T發(fā)射 )和 TCT4012S1(R接收 )，中心頻率 是 40KHz。 超聲波發(fā)生 /接收器的外形和通常的駐極體話筒差不多，如果發(fā)生接收是分開的兩個(gè)在安裝過程中要注意它們之間的距離大概在 3— 5CM，否則過于靠近易產(chǎn)生干擾 。若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來可提高抗干擾性 9 能。 超聲波測(cè)距電路原理 由于超聲波發(fā)射與接收器件所具有的固有頻率特性，使超聲波測(cè)距系統(tǒng)可部分采用選頻電路，這具有很高的抗干擾性能。但由于這個(gè)特性，使頻分制超聲波多通道檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)起來不太方便。在多通道超聲波檢測(cè)系統(tǒng)中，一般采用碼分制。 1．單通道超聲波檢測(cè)電路 單通道超聲波檢測(cè)電路比較簡(jiǎn)單， 其原理圖如圖 24所示 圖 24 單通道超聲波測(cè)距電路原理圖 單通道超聲波測(cè)距電路的發(fā)射器一般由超聲波信號(hào)振蕩器（由 AT89S52 單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)），驅(qū)動(dòng)電路，超聲發(fā)射器件（超聲波傳感器發(fā)射 TX 4016）構(gòu)成；接收電路一般由超聲波接收器（超聲波傳感器接收 RX 4016），前置放大器，記憶驅(qū)動(dòng)電路，執(zhí)行電路構(gòu)成。 2．多通道超聲波檢測(cè)電路 超聲波多通道檢測(cè)電路一般采用碼分制，圖 25 是碼分制超聲波電路的原理圖。 圖 25碼分制超聲波測(cè)距電路原理圖 由圖 25 可見，碼分制超聲波測(cè)量電路與碼分制紅外遙控 電路的結(jié)構(gòu)基本相同，只是發(fā)射與接收的器件不同而已?？偠灾?，超聲波測(cè)距是通過不斷檢測(cè)超聲波發(fā) 10 射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t,然后求出距離的。 測(cè)量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng)價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度， 加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下 :當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上還存在一定余振 (由于機(jī)械慣性作用 )。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號(hào)幅值仍具有一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭越來越遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間越來越長(zhǎng)，其幅值也越來越小。在超聲波檢測(cè)中，接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。為保證一定的信噪比，接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定 的闡值 V，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一 m值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。由圖 33，從 b點(diǎn)以后，接收的信號(hào)低于闡值，相當(dāng)于測(cè)距的遠(yuǎn)限。另外，從圖中 A點(diǎn)以后，接收信號(hào)才比發(fā)射信號(hào)大，但還將與發(fā)射信號(hào)相迭加，難以分辨。從 c點(diǎn)以后，發(fā)射信號(hào)低出闡值 V，接收信號(hào)才基本擺脫發(fā)射信號(hào)干擾，而能明顯的被分辨，所以在要求較高是，把 oc這段時(shí)間規(guī)定為盲區(qū)時(shí)間。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時(shí)間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。因此， cb為可測(cè)距范圍， b點(diǎn)就為測(cè)距遠(yuǎn)限，其外部就為測(cè)量不到的區(qū)域。 圖 26 傳感器回波原理分析 11 超聲 波的衰減 聲波在媒質(zhì)中傳播時(shí)，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為聲衰減。聲波的衰減主要分為以下三種主要類型 :吸收衰減、散射衰減和擴(kuò)散衰減。其中，吸收衰減主要是由媒質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)及各種弛豫過程引起的 :散射衰減是由于聲波在遇到媒質(zhì)界面時(shí)，向不同的方向產(chǎn)生散射，從而導(dǎo)致聲波減弱 。擴(kuò)散衰減則是由聲源特性引起的，是因?yàn)槁暡▊鞑ミ^程中因波陣面的面積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強(qiáng)減弱，若聲源輻射的是球面波 (波陣面是同心球面 )，其波陣面隨 r 的平方增大，聲強(qiáng)隨 2r?規(guī)律減弱。聲波的描述方程與電磁波是類似的 : ? ? ? ? ? ?c os tA t A x k x??? () 上式 中 ， ??AxA(x)為振幅， ? 為傳播角頻率， t 為傳播時(shí)間， x 為傳播距離，2/k ??? 為波 速 ， ? 為聲波波長(zhǎng)。 由于聲波的衰減，使得 ??Ax隨傳播距離的變化而變化。聲學(xué)理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。對(duì)沿 X方向傳播的平面波而言，由于不需要計(jì)算擴(kuò)散衰減，則 ??Ax的變化規(guī)律可以由下式表示 : ? ? 0 xA x A e ??? () 0A 為聲源處質(zhì)子振幅，為不變量 ； ? 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 20 f??? () 其中， 0? 為介質(zhì)常數(shù)， f 為振動(dòng)頻率。在空氣中， 11 20 2 10 /s cm? ??? ，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 40f KHz? 時(shí)，可得 10 cm? ???? ，即 1/ m? ? 。它的物理意義在于 :超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在長(zhǎng)度 上， 平面聲波的振幅衰減為原來的 1/e。而且，頻率越高，衰減系數(shù) a越大，傳播的距離也越短。在實(shí)際的應(yīng)用中，一般選用 30100KHz的超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，比較的典型的頻率為 40KHz。 主要技術(shù)指標(biāo) 測(cè)量范圍： ～ 測(cè)量精度： 1cm 總結(jié) 以上對(duì)超聲波測(cè)距的基本原理及超聲波傳感器作了介紹。關(guān)于超聲波的發(fā)射電路，接收前置放大，脈沖形成與記憶電路，電 源電路，以及碼分制超聲波測(cè)距電路中的編碼與解碼電路，脈沖調(diào)制與解調(diào)電路?？梢詤⒖技t外發(fā)送電路。 在設(shè)計(jì)超聲波傳感器測(cè)距電路時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 12 ，驅(qū)動(dòng)時(shí)所需電流較小，一般僅為幾毫安到十幾毫安。但要有一定幅度的驅(qū)動(dòng)電壓，驅(qū)動(dòng)電路不加限流電阻。 ，設(shè)計(jì)時(shí)元件參數(shù) 經(jīng)過比較精確的計(jì)算。調(diào)試時(shí)要注意通過頻率計(jì)來監(jiān)測(cè)頻率。 要選用阻抗較高的前置放大器，以獲得較高的接收靈敏度和選擇性 。 3 硬件電路設(shè)計(jì) AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行 口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 。 主要性能 l 與 MCS51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 l 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash存儲(chǔ)器 l 1000次擦寫周期 l 全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz l 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 l 32個(gè)可編程 I/O口線 l 三個(gè) 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 l 八個(gè) 中斷源 l 全雙工 UART串行通道 l 低功耗空閑和掉電模式 13 l 掉電后中斷可喚醒 l 看門狗定時(shí)器 l 雙數(shù)據(jù)指針 l 掉電標(biāo)識(shí)符 由于超聲波測(cè)距儀的電路比較簡(jiǎn)單， AT89S52價(jià)格便宜性能好，并且能夠滿足設(shè)計(jì)要求還有很大的擴(kuò)展空間所以使用 AT89S52作為主控制器。 AT89S52引腳圖 硬件電路的總體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合個(gè)方面的因素，本設(shè)計(jì)決定采用 AT89S52單片機(jī)為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào) 用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖 32所示。 圖 32超聲波測(cè)距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 測(cè)距原理 超聲波測(cè)距的方法有多種，如相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和往返時(shí)間檢測(cè)法 單片機(jī) 控制器 超聲波接收 超聲波發(fā)射 LED 顯示 掃描驅(qū)動(dòng) 14 等。相位檢測(cè)法雖然精度高，但檢測(cè)范圍有限 ； 聲波幅值檢測(cè)法易受反射波的影響。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測(cè)法，其原理為 :檢測(cè)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。而所測(cè)距離是聲波傳輸距離的一半 ，即： /2s ct? () 式中， c 為超聲波在空氣中的傳播速度 。在文章的前面已經(jīng)說過 c 的計(jì)算方法。當(dāng)溫度不便或者常溫時(shí)可以認(rèn)為 c時(shí)固定不變的。 圖 33 超聲波測(cè)距原理圖 超聲波 智能 測(cè)距儀 測(cè)距系統(tǒng)的工作過程 ，系統(tǒng)控制部分初始化整個(gè)系統(tǒng) 1)初始化 LED 2)初始化計(jì)數(shù)控制部分，清除計(jì)數(shù)值，使之恢復(fù)為 0 超聲波脈沖信號(hào)，脈沖寬度為 25us左右 INT0為“ 1”，打開計(jì)時(shí)器，等待回波信號(hào)。 1：回波信號(hào)到達(dá)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器， “ 0”，清 INT0為“ 0” 情況 2：回波信號(hào)沒有到達(dá)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，清 INT0， “ 0” 繼續(xù)重一開始。 。 ，顯示在 LED上。 超聲波智能 測(cè)距儀 測(cè)距部分硬件實(shí)現(xiàn) 硬件部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè) 接收電路、 鳴響電路 、 電源電路五 部分組成。 1 單片機(jī)系統(tǒng)部分 單片機(jī)采用 AT89S52。采用 24M高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測(cè)量誤差。單片機(jī)用 40KHz方波信號(hào)，利用外中斷 15 INT0口監(jiān)測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。電路如圖 34所示。 圖 34 單片機(jī)系統(tǒng)部分電路圖 2 顯示部分 顯示電路采用簡(jiǎn)單實(shí)用的 4位共陽 LED 數(shù)碼管，采用 74LS245 驅(qū)動(dòng)。顯示部分電路如圖 35所示。 圖 35 顯示部分電路 16 發(fā)射部分 反射電路主要由反相器 74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 40KHz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽形 式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻 R8和 R9一方面可以提高反相器 74LS04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。發(fā)射部分電路如圖36所示。 圖 36超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路主要由 CX20216A和一些常用原件構(gòu)成， 使用 CX20216A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益 80db。以下是 CX20216A的引腳注釋。 1 腳：遙控信 號(hào)輸入端，該腳和地之間連接 PIN光電二極管，該腳的輸入阻抗約為40kΩ 。 2 腳：該腳與地之間連接 ,RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R1或減小 C1