【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電路可以用光電傳感器來(lái)制作。但光電傳感器不能探測(cè)透明的物體。紅外線傳感器在探測(cè)物體時(shí)需要有象人和動(dòng)物那樣與周圍有一定的溫度差這個(gè)條件。超聲波傳感器則不受這些條件的限制，對(duì)于透明的或其它物體都可以探測(cè)。超聲波傳感器探測(cè)物體有直接探測(cè)方式與反射探測(cè)方式。直接探測(cè)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(hào)電壓）時(shí)，說(shuō)明接收/發(fā)射器中間沒(méi)有被測(cè)物體。反之，接收不到超聲波（無(wú)電壓信號(hào)）時(shí)，則中間有被測(cè)物體。發(fā)射探測(cè)方式的接收/發(fā)射器可以較近配置，有反射波時(shí)，說(shuō)明存在被測(cè)物體。發(fā)射探測(cè)方式的接收/發(fā)射器有單獨(dú)使用與共用兩種方式，共用方式就是一個(gè)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(cè)物體1：探測(cè)靈敏度可自由設(shè)定，易于設(shè)計(jì)；2：設(shè)置場(chǎng)所需要在兩處；反射方式TR探測(cè)物體測(cè)量距離1：需要從T向R直接迂回輸入的對(duì)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(cè)物體測(cè)量距離1：需要發(fā)送接收切換電路2：不能近距離測(cè)量；表33 傳感器探測(cè)物體的區(qū)別本設(shè)計(jì)就是以AT89S51單片機(jī)為核心。它采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序、發(fā)射子程序、接收子程序、定時(shí)子程序、顯示子程序等模塊組成。該系統(tǒng)的主程序處于鍵控循環(huán)工作方式，當(dāng)按下測(cè)量鍵時(shí)，主程序開始調(diào)用發(fā)射子程序、查詢接收子程序、定時(shí)子程序，并把測(cè)量結(jié)果用顯示子程序在數(shù)碼管上顯示出來(lái)。雖然用一個(gè)單獨(dú)計(jì)時(shí)器電路也可以測(cè)量超聲波的傳輸時(shí)間，但利用AT89S51單片機(jī)可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，便于操作和直觀讀數(shù)。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)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(jī)初始化開始定時(shí)中斷子程序有回波嗎外部中斷子程序結(jié)束圖313 主程序框圖，脈沖寬度為12us左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T0打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。超聲波測(cè)距器主程序利用外中斷0檢測(cè)返回超聲波信號(hào)，一旦接收到返回超聲波信號(hào)（INT0引腳出現(xiàn)低電平)，立即進(jìn)入中斷程序。進(jìn)入該中斷后就立即關(guān)閉計(jì)時(shí)器T0停止計(jì)時(shí)，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值1。如果當(dāng)計(jì)時(shí)器溢出時(shí)還未檢測(cè)到超聲波返回信號(hào)，則定時(shí)器T0溢出中斷將外中斷0關(guān)閉，并將測(cè)距成功標(biāo)志字賦值2以表示此次測(cè)距不成功。定時(shí)中斷服務(wù)子程序完成三方向超聲波的輪流發(fā)射，外部中斷服務(wù)子程序主要完成時(shí)間值的讀取、距離計(jì)算、結(jié)果的輸出等工作。如圖314和315。定時(shí)中斷入口停止發(fā)射發(fā)射超聲波定時(shí)器初始化返回三方向均發(fā)射完否 圖314定時(shí)中斷子服務(wù)子程序 計(jì)算距離讀取時(shí)間值關(guān)外部中斷外部中斷入口返回開外部中斷結(jié)果輸出 圖315外部中斷服務(wù)子程序、第四章 系統(tǒng)調(diào)試 硬件的調(diào)試超聲波測(cè)距儀的制作和調(diào)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(shí)應(yīng)保持兩換能器中心軸線平行并相距4～8cm，其余元件無(wú)特殊要求。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來(lái)，則可提高抗干擾能力。根據(jù)測(cè)量范圍要求不同，可適當(dāng)調(diào)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(diào)試好后，便可將程序編譯好下載到單片機(jī)試運(yùn)行。根據(jù)實(shí)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(cè)量的間隔時(shí)間，以適應(yīng)不同距離的測(cè)量需要。根據(jù)所設(shè)計(jì)的電路參數(shù)和程序，測(cè)距儀能測(cè)的范圍為1～60cm，測(cè)距儀最大誤差不超過(guò)1cm。系統(tǒng)調(diào)試完后應(yīng)對(duì)測(cè)量誤差和重復(fù)一致性進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)分析，不斷優(yōu)化系統(tǒng)使其達(dá)到實(shí)際使用的測(cè)量要求。 儀器精度分析及如何提高超聲測(cè)距精度本章將要分析溫度對(duì)超聲波聲速的影響，超聲波回波檢測(cè)對(duì)超聲波傳播時(shí)間的影響，超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)試精度的影響。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了超聲波數(shù)字測(cè)距儀。超聲波測(cè)距由于其在使用中不受光照度、電磁場(chǎng)、色彩等因素的影響，加之結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本低，在機(jī)器人避障和定位、汽車倒車、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)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(shí)間很難精確測(cè)量。這些因素使超聲波測(cè)距的精度和范圍受到影響。本章從引起超聲測(cè)距誤差的原因入手，分析了溫度對(duì)超聲波聲速的影響；回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響和超聲傳感器所加電壓對(duì)測(cè)量精度和范圍的影響。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)出了以AT89S51單片機(jī)為核心，采用40KHz壓電超聲傳感器，應(yīng)用廣泛的超聲測(cè)距儀?？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。例如：20℃時(shí)， T=， CS= m/s；40℃時(shí)， T=，CS= m/s；20℃時(shí), T＝，CS= m/s；從上面的計(jì)算可以看出，溫度對(duì)超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。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。超聲波從超聲傳感器發(fā)出，在空氣中傳播，遇到被測(cè)物反射后，再傳回超聲傳感器。整個(gè)過(guò)程，超聲波會(huì)有很大的衰減。其衰減遵循指數(shù)規(guī)律。設(shè)在距離超聲接收器x處有被測(cè)物，超聲波頻率越高，其衰減越快。同時(shí)超聲波頻率的過(guò)高會(huì)產(chǎn)生較多的副瓣，引起近場(chǎng)區(qū)的干涉。但是，超聲波頻率越高，指向性越強(qiáng)，這一點(diǎn)有利于距離測(cè)量。由于超聲回波隨距離的增加而變得十分微弱，所以在設(shè)計(jì)超聲接收電路時(shí)，要設(shè)計(jì)較大放大倍數(shù)(萬(wàn)倍級(jí))和較好濾波特性的放大電路，使回波易于檢測(cè)。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(cè)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(huì)影響壓電轉(zhuǎn)換效率。當(dāng)壓電材料不受外力時(shí)，其應(yīng)變S與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系為：S=dE，其中d為應(yīng)變電場(chǎng)常數(shù)。超聲傳感器外加的脈沖電壓影響壓電材料的電場(chǎng)強(qiáng)度，從而影響其應(yīng)變量和超聲轉(zhuǎn)換的效率，進(jìn)而影響超聲波幅值。這些會(huì)直接影響超聲波的回波幅值。所以，為提高壓電轉(zhuǎn)換效率，提高超聲測(cè)距精度和范圍，應(yīng)盡量提高超聲傳感器外加脈沖電壓的幅值。系統(tǒng)設(shè)計(jì) 針對(duì)溫度、回波和所加脈沖電壓對(duì)超聲測(cè)距精度的影響，在設(shè)計(jì)超聲測(cè)距儀時(shí)，從硬件和軟件兩方面綜合考慮，設(shè)置了發(fā)射、接收和顯示幾部分構(gòu)成了超聲測(cè)距儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個(gè)裝置的中心控制和信號(hào)處理單元為單片機(jī)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(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHz脈沖電壓。它由與非門和電阻電容構(gòu)成振蕩電路。發(fā)射電路主要任務(wù)是提高脈沖電壓的幅值，它主要由脈沖變壓器和開關(guān)管構(gòu)成。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路設(shè)計(jì)的好壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)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(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)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(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。軟件設(shè)計(jì)：超聲測(cè)距儀軟件控制著系統(tǒng)的工作。軟件修正利用下面公式：S=CT/2在完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制作裝置后，對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行了超聲測(cè)距實(shí)驗(yàn)。發(fā)射的脈沖數(shù)應(yīng)選擇合適，脈沖個(gè)數(shù)多時(shí)，發(fā)射換能器可以克服其振動(dòng)慣量而獲得充分的振動(dòng)，其它聲波模式影響較小，發(fā)射的超聲脈沖能量大；但此時(shí)測(cè)距的盲區(qū)也大(測(cè)距盲區(qū)指的是可以測(cè)量的最小距離)，一般選擇由8個(gè)脈沖組成。電路在6米處的測(cè)量結(jié)果，幅值較小，測(cè)量過(guò)程中曾出現(xiàn)掉電現(xiàn)象，功率管發(fā)熱嚴(yán)重，這說(shuō)明功率消耗比較大?？梢钥闯?，本電路的測(cè)量距離明顯提高，而且管子基本沒(méi)有發(fā)熱現(xiàn)象，電源保持穩(wěn)定?？梢?，本電路的設(shè)計(jì)由于經(jīng)過(guò)較嚴(yán)格的推導(dǎo)，器件選擇合理，各參數(shù)得到優(yōu)化，改善了換能器與功放間的阻抗匹配。轉(zhuǎn)換效率得到明顯提高。電路控制方便，性能表現(xiàn)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(cè)距成為可能。使用脈沖回波法測(cè)量距離，在考慮溫度對(duì)聲速度的影響、回波檢測(cè)對(duì)超聲傳播時(shí)間的影響以及超聲傳感器所加電壓對(duì)壓電轉(zhuǎn)換效率的影響時(shí)，超聲測(cè)距精度可以提高。所以在制作超聲測(cè)距裝置時(shí)，應(yīng)增加溫度測(cè)量環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)高放大倍數(shù)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(jié)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的單片機(jī)AT89S51芯片。以及其它常用芯片如：74LS0CX20106A等來(lái)設(shè)計(jì)超聲波的接發(fā)收電路，實(shí)現(xiàn)了超聲波從發(fā)射到接收的傳送時(shí)間，從而得到待測(cè)距離。系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、測(cè)量誤差小。在經(jīng)多次的實(shí)踐中超聲波測(cè)得的距離還不是很長(zhǎng)，還應(yīng)該在這方面大大研究改進(jìn)，使其功能更加完善并在各個(gè)地方中得到廣泛的應(yīng)用。參考文獻(xiàn) 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