【文章內(nèi)容簡介】 WIRE 總線傳至 MCU， 由軟件進行聲速換算。為了更好的實現(xiàn)換算過程同時兼顧設備的使用成本，我們采用宏晶公司的最新推出的 STC12C5410 單片機實現(xiàn)超聲波測距的各項功能。 STC12C5410 采用了低成本、低功耗、強抗干擾設計，并且在最高支持 48MHz 的前提下能夠實現(xiàn) 1個時鐘機械周期的運行速度。由于能夠使用高頻率的晶振，因此相對于普通單片機來說可以有效的減少由 計時問題帶來的量化誤差，能夠滿足較高精度超聲波測距儀的設計要求 。 (2) 標桿校正的方法提高測距精度 在復雜環(huán)境下，如果難于獲得環(huán)境溫度，或者不便獲得環(huán)境溫度時，如 果仍舊要求較高的測量精度，我們采用所謂標桿校正的方法實現(xiàn)超聲波測距精度的校正。標桿校正的示意圖如圖 24 所示。 圖 24標桿校正的示意圖 超聲波測距裝臵首先測量距離已知為 h 的基平面（標桿）聲波往返所用的時間，而后由測得的時間和距離 h 根據(jù)公式 (23) 求出當?shù)芈曀?。通過這樣的方法，我們也能夠順利的求出聲速，省去了使用傳感器測量溫度所帶來的麻煩。因此，只用為測距設備設定 “ 標定 ” 和 “ 測量 ” 兩種狀態(tài)，即能夠實現(xiàn)溫度校正所能實現(xiàn)的高精度測距功能。 測量盲區(qū) T R 基平面（ 標桿） 超聲波測距裝置 被測物 超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 10 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。此時，在短時間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對缺陷進行定量評價會使結果偏低，有時甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這時需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬帶，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖 一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下： 當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持 一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振（由于機械慣性作用）。因此，在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍具有一定的幅值高度，可以達到限幅電路的限幅 電平 VM； 另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平，當反射面離探頭愈來愈遠，接收和發(fā)射信號相隔時間愈來愈長，其幅值也愈來愈小。在超聲波檢測中 ，接收信號幅值需達到規(guī)定的閥值 Vm，亦即接收信號的幅值必須大于這一閥值才能使接收信號放大器有輸入信號。 超聲波傳感器 超聲波傳感器 原理及結構 超聲波由于其指向性強、能量消耗緩慢、傳播距離較遠等優(yōu)點， 而經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都 可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距主要應用于倒車雷達、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場，例如液位、井深、管道長度等場合。利用超聲波檢測往北比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在測控系統(tǒng)的研制上得到了廣超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 11 泛應用。 超聲傳感器是一種將其他形式的能轉變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉變?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，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有： 1 壓電傳感器； 2 磁致伸縮傳感器； 3靜電傳感器。流體動力性中包括有 氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應用目的不同，超聲傳感器的結構形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨 ” 活“笛 ” 壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種傳感器，是超聲波檢測裝臵的重要組成部分。 壓電材料分 為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有下列的特性：把這種材料臵于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器 。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉換成相應的電信號，是正壓電效應 。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 12 片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在 一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0 交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣等媒介， 便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種 機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是 利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結構如圖 25 所示，它有兩個壓電晶片的一個共振板，當它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板的振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級間為外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 壓電 陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時， 加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常 方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器的 內(nèi)部結構由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金屬網(wǎng)也是起保護作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 13 圖 25超聲波傳感器結構 超聲波傳感器的特性 超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里 以課題中選用的傳感器 SZWS4012M 發(fā)射型超聲波傳感器的特性為例加以說明。 （ 1） 頻率特性 圖 26 超聲波傳感器的升壓能級和靈敏度 圖 26 是超聲波發(fā)射傳感器的升壓能級和靈敏度。其中， 40KHz 處為超聲波發(fā)射傳感器的中心頻率，在 40KHz 處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機械波最強，也就是說在 40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級最高。而在 40KHz 兩側，聲壓能級迅速衰減。 其頻率特性如圖 27 所示。 因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要使用非常接近中心頻率 40KHz 的交流電壓來激勵。 壓電晶片 電極 共振板 超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 14 圖 27 超聲發(fā)射傳感器頻率特性 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。曲線在40KHz 處曲線最尖銳，輸出電信號的振幅最大，即在 40KHz 處接收靈敏度最高。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的， 并且在這個共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時靈敏度以隨之降低。并且最大靈敏的向稍低的頻率移動。因此，超聲接收傳感器應與輸入阻抗的前臵放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度?？紤]到實際工程測量的要求，可以選用超聲波頻率 f = 40KHz，波長 λ = 。 （ 2） 指向特性 實際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個小圓片，可以把表面上每個點看成一個振蕩器， 輻射出一個半球而波（子波）， 這些子波沒有指向性。但離開超聲傳感器的空間某一點的聲壓是這些子波迭加的結果（衍射），卻有指向性。 超聲傳感器的指向圖由一個主瓣和幾個副瓣構成，其物理意 義是 0 度時電壓最大，角度逐漸增大時，聲壓減小。超聲傳感器的指向角一般為 40 度到 80 度，本設計超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 15 要求傳感器的指向角為 75 度。 圖 28 是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性及結構。 圖 28 超聲波傳感器指向特性及結構 超聲波傳感器的應用 超聲波傳感技術應用在生產(chǎn)實踐的不同方面，而醫(yī)學應用是其最主要的應用之一，以醫(yī)學為例子說明超聲波傳感技術的應用。超聲波在 醫(yī)學 上的應用主要是診斷 疾病 ，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學中不可缺少的診斷方法。超聲波 診斷 的 優(yōu)點 是：對受檢者無痛苦、無損害、方法簡便、顯像清晰、診斷的 準確率 高等。因而推廣容易，受到醫(yī)務工作者和患者的歡迎。 超聲波診斷 可以基于不同的醫(yī)學原理，其中有代表性的一種所謂的 A 型方法。這個方法是利用超聲波的 反射 。當超聲波在 人體組織 中傳播遇到兩層聲阻抗不同的介質界面是，在該界面就產(chǎn)生反射回聲。每遇到一個反射面時， 回聲 在示波器的屏幕上顯示出來，而兩個界面的阻抗差值也決定了回聲的 振幅 的高低。 在工業(yè)方面，超聲波的典型應用是對金屬的無損探傷和超聲波測厚兩種。過去，許多 技術 因為無法探測到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術的出現(xiàn)改變了這種狀況。當然更多的超聲波傳感器是固定地 安裝在不同的裝臵上， “ 悄無聲息 ” 地探測人們所需要的信號。在未來的應用中，超聲波將與 信息技術 、新超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 16 材料技術結合起來，將出現(xiàn)更多的 智能化 、高靈敏度的超聲波傳感器。 遙控開關超聲波遙控開關可控制家用電器及照明燈。采用小型超聲波傳感器（ Φ12Φ16),工作頻率在 40KHZ,遙控距離約 10米 .遙控器的發(fā)送，這是由 555時基 電路 組成的振蕩器 ,調(diào)整 10KΩ 電位器，使振蕩頻率為 40KHZ，傳感器接在 ③ 腳接下按鈕時，發(fā)送出超聲波，接收電路。電源由 220V 經(jīng)電容降壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后獲得 12V 工作電壓。由于是非隔離電源，要整個電路用塑料外殼封裝，以防觸電（在調(diào)試時也應注意）。 信號 由超聲波接收器接收，經(jīng) Q Q2放大（ L、 C 諧振槽路調(diào)諧在 40KHZ）。放大后的信號去觸發(fā)由 Q Q4組成的雙穩(wěn)態(tài)電路， Q5 及 LED 作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。由于雙穩(wěn)態(tài)在開機時有隨機性，故加一清零按鈕。 Q5 輸出的觸發(fā)信號使雙向可控硅導通，負載接通。要負載斷路，則要按一次發(fā)送鈕。 液位指示及控制器由于超聲波在 空氣 中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來的信號大小與液位有關，液面位臵越高，信號越大；液面越低則信號就小。接收到的信號經(jīng) BG BG2 放大，經(jīng) D D2 整流成直流電壓。當 上的電壓超過 BG3 的導通電壓時，有電流流過 BG3，電流表有指示，電流大小與液面有關。當液位低于設臵值時，比較器輸出為低電平。 BG 不導通，若液位升到規(guī)定位臵，比較器翻轉，輸出高電平。 BG 導通， J 吸合，可通過電磁閥將輸液開關關閉，以達到控制的目的（高位控制）。 3 硬件設計 該系統(tǒng)設計有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 電源電路、溫度補償電路、聲報警電路、鍵盤控制電路、 單片機硬件接口電路及顯示報警電路組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89C51 單片機，下面分步介紹各硬件部分的具體超聲波倒車雷達系統(tǒng)的設計 17 設計分析。 超聲波 發(fā)射 電路 超聲波發(fā)射電路包括超聲波產(chǎn)生電路和超聲波發(fā)射電路兩個部分，充實吧探頭（又稱“超聲波換能器”）選用壓電式，可采用軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法產(chǎn)生超聲波。前者利用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經(jīng)驅動器驅動后推動探頭產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設計一個驅動電流 100mA 以上的驅動電路。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號，并直接驅動換能器產(chǎn)生超聲波。這種方法的優(yōu)點是無需驅動電路，但缺點是靈活性低。本設計采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號。 40KHz 的超聲波是利用 LC 震蕩電路振蕩產(chǎn)生的，其振蕩頻率計算公式如下： 脈沖發(fā)射采用軟件方式，利用 AT89S51 的 口發(fā)射 40 kHz 的方波信號，經(jīng)過 74HC04 放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。 74LS04 是一個高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對稱的傳輸延遲和轉換時間，而相對于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。對于 HC 類型，其工作電壓為 2～ 6 V，它具有高抗擾度，可以兼容直接輸入 LSTTL 邏輯信號和 CMOS 邏輯輸入等特點。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信號分成兩路，分別由 74LS04 經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構成推拉式反向放大。電路圖 如圖 31 所示。 發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構成，單片機 端口輸出 40KHz 方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲