【文章內(nèi)容簡介】 面的面積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強(qiáng)減弱，若聲源輻射的是球面波 (波陣面是同心球面 )，其波陣面隨 r的平方增大，聲強(qiáng)隨 2r? 規(guī)律減弱。聲波的描述方程與電磁波是類似的 : ? ? ? ? ? ?c os tA t A x k x??? () 上式 中 ， ??AxA(x)為振 幅， ? 為傳播角頻率， t 為傳播時(shí)間， x 為傳播距離， 2/k ??? 為波 速 ， ? 為聲波波長。 由于聲波的衰減，使得 ??Ax 隨傳播距離的變化而變化。聲學(xué)理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。對沿 X方向傳播的平面波而言， 由于不需要計(jì)算擴(kuò)散衰減，則 ??Ax 的變化規(guī)律可以由下式表示 : ? ? 0 xA x A e ??? () 0A 為聲源處質(zhì)子振幅，為不變量 ； ? 為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 20f??? () 其中， 0? 為介質(zhì)常數(shù)， f 為振動(dòng)頻率。在空氣中， 11 20 2 10 /s cm? ??? ，當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率 40f KHz? 時(shí)，可得 10 cm? ???? ，即 1/ ? ? 。它的物理意義在于 :超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在長度 上， 平面聲波的振幅衰減為原來的 1/e。而且，頻率越高，衰減系數(shù) a越大，傳播的距離也越短。在實(shí)際的應(yīng)用中 ，一般選用 30100KHz的超聲波進(jìn)行距離測量，比較的典型的頻率為 40KHz。 主要技術(shù)指標(biāo) 測量范圍： ～ 3m 測量精度： 1cm 總結(jié) 以上對超聲波測距的基本原理及超聲波傳感器作了介紹。關(guān)于超聲波的發(fā)射電路，接收前置放大，脈沖形成與記憶電路，電源電路，以及碼分制超聲波測距電路中的編碼與解碼電路，脈沖調(diào)制與解調(diào)電路?？梢詤⒖技t外發(fā)送電路。 在設(shè)計(jì)超聲波傳感器測距電路時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ，驅(qū)動(dòng)時(shí)所需電流較小，一般僅為幾毫安到十幾毫安。但要有一定幅度的驅(qū)動(dòng) 電壓，驅(qū)動(dòng)電路不加限流電阻。 ，設(shè)計(jì)時(shí)元件參數(shù) 經(jīng)過比較精確的計(jì)算。調(diào)試時(shí)要注意通過頻率計(jì)來監(jiān)測頻率。 要選用阻抗較高的前置放大器，以獲得較高的接收靈敏度和選擇性 。 3 硬件電路設(shè)計(jì) AT89C51 和 AT89C2051 的區(qū)別 AT89C51和 AT89C2051都是 AT89系列的典型代表，價(jià)格便宜，都可以用于超聲波測距儀中。 表 1 AT89C51和 AT89C2051主要性能表 AT89C51 AT89C2051 4KB可編程 Flash存儲器（可擦寫 1000次） 2 KB可編程 Flash存儲器（可擦寫 1000次） 三級程序 存儲器保密 兩 級程序 存儲器保密 靜態(tài)工作頻率： 0Hz－24MHz 靜態(tài)工作頻率： 0Hz－24MHz 128字節(jié)內(nèi)部 RAM 128字節(jié)內(nèi)部 RAM 2個(gè) 16位定時(shí)計(jì)數(shù)器 /計(jì)時(shí)器 2個(gè) 16位定時(shí)計(jì)數(shù)器 /計(jì)時(shí)器 一個(gè)串行通訊口 一個(gè)串行通訊口 六個(gè)中斷源 六個(gè)中斷源 32條 I/O引線 15條 I/O引線 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器 一個(gè)片內(nèi)模擬比較器 從上表可以看出它們大體相同，由于 AT89C2051的 IO線很少，導(dǎo)致它 無法外加 RAM和程序 ROM,片內(nèi) Flash存儲器也很少，但它的體積比 AT89C51小的多，價(jià)格也便宜一些。由于超聲波測距儀的電路比較簡單， AT89C2051已經(jīng)足夠使用，所以使用 AT89C2051作為主控制器。 AT89C2051是一個(gè) 2k字節(jié)可編程 EPROM的高性能微控制器。它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS51的指令和引腳兼容，因而是一種功能強(qiáng)大的微控制器，它對很多嵌入式控制應(yīng)用提供了一個(gè)高度靈活有效的解決方案。 AT89C2051的特點(diǎn)除了表中所描素的以外它還 支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式?？臻e時(shí)， CPU停止，而讓 RAM、定時(shí) /計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。可掉電保存 RAM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。 AT89C2051有 2個(gè) 16位計(jì)時(shí) /計(jì)數(shù)器寄存器 Timer0 Timer1。作為一個(gè)定時(shí)器，每個(gè)機(jī)器周期寄存器增加 1，這樣寄存器即可計(jì)數(shù)機(jī)器周期。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期有 12個(gè)振蕩器周期，所以計(jì)數(shù)率是振蕩器頻率的 1/12。作為一個(gè)計(jì)數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳 。由于需要二個(gè)機(jī)器周期來辨認(rèn)一次 1到 0的變化，所以最大的計(jì) 數(shù)率是振蕩器頻率的 1/24，可以對外部的輸入端 ，便于測量脈沖寬度的門。 充分利用 AT89C2051的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。 R S T /V P P1( R X D ) P 2( T X D ) P 3X T A L 24X T A L 15( I N T 0) P 6( I N T 1) P 7( T 0) P 8( T 1) P 9GND31V C C20P 19P 11P 18P 17P 16P 15P 14P ( A I N 1)13P ( A I N 0)12A T 89C 2051 圖 31 AT89C2051的管腳圖 表 2 AT89C2051管腳功能 管腳 接腳符號 方向 信號 I／ O（輸入／輸出）方向與功能 12 ～19 ～（ P1） I/O P1 口：是一個(gè) 8位雙向 I／ O 口，具有內(nèi)部提升電阻， P1 口的輸出緩沖能夠吸收或者供應(yīng) 4個(gè)TTL 負(fù)載 電流， P1接腳被寫入 1后，由內(nèi)部提升拉為高電位狀態(tài)，此時(shí)可做為輸入腳；做輸入時(shí)， P1口如果被外部信號拉低電位（ Pull low），將因內(nèi)部提升而提供電流（ I） 管腳第二功能： AIN0 電壓輸入比較器 管腳第二功能： AIN1 電壓輸入比較器 2～ 3 6～ 9 11 ～ ～ （ P3） I/O P3 口：是一個(gè) 8位雙向 I／ O 口，具有內(nèi)部提升電阻， P3 口的輸出緩沖能夠吸收或者供應(yīng) 4個(gè)TTL 負(fù)載電流， P1接腳被寫入 1后，由內(nèi)部提升拉為高電位狀態(tài)，此時(shí)可做為輸入腳；做輸入時(shí)， P1 口如果被外部信號拉低電位（ Pull low），將因內(nèi)部提升而提供電流（ I） P3 口還做為特殊功能接腳，詳見下面列表 管腳第二功能： RXD （串行口輸入端） 管腳第二功能： TXD （串行口輸出端） 管腳第二功能： INT0 （外部中斷 0） 管腳第二功能： INT1 （外部中斷 1） 管腳第二功能： T0 （定 時(shí)器 0 外部輸入） 管腳第二功能： T1 （定時(shí)器 1 外部輸入） 5 XTAL1 I 時(shí)鐘振蕩器輸入腳：輸入信號接到單片機(jī)內(nèi)部的反相振蕩放大器及內(nèi)部時(shí)鐘脈沖發(fā)生器電路。 4 XTAL2 0 時(shí)鐘振蕩器輸出腳：此腳接到單片機(jī)內(nèi)部的反相振蕩放大器（ Oscillator39。s amplifier）的輸出端 1 RST I 復(fù)位（ RESET）：一個(gè)高電位輸入此腳將重新啟動(dòng)單片機(jī)程序，該信號須在振蕩器起振以后持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期 20 VCC 電源正端： ～ 6V 10 GND 電源地端 硬件電路的 總體設(shè)計(jì) 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合個(gè)方面的因素，本設(shè)計(jì)決定采用 AT89C2051單片機(jī)為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號用單片機(jī)的定時(shí)器完成，超聲波測距儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架如圖 32所示。 圖 32 超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 測距原理 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時(shí)間檢測法等。相位檢測法雖然精度高，但檢測范圍有限 ； 聲波幅值檢測法易受反射波的 單片機(jī) 控制器 超聲波接收 超聲波發(fā)射 LED顯示 掃描驅(qū)動(dòng) 影響。本論文硬件設(shè)計(jì)采用超聲波往返時(shí)間檢測法，其原理為 :檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波 (假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體 )，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間，即往返時(shí)間。往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。而所測距離是聲波傳輸距離的一半 ，即： /2s ct? () 式中， c 為超聲波在空氣中的傳播速度 。在文章的前面已經(jīng)說過 c 的計(jì)算方法。當(dāng)溫度不便或者常溫時(shí)可以認(rèn)為 c 時(shí)固定不變的。 圖 33 超聲波測距原理圖 超聲波測距系統(tǒng)的工作過程 ，系統(tǒng)控制部分初始化整個(gè)系統(tǒng) 1)初始化 LED 2)初始化計(jì)數(shù)控制部分，清除計(jì)數(shù)值，使之恢復(fù)為 0 超聲波 脈沖信號，脈沖寬度為 12us左右 “ 1”，打開計(jì)時(shí)器，等待回波信號。 1：回波信號到達(dá)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器， “ 0”，清 “ 0” 情況 2：回波信號沒有到達(dá)，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，清 ， “ 0” 繼續(xù)重一開始。 。 ，顯示在 LED上。 超聲波測距部分硬件實(shí)現(xiàn) 硬件電路主要分為單片機(jī)系統(tǒng)、顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路四個(gè)部分組成。下面就對每一個(gè)部分進(jìn)行介紹。 單片機(jī)系統(tǒng)部分 單片機(jī)采用 89C2051。采用 12M高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時(shí)鐘頻率，減小測量誤差。單片機(jī)用 40KHz方波信號，利用外中斷 0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。電路如圖 34所示。 圖 34 單片機(jī)系統(tǒng)部分電路圖 顯示部分 顯示電路采用簡單實(shí)用的 4位共陽 LED數(shù)碼管，段碼 2千歐姆的電阻驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP的三級管 9012進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。顯示部分電路如圖 36所示。 數(shù)碼管的介紹： 一位數(shù)碼管的接法和驅(qū)動(dòng)原理： 一支七段數(shù)碼管實(shí)際由 8個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成，其中 7個(gè)組形構(gòu)成數(shù)字 8的七段筆畫，所以稱為七段數(shù)碼管，而余下的 1個(gè)發(fā)光二極管作為小數(shù)點(diǎn)。作為習(xí)慣，分別給 8個(gè)發(fā)光二極管標(biāo)上記號： a,b,c,d,e,f,g,h。對應(yīng) 8的頂上一畫，按順時(shí)針方向排，中間一畫為 g，小數(shù)點(diǎn)為 h。我們通常又將各二極與一個(gè)字節(jié)的 8位對應(yīng)， a(D0),b(D1),c(D2),d(D3),e(D4),f(D5),g(D6),h(D7)，相應(yīng) 8個(gè)發(fā)光二極管正好與單片機(jī)一個(gè)端口 Pn的 8個(gè)引腳連接，這樣單片機(jī)就可以通過引腳輸出高低電平控制 8個(gè)發(fā)光二極的亮與滅，從而顯示各種數(shù)字和符號；對應(yīng)字節(jié)，引腳接 法為： a()， b()， c()， d()， e()， f()，g()， h()。如果將 8個(gè)發(fā)光二極管的負(fù)極（陰極）內(nèi)接在一起，作為數(shù)碼管的一個(gè)引腳，這種數(shù)碼管則被稱為共陰數(shù)碼管，共同的引腳則稱為共陰極， 8個(gè)正極則為段極。否則，如果是將正極（陽極）內(nèi)接在一起引出的，則稱為共陽數(shù)碼管，共同的引腳則稱為共陽極， 8個(gè)負(fù)極則為段極。 本系統(tǒng)采用四位一體的 LED顯示器，其原理與上面介紹的 LED顯示器相同。在四位一體的 LED顯示器中，各個(gè)相同的段連在一起（構(gòu)成 LED顯 示器的 8個(gè)引腳），再加上連接位控線的 4個(gè)引腳，總共 12個(gè)引腳，如圖 35所示。 通常點(diǎn)亮 LED顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種方法。所謂靜態(tài)顯示，就是當(dāng)顯示器顯示一個(gè)字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。當(dāng)顯示器位數(shù)少時(shí)，適合用靜態(tài)顯示地方法。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地循環(huán)點(diǎn)亮顯示器各個(gè)位（掃瞄），對于顯示器地每個(gè)位來說，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點(diǎn)亮?xí)r間和間隔時(shí)間有關(guān)，調(diào)整電流和時(shí)間參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)亮度較穩(wěn)定的顯示。本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 R S T /V P P1( R X D ) P 2( T X D ) P 3X T A L 24X T A L 15( I N T 0) P 6( I N T 1) P 7( T 0) P 8( T 1) P 9GND31V C C20P 19P 11P 18P 17P 16P 15P 14P ( A I N 1)13P ( A I N 0)12A T 89 C 20 51+51212M30 P FC130 P FC220uFC310KR 13+5 1 a f 2 3 be d dp c g 4abc