【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 沖個(gè)數(shù)及脈沖群之間的時(shí)間間隔, 其發(fā)送間隔取決于要求測(cè)量的最大距離。若在有效測(cè)距范圍內(nèi)有被測(cè)物, 則在后一路探測(cè)波束發(fā)出之前應(yīng)當(dāng)接收到前一路發(fā)出的反射波, 否則認(rèn)為前一路沒(méi)有探測(cè)到物體。按有效測(cè)距范圍及最大測(cè)量距離可以算出最短的脈沖群間隔發(fā)送時(shí)間。例如, 最大測(cè)距距離為5 m 時(shí), 脈沖間隔時(shí)間t= 2 D/C = 25/340≈ 30 m s, 實(shí)際應(yīng)取t≥30 m s。超聲波的發(fā)射是利用逆壓電效應(yīng)，在壓電晶片上施加交變電壓，使其產(chǎn)生電致伸縮振動(dòng)而發(fā)射超聲波。根據(jù)共振原理，當(dāng)外加交變電壓的頻率等于晶片的固有頻率時(shí)就產(chǎn)生共振，此時(shí)發(fā)射的超聲波最強(qiáng)。圖 32 超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 32 所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一超聲波發(fā)生器；如沒(méi)加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電振蕩器作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。 超聲波發(fā)散角選用型號(hào) 401 型時(shí)超聲波的發(fā)散角為 45 度(選用各種不同型號(hào)探頭時(shí)，發(fā)散角有所變化)。超聲波傳感器即可以作為發(fā)射器又可以作為接收器，傳感器用一段時(shí)間發(fā)射一束超聲波束，只有待發(fā)射結(jié)束后才能啟動(dòng)接收，設(shè)發(fā)送波束的時(shí)間為 D，則在 D 時(shí)間內(nèi)從物體反射回的信號(hào)就無(wú)法捕捉；另外，超聲波傳感器有一定的慣性，發(fā)送結(jié)束后還留有一定的余振，這種余振經(jīng)換能器同樣產(chǎn)生電壓信號(hào)，擾亂了系統(tǒng)捕捉返回信號(hào)的工作。因此，在余振未消失前，還不能啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行回波接收，以上兩個(gè)原因造成了超聲波傳感器具有一定的測(cè)量范圍。此超聲波最近可測(cè)量 20 cm。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 33 所示。發(fā)射電路主要由反相器 74LS04 和超聲波發(fā)射換能器 T 構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出的 40kHz 的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻 R1O、R11 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩時(shí)間。壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問(wèn)未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。 超聲波檢測(cè)接收電路集成電路CX20226A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38 kHz與測(cè)距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路(圖34)。實(shí)驗(yàn)證明用CX20226A接收超聲波( 無(wú)信號(hào)時(shí)輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)更改電圖 33 超聲波發(fā)射電路原理圖 容C4的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。圖34 超聲波檢測(cè)接收電路 用于通用音調(diào)譯碼器LM567 為通用音調(diào)譯碼器，當(dāng)輸入信號(hào)于通帶內(nèi)時(shí)提供飽和晶體管對(duì)地開關(guān)，電路由 I 與 Q 檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動(dòng)振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。LM567 為通用音調(diào)譯碼器，當(dāng)輸入信號(hào)于通帶內(nèi)時(shí)提供飽和晶體管對(duì)地開關(guān)，電路由 I 與 Q 檢波器構(gòu)成，由電壓控制振蕩器驅(qū)動(dòng)振蕩器確定譯碼器中心頻率。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。主要用于振蕩、調(diào)制、解調(diào)、和遙控編、譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。用外接電阻 20 比 1 頻率范圍 邏輯兼容輸出具有吸收 100mA 電流吸收能力。 可調(diào)帶寬從 0%至 14% 寬信號(hào)輸出與噪聲的高抑制 對(duì)假信號(hào)抗干擾 高穩(wěn)定的中心頻率 中心頻率調(diào)節(jié)從 到 500kHz 電源電壓 5V15V，推薦使用 5V。 顯示電路及顯示器接口一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示是人機(jī)通道的重要組成部分。目前廣泛使用的顯示器件主要有LED(二極管顯示器 )，LCD(液晶顯示器)和VFD(真空熒光管)。而LED顯示器造價(jià)低廉，與單片機(jī)接口方便靈活，技術(shù)上易與實(shí)現(xiàn)，但只能形式阿拉伯?dāng)?shù)字和少數(shù)字符，通常用于對(duì)形式要求不高的場(chǎng)合。本次設(shè)計(jì)采用LED。LED 顯示器有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種形式方式。由于靜態(tài)功耗大，占用 CPU 的 I|O 口線多，切成本高。所以我選用動(dòng)態(tài)顯示。所謂動(dòng)態(tài)顯示，實(shí)質(zhì)上是多個(gè) LED 顯示器按照一定的順序輪流顯示。它利用了人眼的“視覺(jué)暫留現(xiàn)象” ，只要多個(gè) LED 顯示器的選通掃描速度足夠快，人眼就觀察不到數(shù)碼管的閃爍現(xiàn)象。動(dòng)態(tài)掃描方式的所有LED 段選線并聯(lián)在一起，只由一個(gè) 8 位的 I|O 口控制，而各個(gè) LED 的未選線則由另外一組 I|O 口控制。動(dòng)態(tài) LED 顯示方式的優(yōu)點(diǎn)是功效較低，占用 CPU 的 I|O 口線少，外圍接口簡(jiǎn)單，但程序編制較之靜態(tài)顯示方式略顯復(fù)雜。 超聲波測(cè)距原理超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于共振法的應(yīng)用要求復(fù)雜,在這里使用脈沖反射式。超聲波測(cè)距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播,途中碰到障礙物就立即返回來(lái),超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 C ,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 t ,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 S ,即: S = Ct/2 。這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法 聲波測(cè)距系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要由單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測(cè)接收電路三部分組成。采用AT89C51來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波轉(zhuǎn)換模塊的控制。單片機(jī)通過(guò)，然后單片機(jī)不停的檢測(cè)INT0 引腳，當(dāng)INT0引腳的電平由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就認(rèn)為超聲波已經(jīng)返回。計(jì)數(shù)器所計(jì)的數(shù)據(jù)就是超聲波所經(jīng)歷的時(shí)間，通過(guò)換算就可以得到傳感器與障礙物之間的距離。設(shè)計(jì)的原理框圖如圖35。設(shè)計(jì)的原理圖見附錄B。定時(shí)器控制顯示器調(diào)制器計(jì)時(shí)器振蕩器接收檢超聲波發(fā)生器超聲波接收器障礙物圖 35 超聲波測(cè)距原理框圖 本章小結(jié)本章是該課題的重點(diǎn)，全面介紹了超聲波測(cè)距系統(tǒng)的原理和設(shè)計(jì)思路，給出了硬件電路設(shè)計(jì)。在硬件電路設(shè)計(jì)中，分別詳細(xì)介紹了發(fā)射電路，接收電路及顯示模塊的設(shè)計(jì)方法。本章詳細(xì)介紹了超聲波傳感器的原理和特性，以及 Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)的性能和特點(diǎn)，并在分析了超聲波測(cè)距儀的原理的基礎(chǔ)上，指出了設(shè)計(jì)測(cè)距儀系統(tǒng)的思路和所需考慮的問(wèn)題，給出了以 AT89C51 單片機(jī)為核心的低成本，高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)合理、工作穩(wěn)定、檢測(cè)速度快、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)使用的要求。第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)的主要思路是將預(yù)置、發(fā)射、接收、顯示、聲音報(bào)警等功能編成獨(dú)立的模塊,在主程序中采用鍵控循環(huán)的方式,當(dāng)按下控制鍵后,在一定周期內(nèi),依次執(zhí)行各個(gè)模塊,調(diào)用預(yù)置據(jù)處理結(jié)果決定顯示程序的內(nèi)容以及是否調(diào)用聲音報(bào)警程序。當(dāng)測(cè)得距離小于預(yù)置距子程序、發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序,并把測(cè)量的結(jié)果進(jìn)行分析處理,根離時(shí),聲報(bào)警程序被調(diào)用。AT89C51 單片