【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說(shuō)是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一支發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接受傳感器上接受的回波功率就比較大，對(duì)于接受電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是每一支實(shí)際的發(fā)生傳感器有其工作電壓的極限值，同時(shí)發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常采用改變阻尼電阻的方法來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。發(fā)射部件的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由于障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由兩級(jí)放大電路，檢波電路及鎖相環(huán)構(gòu)成，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)（STC89C51RC）能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。超聲波發(fā)射電路原理圖如下圖所示。圖34 超聲波發(fā)射電路原理圖發(fā)射電路主要由反向器74LS04和超聲波發(fā)射換能器T構(gòu)成，單片機(jī)P1. 0端口輸出的40 kHz方渡信號(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)反向器后進(jìn)到超聲波換能器的另一個(gè)電極。用這種推挽形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻RR11，一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換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有：壓電傳感器、磁致伸縮傳感器、靜電傳感器。流體動(dòng)力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能：利用壓電晶體諧振工作。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。發(fā)射部分電路硬件接線圖如圖35所示：圖35 發(fā)射部分電路硬件連接圖 超聲波接收電路電路采用集成電路CX20106A。這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38kHz 與測(cè)距超聲波頻率40kHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路。實(shí)驗(yàn)證明，其具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。適當(dāng)改變C1 的大小，可改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。R1 和C5 控制CX20106A內(nèi)部的放大增益，R2 控制帶通濾波器的中心頻率。一般取R1= Ω，C5=。其余元件按圖35取值。超聲波接收頭，當(dāng)收到超聲波時(shí)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，接到單片機(jī)的外部中斷INT0上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40kHz方波信號(hào)時(shí)，將會(huì)將此信號(hào)通過(guò)CX20106A驅(qū)動(dòng)放大送入單片機(jī)的外部中斷0口。單片機(jī)在得到外部中斷0的中斷請(qǐng)求后，會(huì)轉(zhuǎn)入外部中斷0 的中斷服務(wù)程序進(jìn)行處理，在移動(dòng)機(jī)器人的避障工作中，可以在中斷服務(wù)程序設(shè)定需要單片機(jī)處理的最短距離。，可以不做處理直接跳出中斷服務(wù)程序；。使用 CX20106A 作為超聲波接收處理的典型電路。當(dāng) CX20106A 接收到40KHz的信號(hào)時(shí)，會(huì)在第7腳產(chǎn)生一個(gè)低電平下降脈沖，這個(gè)信號(hào)可以接到單片機(jī)的外部中斷引腳作為中斷信號(hào)輸入。 使用CX20106A集成電路對(duì)接收探頭受到的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波。其總放大增益80db。以下是CX20106A的引腳注釋：1腳：超聲信號(hào)輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。 2腳：該腳與地之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R1或減小C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C1的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為R1=，C1=。 3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作。 4腳：接地端。 5腳：該腳與電源間接入一個(gè)電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時(shí)，f0≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。 6腳：該腳與地之間接一個(gè)積分電容，標(biāo)準(zhǔn)值為330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 7腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，推薦阻值為10kΩ，沒(méi)有接受信號(hào)是該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則產(chǎn)生下降。 8腳：電源正極，～5V。 接收部分電路如圖36所示： 圖36 超聲波接收部分電路圖 語(yǔ)音部分原理圖蜂鳴器與家用電器上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，工作時(shí)電路上通過(guò)的電流基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，需要增加一個(gè)電流放大的電路才可以，即由于一個(gè)管腳很難驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音,所以增加了一個(gè)三極管來(lái)增加通過(guò)蜂鳴器的電流。 通過(guò)將蜂鳴器連接到三極管的集電極，一旦有被檢測(cè)物體進(jìn)入，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。實(shí)現(xiàn)報(bào)警。，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。報(bào)警電路如下如圖37所示：圖37 蜂鳴器報(bào)警電路原理圖 電源電路的設(shè)計(jì)在各種電子設(shè)備中，直流穩(wěn)壓電源是必不可少的組成部分，它是電子設(shè)備唯一的能量來(lái)源，穩(wěn)壓電源的主要任務(wù)是將50Hz 的電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓和電流，從而滿足負(fù)載的需要，直流穩(wěn)壓電源一般由整流、濾波、穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)組成。由于本設(shè)計(jì)實(shí)際要求電源電壓較低，在實(shí)際操作中用五號(hào)電池+電池盒模式代替。同時(shí)，為了顯示外接電源給實(shí)訓(xùn)板提供了電源，在系統(tǒng)中增加了電源指示燈電路，由于發(fā)光二極管工作在正常工作狀態(tài)時(shí)，流過(guò)LED的電流只需要5～10mA左右就行，在電路中采用紅色高亮LED，所以可以取5mA左右的電流值，通過(guò)計(jì)算，可知：連接LED的限流電阻的阻值可以采用1kΩ。電路如圖38所示：圖38 電源電路 本章小結(jié)本章主要完成了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)外圍電路及顯示電路，超聲波發(fā)射電路，超聲波檢測(cè)接受電路，語(yǔ)音部分原理圖及應(yīng)用外接功放電路圖，電源電路等。這期間遇到了許多問(wèn)題，最后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以及參考各方面書(shū)籍，完成了各電路的設(shè)計(jì)，完成了本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的軟件設(shè)計(jì)主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序、顯示子程序及語(yǔ)音控制程序組成。我們知道C語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率并且容易精確計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距器的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算(計(jì)算距離時(shí))，又要求精確計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間(超聲波測(cè)距時(shí))，本設(shè)計(jì)在計(jì)算部分比較復(fù)雜，所以控制程序采用C語(yǔ)言編程。軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖41：圖41 系統(tǒng)模塊框圖（1）系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)引腳的電平分配和對(duì)各寄存器的初值賦值。（2）數(shù)碼管顯示模塊：通過(guò)該模塊的設(shè)計(jì)能夠讓所測(cè)得的距離顯示在數(shù)碼管上。（3）按鍵掃描模塊：此模塊用來(lái)通過(guò)鍵盤控制倒車?yán)走_(dá)的工作。（4）發(fā)射接收控制模塊：發(fā)射控制模塊是軟件控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射超聲脈沖啟動(dòng)定時(shí)器工作，同時(shí)啟動(dòng)接收電路工作，當(dāng)接收電路有信號(hào)輸入時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理。（5）運(yùn)算結(jié)果處理模塊：運(yùn)算結(jié)果處理模塊將多次所測(cè)得時(shí)間進(jìn)行處理，進(jìn)行軟件取大值工作，根據(jù)公式計(jì)算出距離，然后再對(duì)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。（6）聲光報(bào)警模塊：當(dāng)所測(cè)距離小于一定值時(shí)，通過(guò)聲光報(bào)警來(lái)挺行駕駛員。 超聲波測(cè)距儀的算法設(shè)計(jì)下圖示意了超聲波測(cè)距的原理圖42 測(cè)距的原理即超聲波發(fā)生器T在某一時(shí)刻發(fā)出一個(gè)超聲渡信號(hào)，當(dāng)這個(gè)超聲波遇到被測(cè)物體后反射回來(lái)，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計(jì)算公式為：d=s/2=(ct)/2 (4－1)其中d為被測(cè)物與測(cè)距器的距離，s為聲波的來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。距離計(jì)算程序如下：void calculation(){ distance*=172。 distance/=10000。 buf[0]=distance/1000。 //高位 buf[1]=distance%1000/100。 buf[2]=distance%100/10。 buf[3]=distance%10。 //低位 if(buf[0]==0)buf[0]=11。 if((buf[0]==11)amp。amp。(buf[1]==0))buf[1]=11。 //控制 不需要顯示的數(shù)據(jù) 0 if((buf[1]==11)amp。amp。(buf[2]==0))buf[2]=11。 } 主程序設(shè)計(jì)主程序首先是對(duì)系統(tǒng)環(huán)境初始化，設(shè)置定時(shí)器T0工作模式為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器模式，置位總中斷允許位EA并給顯示端口P0和P2清零。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲渡從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)，需要延時(shí)約0. l ms(這也就是超聲波測(cè)距器會(huì)有一個(gè)最小可測(cè)距離的原因)后，才打開(kāi)外中斷0接收返回的超聲波信號(hào)。由于采用的是12MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是1us，當(dāng)主程序檢測(cè)到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)(即超聲波來(lái)回所用的時(shí)間)按式(4－2)計(jì)算，即可得被測(cè)物體與測(cè)距器之間的距離，設(shè)計(jì)時(shí)取20℃時(shí)的聲速為344m／s（不同溫度下超聲波產(chǎn)波速率不同）則有： D=(ct)／2=172TO／10 000 cm (4－2)其中TO為計(jì)數(shù)器T0的計(jì)數(shù)值。 s，然后再發(fā)超聲波脈沖重復(fù)測(cè)量過(guò)程。為了有利于程序結(jié)構(gòu)化和容易計(jì)算出距離，主程序采用c語(yǔ)言編寫。下圖為主程序流程圖。 圖43 主程序流程圖主程序如下：void main(){ P0=0xff。 P1=0xff。 P2=0xff。 P3=0xff。 TMOD=0x11。//time0/time1都工作方式1 flag = 0。 IT0 = 1。//負(fù)跳變觸發(fā)外中斷0 TH0 = 0。TL0