【文章內(nèi)容簡介】 諧式電路中沒有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶 較寬。為了將一定頻率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其震動發(fā)出超聲。 電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一個發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計就相對簡單一些。但是，每一個實際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當(dāng)工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可回復(fù)的損害。因此，工作電壓不能超過這個極限值。同時，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改變發(fā)射強度。電阻大時阻尼小，發(fā)射強度大，儀器分辨率低，適宜于探測厚度大，對分辨力要求不高的試件。電阻小時阻尼大，分辨率高，在探測近表面缺陷時或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時應(yīng)予采用。 發(fā)射部分的點脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是主要由放大電路，檢波電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到 達(dá)的標(biāo)志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對于回波的接收和處理造成了相當(dāng)程度的影響。 在超聲波測量系統(tǒng)中， 頻率的選取也很重要， 頻率取得太低，外界的雜音干擾 就會很嚴(yán)重 ；頻率取得太高，在傳播的過程中衰減 又會很大，所以利用超聲波測距時一般選用頻率為 40KHz 的超聲波 較為合適 。目前超聲波測量的距離 范圍不是很大， 一般為幾米到幾十米。超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻率特性， 使得超聲波測距 具有很高的抗干擾性能。 距離測量系統(tǒng) 通 常 選 用脈沖壓力波 ，其 頻率范圍 一般在 25KHz～300KHz ，發(fā)射和接收的傳感器共用 一個或者兩個是分開的 都可以 。振蕩 電路 和功放 電路是發(fā)射電路的 兩 大 組成 部分，在發(fā)射超聲波時，先 向傳感器輸出一個高壓脈沖串，并由傳感器 將此脈沖串 轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去；放大回聲信號 的部分是 接收放大器 ， 接收放大器 具 有足夠的頻帶寬度 ，因此它能夠 接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號；收 /發(fā)隔離則 是為了使 接收裝置避開強大的發(fā)射信號；記錄 /控制部 分是為了 記錄發(fā)射的瞬時及接收的瞬時，并將時差 用距離計算公式 換算成距離 ， 并 在顯示器上 加以顯示或記錄。 超聲波測距誤差分析 根據(jù)超聲波測距公式 TCL ?? 可知 ， 超聲波的傳播速度誤差和測量傳播的時間誤差 是測距誤差的主要部分 。 空氣的密度 會影響到 超聲波的傳播速度，超聲波的傳播速度 跟空氣密度成正比 ，而空氣的密度 又受到 溫度 的影響，因此超聲波的傳播速度受到溫度的控制。 已知超聲波速度與溫度的關(guān)系如下： 近似公式為 C= CTC ??? (32) （ 32） 式中 Co 為零度時的聲波速度 332m/s； T 為實際溫度(℃ )。 對于超聲波測距精度要求 較小時 ，就必須把環(huán)境溫度 的影響 考慮進(jìn)去。 當(dāng)要求測距誤差 很小時，假設(shè) 小于 1mm時， 在忽略聲速傳播誤差的情況下， 已知超聲波速度 為定值 C=344m/s (20℃ 室溫 )， 測距誤差 ? ? stS 0 0 0 0 0 2 9 0 4 4/0 0 ??? 即 。 由上式可以看出，如果 超聲波的傳播速度是 定值的（即忽略聲速傳播誤差） ， 想要保障測距誤差 小于 1mm，就必須使 測量距離的傳播時間差值精度達(dá)到微秒級。 超聲波測距系統(tǒng) 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 22所示。 圖 22 超聲波測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 發(fā)射端和接收端分開的超聲波探頭是現(xiàn)在電子市場比較常見，它們的 頻率 一般選擇 為 40KHz。 頻率高的必須去專業(yè)廠家定制，所以在有限的條件下，現(xiàn)在我們可以 選用的探頭是 40KHz 的超聲傳感器， 它的接受和發(fā)射傳感器分別是 SZWR4010P和 SZWS4012M，其 主要性能 參數(shù)如表 22所示。 表 22 傳感器特性參數(shù) 型號 SZWS4012M SZWR401OP 結(jié)構(gòu) 開放式 開放式 使用方式 發(fā)射 接收 中心頻率 40177。1KHz 40177。KHz 聲壓 115dBmin（ 0dB=） 70dBmin（ 0dB=1V/μbar ） 指向性 75176。 80176。 容量 2500177。25%pF 1100177。25%pF 最低使用溫度 40℃ 40℃ 最高使用溫度 85℃ 85℃ 最小探測距離 最大探測距離 4m 4m 分辨率 9mm 9mm 最大輸入電壓 20Vpp 連續(xù)信號 調(diào)諧式和非調(diào)諧式 是兩種比較常見的 發(fā)射電路。 它們的區(qū)別如下表 23： 調(diào)諧式電路 非調(diào)諧式電路 有調(diào)諧線圈， 沒有任何調(diào)諧元件 諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電 頻率主要由壓電晶片的夠有參數(shù)容決定 決定 超聲脈沖頻帶較窄 頻帶較寬 表 23 調(diào)諧式與非調(diào)諧式電路的主要區(qū)別 想要 發(fā)出超聲 ，就必須對加在 發(fā)射傳感器的兩端 的電壓的 頻率、幅度 有一定的要求 。電路頻率的選擇應(yīng)該 盡量 滿足 讓 其工作在諧振頻率 ，才能保證其特性的優(yōu)越性，故大都選擇與 發(fā)射傳感器的固有頻率相同的 40KHz。發(fā)射電壓 應(yīng)盡量高一些 ，因為 提高發(fā)射電壓可以提高發(fā)射的超聲功率， 發(fā)射的超聲功率越大 接收傳感器上接收的回波功率就 越大 。但是實際 應(yīng)用中又不可能無限提高發(fā)射電壓，因為每一個 發(fā)射傳感器 都 有 它自己 工作電壓的極限值， 當(dāng)工作電壓太高，超過這個極限值時，就很有可能會燒壞傳感器 。 所以我們應(yīng)該是在不超過 工作電壓 極限值的情況下盡量提高發(fā)射電壓 。同時，發(fā)射電路中的 發(fā)射強度一般由其內(nèi)部的 阻尼電阻決定 ，我們可以通過 改變阻尼電阻 的大小來控制 發(fā)射強度。 電阻的大小與阻尼大小成反比， 電阻大時阻尼小，電阻小時阻尼大； 發(fā)射強度 又與阻尼大小成反比 ， 阻尼小時發(fā)射強度大，阻尼小時發(fā)射強度?。?分辨率 的高低又與發(fā)射強度成反比 ， 發(fā)射強度越大分辨率越低，發(fā)射強度越小 分辨率越高。所以電阻大、阻尼小、發(fā)射強度大、分辨率低的傳感器 適宜去探測厚度大 但 對分辨要求不高的試件。 而對 在探測近表面缺陷時或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時 應(yīng)采用電阻小、阻尼大、發(fā)射強度小而分辨率高的傳感器 。 盡管 發(fā)射 電路發(fā)出的 電脈沖電壓 選擇比較 高，但是由障礙物 反射回的聲波比較弱，從而由 壓電晶片產(chǎn)生的 機械振動比較小，轉(zhuǎn)化的電信號也就比較弱，一般都只有 幾十毫伏 。因此在對這些小信號進(jìn)行處理時，都要先對其進(jìn)行放大。所以一般的接收電路都包含有四部分：三級放大電路 、 檢波電路 、 門限判別電路 及 雜波抑制電路。 在經(jīng)歷這幾級電路 對回波進(jìn)行 放大檢測 之后 ， 才能把它當(dāng)做一個完整的信號，作為 中斷信號 輸入到單片機，這樣才算回波到達(dá) 。 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 該超聲波測距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、單片機硬件接口電路、顯示報警電路組成，下面主要通過各個模塊的各種方案比較，確定設(shè)計的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好 AT89C51 單片機。 系統(tǒng)硬件原理圖如下圖： 圖 31 船舶 防撞預(yù)警系統(tǒng) 部分總電路圖 單片機 AT89C51 硬件介紹 AT89C51 是一個低電壓，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含 4KB的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 128B 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密、非易失性存儲技術(shù)產(chǎn)生，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash存儲單元，內(nèi)置功能強大的微型計算機的 AT89C51 提供了高性價比的解決方案， AT89C51是一個低功耗高性能單片機， 40個引腳， 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時內(nèi)含 2 個外中斷口， 2 個 16 位可編程定時計數(shù)器， 2 個全雙工串行通信口， AT89C51 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程 [19]。其將通用的微處理器和 Flash存 儲器結(jié)合在一起，特別是反復(fù)擦寫的 Flash 存儲器可有效地降低開發(fā)成本。 I/O 端口的編程實際上就是根據(jù)應(yīng)用電路的具體功能和要求對I/O 寄存器進(jìn)行編程。具體步驟如下 [20]： （ 1）根據(jù)實際電路的要求，選擇要使用那些 I/O 端口，用 EQU偽指令定義其相應(yīng)的寄存器； （ 2）初始化端口的數(shù)據(jù)輸出寄存器，應(yīng)避免端口作為輸出時的開始階段出現(xiàn)不確定狀態(tài)，影響外圍電路正常工作； （ 3）根據(jù)外圍電路功能，確定 I/O 端口 id方向，初始化端口的數(shù)據(jù)方向寄存器。對于用作輸入的端口可以不考慮方向初始化，因為I/O 的復(fù)位缺省值為輸入； （ 4）用作輸入的 I/O 管腳，如需上拉，再通過輸入上拉使能寄存器為其內(nèi)部配置上拉電阻； （ 5）最后對 I/O端口進(jìn)行輸出（寫數(shù)據(jù)輸出寄存器）和輸入（讀端口）編程，完成對外圍電路的相應(yīng)功能 [21]。 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40AT89C51 圖 32 AT89C51 單片機芯片 其主要的功能特性如下表 31所示： 表 31 AT89C2051 的主要功能特性 兼容 MCS51指令系