【文章內容簡介】 ，這種機械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產生頻率與超聲機械波相同的電信號。 圖 23 雙壓電晶片示意圖 雙壓電晶片如圖 23 所示，當在 AB 間施加交流電壓時，若 A 片的電場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。 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固定的諧振頻率，即中心頻率? o。發(fā)射超聲波時，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。當所用壓電材料不變時，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，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個電極端，下面用引線直接接到另一個電極端。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。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 。接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以能產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構形式，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品。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(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，在傳播的過程中衰 減較大，檢測距離越短，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 UCMT40K1 UCMR40KQ 結構 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 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 ? 超聲波測距的原理 超聲波測距方法主要有三種： 1）相位檢測法：精度高， 但檢測范圍有限； 2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響； 3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質傳播到接收傳感器的時間 t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離 l。設 l 為測量距離， t 為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設計將采用渡越時間法。 7 圖 26 測距原理 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關，一般來說，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，如果溫度變化不大，則可認為聲速 c 是基本不變的，計算時取 c 為 340m/s。如果測距精度要求很高，則可通過改變硬件電路增加溫度補償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過軟件改進算法的方法來加以校正。 在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時器測量超聲波傳播時間，利用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度?？諝?中聲速與溫度的關系可表示為： )/( smTTc ???? (23) 聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離： L=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應用該式進行溫度補償） 如果為了進一步提高測量精度，本設計中將根據(jù)需要利用軟件方式增加角度補償?shù)脑O計： 2 2 2s l h?? 。 （系統(tǒng)中應用該式進行角度補償） 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同 時與信號的發(fā)射能量有關。減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲區(qū)，但同時也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。但是根據(jù)實際的經(jīng)驗，過寬的脈沖寬度會增加測量盲區(qū)，對接收回波及比較電路都造成一定困難。在具體設計中，比較了 25181。s(l 個 40KHz 方波脈沖 )， 100181。s(4 個 40KHz 方波脈沖 )， 200181。s(8 個 40KHz 方波脈沖 )， 800181。s(32 個 40KHz 方波脈沖 )的發(fā)射脈沖寬度，作為發(fā)射信號后的接收信號。最終采用短距離 (2m內 )發(fā)射 200181。s(8個 40KHz方波脈沖 )發(fā)射脈沖寬度 。長距離 (2m外 )發(fā)射 800181。s(32 個 40KHz 脈沖方波 )的發(fā)射脈沖寬度，同時單片機編程避開盲區(qū)。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方 8面來衡量比較適中，并且接收準確響應速度快。 第 3章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和溫度補償電路四部分組成。 隨著超聲波測量技術 的 不斷提高，用超聲波測量 任何目標物體 ，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。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換為機械振動彈性能，即在媒質中產生超聲 波 ）， 要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設計超聲測量儀器的關鍵和難點 所在 。 發(fā)射電路采用單片機 端口編程輸出 40KHz 左右的方波脈沖信號，同時開啟內部計數(shù)器 T0。由于單片機端口輸出功率很弱，在此電路上加功率放大電路使測量距離滿足要求，驅動超聲傳感器 UCM40T1 發(fā)射超聲波距離足夠遠。 由于 從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來的超聲 波 回波很微弱（幾十個 mV 級），又存在著較強的噪聲，所以放大信號和抑制噪聲是放大電路必須考慮。這里使用 CX 20206A集成電路對接 收探頭 接受 到的信號進行放大、濾波 ，信號經(jīng)過 端口送入單片機中進行處理 。為節(jié)省硬件考慮 ， 顯示電路采用動態(tài)掃描顯示。通過單片機編程將內部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)，轉換為距離信息，通過 三 位 LED 數(shù)碼管顯示。 發(fā)射電路設計 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。 40 kHz 左右的方波脈沖信號的產生通常有兩種方法：采用硬件如由 555振蕩產生或軟件如單片機軟件編程輸出，本系統(tǒng)采用后者。編程由單片機 端口輸出40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于 單片機端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由 74HC04 組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，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 輸出高電平的驅動能力，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間。 9 發(fā)射電路設計方案 一、發(fā)射電路輸出波形分析 為獲得高分辨力，發(fā)射電路設計應保證發(fā)射的超聲波波形有良好的重復性 。此外，所發(fā)射的超聲波應盡量單純，即發(fā)射波的各個振動應近似為同一頻率的振動，以便接收時可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個振動波峰。為避免超聲波在障礙物表面反射時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時推動附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應與晶片振動規(guī)律相同。發(fā)射電路設計的是 否合理直接影響發(fā)射波功率和波形的重復性。 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。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。此方法測試距離太近 。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動識別被測距離遠近，設置發(fā)射脈沖個數(shù)。 傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度，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 。另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vpp，以及單片機正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠近，所以考慮電壓的同時應該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。 接收電路設計 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的機械振動。因壓電效應晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，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，而不能提供電流信號。所以需要一個前置放大電路將這一微小交變電壓信號充分放大，同時考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大有用信號的同時加入濾波電路，驅動后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時刻。 前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設計。 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，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高精度、高輸入阻抗放大器 TL082 及電阻 R2 、 3R 和R? 構成，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，可列出 : I2RUUii ??? （ 32) I3RUUf ?? ?? (33) 根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念 : 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，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算關系，式中的負號表示 ?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現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結構簡單，只需要調節(jié) 2R 和 3R 阻值即可實現(xiàn)調節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中 運放的同相輸入端接有電阻 pR ，參數(shù)選擇時應使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即 32 //RRRP ? ，靜態(tài)時使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運算放大器的兩個輸入端的外接電阻上產生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對輸出端的影響，故 PR 又稱為平衡電阻。 根據(jù)本設計系統(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放大 200 倍。 單片機顯示電路設計 顯示器是一個典型的輸出設備，而且其應用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結構類型不同而己。最簡單的顯示器可以使 LED發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關量信息，而復雜的較完整的顯示器應該是 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，選用 3 位 LED 示，表示距離的XXXcm 數(shù)值。液晶屏。綜合