【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。在設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)之前，我們首先來(lái)了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識(shí)。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測(cè)方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。 超聲波傳感器的原理與特性 原理人們可以聽(tīng)到的聲音頻率為 20Hz～20kHz，即為可聽(tīng)聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波，20kHz 以上的聲音稱為超聲波，一般說(shuō)話的頻率范圍為 100Hz～8kHz。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡(jiǎn)單。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個(gè)超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為可逆元件。一般市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率(中心頻率)有23kHz、40kHz、75kHz、200kHz、400kHz 等。諧振頻率變高，則檢測(cè)距離變短，14分解力也變高。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖 31 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變形，即稱應(yīng)變。若在圖 a 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b 所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時(shí)，外部負(fù)電荷與極化負(fù)電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長(zhǎng)度方向上伸長(zhǎng)。若外部施加的極性變反，如圖 c 所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。圖 31 壓電逆效應(yīng)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。采用雙晶振子的超聲波傳感器,若在發(fā)送器的雙晶振子(諧振頻率為 40kHz)上施加 40kHz 的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是就能發(fā)送 40kHz 頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負(fù)極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進(jìn)行振動(dòng)，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當(dāng)然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。 特性現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說(shuō)明超聲波傳感器的各種特性，表 31 示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標(biāo)稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實(shí)際上發(fā)送超聲波時(shí)是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻15率，而接收時(shí)各自使用并聯(lián)諧振頻率。表 31 超聲波傳感器 MA40S2R/S 的特性種類特性 MA40S2R 接收 MA40S2S 發(fā)送標(biāo)稱頻率 40kHz靈敏度 －74dB 以上 100dB 以上帶寬 6kHz 以上(－80dB) 7kHz 以上(90dB)電容 1600pF 1600pF絕緣電阻 100MΩ 以上溫度特性 －20~+60℃范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB 以內(nèi)超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴(kuò)展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時(shí)輸入功率較大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對(duì)于壓電陶瓷元件非常重要的是要進(jìn)行頻率調(diào)整和阻抗匹配。MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時(shí)要充分考慮到這一點(diǎn)以免逸出標(biāo)稱頻率。圖 32 表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測(cè)靈敏度，因此，適用于物體檢測(cè)與防犯報(bào)警裝置等。另外，對(duì)于這種傳感器，一般來(lái)說(shuō)溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時(shí)，不僅在外部進(jìn)行溫度補(bǔ)償，在傳感器內(nèi)部也要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。16圖 32 傳感器的方向性 超聲波傳感器的檢測(cè)方式當(dāng)物體在發(fā)送器與接收器之間通過(guò)時(shí)，檢測(cè)超聲波束衰減或遮擋的情況從而判斷有無(wú)物體通過(guò)。這種方式的檢測(cè)距離約 1m，作為標(biāo)準(zhǔn)被檢測(cè)物體使用100mm100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測(cè)透明體等。當(dāng)發(fā)送超聲波束碰到被檢測(cè)物體時(shí)，僅檢測(cè)電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無(wú)物體通過(guò)。若被檢測(cè)物體的檢測(cè)面為平面時(shí)，則可檢測(cè)透明體。若被檢測(cè)物體相對(duì)傳感器的檢測(cè)面為傾斜時(shí)，則有時(shí)不能檢測(cè)到被測(cè)物體。若被檢測(cè)物體不是平面形狀，實(shí)際使用超聲波傳感器時(shí)一定要確認(rèn)是否能檢測(cè)到被測(cè)物體。在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時(shí)，則被檢測(cè)物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測(cè)到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無(wú)物體通過(guò)。另外，檢測(cè)范圍也可以是由距離切換開(kāi)關(guān)設(shè)定的范圍?；貧w反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場(chǎng)合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測(cè)透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點(diǎn)，調(diào)整用門(mén)信號(hào)控制被測(cè)物體反射的超聲波的檢測(cè)時(shí)間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖33 所示。發(fā)送器常使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動(dòng)能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對(duì)發(fā)送的超聲波進(jìn)行檢測(cè)。17圖 33 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成控制部分判斷接收器的接收信號(hào)的大小或有無(wú)，作為超聲波傳感器的控制輸出。對(duì)于限定范圍式超聲波傳感器，通過(guò)控制距離調(diào)整回路的門(mén)信號(hào)，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過(guò)改變門(mén)信號(hào)的時(shí)間或?qū)挾?，可以自由改變檢測(cè)物體的范圍。超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為12~24V177。10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定電壓供傳感器工作。超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路。可有多種方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡(jiǎn)單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實(shí)際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來(lái)選用其振蕩電路 [3]。 本章小結(jié)本章我們?cè)敿?xì)介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。超聲波傳感器有四種檢測(cè)方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測(cè)方式、限定范圍式超聲波傳感器的檢測(cè)方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測(cè)方式。超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。18四 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)是基于單片機(jī)控制的，在介紹電路設(shè)計(jì)之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單了解一下單片機(jī)的工作原理，由于本課題所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)是以 Atmel 公司的 8 位單片機(jī) AT89C51 為核心的，所以，在本章先簡(jiǎn)單的介紹一下 AT89C51 的一些特性。 單片機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要分支，也是一種非?；钴S且頗具生命力的機(jī)種。通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器)、存儲(chǔ)器和 I/O 接口電路等。因此，單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)。 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 41 所示。圖 41 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)與單片機(jī)相比，微型計(jì)算機(jī)是一種多片機(jī)系統(tǒng)。它是由中央處理器(CPU)芯片、ROM 芯片、RAM 芯片和 I/O 接口芯片等通過(guò)印刷電路板上總線(地址總線AB、數(shù)據(jù)總線 DB 和控制總線 CB)連成一體的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。其中，中央處理器(CPU)的字長(zhǎng)長(zhǎng)，功能強(qiáng)大；ROM 和 RAM 的容量很大；I/O 接口的功能也大，這是單片機(jī)無(wú)法比擬的。因此，單片機(jī)在結(jié)構(gòu)上與微型計(jì)算機(jī)十分相似，是一種集微型計(jì)算機(jī)主要功能部件于同一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，并由此而得名。19由圖 41 可見(jiàn)，中央處理器(CPU)是通過(guò)內(nèi)部總線與 ROM、RAM、I/O 接口以及定時(shí)器/計(jì)數(shù)器相連的，這個(gè)結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。為此，在分析單片機(jī)工作原理前，先對(duì)圖 41 中各部件作一基本介紹是十分必要的。在單片機(jī)內(nèi)部，ROM 和 RAM 存儲(chǔ)器是分開(kāi)制造的。通常，ROM 存儲(chǔ)器容量較大，RAM 存儲(chǔ)器的容量較小，這是單片機(jī)用于控制的一大特點(diǎn)。(1)ROM ROM(Read Only Memory，只讀存儲(chǔ)器)一般為 1~32K 字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲(chǔ)器。由于單片機(jī)主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi) ROM 中，根據(jù)片內(nèi) ROM 的結(jié)構(gòu)，單片機(jī)又可分為無(wú) ROM 型、ROM型和 EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)型三類。近年來(lái)，又出現(xiàn)了 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,電擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)和 Flash 型 ROM 存儲(chǔ)器。無(wú) ROM 型單片機(jī)特點(diǎn)是片內(nèi)不集成 ROM 存儲(chǔ)器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的 ROM 存儲(chǔ)器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。ROM 型單片機(jī)內(nèi)部，其程序存儲(chǔ)器是采用掩膜工藝制成的，程序一旦固化進(jìn)去便永遠(yuǎn)不能修改。EPROM 型單片機(jī)內(nèi)部的程序存儲(chǔ)器是采用特殊 FAMOS 管構(gòu)成的，程序一旦寫(xiě)入，也可以通過(guò)特殊手段加以修改。因此，EPROM 型單片機(jī)是深受研制人員歡迎的。 (2)RAM通常，單片機(jī)片內(nèi) RAM(Random Access Memory，隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)容量為64～256 字節(jié)，最多可達(dá) 48K 字節(jié)。RAM 主要用來(lái)存放實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。(CPU)中央處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像電子線路那樣畫(huà)出它的全部電路原理圖來(lái)加以分析介紹是根本不可能的。下面簡(jiǎn)單概述一下幾個(gè)主要部分的工作原理。(1)運(yùn)算器運(yùn)算器用于對(duì)二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯操作；其操作順序在控制器控制下進(jìn)行。運(yùn)算器由算術(shù)邏輯單元 ALU、累加器 A、通用寄存器 R0、暫存器 TMP和狀態(tài)寄存器 PSW 等五部分組成。累加器 A(Accumulator)是一個(gè)具有輸入/輸出能力的移位寄存器，由 8 個(gè)20觸發(fā)器組成。TR(Temporary Register,暫存器)也是一個(gè) 8 位寄存器，用于暫存另一操作數(shù)。ALU(Arithmetic and Logical Unit，算術(shù)邏輯單元)主要由加法器、移位電路和判斷電路等組成，用于對(duì)累加器 A 和暫存器 TMP 中兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行四則運(yùn)算和邏輯操作。PSW(Program Status Word，程序狀態(tài)字)也由 8 位觸發(fā)器組成，用于存放 ALU 操作過(guò)程中形成的狀態(tài)。(2)控制器控制器是發(fā)布操作命令的機(jī)構(gòu)，是計(jì)算機(jī)的指揮中心，相當(dāng)于人腦的神經(jīng)中樞。控制器由指令部件、時(shí)序部件和微操作控制部件等三部分組成。指令部件是一種能對(duì)指令進(jìn)行分析、處理和產(chǎn)生控制信號(hào)的邏輯部件，也是控制器的核心。指令是一種能供機(jī)器執(zhí)行的控制代碼，有操作碼和地址碼兩部分。時(shí)序部件由時(shí)鐘系統(tǒng)和脈沖分配器組成，用于產(chǎn)生微操作控制部件所需的定時(shí)脈沖信號(hào)。微操作控制部件可以為 ID(Instruction Decoder，指令譯碼器)輸出信號(hào)配上節(jié)拍電位和節(jié)拍脈沖，也可與外部進(jìn)來(lái)的控制信號(hào)組合，共同形成相應(yīng)的微操作控制序列，以完成規(guī)定的操作。單片機(jī)內(nèi)部總線是 CPU 連接片內(nèi)各主要部件的紐帶，是各類信息傳送的公共通道。內(nèi)部總線主要由三種不同性質(zhì)的連線組成，它們是地址線、數(shù)據(jù)線和控制線/狀態(tài)線。地址線主要用來(lái)傳送存儲(chǔ)器所需要的地址碼或外部設(shè)備的設(shè)備號(hào)，通常由CPU 發(fā)出并被存儲(chǔ)器或 I/O 接口電路所接收。數(shù)據(jù)線用來(lái)傳送 CPU 寫(xiě)入存儲(chǔ)器或經(jīng) I/O 接口送到輸出設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以傳送從存儲(chǔ)器或輸入設(shè)備經(jīng) I/O 接口讀入的數(shù)據(jù)。因此，數(shù)據(jù)線通常是雙向信號(hào)線?？刂?狀態(tài)線有兩類：一類是CPU 發(fā)出的控制命令，如讀命令、寫(xiě)命令、中斷響應(yīng)等；另一類是存儲(chǔ)器或外設(shè)的狀態(tài)