【文章內容簡介】 電路可以用光電傳感器來制作。但光電傳感器不能探測透明的物體。紅外線傳感器在探測物體時需要有象人和動物那樣與周圍有一定的溫度差這個條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制，對于透明的或其它物體都可以探測。超聲波傳感器探測物體有直接探測方式與反射探測方式。直接探測方式的接收/發(fā)射器要相互配置。如果接收到超聲波（有信號電壓）時，說明接收/發(fā)射器中間沒有被測物體。反之，接收不到超聲波（無電壓信號）時，則中間有被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器可以較近配置，有反射波時，說明存在被測物體。發(fā)射探測方式的接收/發(fā)射器有單獨使用與共用兩種方式，共用方式就是一個超聲波傳感即用作接收器，也用作發(fā)送器，但需要收發(fā)切換電路。具體區(qū)別如表33所示。配置方式用途特征直接型RT遙控探測物體1：探測靈敏度可自由設定，易于設計；2：設置場所需要在兩處；反射方式TR探測物體測量距離1：需要從T向R直接迂回輸入的對策；2：可使用T和R專用的傳感感器，效率高；3：多用于近距離；反射方式（兼用型）T/R探測物體測量距離1：需要發(fā)送接收切換電路2：不能近距離測量；表33 傳感器探測物體的區(qū)別本設計就是以AT89S51單片機為核心。它采用模塊化設計，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當按下測量鍵時，主程序開始調用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時子程序，并把測量結果用顯示子程序在數碼管上顯示出來。雖然用一個單獨計時器電路也可以測量超聲波的傳輸時間，但利用AT89S51單片機可以簡化設計，便于操作和直觀讀數。為了增強系統的可靠性，應在軟硬件上采用一些特殊措施。主程序框圖如下圖313。單片機初始化開始定時中斷子程序有回波嗎外部中斷子程序結束圖313 主程序框圖，脈沖寬度為12us左右，同時把計數器T0打開進行計時。超聲波測距器主程序利用外中斷0檢測返回超聲波信號，一旦接收到返回超聲波信號（INT0引腳出現低電平)，立即進入中斷程序。進入該中斷后就立即關閉計時器T0停止計時，并將測距成功標志字賦值1。如果當計時器溢出時還未檢測到超聲波返回信號，則定時器T0溢出中斷將外中斷0關閉，并將測距成功標志字賦值2以表示此次測距不成功。定時中斷服務子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務子程序主要完成時間值的讀取、距離計算、結果的輸出等工作。如圖314和315。定時中斷入口停止發(fā)射發(fā)射超聲波定時器初始化返回三方向均發(fā)射完否 圖314定時中斷子服務子程序 計算距離讀取時間值關外部中斷外部中斷入口返回開外部中斷結果輸出 圖315外部中斷服務子程序、第四章 系統調試 硬件的調試超聲波測距儀的制作和調試，其中超聲波發(fā)射和接收采用Φ15的超聲波換能器TCT4010F1（T發(fā)射）和TCT4010S1（R接收），中心頻率為40kHz，安裝時應保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。根據測量范圍要求不同，可適當調整與接收換能器并接的濾波電容C4的大小，以獲得合適的接收靈敏度和抗干擾能力。硬件電路制作完成并調試好后，便可將程序編譯好下載到單片機試運行。根據實際情況可以修改超聲波發(fā)生子程序每次發(fā)送的脈沖寬度和兩次測量的間隔時間，以適應不同距離的測量需要。根據所設計的電路參數和程序，測距儀能測的范圍為1～60cm，測距儀最大誤差不超過1cm。系統調試完后應對測量誤差和重復一致性進行多次實驗分析，不斷優(yōu)化系統使其達到實際使用的測量要求。 儀器精度分析及如何提高超聲測距精度本章將要分析溫度對超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測對超聲波傳播時間的影響，超聲傳感器所加脈沖電壓對測試精度的影響。在此基礎上，設計了超聲波數字測距儀。超聲波測距由于其在使用中不受光照度、電磁場、色彩等因素的影響，加之結構簡單成本低，在機器人避障和定位、汽車倒車、水庫液位測量等方面已經有了廣泛的應用。由于溫度影響超聲波在空氣中的傳播速度；超聲波反射回波很難精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時間很難精確測量。這些因素使超聲波測距的精度和范圍受到影響。本章從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響；回波檢測對時間測量的影響和超聲傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影響。在此基礎上，開發(fā)出了以AT89S51單片機為核心，采用40KHz壓電超聲傳感器，應用廣泛的超聲測距儀?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C械振動產生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現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。例如：20℃時， T=， CS= m/s；40℃時， T=，CS= m/s；20℃時, T＝，CS= m/s；從上面的計算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。當需要精確確定超聲波傳播速度時，必須考慮溫度的影響。超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測物反射后，再傳回超聲傳感器。整個過程，超聲波會有很大的衰減。其衰減遵循指數規(guī)律。設在距離超聲接收器x處有被測物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時超聲波頻率的過高會產生較多的副瓣，引起近場區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強，這一點有利于距離測量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設計超聲接收電路時，要設計較大放大倍數(萬倍級)和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測。制作超聲傳感器的材料分為磁致伸縮材料和壓電材料兩種。超聲測距常用壓電材料傳感器，例如TR40壓電超聲傳感器。超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值會影響壓電轉換效率。當壓電材料不受外力時，其應變S與外加電場強度E的關系為：S=dE，其中d為應變電場常數。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場強度，從而影響其應變量和超聲轉換的效率，進而影響超聲波幅值。這些會直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉換效率，提高超聲測距精度和范圍，應盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統設計 針對溫度、回波和所加脈沖電壓對超聲測距精度的影響，在設計超聲測距儀時，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構成了超聲測距儀的系統結構。整個裝置的中心控制和信號處理單元為單片機AT89S51，超聲傳感器采用TR40(40 kHz)收發(fā)超聲傳感器。發(fā)射電路由脈沖產生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產生電路的主要任務是產生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構成振蕩電路。發(fā)射電路主要任務是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關管構成。脈沖產生電路的輸出電壓經脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對脈沖電壓變換值的大小直接影響測距范圍，應盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。接收電路的主要任務是檢測回波，并向單片機發(fā)出中斷以停止計時。接收電路設計的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時間的測量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級電路放大；整形電路把回波信號整理為單片機系統能夠接收的信號并向單片機申請中斷以停止計時。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設置了兩級高Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級和二級濾波放大電路采用相同的結構和參數。軟件設計：超聲測距儀軟件控制著系統的工作。軟件修正利用下面公式：S=CT/2在完成系統設計和制作裝置后，對設計的電路進行了超聲測距實驗。發(fā)射的脈沖數應選擇合適，脈沖個數多時，發(fā)射換能器可以克服其振動慣量而獲得充分的振動，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時測距的盲區(qū)也大(測距盲區(qū)指的是可以測量的最小距離)，一般選擇由8個脈沖組成。電路在6米處的測量結果，幅值較小，測量過程中曾出現掉電現象，功率管發(fā)熱嚴重，這說明功率消耗比較大?？梢钥闯?，本電路的測量距離明顯提高，而且管子基本沒有發(fā)熱現象，電源保持穩(wěn)定?？梢?，本電路的設計由于經過較嚴格的推導，器件選擇合理，各參數得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配。轉換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現良好，在距離9．5m處仍能得到較清晰的回波，使大范圍的超聲測距成為可能。使用脈沖回波法測量距離，在考慮溫度對聲速度的影響、回波檢測對超聲傳播時間的影響以及超聲傳感器所加電壓對壓電轉換效率的影響時，超聲測距精度可以提高。所以在制作超聲測距裝置時，應增加溫度測量環(huán)節(jié)，設計高放大倍數和高Q值的濾波放大電路，并提高加在超聲傳感器上的電壓幅值?？?結本設計系統采用了美國ATMEL公司生產的單片機AT89S51芯片。以及其它常用芯片如：74LS0CX20106A等來設計超聲波的接發(fā)收電路，實現了超聲波從發(fā)射到接收的傳送時間，從而得到待測距離。系統設計具有硬件結構簡單、工作可靠、測量誤差小。在經多次的實踐中超聲波測得的距離還不是很長，還應該在這方面大大研究改進，使其功能更加完善并在各個地方中得到廣泛的應用。參考文獻 【1】 賈伯年. 傳感器技術. 南京: 東南大學出版社, 2000【2】 閻石. 數字電子技術基礎. 北京: 高等教育出版社, 1998【3】 趙晶. Protel 99高級應用. 北京: 人民郵電出版社, 2000【4】周學毛. 匯編語言程序設計. 北京: 高等教育出版社, 1997 【5】李葉紫. MCS51單片機應用教程. 北京: 清華大學出版社,2002 【6】馬西秦. 自動檢測技術. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2002 【7】 樓然苗. 51系列單片機設計實例. 北京: 北京航空航天大學出版社,1999 【8】 羅萬鈞. 匯編語言程序設計. 陜西: 西安電子科技大學出版社,1995 【9】 劉守亦. 單片機應用技術. 陜西: 西安電子科技大學出版社,1995【10】 肖玲尼. Protel 99 SE 印刷電路. 北京: 清華大學出版社, 2003【11】 梁立編. 程序設計基礎與C語言. 陜西: 西安電子科技大學出版社,1998致 謝首先要感謝我的指導老師申一歌老師在畢業(yè)設計中給我的悉心指導和嚴格要求，沒有您的指導我不會那么順利的完成畢業(yè)設計，借此機會，向您表示由衷的感謝。 接著，我要感謝和我一起做畢業(yè)設計的同學，是你們在我做畢業(yè)設計期間給了我許多寶貴的意見，給了我不少支持，這讓再一次感受到這個環(huán)境的團結友愛，也只有在這種氛圍中，才有我小小的收獲，衷心的謝謝你們。最后，我要深深感謝我的家人，是他們一直在做我的強大后盾，在生活三一直支持著我，正是他們在背后默默的付出，我才能在校園中認真學習，才能順利完成大學學業(yè)，才能在以后的路途中不怕艱險，勇往直前！還有許多在我的大學期間給予