【文章內(nèi)容簡介】 ? (21) ? ?HMar ct an?? (22) 將式 （ 22） 帶入式 （ 21） 得 ： 11 ? ?? ?HMLH ar ct anco s? (23) 在整個傳播過程中，超聲波所走過的距離為： vtL?2 (24) 式中： v 為超聲波的傳播速度， t 為傳播時間，即為超聲波從發(fā)射到接收的時間。將式 （ 24）帶入式 （ 23） 可得： ? ?? ?HMvtH a r c ta nc o ? (25) 當(dāng)被測距離 H 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 M 時，式 （ 25） 變?yōu)椋? vtH ? (26) 這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障 礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合理的頻率才能達(dá)到預(yù)定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測到回波信號和防止外界干擾信號的干擾。經(jīng)分析和大量實驗表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時為了處理方便，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制脈沖波信 號 。 圖 22 為倒車?yán)走_(dá)的工作原理框圖。 圖 22 倒車?yán)走_(dá) 原理框圖 影響精度的因素分析 發(fā)射接收時間對測量精度的影響分析 采用 TR40 壓電超聲波傳感器，脈沖發(fā)射由單片機控制，發(fā)射頻率 40KHz ，忽略脈沖電路硬件產(chǎn)生的延時，可知由軟件生成的起始時間對于一般要求的精度是可靠的。對于接收到的回波，超聲波在空氣介質(zhì)的傳播過程中會有很大的衰減，其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 超聲波接收 單片機 控制器 超聲波發(fā)送 LED 顯示 掃描驅(qū)動 聲光報警 12 設(shè)測量設(shè)備基準(zhǔn)面距被測物距離為 h，則空氣中傳播的超聲波波動方程為： ? ? ? ? ? ???? kh t + k t e t + k t20A A c o s A c o s??? （ 27） 由以上公式可知，超聲波在傳播過程中存在衰減，且超聲波頻率越高，衰減越快，但頻率的增高有利于提高超聲波的指向性。 經(jīng)以上分析，超聲波回波的幅值在傳播過程中衰減很大，收到的回波信號可能十分微弱，要想判斷捕獲到的第一個回波確定準(zhǔn)確的接受時間，必須對收到的信號進(jìn)行足夠的放大，否則不正確的判斷回波時間，會對超聲波測量精度產(chǎn)生影響。 當(dāng)?shù)芈曀賹y量精度的影響分析 當(dāng)?shù)芈曀賹Τ暡y距測量精度的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)要比收發(fā)時間的影響嚴(yán)重。超聲波在大 氣中傳播的速度受介質(zhì)氣體的溫度、密度及氣體分子成分的影響，即： ?s RTC M? （ 28） 由上式知，在空氣中，當(dāng)?shù)芈曀僦粵Q定于氣體的溫度，因此獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)貧鉁乜梢杂行У奶岣叱暡y距時的測量精度。工程上常用的由氣溫估算當(dāng)?shù)芈曀俚墓饺缦拢? ? ? ?0C C 1 T 273 （ 29） 式中 C0=； T 為絕對溫度，單位 K。 式 （ 29） 一般能為聲速的換算提供較為準(zhǔn)確的結(jié)果。實際情況下，溫度每上升或者下降 1 ℃ , 聲 速將增加或者減少 ，這個影響對于較高精度的測量是相當(dāng) 嚴(yán)重的。因此提高超聲波測量精度的重中之重就是獲得準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)芈曀?。 對于時間誤差主要由發(fā)送計時點和接收計時點準(zhǔn)確性確定，為了能夠提高計時點選擇的準(zhǔn)確性，本文提出了對發(fā)射信號和加收信號通過校正的方式來實現(xiàn)準(zhǔn)確計時。此外，當(dāng)要求測距誤差小于 1mm 時，假定超聲波速度 C=344m/s(20℃ 室溫 )，忽略聲速的傳播誤差 ，則 測距誤差 S△ t 002 907s，即 。根據(jù)以上過計算可知，在超聲波的傳播速度是準(zhǔn)確的前提下，測量距離的傳播時 間差值精度只要在達(dá)到微秒級，就能保證測距誤差小于 1mm 的誤差。使用的12 MHz 晶體作時鐘基準(zhǔn)的 AT89C51 單片機定時器能方便的計數(shù)到 1μs 的精度，因此系統(tǒng)采用 AT89C51 的定時器能保證時間誤差在 1mm 的測量范圍內(nèi)。 13 測量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進(jìn)入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進(jìn)行定量評價 會使結(jié)果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障 礙物，這時需要注意的。由于發(fā)射 脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離稱為盲區(qū)，具體分析如下： 當(dāng)發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定的幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平 VM；另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達(dá)不到限幅電路的 限幅電平，當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中，接收信號幅值需達(dá)到規(guī)定的閥值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。 系統(tǒng)整體設(shè)計方案和論證 由于超聲波指向性強，能量蕭寒緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，你用超聲波測量距離，設(shè)計比較方便，計算原理也較簡單，并且在測量精度方面也能達(dá)到倒車?yán)走_(dá)設(shè)計的要求 系統(tǒng)整體方案的設(shè)計 該設(shè)計的應(yīng)用背景是基于 AT89C51 的超聲信號檢測的。因 此初步計劃 是 在室內(nèi)小范圍的測試，限定在 米左右。單片機 （ AT89C51） 發(fā)出短暫的 40KHz 信號，反射后的超聲波經(jīng)超聲波接收器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此型號進(jìn)行技術(shù)判斷后，把相應(yīng)的計算結(jié)果送到 LED 顯示電路顯示， 并 進(jìn)行 報警。 超生波 發(fā)射電路通常分為調(diào)諧式和 非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時裝在探頭內(nèi)），諧振頻率 由 調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的 超聲頻率主要由壓電晶片的固定參數(shù)決定，頻帶較寬。將一定頻率 的交流電壓加到發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，使其工作在諧振頻率，達(dá)到最 14 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，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對于接受電路的設(shè)計就相對簡單一些。但是每一支實際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值，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。 發(fā)射部件的點脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是有兩級放大電路，檢 波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機（ AT89C51）能夠識別的中斷信號作為回波到達(dá)的標(biāo)志 單片機發(fā)出啟動信號，超聲波模塊經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LED 顯示。若測得距離小于事先設(shè)定的數(shù)值，則發(fā)出聲音預(yù)警。 系統(tǒng)整體方案的論證 超聲波 測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算 傳播距離。實用的測距方法有兩種， 一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一發(fā) 種是 射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。 測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用的材料是壓電陶瓷。由于超聲波在空氣中傳播時會有相當(dāng)?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應(yīng)選擇頻率高的傳感器，而長距離的測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。 硬件電路的設(shè)計主要包括三端穩(wěn)壓電源電路 、 單片機及其輔助電路、超聲波發(fā)射和超聲波檢 測接收電路 、 顯示電路 四 部分組成。單片機采用 AT89C51 或其兼容系列。采用 12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲模塊所需的啟動信號，超聲波發(fā)射探頭發(fā)出 40KHZ 的超聲波。利用外中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼 A—G 接單片機的 —，位碼用 PNP 三極管 9012 驅(qū)動。 15 第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 51系列單片機的功能 5l 系列單片機中典型芯片 (AT89C51)采用 40 引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，內(nèi)部由CPU， 4KB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2 個 16B 的定時／計數(shù)器 T0 和 T1， 4 個 8B 的 I/O端： P0， P1， P2， P3，一個全雙 工 串行通信口等組成。特別是該系列單片機片內(nèi)的 Flash可編程、可擦除只讀存儲器 (E~PROM)，使其在實際中有著十分廣泛的用途，在便攜式、省電及特殊信息保存的儀器和系統(tǒng)中更為有用。該系列單片機引腳與封裝如圖 31 所示。 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0( R X D )10P 3 .1( T X D )11P 3 .2( IN T 0)12P 3 .3( IN T 1)13P 3 .4( T 0)14P 3 .5( T 1)15P 3 .6( W R )16P 3 .7( R D )17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .0/ (A 8)21P 2 .1/ (A 9)22P 2 .2/ (A 10)23P 2 .3/ (A 11)24P 2 .4/ (A 12)25P 2 .5/ (A 13)26P 2 .6/ (A 14)27P 2 .7/ (A 15)28P S E N29A L E /P R O G30E A /V P P31P 0 .7/ (A D 7 )32P 0 .6/ (A D 6 )33P 0 .5/ (A D 5 )34P 0 .4/ (A D 4 )35P 0 .3/ (A D 3 )36P 0 .2/ (A D 2 )37P 0 .1/ (A D 1 )38P 0 .0/ (A D 0 )39V C C40A T 89C 51 圖 31 AT89C51 單片機結(jié)構(gòu)及引腳圖 5l 系列單片機提供以下功能： 4 KB 存儲器； 256 B RAM； 32 條 I/O 線； 2 個 16B 定時／計 數(shù)器； 5 個 2 級中斷源； 1 個全雙向的串行口以及時鐘電路。 空閑方式： CPU 停止工作，而讓 RAM、定時／計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 掉電方式：保存 RAM 的內(nèi)容，振蕩器停振，禁止芯片所有的其他功能直到下一次硬件復(fù)位。 5l 系列單片機為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。充分利用他的片內(nèi)資源，即可在較少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的 基于 超聲波測距 的倒車?yán)走_(dá)系統(tǒng)。 超聲波發(fā)射電路 超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點，而經(jīng)常用于距離的測 16 量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲 波來實現(xiàn)。超聲波測距主要應(yīng)用于倒車?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位、井深、管道長度等場合。利用超聲波檢測往往 比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制 ，并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實用的要求，因此在測控系統(tǒng) 中 得到了廣泛應(yīng)用。 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲 波 能 量 或是把超聲 波 能 量轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能 量 的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有：壓電傳感器 ， 磁致伸縮傳感器 ， 靜電傳感器。流體動力 型 包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用 目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為 “ 哨 ”或“ 笛 ” 。 超聲波傳感器原理及結(jié)構(gòu) 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲