【文章內(nèi)容簡介】 xep??0I2(3)超聲波的干涉如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。若以兩個頻率相同，振幅和波程不等，波程差為 d 的兩個波干涉為例。從上式看出，當(dāng) d=0或 d= （ 為整數(shù)）時，合成振幅 達(dá)到最大值；當(dāng) d= 時，?nr?,.)531(2?n?合成振幅 為最小值。r?由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚(yáng)聲場。 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用(1) 機(jī)械作用超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機(jī)械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大。有時足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。(2) 空化作用在流體動力學(xué)指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學(xué)過程稱為空化。(3) 熱學(xué)作用如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 超聲波傳感器超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。壓電陶瓷片具有如下特性：當(dāng)在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。反之，如果由超聲波機(jī)械振動作第二章 超聲波測距的原理7用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時，那么壓電晶片也會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下：圖 22 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 23 超聲波外部結(jié)構(gòu) 超聲波測距系統(tǒng)原理在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法：① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離；② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔 t，故被測距離為 S=1／2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高精度的中長距離測量。因為超聲波在標(biāo)準(zhǔn)空氣中的傳播速度為 米/秒，由單片機(jī)負(fù)責(zé)計時，單片機(jī)使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達(dá)到毫米級。超聲波測距的算法設(shè)計: 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘 340 米（15℃時）。X2 是聲波返回的時刻，X1 是聲波發(fā)聲的時刻，X2X1 得出的是一個時間差的絕對值，假定 X2X1=，則有 340m=?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文8第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計9第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計 方案論證與比較單片機(jī)采用 Atmel 公司的 AT89S52，而超聲波發(fā)射和接收電路有多種，常用的電路如下： 超聲波發(fā)射電路(1) 分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路圖 31 分立元件構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖 31 是由兩只普通低頻小功率三極管 C9013 構(gòu)成的振蕩、驅(qū)動電路，三極管 TT2 構(gòu)成兩級放大器，但是由于超聲波發(fā)射頭的正反饋?zhàn)饔?，這個原本是放大器的電路變成了振蕩器。超聲波發(fā)射器的壓電晶片可等效于一個串聯(lián) LC諧振電路，具有選頻作用，因此該振蕩器只能振蕩在超聲波發(fā)射頭的固有諧振頻率 。第二個圖中用電感 L 替代 這樣可以增大激勵電壓，使其具有較大的功率輸出。圖 32 為由 555 集成芯片構(gòu)成的振蕩、調(diào)制、激勵電路。該電路應(yīng)使用雙極型 555（內(nèi)部電路由普通三極管構(gòu)成），不宜使用單極型 7555（內(nèi)部電路由CMOS 電路構(gòu)成，外部引腳與 555 相同），其原因是 7555 帶負(fù)載能力小?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文10圖 32 555 構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路圖 33 是由非門構(gòu)成的一個振蕩器發(fā)送電路，用非門構(gòu)成的電路簡單，調(diào)試容易。很容易通過軟件控制。圖中把兩個非門的輸出接到一起的目的是為了提高其吸入電流，電路驅(qū)動能力提高。 圖 33 由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 超聲波接收電路(1)由分立元件構(gòu)成的接收電路圖 34 為由三極管 T1,T2 和若干電阻電容組成的兩級阻容耦合交流放大電路。第一級中 為集電極負(fù)載電阻； 為偏流電阻，同時引入了交直流并聯(lián)電壓負(fù)反饋，可以較有效的穩(wěn)定靜態(tài)工作點(diǎn)，改善非線性失真以及增益的穩(wěn)定性； 是發(fā)射極負(fù)反饋電阻，引入直、交流串聯(lián)電流負(fù)反饋，具有穩(wěn)定工作點(diǎn)、增益、改善失真、提高輸入阻抗等作用。第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計11圖 34 分立元件構(gòu)成的超聲波接收電路(2)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的接收電路1）一般式用運(yùn)放組成的放大電路都要求對稱的正負(fù)電源供電，這里以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設(shè)置在 1/2 的電源電壓，這由同相輸入端的點(diǎn)位來確定， 和 分壓取得 1/2 的電源電壓加到運(yùn)放的同相輸入端，使其電位 1/2 電源電壓。2）采用同相端輸入方式其輸入阻抗高，超聲波接收傳感器的輸出信號接到放大器的同相端，有利于超聲波傳感器充分發(fā)揮接收靈敏度和自生的選頻作用。3）反相端對地不提供直流通路，因此通過隔直電容提供直流通路。 圖 35 運(yùn)放構(gòu)成的超聲波接收電路(3) CX20226 構(gòu)成的接收電路淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文12 圖 36 CX20226 構(gòu)成的接收電路以上為常用的發(fā)射和接收電路，分立元件構(gòu)成的收發(fā)電路容易受到外界的干擾，體積、功耗也比較大。而集成電路構(gòu)成的發(fā)射和接收電路具有調(diào)試簡單，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，功耗低的優(yōu)點(diǎn)，所以首先考慮采用集成電路來組成收發(fā)電路。在由集成電路構(gòu)成的收發(fā)電路中，發(fā)射電路我們選用由非門構(gòu)成，接收電路采用由紅外接收檢波芯片 CX20226 構(gòu)成，主要是考慮到系統(tǒng)的調(diào)試簡單、成本低、可靠性好。 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)電路本次我們采用了 Atmel 公司的 AT89S52,該單片機(jī)主要特點(diǎn)如下：(1) AT89S52 系列單片機(jī)以 8051 為內(nèi)核，兼容 MCS51 系列單片機(jī)。(2) AT89S52 系列單片機(jī)內(nèi)、內(nèi)部含有 Flash 存儲器，在系統(tǒng)開發(fā)可以反復(fù)擦寫。(3) AT89S52 采用靜態(tài)時鐘方式，可以節(jié)省電能。(4) AT89S52 支持 ISP（在線編程），不需要把單片機(jī)從電路板取下來就可以擦寫程序。(5) AT89S52 晶振頻率高達(dá) 24M，運(yùn)行速度更快。(6) AT89S52 價格也比較便宜 6 元/片(7) 增加了看門狗電路，防止程序“走飛”，更加安全可靠。第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計13 單片機(jī)電路 圖 37 單片機(jī)主電路引腳功能：P0 口用來送顯示信號給 LCD 的數(shù)據(jù)為，P20~P22 送命令到LCD 控制 LCD 的顯示方式。 為 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)采集端。 接測量按鍵。 復(fù)位電路單片機(jī)在 RESET 端加一個大于 20ms 正脈沖即可實(shí)現(xiàn)復(fù)位，上電復(fù)位和按鈕組合的復(fù)位電路如下：在系統(tǒng)上電的瞬間，RST 與電源電壓同電位，隨著電容的電壓逐漸上升，RST 電位下降，于是在 RST 形成一個正脈沖。只要該脈沖足夠?qū)捑涂梢詫?shí)現(xiàn)復(fù)位。當(dāng)人按下按鈕 S1 時，使電容 C1 通過 R1 迅速放電，待 S1 彈起后，C1 再次充電，實(shí)現(xiàn)手動復(fù)位?；窗残畔⒙殬I(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文14 時鐘電路當(dāng)使用單片機(jī)的內(nèi)部時鐘電路時，單片機(jī)的 XATL1 和 XATL2 用來接石英晶體和微調(diào)電容，如圖所示，晶體一般可以選擇 3M~24M，電容選擇 30pF 左右。我們選擇晶振為 12MHz,電容 33pF。圖 38 時鐘電路 按鍵電路我們通過 來啟動測量，程序中通過查詢 的電平來檢測是否按鍵被按下，電路原理如下：當(dāng)按下按鍵時 為低電平，單片機(jī)通過查詢到低電平開始測量距離，當(dāng)松開按鍵， 即為高電平。在軟件中通過軟件延時來消除按鍵的機(jī)械抖動。 蜂鳴器電路本次設(shè)計通過一只蜂鳴器來提示用戶按鍵按下了，現(xiàn)在單片機(jī)開始了測距。蜂鳴器時一塊壓電晶片，在其兩端加上 3~5V 的直流電壓，就能產(chǎn)生 3KHz 的蜂鳴聲。電路如圖 39 所示： 39 蜂鳴器電路第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計15 超聲波發(fā)送電路超聲波發(fā)生器包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射控制電路兩個部分，超聲波探頭（“也稱為超聲波換能器”）的型號選用 CSB40T（其中心頻率為40KHz）?？梢圆捎密浖a(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)過動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是充分利用軟件，靈活性好，但是需要設(shè)計一個驅(qū)動電流為 100mA 以上的驅(qū)動電路。第二種方法是利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅(qū)動超聲波換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點(diǎn)是無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。本次我們采用第一種方法產(chǎn)生超聲波，非門可以選用 74LS04，具體電路如圖：圖 310 超聲波發(fā)送電路 從圖中可知，當(dāng)輸入的信號為高電平時，上面經(jīng)過兩級反向 CSB40T 的 1引腳為高電平，下面經(jīng)過一級反向后為低電平；當(dāng)輸入信號為低電平時，正好相反，實(shí)現(xiàn)了振蕩的信號驅(qū)動 CSB40T，只要控制信號接近 40KHz，就能產(chǎn)生超聲波。 超聲波接收電路超聲波接收包括接收探頭，信號放大以及波形變換電路三部分，超聲波接收探頭必須與發(fā)送探頭相同的型號，否則可能導(dǎo)致接收效果甚至不能接收。由于超聲波接收探