【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見(jiàn)的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多。頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。木文中選用的探頭是4OKHz的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCMT40和一支接收傳感器UCMR4O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(hào)UCMt40UCMr40使用方式發(fā)射接收中心頻率40177。1kHz38177。1kHz頻帶寬2177。2177。聲壓115dBmin(0dB=)一70dBmin(0dB=1v/ubar)指向角7580容量2500177。25%pf2500177。25%pf最大輸入電壓20Vpp20Vpp超聲測(cè)距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距最為常用，它主要基于超聲測(cè)距回波信號(hào)的識(shí)別，多采用模擬方法，用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。hdS 障礙物發(fā)射端接收端圖25超聲測(cè)距原理圖如圖25所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用: (24)即可計(jì)算得傳感器與反射點(diǎn)之間的距離S，測(cè)量距離 （25）當(dāng)Sh時(shí)，則d≈S，即: （26）由文獻(xiàn)[10]，空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率f很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的。傳感器的上作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮:，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。，對(duì)相同尺寸的還能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于木測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在40KHz。這樣傳感器方I句性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，記為θ，它直接影響測(cè)量的分辨率。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)λ，傳感器半徑r有關(guān)。，聲速的大小線(xiàn)性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動(dòng)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，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響，由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫20℃下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為344m/s。但當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料[12]，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射200us(8個(gè)40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度。長(zhǎng)距離(2m外)發(fā)射 800us(32個(gè)40KHz脈沖方波)的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開(kāi)盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。然而，在智能停車(chē)場(chǎng)當(dāng)中則選擇800us的脈沖寬度。上一部分我們就影響超聲測(cè)距誤差的幾個(gè)因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCMT40和一支接收探頭UCMR40的收發(fā)分體式傳感器。木章主要在此基礎(chǔ)上就如何具體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)分析。系統(tǒng)計(jì)劃在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測(cè)距，測(cè)試距離約在4米以?xún)?nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖26所示。顯 示 電 路單 片 機(jī) 處 理 部 分發(fā)射電路檢測(cè)電路接收電路發(fā)射探頭接收探頭障 礙 物圖26系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖，同時(shí)開(kāi)啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器TO。由于單片機(jī)端口輸出功率很弱，為使測(cè)量距離滿(mǎn)足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器UCM40T發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn)，故在此電路上加功率放大電路。從接收傳感器探頭UCM40T傳來(lái)的超聲回波很微弱(幾十個(gè)mV級(jí))，又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮的。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級(jí)放大，和一帶通濾波電路，中心頻率4OKHZ左右，放大濾波電路均采用了高速精密運(yùn)算放大器TL082，輸出信號(hào)大約在5V左右。由于放大電路輸出的信號(hào)是連續(xù)的正弦波疊加信號(hào)，而單片機(jī)所能接受的中斷響應(yīng)信號(hào)常為下降沿脈沖信號(hào)，故信號(hào)在放大電路后通過(guò)LM393構(gòu)成的比較電路，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，用方波的負(fù)跳變作單片機(jī)的中斷輸入，目的使得單片機(jī)知道已接收到超聲信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器停止計(jì)時(shí)。本電路是只能停車(chē)儀的一個(gè)部分所以可以不顯示，將數(shù)據(jù)傳輸出去，但是在設(shè)計(jì)的時(shí)候?yàn)榱酥庇^的顯示出來(lái)數(shù)據(jù)傳輸出去，用一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)代替。并在設(shè)計(jì)時(shí)加了一個(gè)顯示部分，可以用來(lái)顯示測(cè)距儀的距離，也可用于顯示車(chē)位號(hào)。硬件電路的詳細(xì)說(shuō)明將在接下來(lái)的章節(jié)中逐步說(shuō)明。木章首先介紹了超聲波的形成、超聲波在傳播過(guò)程中的反射折射規(guī)律以及如何衰減。通過(guò)詳細(xì)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(gè)重要參數(shù)給出木系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù)。分析了超聲波測(cè)距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出一了測(cè)距的幾種常用方法以及傳感器指向角、工作頻率、環(huán)境溫度、發(fā)射脈沖寬度對(duì)超聲測(cè)距精度的影響。第三章超聲波測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)在以上的章節(jié)中，論文對(duì)于設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容及設(shè)計(jì)范圍做了詳細(xì)的敘述，在本章當(dāng)中，將要詳細(xì)的對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。一．發(fā)射電路波形分析為獲得較高的分辨力，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復(fù)性。此外，發(fā)射波形應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應(yīng)近似為統(tǒng)一頻率的振動(dòng)波，以便于接受時(shí)可以采用濾波器進(jìn)行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動(dòng)波峰。以避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種干擾和損失。由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路的設(shè)計(jì)是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(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(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失。另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓SV，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。二、發(fā)射電路常用方案由上面的分析，我們知道發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是抬高輸入到發(fā)射探頭的電壓及其功率。，其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動(dòng)發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強(qiáng)度的超聲信號(hào)，所以在此間加入一單電源乙類(lèi)互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)功率放大電路，如圖31所示。圖31發(fā)射電路圖發(fā)射電路采用功率放大電路。一．功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號(hào)電壓，同時(shí)還要輸出大幅度的信號(hào)電流，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的特殊問(wèn)題，這些問(wèn)題是:為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問(wèn)題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用功率Po與電源供給晶體管功率Pe的比值，用η表示。% （31）直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號(hào)功率以外，剩余部分變成晶體管的管耗Pc(Pc=PePo)。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供給功率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所以，對(duì)于功率放大器，提高效率也是一個(gè)重要問(wèn)題。功率放大電路不可避免會(huì)出現(xiàn)交越失真的問(wèn)題，但是交越失真在本設(shè)計(jì)中不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，所以不予考慮。對(duì)于這部分電路的分析計(jì)算基本如下[13]：首先計(jì)算輸出功率Po，對(duì)于整個(gè)功率放大電路可知： （32）輸出功率Po與輸入電壓U和輸入電流I有關(guān)，就是與激勵(lì)信號(hào)有關(guān)系。我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為： （33）最大輸出功率則為： (34)功放管的耐壓降為：Ucemx=2Vcc （35）最大集電極功率損耗為： (36)集電極效率：% （37）最大集電極允許電流： (38)采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來(lái)的Vcc，而是Vcc/2(輸出電壓最大也只能達(dá)到約Vcc/2)，所有前面導(dǎo)出的計(jì)算公式，只要用Vcc/2代替其中的Vcc即可。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源12V供電,也可采用獨(dú)立5v電源。選用100uF最大耐壓值為5OV的電解電容，負(fù)載電阻為45Ω，功放管選用2SC1815，2SA1015兩匹配三極管，其耐壓為50v，大于每管電源電壓的兩倍即2(5/2)=5v。根據(jù)公式38，管的集電極最大允許電流為150mA,大于mA,符合設(shè)計(jì)要求.最大輸出功率為Po=,所以符合設(shè)計(jì)要求。概括起來(lái)說(shuō)，功率放大電路就是要在保證晶體管安全運(yùn)用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線(xiàn)性失真。接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量