【文章內(nèi)容簡介】 物 　　探 反射波　　頭AT89C51通過外部引腳輸出一個脈沖群，以推挽形式加到變壓器的初級，經(jīng)升壓變換推動超聲波換能器發(fā)射出去。在發(fā)射的同時，輸出一個高電平啟動，進(jìn)行充電。發(fā)射結(jié)束時高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，并開始對分壓器放電并輸出到比較器的負(fù)端。超聲波接收換能器將接收到的障礙物反射的超聲波送到放大器進(jìn)行放大，這是一個高增益、低噪聲放大器，在對放大后的信號進(jìn)行檢波后將檢測回波送到比較器的正輸入端。發(fā)射時輸出的高電平可以一直比較器的翻轉(zhuǎn)，這樣就可以抑制發(fā)射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收端而導(dǎo)致錯誤檢測。超聲波測距離可測出回波和發(fā)射脈沖之間的時間間隔，利用s=ct/2就可以算出距離，在從LED上顯示。我們還可以設(shè)置若干個鍵，用來控制電路的工作轉(zhuǎn)臺。限制的最大可測距離存在四個因素：超聲波的幅度，反射面得質(zhì)地，反射面和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。 測距顯示電路的設(shè)計 LED數(shù)碼顯示管有兩種，一種是共陽極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由8個陽極相連接的發(fā)光二極管組成：另一種是共陰極數(shù)碼管，其內(nèi)部是由8個陰極相連接的發(fā)光二極管組成。二者原理不同但功能相同。 共陰極LED數(shù)碼管顯示塊的發(fā)光二極管陰極連接在一起，形成該模塊的公共端（通常稱為位選段），因此稱為供陰極LED數(shù)碼顯示器，8個數(shù)碼管的另一端通常稱為段選段，當(dāng)顯示器的公共端接低電平，某個發(fā)光二極管的陽極接高電平時，該發(fā)光二極管被點亮；而共陽極LED數(shù)碼顯示管事將二極管的陽極連接在一起，形成共陽極LED數(shù)碼顯示塊的公共端，愛公共端必須接高電平，同理在共陽極LED數(shù)碼顯示塊中如某個發(fā)光二極管的陰極為低電平時，該發(fā)光二極管被點亮。 　　用單片機(jī)驅(qū)動LED數(shù)碼顯示分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示?！　§o態(tài)顯示就是顯示驅(qū)動電路具有鎖存功能，單片機(jī)將要顯示的數(shù)據(jù)送出后就不再控制LED,直到下次顯示是再傳送一次新的數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用的CPU時間少。靜態(tài)顯示中，每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口，該接口用于筆劃段字型代碼。這樣單片機(jī)只要把顯示的字形代碼發(fā)送的接口電路，該字段就可以顯示發(fā)送的字形。要顯示新的數(shù)據(jù)時，單片機(jī)在發(fā)送新的數(shù)據(jù)?！　×硪环N方法就是動態(tài)掃描顯示。由于單片機(jī)本身具有較強(qiáng)的邏輯控制能力，所以采用動態(tài)掃描軟件譯碼并不復(fù)雜。而且軟件譯碼其譯碼邏輯課隨意編程設(shè)定，不受硬件譯碼邏輯的限制。采用動態(tài)掃描軟件譯碼的方式大大簡化了硬件電路就夠，降低系統(tǒng)成本。它用分時的方法輪流控制各個顯示器的COM端，使各個顯示器輪流的點亮。在輪流點亮掃描過程中，每位顯示器的點亮?xí)r間極為短暫，但由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)?！　§o態(tài)顯示數(shù)據(jù)穩(wěn)定，占用很少的CPU時間，但每個顯示單元都需要單獨的顯示驅(qū)動電路，使用電路硬件較多：動態(tài)顯示需要CPU時刻對顯示器進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感，占用CPU時間多，但使用的硬件少，能節(jié)省線路板空間。本設(shè)計的顯示電路采用8個共陽極LED四位數(shù)碼管，位碼用PNP三極管驅(qū)動。如圖所示：　　 超聲波發(fā)射電路的設(shè)計　　 發(fā)射電路主要由74LS04和超聲波換能器構(gòu)成，另一路經(jīng)兩極反向器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高發(fā)射強(qiáng)度。如圖所示： 超聲波接收電路的設(shè)計 超聲波接收電路主要由CX20106A和超聲波換能器構(gòu)成，CX20106A是一款紅外的專用芯片，考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38KHZ與測距的超聲波頻率40KHZ較為接近，故利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖所示 探測電路的設(shè)計 物體探測電路可以用光電傳感器來制作。但光電傳感器不能探測透明的物體。紅外線傳感器在探測物體時需要有像人和動物那樣與周圍有一定的溫度差這個條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制。對于透明的或其它物體都可以探測。超聲波傳感器探測物體有直接探測方式與放射探測方式。 直接探測方式的接收/發(fā)射器要相互配置。如果接收到超聲波（有信號電壓）時，說明接收/發(fā)射器中間沒有被測物體。反之，接收不到超聲波（無電壓信號）時，則中間有被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器可以較為配置，有反射波時，說明存在被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器有單獨使用與共用兩種方式。公用方式就是一個超聲波傳感器用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本設(shè)計就是以AT89C51單片機(jī)為核心。它采用模塊化設(shè)計，由主程序，發(fā)射子程序、接收子程序、定時程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測量建時，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、插敘接收子程序、定時子程序，并把測量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來。雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用AT89C51單片機(jī)可以簡化設(shè)計，便于操作和直觀讀數(shù)。 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序框圖如下圖所示 開始單片機(jī)初始化 定時中斷子程序 有回波么？ N Y 外部中斷子程序 結(jié)束，脈沖寬度為12us左右，同時把計數(shù)器T0打開進(jìn)行計時。超聲波測距儀主程序利用外部中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號(INT0引腳出現(xiàn)低電平),立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計時器T0停止計時，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測距不成功。 定時中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時間值讀取、距離計算、結(jié)果的輸出等工作。如圖所示：外部中斷入口定時中斷入口 關(guān)外部中斷讀取時間值定時器初始化 計算距離發(fā)射超聲波 結(jié)果輸出 單方向發(fā)射完否？ N 開外部中斷 Y停止發(fā)射 返回 返回 定時中斷服務(wù)子程序 外部中斷服務(wù)子程序第四章 系統(tǒng)調(diào)試 超聲波測距儀的制作和調(diào)試，其中超聲波發(fā)射和接收采用的超聲波換能器TCT4010F1(T發(fā)射)和TCT4010S1(R接收)，中心頻率為40KHZ，安裝時英保持兩換能器中心軸線平行并相距48cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以或得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。 本章將要分析溫度對超聲波聲速的影響，超聲波回?fù)軝z測對超聲波傳播時間的影響，超聲波傳感器所加脈沖電壓對測試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了超聲波數(shù)字測距儀。實驗表明，注意以上三方面的因素能夠提高超聲波測距的精度。 超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡單成本低、在機(jī)器人避障礙和和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用。從原理上講，超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距常用，器原理是超聲波傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物后，經(jīng)反射有超聲波傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接受的時間ts，在已知超聲波聲速Cs的前提下，可計算被測物的距離S，即:S=CT/2 由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度：超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。本章從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響：回波檢測對時間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了以AT89C51單片機(jī)為核心，采用40KHZ壓電超聲波傳感器，應(yīng)用廣泛的超聲測距儀?？諝庵械膫鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化里的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度收氣體的密度、溫度計氣體分子成分的影響。例如：20度時，T=,CS=；40度時，T=,CS=；20度時，T=,CS=；從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度是，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲波傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到障礙物反射后，在傳回超聲波傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。器衰減遵循指數(shù)規(guī)律。 設(shè)在距離超聲接收器x處有被測物，超聲波皮率越高，器衰減越快。同時超聲波頻率的過高會產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干渋。但是。超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計超聲接收電路時，要設(shè)計較大倍數(shù)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測。 制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲波測距徜徉壓電材料傳感器，例如TR40壓電超聲傳感器。超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時，其應(yīng)變S與外加電場強(qiáng)度E的關(guān)系為:S=dE,其中d為應(yīng)變電場常數(shù)。超聲波傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲波轉(zhuǎn)換的效率，提高超聲波測距精度和范圍，英盡量提高超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲波傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計，針對溫度、回波和所加脈沖電壓對超聲測距精度的影響，在設(shè)計超聲波測距儀的時，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構(gòu)成了超超聲測距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個裝置的中心控制和信號處理單元為單片機(jī)AT89c51，超聲波傳感器采用TR40(40KHZ)收發(fā)超聲傳感器。 發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40khz脈沖電壓。它有非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路。發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲波傳感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。 接收電路的主要任務(wù)是檢測回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設(shè)計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路有檢波電路、濾波放大電路這整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級電路放大，整形電路把回波信號整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號并向單片機(jī)申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。 由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級高Q值的濾波放大電驢。濾波放大電路才用兒介帶通濾波放大