【文章內(nèi)容簡介】 號。 A B 圖 23 雙壓電晶片示意圖圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， R 是電損耗，C0 為靜電電容，R 是損耗串聯(lián)電阻，聯(lián)電阻 Cm、L m 是機械共振回路的電容和電感。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率 ?0，發(fā)射超聲波時，加在它兩端的交變電壓的頻率必須和它的固有諧振頻率保持一致。在這種情況下，超聲波傳感器具有很高的靈敏度。當改變壓電材料常數(shù)和改變壓電陶瓷片，由超聲波換能器的頻率特性很容易改變使用的固有諧振頻率的幾何形狀 [5]。 超聲波傳感器選擇在超聲波測量系統(tǒng)中，頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高；頻率取得太低，外界的雜音干擾會相應(yīng)的變多。文中所采用的探頭是40KHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由發(fā)射傳感器 UCMT40KI 和接收傳感器 UCMR4OKI 組成，其特性參數(shù)如表 21 所示。 表 21 傳感器特性參數(shù)表型號 UCMT40K1 UCMR40KQ結(jié)構(gòu) 開放式 開放式使用方式 發(fā)射 接收中心頻率 ZKH140?ZKH138?頻帶寬 靈敏度 ubardBVubardBV6?聲壓 )(1P? )1min(7?指向角 o75o80容量 pF%2?pF%25? 超聲波測距的原理超聲波測距方法主要有三種：1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限；2 ）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響；3）渡越時間法：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計上都容易實現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時間 t，這個時間就是渡越時間，然后求出距離 l。設(shè) l 為測量距離，t 為往返時間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。綜合以上分析，本設(shè)計將采用渡越時間法 [6]。圖 26 測距原理由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關(guān)，一般來說，溫度每升高 1 攝氏度，聲速就增加 米／秒。表 22 列出了幾種溫度下的聲速：表 22 聲速與溫度的關(guān)系表溫度（攝氏度） 30 20 10 0 10 20 30 100聲速（米／秒） 313 319 325 331 337 343 349 389在使用時，假設(shè)溫度變化不是大的話，則可以當做聲速 c 不變，計算的時候取 c 的大小為 340m/s。只是測距精度要求很高的時候，就可以在硬件電路基本上保持不變的情況下通過軟件來加以校正以及改變硬件電路增加溫度補償電路的方法。在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時器測量超聲波傳播時間，利用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系可表示為： )/( smTTC ???? (23) 聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離：L=1/2(+)t。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進行溫度補償） 發(fā)射脈沖波形超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖 所示有衰減振蕩脈沖、單個尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。單個尖脈沖 衰減振蕩脈沖窄等幅波脈沖 寬等幅波脈沖圖 超聲波測距常用發(fā)射脈沖波形 本章小結(jié)本章介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減。通過詳細分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計中所用超聲傳感器的特性參數(shù)；析了超聲波測距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測距的幾種常用方法以及傳感器指向角、環(huán)境溫度、工作頻率、發(fā)射脈沖波形。 三、 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件主要由單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波檢測接收電路和溫度補償電路四部分組成。隨著超聲波測量技術(shù)的不斷提高，用超聲波測量任何目標物體，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。不論超聲波傳感器的大小、形狀、靈敏度有何不同，其工作原理都是一樣的（都是利用壓電晶體將電能轉(zhuǎn)換為機械振動彈性能，即在媒質(zhì)中產(chǎn)生超聲波） ，要提高超聲測量的精度或分辨力，必須從超聲波的發(fā)射和接收兩方面入手，這也是設(shè)計超聲測量儀器的關(guān)鍵和難點所在。發(fā)射電路采用單片機 端口編程輸出大概 40KHz 的方波脈沖信號，同時開啟內(nèi)部計數(shù)器 T0 單片機端口輸出功率比較弱，所以加大加功率放大電路使測量距離能夠滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器 UCM40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠。由于從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來的超聲波回波很微弱，只有幾十個 mV 級，同時又有著較強的噪聲，所以必須考慮放大信號和抑制噪聲。這里使用 CX 20226A 集成電路對接收探頭接收濾波，信號經(jīng)過 端口送入單片機中進行處理。為節(jié)省硬件考慮，顯示電路采用動態(tài)掃描顯示。通過單片機編程將內(nèi)部計數(shù)得到的時間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過三位 LED 數(shù)碼管顯示。 發(fā)射電路設(shè)計40 kHz 左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：使用軟件如單片機軟件編程輸出或采用硬件如由 555 振蕩產(chǎn)生，本系統(tǒng)采用前者。編程由單片機 端口輸出 40 kHz 左右的方波脈沖信號，由于單片機端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號分成兩路，送給一個由 74HC04 組成的推挽式電路進行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠，滿足測量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。發(fā)射部分的電路，如圖 31 所示。圖中輸出端上拉電阻 R31，一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時間，另一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動能力。 發(fā)射電路設(shè)計方案一、發(fā)射電路輸出波形分析傳感器的發(fā)射電壓大小一般是由發(fā)射信號損失及接收機的靈敏度決定；考慮實際發(fā)射傳感器最大輸入電壓為 20V，而單片機輸出的最大正常工作電壓為 5V，功率傳感器傳輸?shù)男盘栔苯記Q定超聲波距離傳感器信號的發(fā)射，所以在相同的時間內(nèi)電壓應(yīng)考慮如何增加他們的功率，以使發(fā)射電路是比較合理的。各個振動的發(fā)射波應(yīng)是以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和接收相同的振動波峰，以避免由于反射面和干涉障礙物造成的各種損失。為了獲得高的分辨率，超聲發(fā)射器的電路設(shè)計應(yīng)確保良好的發(fā)射波形的重復性。為了保證發(fā)射波功率和波形的重復性，發(fā)射電路的設(shè)計必須合理。一般發(fā)射電路通常按發(fā)射方式分為: 單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動 [7]。 發(fā)射電路方案從上面的分析可以知道，發(fā)射電路設(shè)計的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。本系統(tǒng)單片機的 發(fā)出了一組方波脈沖信號，輸出波形穩(wěn)定可靠，但由于輸出電流和輸出功率非常低，所以還不足以推動發(fā)射傳感器發(fā)射足夠的超聲波信號，所以在這里加入了一個單電源乙類互補對稱功率放大電路，如圖 32 所示。圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖Q2Q1VCCVCCC1R1LS1RF圖 32 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射器的注意事項超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波后就會立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度約為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。存在 4 個因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。誤差一般由以下幾個方面引起的：（1）探測目標的入射角 會受超聲波波束影響；?（2）待測距離的遠近關(guān)系著超聲波回波聲強，就會導致實際測量時不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)；（3）傳播速度的影響。超聲波傳播速度的穩(wěn)定與準確度是保證測量精度的必要條件，而超聲波的傳播速度又受傳播媒質(zhì)特性的影響。傳播媒質(zhì)的壓力、溫度、密度都將對聲速產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為 2 ，當 很小的時候，可直接按式 進行距離的?2SCt?V計算；當夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： (31)costS??? 實際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為 45176。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計方法 [8]。 接收電路設(shè)計接收部分主要由接收換能器和放大電路組成。里面的放大電路是一個三級運算放大器 A1，功能是將從目標處反射回來的微弱信號進行放大整形后送入計數(shù)控制電路部分。由于在距離較遠的情況下，回波信號很小，轉(zhuǎn)換為電信號的幅度也較小，此要求將信號放大 60 萬倍左右。采用三級放大：前兩級放大 100 倍，用高精密放大器 LM318，帶寬為 15MHz，充分滿足要求；第三級采用 LF353 運算放大器，寬為 4MHz。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形為一個方波信號，輸出信號送入 555 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計。LS2U CM 402314111TL082R2R3RpV CCV CCU 0U iIfIi圖 33 前置放大電路圖電路如圖 33 所示，超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗(Input Impedance)；換能器的輸出電壓很大前置放大電路是由一個高精度、高輸