【正文】 波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過(guò)各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。如下圖所示。若頻率有一些誤差，可調(diào)節(jié)芯片引腳 5 的外接電阻 R42，將濾波器的中心頻率設(shè)置在 40 kHz，就可達(dá)到理想的效果。故本次設(shè)計(jì)用它來(lái)做接收電路。 8 圖 22 超聲波發(fā)射原理圖 接收電路 CX20216 的應(yīng)用 上述 UCMT40 發(fā)射的在空氣中傳播，遇障礙物就會(huì)返回，超聲波接收部分是為了將反射波（回波）順利接收到超聲波接收換能器 UCMT40 進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成電信號(hào)，并對(duì)此電信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、整形等處理后，這里用索尼公司生產(chǎn)的集成芯片 CX20216，得到一個(gè)負(fù)脈沖送給單片機(jī)的 (INTO)引腳，以產(chǎn)生一個(gè)中斷。 40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機(jī)軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。 復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇 12MHz，電容選擇 30pF。 本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTALI， XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào)，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào)，故信號(hào)在放大電路后通過(guò)LM393 構(gòu)成的比較電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信 號(hào)，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，目的使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。 6 發(fā)射電路采用單片機(jī) PI． 0 端口編程輸出 40kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開(kāi)啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 TO。如果測(cè)距精度要求很高，則 應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 20℃時(shí)， T253. 15， CS= m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得： B=g． r，其中 g 為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 ， P 為氣體的壓強(qiáng)。 溫度介紹 由 可知，聲速的 大小線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。 綜上所述，由于木測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在 40KHz。傳 感器的上作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。金屬板的中心有圓錐形振予，發(fā)送超聲波時(shí)，圓 錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波：接收超聲波時(shí)，超聲波的振 動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。 3 超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖 13 所示，它采用雙晶振子，即把雙壓 電陶瓷片以相反 極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)另一片就縮短。壓電陶瓷晶片有一個(gè) 固定的諧振頻率，即中心頻率兒。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)， 2 根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種 機(jī)械變形的大小和方向在一定范 圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成 相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。其具有下列的特性 : 把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變：相反，對(duì)這種材料施以外力，則由 于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲 能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。它只能在固體中傳播。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形 也不同。 然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對(duì)晚一點(diǎn)了。 6．成績(jī)考核辦法 平時(shí)表現(xiàn) 30%，設(shè)計(jì)成果 40%，答辯表現(xiàn) 30%. 教研室審查意見(jiàn)： 教研室主任簽字： 年 月 日 院（系、部、中心）意見(jiàn)： 主管領(lǐng)導(dǎo)簽字： 年 月 日 目錄 ..........................................................1 超聲波和超聲波傳感器 .......................................................1 超聲波 ...........................................................................1 超聲波傳感 器結(jié)構(gòu) ........................................................1 超聲波測(cè)距系統(tǒng)原理及測(cè)量方法 ........................................3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述 ............................................4 工作頻率 .........................................................................4 指向角介紹 .....................................................................4 溫度介紹 .........................................................................4 總體設(shè)計(jì) ................................................................................5 ..........................................................6 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 .............................................................6 發(fā)射部分電路 ........................................................................7 接收電路 ................................................................................8 CX20216 的應(yīng)用 .............................................................8 顯示電路 .........................................................................9 溫度測(cè)量電路 ........................................................................10 報(bào)警電路 ...............................................................................10 .........................................................11 軟件設(shè)計(jì)原理 .......................................................................11 主程序分析 ...........................................................................12 子程序流程圖 ......................................................................13 測(cè)量溫度子程序 ..................................................................14 系統(tǒng)誤差分析及改進(jìn) ..........................................................16 誤差產(chǎn)生原因分析 .......................................................16 針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案 ...........................17 ........................................................................................17 總結(jié) ...............................................................................................18 參考文獻(xiàn) ........................................................................................18 附錄 1 超聲波距離探測(cè)器設(shè)計(jì)原理圖 .......................................19 附錄 2 源程序 ...............................................................................20 1 基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 一．超聲波測(cè)距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) ．超聲 波和超聲波傳感器 ．超聲波 在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，我們生活的世界充滿了各種可 聽(tīng)的聲信號(hào)。1mm； （ 2）根據(jù)題 意，明確測(cè)距系統(tǒng)性能指標(biāo)及系統(tǒng)能完成的功能； （ 3）根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇合適的傳感器； （ 4）設(shè)計(jì)傳感器測(cè)量電路； （ 5）選擇單片機(jī)的品種、型號(hào)，設(shè)計(jì)單片機(jī)的外圍測(cè)量電路； （ 6）計(jì)算有關(guān)的電路參數(shù)，有條件的情況下，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的測(cè)取，明確測(cè)量電路輸出與被測(cè)非電量的關(guān)系； （ 7）畫(huà)出系統(tǒng)原理框圖（此部分放在說(shuō)明書(shū)的開(kāi)始）； （ 8）畫(huà)出系統(tǒng)電路圖，最好用 PROTEL 畫(huà)； （ 9）在說(shuō)明書(shū)中詳細(xì)說(shuō)明本系統(tǒng)工作原理。 2．課程設(shè)計(jì)題目及要求 題目：基于超聲波傳感器的測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 要求： （ 1） 測(cè)距范圍： 0~200mm，測(cè)距精度： 177。 13 年 6 月 14 日下午 設(shè)計(jì)答辯。在國(guó)外， 19 世紀(jì)，聲學(xué)已成為具有現(xiàn)代意義 的科學(xué)并發(fā)展到相當(dāng)高的水平。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定 律、折射定律相似。 ②橫波 質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波。 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超 聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。 流體動(dòng)力型中 包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓 電陶瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，欽酸鋇等。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激