【文章內容簡介】 機 械波相同的電信號。 電 極 壓 電 晶 片共 振 板 圖 壓電式超聲波傳感器結構圖 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的，超聲波發(fā)生器內部結構如圖 所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板，當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率， 即中心頻率 f0。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 6 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。超聲波傳感器的內部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網構成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角， 金屬殼可以防止 外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網也是起保護作用的，但不影 響發(fā)射與接收超聲波。 超聲波傳感器的特性 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性 ： 1） 頻率特性 如 圖 是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中， f0＝ 40KHz 為超聲發(fā)射傳感器的中心頻率，在 f0 處，超聲發(fā)射傳感器所產生的超聲機械波最強，也就是說在 f0 處所產生的超聲聲壓能級最高。而在 f0 兩側，聲壓能級迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 f0 的交流電壓來激勵。 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在 f0 處曲線最尖銳，輸出電信號的 幅度最大，即 在 f0 處3 59 51 0 01 0 51 1 01 1 54 04 5f ( K H z )發(fā) 射 靈 敏 度 （ d B ） 圖 超聲波傳感器頻率特性曲線 接 收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得接收靈敏度。 2） 指向特性 7 實際的超聲 波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩源，輻射出一個半球面波（子波），這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果（衍射），卻有指向性。 超聲波測距的原理及實現(xiàn) 超聲測距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應用要求限定，在這里使用脈沖反射式，即利用超聲的反射特性。超聲波測距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就停止計時。常溫下超聲 波在空氣中的傳播速度為 C=340m/s，根據計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (S)，即： 0*2/* tCtCS ?? （ 21） 其中， t0 就是所謂的渡越時間。 可以看出主要部分有： 1) 供應電能的脈沖發(fā)生器（發(fā)射電路）； 2) 使接收和發(fā)射隔離的開關部分； 3) 轉換電能為聲能，且將聲能透射到介質中的發(fā)射傳感器； 4) 接收反射聲能（回波）和轉換聲能為電信號的接收傳感器； 5) 接 收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設備； 6) 記錄 /控制設備，通?？刂瓢l(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回波的時間，存儲所要求的數(shù)據，并將時間間隔轉換成距離。 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。故在超聲波測量中，常使用 40KHz 的超聲波。目前超聲波測量的距離一般為幾米到幾十米，是一種適合室內測量的方式。由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性，具有很高的抗干擾性能。 距離測量系統(tǒng)常用的頻率范圍為 25KHz～ 300KHz 的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器有時共用一個，或者兩個是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負責向傳感器輸出一個有一定寬度的高壓脈沖串，并由傳感器轉換成聲能發(fā)射出去；接收放大器用于放大回聲信號以便記錄，同時為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號，接收放大器要有足夠的頻帶寬度；收 /發(fā)隔離則使接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄 /控制部分啟動或關閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記錄。 8 第 三 章 硬件設計 系統(tǒng)總體結構框圖 按照 系統(tǒng)所需功能，系統(tǒng)硬件結構可以劃分為三大主要模塊：測距系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及顯示和語音報警系統(tǒng)。系統(tǒng)總體結構框圖如 所示。 障礙物超 聲 波 發(fā)送 模 塊超 聲 波 接收 模 塊A T 8 9 C 5 1單 片 機數(shù) 碼 管 顯 示 模 塊不 同 頻 率 報 警穩(wěn) 壓 電 源 圖 系統(tǒng)總體結構框圖 其中測距系統(tǒng)有超聲波發(fā)射、接收子系統(tǒng)構成；控制部分以 AT89C51 單片機為核心，其 口輸出 10us 的觸發(fā)信號 制超聲波發(fā)射電路產生 40KHz 的超聲波，利用外部中斷監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號；顯示報警部分由顯示系統(tǒng)及語音系統(tǒng)構成，其中顯示系統(tǒng)采用簡單實用的 3 位共陽 8 段數(shù)碼管。 AT89C51 單片機 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 100 次。該器件采用ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 如圖 所示。 9 圖 AT89C51 管腳圖 1） 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路 2）管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 10 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據存儲器， 它可以被定義為數(shù)據 /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1口緩沖器能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當 P2 口被寫 “ 1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。 P2 口當用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據存儲器進行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “ 1” 時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據存儲器進行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當 P3 口寫入 “ 1” 后，它們被內部上拉 為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： P3 口管腳備選功能 ： RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據存儲器讀選通） RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時， 要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。 11 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 3） 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件， XTAL2 應不接。有余輸入至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 4） 芯片擦除： 整個 PEROM 陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制 信號組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “ 1” 且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時器，計數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。 電源電路 本設計使用汽車尾燈的 12V 電源為系統(tǒng)供電，但本系統(tǒng)適用電壓為 5V，需設計電源電 路將其轉化為 5V 電壓。電源電路如圖 所示。 圖 電源電路 圖 三端穩(wěn)壓集成電路 7805： 用 7805 三端穩(wěn)壓 器 組成穩(wěn)壓電源 輸出電壓穩(wěn)定，電壓大小為 +5V，滿足單片機的工作電源需求， 7805 所需的外圍元件極少，電路內部還有過流、過熱及調整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜 。 12 橋堆 2W10： 將交流電壓變?yōu)橹绷麟妷骸?整流橋堆是由四只整流硅芯片作橋式連接，外用絕緣朔料封裝而成，大功率整流橋在絕緣層外添加鋅金屬殼包封，增強散熱。整流橋品種多：有扁形、圓形、方形、板凳形（分直插與貼片）等，有 GPP 與 O/J結構之分。最大整流電流從 到 100A，最高反向峰值電壓從 50V 到 1600V。 時鐘電路 單片機各種功能部件的運行都是以時鐘控制信號為基準，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質量影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時鐘電路有兩種設計有兩種方式，一是內部時鐘方式，另一種是外部時鐘方式。我采用的是內部時鐘方式，其電路圖如圖 所示。 圖 時鐘電路 圖 單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為單片機的 XTAL1，輸出端為 引腳 XTAL2。這兩個引腳外部跨接石英振蕩器 Y1 和微調電容 C