【文章內容簡介】 的時間。 將 (34)式代入 (33)式可得 : )](c o s [21 HMa rctgvtH ? （ 35） 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 10 式中，超聲波的傳播速度 v 在一定溫度下是一常數(shù)。如 :在溫度 T=0℃時， v=。當被測距離 H遠遠大于 M時， 1)](c o s [ ?HMarctg ，于是 (35) 式變?yōu)?: vtH 21? （ 36） 由此可見，要想測得距離 H，只要測得超聲波的傳播時間 t即可。 系統(tǒng)的設計及器件的選擇也正是在這個基礎上進行的，系統(tǒng)結構如圖 所示 圖 超聲波測距硬件電路圖 超聲波測距系統(tǒng)的具體工作過程計劃如下 : 由單片機發(fā)出 40kHz 的脈沖串 。 脈沖發(fā)生器的輸出信號 fl 通過脈沖放大器后 ，其輸出信號為 f2。 f2 被施加于超聲波發(fā)射換能器 T 上，這時超聲波發(fā)射換能器 T發(fā)出超聲波信號 。 單片機在超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖的時刻開始計時 。 超聲波信號被超聲波接收換能器 R 收到，并超聲波接收換能器 R的輸出信號為 f3, f3 通過 4級選頻放大器和 4級門限電路后，其輸出信號為 f7。當單片機接收到 f7 時，單片機立即停止計數(shù) 。 單片機讀得時間值 。 f2 f5 f5 f1 f3 f4 f6 單片機 選頻放大器 門限電路 門限電路 選頻放大器 選頻放大器 門限電路 門限電路 選頻放大器 脈 沖放大器 脈 沖 發(fā)生器 R T 超聲波發(fā)射換能器 超聲波信號 超聲波接收換能器 f7 f6 f1 激發(fā)電路 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 11 單片機計算數(shù)據(jù) 顯示 電子市場上常見的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為 40kHz。如果需要更高頻率的超聲探頭，比如幾百 赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經營超聲產品的廠商去購買或者定制。鑒于有限的條件，本文中選用的探頭是 40kHz 的超聲傳感器，有一支接收傳感器 SZWR401 OP 和一支發(fā)射傳感器 SZWS4012M,其特性參數(shù)如表 31所示。 中心頻率 kHZ140? kHZ140? 靈敏度 聲壓 0. 02 m P a )( 0dBm in 11 5dB ? )/10m in(70 ba rVdBdB ??? 指向性 ?75 ?80 容量 Pf%152500? Pf%251100? 最低使用溫度 C??40 C??40 最高使用溫度 C?85 C?85 最小探測距離 最大探測距離 10m 10m 分辨率 9mm 9mm 最大輸入電壓 20Vpp連續(xù)信號 表 31 傳感器特性參數(shù) 發(fā)射電路通常有調諧式和非 調諧式。在調諧式電路中有調諧線圈 (有時裝在探頭內 )，諧振頻率由調諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調諧式電路中沒有調諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動發(fā)出超聲波。電路頻率的選擇應該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率 40kHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接 收電路的設計就相對簡單一些。但是，每一支實際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的內部襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 12 電路造成不可恢復的損害。因此，工作電壓不能超過這個極限值。同時，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時或對分辨力有較高要求時應予采用。 發(fā)射部分的點脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產生的射頻電壓不過 幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由四級放大電路構成，最終達到對回波進行放大檢測，產生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。 超聲波發(fā)射電路 要電路能正常工作，就要求在沒有加任何外加信號時，觸發(fā)器截止的晶體管能可靠地截止，導通的晶體管能可靠的飽和 [13]。 (1}截止條件 圖 截止晶體管的基極部分等效電路圖 當一個晶體管截止時，另一個飽和。由于導通晶體管飽和，導通管 集、射極之間的管壓降可以用電壓 Uces(三極管的集電極飽和電壓降 )來等效。因此截止晶體管的基極部分等效電路圖如圖 所示。設晶體管臨界截止的基極電壓為 Uboc，則保證晶體管截比的基極電壓 Ubo≤ Uboc，則 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 13 b o cbc b obbbb bc e sb UEIRR RRRRR EUU ???????0 (37) bocb bc b obbcesbo URR RRIRERUU ?? ??? (38) 從式 38 可以看出 :Rb 、 |Uces|越小， |Eb| R 越大，基極和發(fā)射極之間反向偏電壓降越大，三極管截止越深 。反之，截止較淺，當三極管截止時，使三極管的反向偏置電壓降在 01伏之間，式 38 可簡化為 : RRIUU EUR c bobocc e s bbocb ??? ?? (39) 這是選擇 Rb的條件。對硅管而言， Icbo很小 ( A)可以忽略不計。 (2)導通條件 圖 等效電路 圖 對導通三極管而言，要求基極電流大到保證使集電極電流飽和。而另一個三極管是工作在截止狀態(tài)，但集電極仍有一小電流 Icbo，因此導通三極管基極部分的電流如圖 所示。這時，基極電壓為 Ubs，基極電流為 Ibs、集電極電壓為 Uces。因此 bbbsbbsc b occRbRbs R EURR UIREIII ??? ????? (310) 0?? ccesccsbscbs R UEIII ???? (311) 從上式可知， Rb 、 |Ec|越大， |Eb|、 R越小，三極管飽和較深。式 311 可簡化為 : 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 14 )00)(()( ))((csccbsc b occccbbscb UERRUIRER REURRR ????? ??? ? ? (312) 對硅管而言， Icbo 很小可以忽略不計。當 bsc UE ?? ， cesc UE ?? ， bsb UE ?? ，cc RRR ????? 時，則上式可近似為 : cbb E RER ?? (313) 這是選擇 Rb的另一個條件。 根據(jù)以上理論依據(jù)設計超聲波測距系統(tǒng)發(fā)射電路如下 : TR 95 KQ 39 0 1 3+ 1 5 VE 6b 3R 81 5 KE 5 1 5 VR 72 K+ 2 5 VE 4R 63 . 3 KC 2Q 29 0 1 3b 2R 51 0 0 KE 2 1 5 VR 45 K+ 1 5 VE 3R 33 . 3 KC 1Q 19 0 1 3+ 5 Vb 1R 12 KR 21 5 KE 1 1 5 V 圖 超聲波發(fā)射電路 (1)、三極管 Q1 當 Q1截止時 此時 A點電壓為零 )( 151 VU b ?????? 可將根據(jù)所設計的參數(shù)，三極管 Q1 可以可靠截止。 當 Q1導通時 )( mAI cs ??? a、 E1 單獨作用時 )(115 1 mAI ??? b、 A 點電壓單獨作用時 )( 2 mAI ??? 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 15 由上面兩式可得， )( mAIIIb ??? 于是 mAmAII bc )(1 1 511 ???? ? 所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管的 Q1 可以深度飽和導通。 (2)、三極管 Q2 當 Q2 截止時 a、 E2單獨作用時 )( 0 152 VU b ??????? b、 VUc ? 單獨作用時 )( 2 VU b ?????? )( VUUU bbb ??????? 可將根據(jù)所設計的參數(shù)，三極管 Q2 可以可靠截止。 當 Q2導通時 a、 E3 單獨作用時 )( 1 mAI ???? b、 E2 單獨作用時 )(1 4 0 0 2 mAI ????? 由上面兩式可得 : )( mAIIIb ??? 于是 mAmAII bc )(1 5 622 ???? ? 所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管 Q2可以處于深度飽和導通。 (3)、三極管 Q3 當 Q3 截止時 a、 E5 單獨作用時 )( 153 VU b ??????? b、 VUc ? 單獨作用時 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 16 )( VU b ?????? )( VUUU bbb ??????? 可將根據(jù)所設計的參數(shù)，三極管 Q3可以可靠截止。 當 Q3 導通時 )( mAIcs ?? a, E4 單獨作用時 )( mAI ???? b. E5 單獨作用時 )( mAI ???? 由上 面兩式可得： )( mAIIIb ??? 于是 mAmAII bc 6)(1 7 633 ???? ? 所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管 Q3 可以處于深度飽和導通。 振蕩電路 振蕩電路目的是提供 40kHz 的脈沖。當加載在超聲波傳感器的兩端的信號頻率與其固有頻率為同一頻率時，發(fā)生共振，電能可以高效率的轉化為機械機械能。一般廠家生產的超聲波傳感器標識的固有頻率是 40kHz，實際有偏差，如 40177。 。故可設計可 調頻率振蕩電路，以便將信號頻率調到超聲波傳感器的固有頻率上。在超聲測距中，一般采用 40kHz 的信號。振蕩電路可以通過硬件來產生，有多種設計方案比如555 , CMOS 電路 CD4046 等。由 555芯片組成的振蕩電路外圍元件少，電路簡單，振蕩頻率可調，占空比可調，采用 555 構成的振蕩電路原理圖如圖 [14]。 襄樊學院 畢業(yè)設計（論文）報告紙 第 頁 17 圖 NE555 構成的振蕩電路原理圖 當 555 定時器輸出高電平時，放電管 T 截止。電源編對電容充電，充電回路為 : ????? 111 CDRRV WaDD 地。充電時間常數(shù) 1)1(1 CRR Wa??? 。當電容充電電壓32 DDc Vu ? 時，定時器輸出變?yōu)榈碗娖?，放電?T