【文章內容簡介】 人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與信息技術、新材料技術結合起來，將出現更多的智能化、高靈敏度的超聲波傳感器。 超聲波傳感器測距原理超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面。 以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。一 、超聲波傳感器的性能指標超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： （1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 （2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不會失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。 （3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。二、 超聲波傳感器的結構超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金屬片構成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產生一個電信號?；谝陨献饔茫憧梢詫弘娞沾捎米鞒暡▊鞲衅?。如超聲波傳感器，一個復合式振動器被靈活地固定在底座上。該復合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而產生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。室外用途的超聲波傳感器必須具有良好的密封性，以便防止露水、雨水和灰塵的侵入。壓電陶瓷被固定在金屬盒體的頂部內側。底座固定在盒體的開口端，并且使用樹脂進行覆蓋。對應用于工業(yè)機器人的超聲波傳感器而言，要求其精確度要達到1mm，并且具有較強的超聲波輻射。利用常規(guī)雙壓電晶片元件振動器的彎曲振動，在頻率高于70kHz的情況下，是不可能達到此目的的。所以，在高頻率探測中，必須使用垂直厚度振動模式的壓電陶瓷。在這種情況下，壓電陶瓷的聲阻抗與空氣的匹配就變得十分重要。107kg/m2s，102kg/m2s。5個冪的差異會導致在壓電陶瓷振動輻射表面上的大量損失。一種特殊材料粘附在壓電陶瓷上，作為聲匹配層，可實現與空氣的聲阻抗相匹配。這種結構可以使超聲波傳感器在高達數百kHz頻率的情況下，仍然能夠正常工作。 超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2 。這就是所謂的時間差測距法。 超聲波液位測量示意圖 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。測距的公式表示為：L=CT式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數值的一半)。超聲波測距主要應用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現場等的距離測量，雖然目前的測距量程上能達到百米，但測量的精度往往只能達到厘米數量級。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優(yōu)點，是作為液體高度測量的理想手段。 超聲波發(fā)生器選擇超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現。超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。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；一種是發(fā)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的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當的衰減，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應用低頻率的傳感器。一 、超聲波接收傳感器及處理芯片CX20106A超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設備。靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數大，靈敏度高；反之，靈敏度低。因此超聲波接受傳感器應該應用集成電路CX20106A，CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。考慮到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上二 、溫度傳感器的選擇大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償的問題。溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數。AD590的測溫范圍為55℃～+150℃。AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在55℃～+150℃范圍內，非線性誤差為177?！?。但是考慮到成本問題我選用TS18B20數字溫度傳感器。該產品采用美國DALLAS公司生產的DS18B20可組網數字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設備數字測溫和控制領域。獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應用無需外部元件可用數據總線供電。溫度范圍為55176。C至+125℃ 。10176。C至+85176。C范圍內精度為177。176。C 溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉換為12位數字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設置應用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)。 盲區(qū)處理超聲波是由壓電晶片振動產生的，壓電晶片的振動是由信號控制的，當信號停止的同時，晶片由于慣性要等一段時間才能停下來，之后才能接收回波信號，這段時間內超聲波傳感器仍然在發(fā)射信號，因此不能接收回波信號，故稱之為盲區(qū)。當發(fā)射超聲波時，雖然發(fā)射信號只保持一個很短的時間，但停止發(fā)射信號后，超聲波探頭上還存在一定的余振，因此在發(fā)射信號停止后的一段時間內，加在回波檢測電路輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到電路的限幅電平。另一方面超聲波探頭上接收到的反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近處的障礙物發(fā)射信號也達不到電路的限幅電平。當障礙物離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，發(fā)射信號的幅值也相應地越來越小。在超聲波檢測中，接收信號的衰減程度設計的比發(fā)射信號余振的衰減慢得多，如圖中實線所示。 測量盲區(qū)示意圖為了保證有一定的信噪比，接收信號的幅值規(guī)定了一個閥值，也就是說接收信號的幅值必須大于這一閥值時才能使回波接收電路有輸入信號。從圖中可見，從b點以后接收信號將低于閥值，這相當于所測距離的最大值。從圖中的a點以后，接收信號才開始比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相互迭加，較難分辨，因此這段時間內不能進行測量。從圖中的c點以后，發(fā)射信號己低于閥值，接收信號才基本上擺脫了發(fā)射信號的影響而能明顯地分辨出來。所以在要求較高時，把oc這段時間規(guī)定為盲區(qū)時間。從距離上說，可根據盲區(qū)時間和聲速，求得盲區(qū)距離。因此，oc為盲區(qū)時間，cb為可測范圍，b為可測距離的最遠點。對盲區(qū)問題普遍處理辦法是對繞射虛假信號作屏蔽，而屏蔽辦法多種多樣?？梢詮挠布掀帘?，也可以從軟件上采用信號濾波，或者延時接收。如果從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間，采取關閉中斷的方法，從而不會發(fā)生中斷申請，躲避繞射干擾。這種方法優(yōu)點是處理簡潔，故本系統(tǒng)就選用這種辦法。第3章 各單元硬件電路設計 單片機最小系統(tǒng)電路AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 AT89C51引腳圖AT89C51的主要特點：l 與MCS51 兼容l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 l 壽命：1000寫/擦循環(huán)數據保留時間：10年l 全靜態(tài)工作：0Hz24Hzl 三級程序存儲器鎖定l 1288位內部RAMl 32可編程I/O線l 兩個16位定時器/計數器l 5個中斷源 l 可編程串行通道l 低功耗的閑置和掉電模式l 片內振蕩器和時鐘電路管腳說明：l VCC：供電電壓。l GND：接地。l P0,P1,P2,P3：輸入/輸出端口。l ：串行輸入口。l ：串行輸出口。l /INT0：外部中斷0。l /INT1：外部中斷1。l ：計時器0外部輸入。l T1：計時器1外部輸入。l /WR：外部數據存儲器寫選通。l /RD：外部數據存儲器讀選通。l P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。l RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。l ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。l /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現。l /EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。l XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。l XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。芯片擦除：整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節(jié)被重復編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 溫度補償電路設計DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，測溫范圍為55～125℃，℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。 DS18B20 DS18B20溫度傳感器：(1)：技術性能描述獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理 器與DS18B20的