【正文】 聲和其他各種多余的信號干擾，使得信噪比達到最大，保證了測距結(jié)果的準確性。超聲波的發(fā)射電路設(shè)計如圖39所示：圖39 超聲波發(fā)射電路原理圖　接收電路的設(shè)計接收電路主要由三部分組成，用來接收反射回來的超聲波信號，超聲波換能器將超聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，雖然完成了聲電轉(zhuǎn)換，但得到的這個信號并不能被單片機直接接收，需要通過一定的調(diào)理信號經(jīng)行處理，先將回波信號經(jīng)行一定的放大。圖38 直流穩(wěn)壓電源工作流程圖通過以上步驟即可以得到系統(tǒng)所需的穩(wěn)定的5伏直流電源，最后在該電源電路中并聯(lián)了一個二極管，以便于觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)。此外，RESET用于接復(fù)位電路，當單片機需要復(fù)位時按下開關(guān)S1，外部復(fù)位電路產(chǎn)生2機周以上的高電平，是單片機完成復(fù)位。注：上表中沒有提到的引腳均為空腳，沒有連接。DS18B20溫度傳感器是一個以9位數(shù)字信息反映溫度值的一個器件，通過一個單線口既可以用來接收也可以用來發(fā)送數(shù)據(jù)到單片機，因此，該芯片使用時只需和單片機用一根連接線即可以達到讀取和傳送溫度值的目的，由于電源和信號是復(fù)合起來的，所以不需要另外加一個外界的電源就可以工作。接收端隨即收到回來的這部分超聲波，對內(nèi)部的諧振片產(chǎn)生一個諧振，將接收的聲波轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，接著將轉(zhuǎn)換后的信號輸入到放大電路中，然后輸出最終信號。收到的超聲波被接收器進行一定的處理，將聲音和電這兩種能量進行轉(zhuǎn)換，最后使得接收到的信號變?yōu)殡娒}沖信號。不同于P0口的是，P1口是一個內(nèi)部有上拉電阻的雙向輸入/輸出口，緩沖器輸出能驅(qū)動4個TTL邏輯電平。擁有可編程的Flash，這些特點表明AT89C52可以滿足多種系統(tǒng)的需要，使用的靈活性很高。其次，超聲波還要負責控制其他外圍電路，比如，本設(shè)計中的溫度補償電路采用了一塊收發(fā)溫度信號的芯片，由單片機控制，將環(huán)境溫度采集后進行查溫度與速度表，用于確定當前環(huán)境下具體溫度，最終目的是獲取當前環(huán)境的聲波的準確傳播速度，使得測距結(jié)果更加準確。單片機收到回波信號后立即經(jīng)行中斷處理，獲取時間差值，即可計算出測量的最后結(jié)果。經(jīng)過一級放大的信號分兩路同時輸送到雙比較器整形電路中去，如圖的A和B即為雙比較器整形電路的兩個比較器。具體計算公式如下： （27）其中，S為所求距離，T為波來回的時間，V為當前超聲波傳遞的速度。以上分類依據(jù)是基于實現(xiàn)超聲波的傳感器聲能和電能轉(zhuǎn)換的物理方式。溫度變高后，一般情況下速度也會加快，這兩者間的關(guān)系如表22所示：表22 聲速與溫度關(guān)系溫度（℃）3020100102030100波速（m/s）313319325323338344349386用公式可表示為： （26）其中，T代表溫度。其衰減的規(guī)律可由以下公式表示： （24） （25）其中，P0代表聲音在x=0時候的聲壓，I0代表聲音在x=0出的聲強。超聲波沿x正向傳播的運動方程為： （21） （22）其中，A(x)代表超聲波的振幅（質(zhì)點位移的大?。ⅵ卮斫穷l率、t代表時間、A0則是常數(shù)、x代表傳播的距離、k=2π/λ代表波數(shù)，λ代表波長，α代表衰減的系數(shù)。第三，聲波傳出去以后，距離越大，衰減也就越大。雖然如此，但其本質(zhì)還是聲波，因此能滿足聲波的各種特性，也就是說，聲波的規(guī)律對于超聲波也完全適用。屬于比較容易獲取的聲能中的一種。通過查詢相關(guān)資料了解到，我們國家使用的大多數(shù)高精度測距系統(tǒng)均來源于進口，這在很大程度上對我國的經(jīng)濟和現(xiàn)代化的發(fā)展產(chǎn)生巨大的阻力，因此，我們需要增加在超聲波測距系統(tǒng)的研究經(jīng)費，使我國的測距裝置不僅能滿足自己本國的需要，還能出口到國外。我國的超聲波測距技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但與發(fā)達國家相比，在精度方面還是差一大截，我們想要進入現(xiàn)代化的建設(shè)中去，就要提高速度和效率，而這些都是建立在高科技水平，高質(zhì)量的儀器之上的，所以我們還需加強研究，使得精度達到未來的需求，從而為工業(yè)的發(fā)展做出貢獻。根據(jù)他的結(jié)論，測距之所以有誤差，是由于對回波的脈沖檢驗方式有問題。這些論著詳細的說明了超聲波測距的原理。這是超聲波的應(yīng)用最廣的一面。因為在液體之中實驗會很容易得觀察到波紋。而后，超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域的研究也在逐漸擴大，到了1928年，Sokolve首先提出了關(guān)于超聲波探傷的研究，即利用超聲波的特性來檢查金屬器件是否存在裂痕或者缺損。1．2　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀首先，從國外來看，最先的研究記錄是18世紀70年代的科學家高爾頓所做的氣哨實驗，這是我們?nèi)藗冇惺芬詠淼牡谝淮瓮ㄟ^實驗產(chǎn)生的高頻聲波，后來的30年內(nèi)，超聲波的概念仍舊很少有人知道，再加上那時的技術(shù)方面的達不到要求，對超聲波的研究產(chǎn)生了難以逾越的鴻溝。超聲波測距系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：(1)可以用于空氣中，液面下和固體內(nèi)等傳播介質(zhì)中測量，應(yīng)用靈活；(2)不易受光影響，在黑暗及煙霧環(huán)境下都可使用，不易受電磁場影響，使人可以遠離這些惡劣工作環(huán)境；(3)制作起來不復(fù)雜，該成品預(yù)計價格不貴，而且體積不大，還非常容易集成；由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上這些特點而被廣泛的應(yīng)用。而對于微波雷達測距來說，電路部分的制作成本就非常之高，也只用于專業(yè)領(lǐng)域，如軍事和工業(yè)類。例如：建筑施工測量，智能機器人，汽車倒車雷達，油箱液位測量等。超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計方案超聲波測距系統(tǒng)作為一種經(jīng)典的非接觸式測量技術(shù)，包含了電子，材料，物理等學科的知識理論，其應(yīng)用領(lǐng)域也十分的廣泛。1．1　系統(tǒng)設(shè)計背景在過去許多科學家的研究基礎(chǔ)之上，我們已經(jīng)知道用許多種不同的方法來測距，不再局限于傳統(tǒng)的簡單的接觸式測量器具，我們今天的電子技術(shù)正以飛一般的速度向前推動著大量非接觸式測距儀的發(fā)展。紅外線測距雖然造價便宜，但其不能達到高精度，且方向性不好。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距技術(shù)在汽車制作，國防安全，工業(yè)制造及日常生活中都隨處可見。直到第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)，期間關(guān)于超聲波的研究漸漸地被人們所看重。又過了兩年，另外一個科學家穆爾豪瑟獲取了一個德國專利，這個專利是針對超聲波檢查方法的，這讓我們又看到超聲波的研究進了一步。德國的貝格曼在他的書《超聲波》中，比較完整的介紹了大量的超聲波的資料。根據(jù)此研究基礎(chǔ)，衍生出大量超聲波儀器，目前，超聲波在無損檢測中發(fā)揮出無與倫比的作用。還留下諸多相關(guān)實驗的數(shù)據(jù)結(jié)論，如，超聲波的傳播速度（即聲速）的影響因素有哪些，波的特性在傳播過程中對測距系統(tǒng)的影響分析。他根據(jù)實驗，驗證了回波的包絡(luò)方程，給出了軟硬件的設(shè)計方案。通過長時間的研究和發(fā)展，超聲波測距不僅僅是單一的技術(shù)了。 ２　超聲波測距原理和方案　超聲波測距的基本理論　超聲波簡介所謂超聲波，跟普通聲波的區(qū)別是頻率范圍不同。超聲波的使用范圍也是很廣的，比如：測量，測量又分為速度的測量和距離的測量；各種需要殺滅細菌的環(huán)境；超聲波的能量還可用于破碎物體，用于分割等。聲波是一種傳遞了物體運動的能量，比如，桌子被拍打，桌面就會產(chǎn)生上下運動，從而傳播聲音。最后，也是最重要的一點，超聲波傳播的方向是直的，這就使得超聲波用于測距有了一個很好的基礎(chǔ)條件。且有如下關(guān)系： （23）上式中a代表介質(zhì)常數(shù)，f代表振動頻率。?代表系數(shù)，單位是：奈培/cm?！〕暡〒Q能器簡介超聲波傳感器，別名超聲波換能器，是超聲波測距系統(tǒng)里不可或缺的一個重要元件。有一些特殊的材料在接受一定壓力是會在其內(nèi)部產(chǎn)生一個電場，這就是我們通常所說的壓電效應(yīng)，而能達到這種效應(yīng)的材料就是作為超聲波傳感器的核心部件。該測距的原理可簡單的表示為圖22所示： 圖22 超聲波測距原理圖系統(tǒng)框圖如圖23所示：雙比較器整形電路圖23 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)工作總流程說明：首先,系統(tǒng)初始化完成后，測溫電路開始工作，DS18B20芯片開始采集環(huán)境溫度并將最后采集到的數(shù)據(jù)送入單片機。其中一路信號經(jīng)過TGC時間增益補償電路經(jīng)行增益處理，然后再次放大，通過雙比較器整形電路的A比較器送入單片機。該測量結(jié)果由顯示電路輸出，該顯示模塊主要由74LS245鎖存器來驅(qū)動4個LED數(shù)碼管，采用了動態(tài)顯示的方法，占用的I/O資源更少，充分發(fā)揮了軟件作用。此外，單片機還需要負責控制顯示電路，將測量出的距離的結(jié)果通過LED數(shù)碼管直觀的顯示出來。AT89C52芯片擁有40個引腳，充足的32個可編程雙向I/O口，在該超聲波測距系統(tǒng)中，這樣多的雙向I/O口可以使所有需要的外設(shè)電路方便的與單片機連接起來，還有3個16位定時/計數(shù)器。P1口的第二功能如表31所示：表31 AT89C52 第二功能說明表引腳號第二功能T2（定時器/計數(shù)器T2的外部計數(shù)輸入）、時鐘輸出T2EX（定時器/計數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制）續(xù)表31：引腳號第二功能RXD(串行輸入口)TXD(串行輸出口)INT0(外中斷0)INT1（外中斷1）T0 (定時/計數(shù)器0)T1(定時/計數(shù)器1)WR(外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通)RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）實物圖片如圖31所示：圖31 AT89C52芯片實物圖　超聲波傳感器的選型本設(shè)計中選用的是型號為T/R4018A的壓電式換能器，具體參數(shù)如表32所示：表32 T/R4018A超聲波換能器相關(guān)參數(shù)型號中心頻率（kHz）發(fā)射聲壓最小電平（dB）