【正文】 發(fā)射超聲波。 超聲波的三種形式超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振蕩波：橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向、波的傳播方向一致；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波、橫波之間。 超聲波對(duì)聲場(chǎng)產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過(guò)程中，一般會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的伸張與壓縮，造成了壓力的變化，引起機(jī)械效應(yīng)。它有兩個(gè)壓電晶片、一個(gè)共振板。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即流體動(dòng)力型與電聲型。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價(jià)格低廉，非常適合于氣體和液體介質(zhì)。 超聲波傳感器選擇在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高；頻率取得太低，外界的雜音干擾會(huì)相應(yīng)的變多。在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時(shí)器測(cè)量超聲波傳播時(shí)間，利用 DS18B20 測(cè)量環(huán)境溫度，從而提高測(cè)距精度。發(fā)射電路采用單片機(jī) 端口編程輸出大概 40KHz 的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0 單片機(jī)端口輸出功率比較弱，所以加大加功率放大電路使測(cè)量距離能夠滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。圖中輸出端上拉電阻 R31，一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，另一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。 發(fā)射電路方案從上面的分析可以知道，發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來(lái)進(jìn)行距離的計(jì)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(shí)候，可直接按式 進(jìn)行距離的?2SCt?V計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： (31)costS??? 實(shí)際的調(diào)試過(guò)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?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測(cè)量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測(cè)量夾角為 45176。前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。液晶屏。兩種數(shù)碼管僅在單片機(jī)編程時(shí)數(shù)碼對(duì)應(yīng)的筆劃信息碼不同。針對(duì)以上 3 個(gè)問(wèn)題，實(shí)際考慮節(jié)約單片機(jī)的接口資源以及減少硬件芯片成本投入，本單元電路設(shè)計(jì)如圖 35 所示，采用 3 位共陰極數(shù)碼顯示管，顯示字符由單片機(jī) P2 口送至鎖存器 74ACQ574 鎖存，再經(jīng)顯示驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2O03 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示，分別控制每一位的動(dòng)態(tài)顯示。這里采用的主要元器件是 Dallas 半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，其具有智能化、體積小、精度高、線路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。這里要注意的是，為了布線方便，單片機(jī)端的 D0～D7 是接到 LCD／602 的 D7～D0，正好相反， 因此在編寫軟件時(shí)需要做處理，使讀取正確 [10]。(3)按鍵 S 為測(cè)量啟動(dòng)鍵；(4)系統(tǒng)采用 AT89S51 的內(nèi)時(shí)鐘：12MHz；(5)沒(méi)有使用看門狗功能；(6)超聲波發(fā)送一定時(shí)間后才開始啟動(dòng)檢測(cè)，避免直達(dá)信號(hào)造成誤判。 //初始化display()。 //蜂鳴器鳴音一次提示按鍵按下i=100000。 //啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換while(1) { if(sta_flag) //60MS 到了，超聲波已經(jīng)發(fā)送 { while(0==CSBIN)。 //刷新顯示}puter()。TH0=0x15。例如，時(shí)鐘中斷、操作員。 //復(fù)位 18b20 芯片tu=0。tu=1。 //溫度為正則+聲速else speed=332T_C*。 //轉(zhuǎn)換為 s 單程return cm。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的超聲波技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、淵博的各科知識(shí)、無(wú)私的奉獻(xiàn)精神使我深受啟迪，從尊敬的導(dǎo)師身上，我不僅學(xué)到了扎實(shí)、寬廣的專業(yè)知識(shí)，也學(xué)到了做人的道理。主要包括整個(gè)程序的算法思想，采用模塊化設(shè)計(jì)，大量采用子程序設(shè)計(jì)的方法，大大縮短編程開發(fā)周期，方便程序閱讀以及程序查錯(cuò)。 //若 1820 不存在即無(wú)法讀取溫度，聲 速＝（取 25 度）return speed。 //去掉低四位即為整數(shù)溫度值，無(wú)需* return c。 // 跳過(guò)多傳感器識(shí)別 skio rom write(0xBE)。在主程序中，發(fā)射的 40KHz脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。P0=0。 //轉(zhuǎn)化成 BCD 碼sta_flag=0。jsh=TH1。BUZZER=1。 //標(biāo)準(zhǔn)復(fù)位 waitforstarting: //檢測(cè)按鍵while(START)。for(i=0。報(bào)警部分的連線，如圖 310 所示。 LCD 顯示部分本設(shè)計(jì)中顯示部分采用字符型 TC1602 液晶來(lái)顯示我們所測(cè)距離值。其功能表，如表 31 所示。在輪流點(diǎn)亮掃描過(guò)程中，每位顯示器的點(diǎn)亮?xí)r間是極為短暫的( 約 1ms)，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余輝效應(yīng)給人的印象就是一組穩(wěn)RST9XTAL218XTAL119VSS20PSEN29ALE/PROG30EA/VPP31VCC 40AT89S51IN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT1 16OUT3 14OUT4 13OUT5 12OUT6 11OUT7 10OUT2 15COM 9GND8ULN2022AOE1CLK11D02 O0 19D13 O1 18D24 O2 17D35 O3 16D46 O4 15D57 O5 14D68 O6 13D79 O7 12VCC 20GND1074ACQ574PC12XTALC3C21KR1C1VCCVCCKfgedKcDPbaDpy RedCCKfgedKcDPbaDpy RedCCKfgedKcDPbaDpy RedCCVCCVCC12345678161514131211109Res Pack4VCCY1Y2Y3Y1 Y2 Y3X2X3X4X5X6X7X8X1X2X3X4X5X6X7X8X1X2X3X4X5X6X7X8X1X2X3X4X5X6X7X8X1圖 35 顯示部分電路圖定的顯示數(shù)據(jù)，不會(huì)有閃爍感。LED 數(shù)碼管顯示與單片機(jī)接口通常涉及以下幾個(gè)問(wèn)題: 數(shù)碼管顯示用共陰極管還是共陽(yáng)極管問(wèn)題 1 軟件譯碼是將各數(shù)碼的筆劃信息構(gòu)成一個(gè)表格預(yù)儲(chǔ)于內(nèi)存，以后根據(jù)要顯示的每一數(shù)碼執(zhí)行一段查表程序，查得相應(yīng)筆劃信息再送數(shù)碼管顯示。由電路可列出: I (32)3RUf???I （33)2ii?把放大器理想化后: U 通常接近于零，即 U=U U O，若???把它理想化，則有 U=0，但不是短路，故常稱為虛短。為了增加所測(cè)量的覆蓋范圍、減小測(cè)量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法 [8]。圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖Q2Q1VCCVCCC1R1LS1RF圖 32 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng)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(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波后就會(huì)立即停止計(jì)時(shí)。各個(gè)振動(dòng)的發(fā)射波應(yīng)是以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和接收相同的振動(dòng)波峰，以避免由于反射面和干涉障礙物造成的各種損失。這里使用 CX 20226A 集成電路對(duì)接收探頭接收濾波，信號(hào)經(jīng)過(guò) 端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償） 發(fā)射脈沖波形超聲測(cè)距常用的發(fā)射脈沖波形如圖 所示有衰減振蕩脈沖、單個(gè)尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。 表 21 傳感器特性參數(shù)表型號(hào) UCMT40K1 UCMR40KQ結(jié)構(gòu) 開放式 開放式使用方式 發(fā)射 接收中心頻率 ZKH140?ZKH138?頻帶寬 靈敏度 ubardBVubardBV6?聲壓 )(1P? )1min(7?指向角 o75o80容量 pF%2?pF%25? 超聲波測(cè)距的原理超聲波測(cè)距方法主要有三種：1）相位檢測(cè)法：精度高，但檢測(cè)范圍有限；2 ）聲波幅值檢測(cè)法：易受反射波的影響；3）渡越時(shí)間法：工作方式簡(jiǎn)單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測(cè)從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。即在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動(dòng)，以促進(jìn)這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和磁致伸縮傳感器。相反，未在兩極間加電壓時(shí)，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)來(lái)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。(2) 空化作用流體動(dòng)力學(xué)指出，在聲場(chǎng)作用下振動(dòng)的液體中的微氣泡在達(dá)到一定聲壓值的時(shí)候，氣泡會(huì)迅速膨脹，之后就突然閉合，而在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程就叫做為空化 [4]。一般采用縱波形式的超聲波來(lái)測(cè)量各種狀態(tài)下的物理量。由圖 12 時(shí)序圖可以看出，超聲波測(cè)距模塊的發(fā)射端在 T0 時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。超聲波具有方向性好、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，因此利用超聲波測(cè)距技術(shù)在工業(yè)控制、機(jī)器人定位、勘探測(cè)量和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [2]?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。它控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對(duì)超聲波速度的校正，還有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在 LCD 上。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。論文中所引用是他人的無(wú)論以何種方式發(fā)布的文字、研究成果，均在論文中以明確方式標(biāo)明。我采用以 AT89S51 單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路。實(shí)際的環(huán)境對(duì)超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對(duì)超聲波的速度影響也很大。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。因此超聲波測(cè)距在移動(dòng)機(jī)器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。 本文主要研究?jī)?nèi)容本系統(tǒng)硬件部分由 AT89C51 控制器、超聲波發(fā)射電路及接收電路、溫度測(cè)量電路DS18B聲音報(bào)警電路和 LCD 顯示電路組成。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。(2)超聲波的衰減超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。機(jī)械方式有液哨、氣流旋笛和加爾統(tǒng)笛等；電氣方式則包括電動(dòng)型、磁致伸縮型和壓電型等。 （超聲波在常溫下的空氣中的傳播速度為 340m/s，然后根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間t，就能計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)和障礙物的距離(s)，即：s=340t/2）在精度要求較高的情況下，需要考慮溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，按式(21)對(duì)超聲波傳播速度加以修正，以減小誤差。屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等，屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，其具有下列的特性:把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的變化 。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率 ?0，發(fā)射超聲波時(shí)，加在它兩端的交變電壓的頻率必須和它的固有諧振頻率保持一致。圖 26 測(cè)距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速就增加 米／秒。