【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)。 圖 23 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 23 所示，當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲 波振動(dòng)。 圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， OC 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗 ,并聯(lián)電阻 Cm和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， mR 為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率? o。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這 一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器采用雙晶振子，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。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過(guò)金屬板 (振動(dòng)板 )接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，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。 6 超聲波傳感器選擇 超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭 (接收縱波 )、斜探頭 (接收橫波 )、表面波探頭 (接收表面波 )、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見(jiàn)的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。 在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。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。本文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器 UCMT40KI 和一支接收傳感器 UCMR4OKI 組成，其特性參數(shù)如表 25 所示。 表 25傳感器特性參數(shù)表 型號(hào) UCMT40K1 UCMR40KQ 結(jié)構(gòu) 開(kāi)放式 開(kāi)放式 使用方式 發(fā)射 接收 中心頻率 ZKH140? ZKH138? 頻帶寬 ? ? 靈敏度 ubardBV110 ubardBV65? 聲壓 ) n(115 m P adBdB ? )10m in (70 ub arVdBdB ?? 指向角 o75 o80 容量 pF%252500 ? pF%252500 ? 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。設(shè) l 為測(cè)量距離， t 為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法。 7 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，聲速增加 米／秒。表 27 列出了幾種溫度下的聲速： 表 27 聲速與溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） － 30 － 20 － 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 323 338 344 349 386 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速 c 是基本不變的，計(jì)算時(shí)取 c 為 340m/s。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。 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。空氣 中聲速與溫度的關(guān)系可表示為： )/( smTTc ???? (23) 聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離： L=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償） 如果為了進(jìn)一步提高測(cè)量精度，本設(shè)計(jì)中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)： 2 2 2s l h?? 。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補(bǔ)償） 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同 時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 25181。s(l 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 100181。s(4 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 200181。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 800181。s(32 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)。最終采用短距離 (2m內(nèi) )發(fā)射 200181。s(8個(gè) 40KHz方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度 。長(zhǎng)距離 (2m外 )發(fā)射 800181。s(32 個(gè) 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開(kāi)盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方 8面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。 第 3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)硬件主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測(cè)接收電路和溫度補(bǔ)償電路四部分組成。 隨著超聲波測(cè)量技術(shù) 的 不斷提高，用超聲波測(cè)量 任何目標(biāo)物體 ，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問(wèn)題。不論超聲 波 傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都有是一樣的 （ 都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲 波 ）， 要提高超聲測(cè)量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計(jì)超聲測(cè)量?jī)x器的關(guān)鍵和難點(diǎn) 所在 。 發(fā)射電路采用單片機(jī) 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 T0。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測(cè)量距離滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM40T1 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)。 由于 從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來(lái)的超聲 波 回波很微弱（幾十個(gè) mV 級(jí)），又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮。這里使用 CX 20206A集成電路對(duì)接 收探頭 接受 到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波 ，信號(hào)經(jīng)過(guò) 端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理 。為節(jié)省硬件考慮 ， 顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。通過(guò)單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過(guò) 三 位 LED 數(shù)碼管顯示。 發(fā)射電路設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。 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。編程由單片機(jī) 端口輸出40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于 單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由 74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖 31 所示。圖中輸出端上拉電阻 R31， R32，一方面可以提高反向器 74HC04 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。 9 發(fā)射電路設(shè)計(jì)方案 一、發(fā)射電路輸出波形分析 為獲得高分辨力，發(fā)射電路設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復(fù)性 。此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種損失和干擾。 由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)時(shí)推動(dòng)附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路設(shè)計(jì)的是 否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性。 通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為 :單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近 。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失 。另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。 接收電路設(shè)計(jì) 接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變 的電壓信圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖 10號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。所以需要一個(gè)前置放大電路將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大有用信號(hào)的同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。 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)。 L S 2U C M 4 02314111T L 0 8 2R2R3RpV C C V C CU0UiIfIi 圖 33前置放大電路圖 電路如圖 33 所示，考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大 (一般數(shù)百兆歐姆以上 )，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗 (Input Impedance))。同時(shí)，換能器的輸出電 壓很小(數(shù)十毫伏 )，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器 TL082 及電阻 R2 、 3R 和R? 構(gòu)成，組成反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。 由電路的基本知識(shí)，可列出 : I2RUUii ??? （ 32) I3RUUf ?? ?? (33) 根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念 : 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。 ，即凈輸入電流 I? 0，如把它理想化，則有 0?I ，但不是斷開(kāi)，故常稱為虛斷。 故可知本電路中 :U 0,0 ??? ??? UU ，且 I fi I? 所以有 11 iURRU 23??? (34) 上式表明 ，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號(hào)表示 ?U 與 iU 反相。電路的電壓放大倍數(shù)為 : 23RRUUAiuf ???? (35) 利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié) 2R 和 3R 阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中 運(yùn)放的同相輸入端接有電阻 pR ，參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即 32 //RRRP ? ，靜態(tài)時(shí)使輸入級(jí)偏置電流平衡并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對(duì)輸出端的影響，故 PR 又稱為平衡電阻。 根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小 ( 數(shù)十毫伏 )，故分別取?? KR 12 。 ?? KR 2020 。 ?? KRP 1 ，即放大電路將輸入信號(hào)放大 200 倍。 單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì) 顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而己。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使 LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是 CRT 監(jiān)視器或者屏幕較大的 LCD 于顯示的距離范圍在 4 米之內(nèi)，選用 3 位 LED 示，表示距離的XXXcm 數(shù)值。液晶屏。綜合