【文章內(nèi)容簡介】 或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器域稱壓電式超聲波探頭 )和磁致式超聲波傳感器。本論文采用的是壓電式超聲波傳感 器，主要由超聲波發(fā)射器 (或稱發(fā)射探頭 )和超聲波接收器 (或稱接收探頭 )兩部分組成，它們都是利用壓電材料 (如石英、壓電陶瓷等 )的壓電效應(yīng)進行工作的。利用逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，產(chǎn)生超聲波，以此作為超聲波的發(fā)射器。而利用正壓電效應(yīng)將接收的超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，以此作為超聲波的接收器。 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 一般壓電式超聲波換能器有兩個共振頻率 :低頻共振頻率叫串聯(lián)共振頻率 (?τ)，此時阻耗 (R)最小，用于發(fā)送超聲波 。高頻的共振頻率稱為逆共振頻率 (?a)，主要是產(chǎn)生共振，用于接收超聲波。而在串聯(lián)共振頻率 (?τ)處發(fā)送靈 敏度最高，在逆共振頻率 (?a)處接收靈敏度最高。所以選用一對超聲波換能器，使其效率最高。 超聲波傳感器產(chǎn)生振蕩的方法很多，主要有以下幾種阿 : （ 1） 由外部電路產(chǎn)生振蕩，如 NE555低頻振蕩器調(diào)制 40kH之的高頻信號，高頻信號通過超聲波傳感器以聲能形式輻射出去。 (2) 使用工業(yè)用小功率超聲波收發(fā)控制集成電路 LM1812驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器振蕩。 (3) 采用單片機內(nèi)部的定時器或直接使用程序產(chǎn)生固定的脈沖，通過放大處理后驅(qū)動發(fā)送超聲波傳感器產(chǎn)生超聲波 . 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 10 3 超聲波 液 位監(jiān)控 系統(tǒng) 硬件 設(shè)計 系統(tǒng)總體方案 設(shè)計 本文設(shè)計 的 超聲波液位監(jiān)控系統(tǒng) 工作原理框圖如 圖 31 所示。該系統(tǒng)由 AT89C2051 單片機、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路、報警電路、控制鍵盤 、控制電路 及顯示電路組成。 AT89C2051 單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，協(xié)調(diào)各部件的工作。發(fā)射驅(qū)動模塊振蕩源和放大驅(qū)動電路，單片機控制發(fā)射模塊產(chǎn)生 40kHz 的頻率信號來驅(qū)動超聲波傳感器，每次發(fā)射包含 若干 個脈沖（發(fā)射持續(xù)約 ），當(dāng)?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后，計數(shù)器開始計數(shù)，在檢測到第一個回波脈沖的瞬間，計數(shù)器停止計數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時間 Δ t；溫度采集電路也將現(xiàn)場環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集送到單片機中，提供計算距離時對超聲波傳播速度的修正。最終單片機利用公式 s = 12vΔ t 和 v = + 計算出被測距離，然后與系統(tǒng)預(yù)設(shè)距離比較，如果小于預(yù)設(shè) 最低液位或者大于預(yù)設(shè)最高液位，單片機進行液體流入流出自動控制；當(dāng)液位變化過快或者其他單片機無法進行液位控制的情況下，單片機啟動報警電路通知工作人員進行人為 干預(yù) 。 完成 這些步驟進行第二次超 聲波發(fā)射。 在這過程中單片機顯示電路不斷的更新顯示 的 液位 值 。其中控制鍵盤可以控制系統(tǒng)的 液位變化范圍 （最高液位 h1 和最低液位 h2） 和報警參數(shù) h（ 超出 極限 低 液位 或 極 高發(fā)射驅(qū)動 超聲波接收處理 單 片 機 LED 顯示 控制鍵 盤 溫度傳感器 圖 31 液位監(jiān)測系統(tǒng)框圖 報警電路 控制電路 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 11 液位認為單片機不能完成自動控制 ） 。 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計 超聲波頻率 的 選擇 超聲波發(fā)散角 隨頻率的增加而增加，這樣使用雙探頭時將會有更多的繞射波被接受，所以超聲波頻率不易太高 ；超聲波測距的有效距離與超聲波的頻率成反比，頻率越低有效距離越大， 40Hz的超聲波一般有效測距范圍為 6~10米 ， 超聲波測距精度和超聲波頻率成正比，因此頻率過 低會影響測距精度，根據(jù)一般工業(yè)需要，結(jié)合其它因素， 本系統(tǒng)采用 40 KHz左右的頻率。 單雙探頭的選擇 如果使用單超聲波探頭，將會影響最小測量距離，而且 可能會在轉(zhuǎn)換時有噪聲產(chǎn)生。因此本系統(tǒng)采用收發(fā)分離雙超聲波探頭。 超聲波 發(fā)射電路 （ 1） 超聲波發(fā)射電路功能 發(fā)射電路目的 :為超聲波發(fā)射器提供它所需要的脈沖電信號依據(jù)電路需要，發(fā)射電路滿足下列要求 : ① 振蕩電路振蕩頻率可調(diào) ② 驅(qū)動能力較高 ③ I/O口控制口 （ 2） 超聲波振蕩電路 當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號頻率與其固有頻率為同 一頻率時，發(fā)生共振，電信號電能能高效率的轉(zhuǎn)化為機械聲波機械能。一般廠家生產(chǎn)的超聲波傳感器標(biāo)識的固有頻率是 40KHz，實際有偏差，如 40士。故設(shè)計可調(diào)頻率振蕩電路，以便將信號頻率調(diào)到超聲波傳感器的固有頻率上。蕩電路有多種設(shè)計方案，方案選擇如下 : 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 方案一 :利用非門或與非門和電阻一起構(gòu)成振蕩電路 ，如圖 32所示 ， 圖 32 非門和電阻 、電容 組成的振蕩電路 這個電路組成的是 最簡單的振蕩器 ， 這種振蕩器特點是 :T≈ (～)R C，且 電源波動將使頻率不穩(wěn)定，適合小于 100KHz的低頻振蕩情況。此 振蕩是上電振蕩，不方便控制。 方案二 ： 采用兩三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩器如圖 33所示， 方案三 ： LC三點振蕩電路如圖 34所示， 圖 33 三極管和電阻電容構(gòu)成的振蕩器 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 13 方案四 ： 555芯片組成振蕩電路 ，如圖 35所示 。 555芯片振蕩電路，外圍元件少，電路簡單，振蕩頻率可調(diào)，可產(chǎn)生方波和三角波，可調(diào)整波形占空比，在很多電路中都用到 ， 如圖 35所示 。 圖 34 LC三點振蕩電路 圖 35 555芯片組成振蕩電路 河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 14 上面幾 個 振蕩電路 都是 很實用 的電路 ，外圍元件少 ， 電路簡單，芯片驅(qū)動能力大，振蕩輸 出的信號為 方波信號?？紤]系統(tǒng)需要和方便 ，本文中的振蕩電路 選方案 四 ，用 555芯片和外圍 元件 構(gòu)成振蕩電路 ， 此電路 穩(wěn)定且易控制。 本文中采用 的 555 芯片振蕩電路 , 頻率的計算如下： RA =、 RB=15KΩ、 C=1000pF TL = RBx C = 1012= 10μsec TH= x(RA + RB)x C = x x 103 x 1000 x 1012 = 11μsec f = 1/(TL + TH) = 1/(( + ) x 106) = KHz （ 3） 超聲波驅(qū)動電路原理圖 驅(qū)動電路目的 :為超聲波發(fā)射器提供足夠功率的脈沖信號。 驅(qū)動電路要求產(chǎn)生出具有一定功率，一定脈沖寬度和一定頻率的超聲電脈沖去激勵發(fā)射器，由發(fā)射器將電能轉(zhuǎn)換為超聲機械波機械能。驅(qū)動電路有 幾 種方案 ，如下： ① 采用專用芯片驅(qū)動。 ② 由分立元件組成的驅(qū)動電路，其價格便宜，元件普通，調(diào)試方便。 ③ 采用變壓器提升電壓，增加驅(qū)動能力 。 ④ 采用非門并接利用芯片的驅(qū)動能力。 聲波在空氣中傳播受空氣介質(zhì)影 響，距離越大衰減越大。為能接收遠距離得回波，采取有效措施有 :增加驅(qū)動功率 ， 減小聲波頻率 (頻率越低，衰減越慢 )。 本文采用變壓器升壓增加驅(qū) 動能力。 整個發(fā)射電路 由 555 振蕩電路、晶體管放大電路、變壓器以及 壓電超聲波傳感器組成。 40kHz 振蕩信號由河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 555集成塊和周圍電路產(chǎn)生 ,然后送至放大電路驅(qū)動壓電傳感器 發(fā)出一系列的脈沖群 ,每一個脈沖群持續(xù)時間大約為 左右。信號經(jīng)過三級管放大 ,再經(jīng)過阻抗匹配電路即變壓器 (變壓器輸入輸出比 1∶ 10 ) 后 ,驅(qū)動超聲波發(fā)射頭 ,發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓 ,內(nèi)部的壓電晶片開 始震動 ,經(jīng)過壓電換能器將發(fā)出 40kHZ 的脈沖超聲波。具體電路 如圖 36 所示 。 圖 36 超聲波發(fā)射電路 超聲波的接收和處理單元 (1)超聲波接收電路功能 根據(jù)電路需求，需要接收放大電路滿足以下要求 : ① 微弱信號放大，放大倍數(shù)要求 從 mv到 V， ② 波形整形。 如 圖 37所示，超聲波接收器將接收到回波信號轉(zhuǎn)換成電壓信號 (正弦波 )，信號經(jīng)過兩級放大以后，被送入電壓比較器進行比較，電壓比較器輸出的方波信號直接輸入 INT0中斷口，該低電平作為 AT89c51外部中斷 0的中斷信號使 AT89C51產(chǎn)生中斷 ，在中斷服務(wù)程序中停止計數(shù)器 T0的計時，并計算出有關(guān)數(shù)據(jù)。由此可見，接收電路完成了超聲波回波信號的換向識河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 16 別、轉(zhuǎn)換、信號的放大和整形以及產(chǎn)生中斷信號等功能。如圖 37進行波形處理 。 圖 37 接收電路信號變化關(guān)系圖 （ 2）超聲波接收電路電路 微弱信號需要放大整形，因此接收部分電路主要由放大電路、電壓比較電路構(gòu)成。根據(jù)所用的 T/R4016型超聲波傳感器的資料以及在實驗中所觀察到的現(xiàn)象，超聲波發(fā)射器在發(fā)射超聲波時，有一部分聲波從發(fā)射器直接傳到接收器，這部 分信號直接加到回波信號中，干擾回波信號的檢測。此問題在軟件中處理。 超聲波接收電路將接收換能器輸出的微弱信號，進行濾波、放大、檢波、整形，來得到大幅值電信號，供單片機 INT0端口辨識。接收電路可采用新產(chǎn)品專用集成電路，也可用傳統(tǒng)的濾波、放大、檢波、整形的電路。過去均采用分立元件構(gòu)成，現(xiàn)在可以用 專用超聲波接收 集成電路來代替。河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 17 還可以 使用價格便宜的極普通的 Mpc08C作為超聲波的放大電路，采用獨特的連接方式，可獲得非常好的應(yīng)用效果。 通過比較幾個電路，用集成芯片固然能簡單快捷，外圍元件少，但是通過多級運放作為放大 電路能改變放大倍數(shù)，能適應(yīng)小信號的采集。綜合因素考慮，本論 文 中采用圖 38所示的電路 ，即采用運算放大器 TL084CN構(gòu)成放大電路 :當(dāng)頻率為 40KHz時，理論上極限放大約 1000倍，但實際 工作中不可能讓放大器工作于極限 狀態(tài)，放大倍數(shù)過高，易產(chǎn)生自激振蕩。因此采用兩極放大，每級放大倍數(shù) 。 ① 放大電路兩級放大，放大倍數(shù)分別為 4 。 ② 在此電路中 R108并接接收器兩端，其目的取微弱信號為電壓信號，供放大電路放大，放大電路的輸入阻值為 18M，遠遠大于 100K，靈敏度高，放大電壓幅值為 1V,士 1V隨距離遠近而變化。 ③ C108連接前后兩極放大，阻兩極間直流，通兩極間交流。 ④ 運放芯片采用 TL084，供電電壓為 9V，單電壓供電。 ⑤ 在接收器的輸入端接入 更有利于放大，除去不必要的干擾。 圖 38 由 TL084集成運放兩級放大接收電路 ⑥ 比較電路的設(shè)計 比較電路目的 是 將 mV級的微弱信號放大后的 V級信號整形成能為INT0辨識的脈沖信號，本文是下降沿引起中斷。根據(jù)硬件電路的設(shè)計思想，河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 18 要將回波信號轉(zhuǎn)換成 CPU識別的高低中斷信號，所以在對回波 信號 (正弦波 )經(jīng)過兩次放大以后，需要將正弦波整形成方波，于是后 面接 了一個電壓比較電路。 考慮 輸入頻率為 40KHz， 采用了集成電壓比較器 LM393。 LM393具有低偏置電流和失調(diào)電流 (典型值分別為 100nA和 6nA)， 其響應(yīng)速度為200ns?？捎脝坞娫垂╇?(如 +5V)，也可用雙電源供電 (如 177。 12V)。 在本系統(tǒng)中采用了 +5V單電源供電。通過實驗觀察， LM393輸出信號符合設(shè)計要求，單片機 INT0端口識別引腳 1處標(biāo)準(zhǔn)下降沿。 具體 電路 如圖 39所示 。 圖 39 LM393構(gòu)成比較電路 如圖 39所示，放大后的信號 由 LM393第 2腳進入，在第 3腳是 +一個電容電阻接入的比較基準(zhǔn)電壓，由于 R2電阻可調(diào)， 4即根據(jù)輸入的信號可以調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓。可以有效地防止千擾。 LM393是 +9V(可調(diào) )供電，需要在輸出端口接上一個上拉電阻 R3，該電阻由 +5V供電，將 +9V高電平拉低到 +5V高電平，供單片機 INTO端口識別。 完整的超聲波接收和處理電路，如圖 310所示 。 溫度補償單元 （ 1）補償目的 聲波在介質(zhì)中的速度受介質(zhì)、介質(zhì)溫度影響。在本課題中，介質(zhì)是空河南理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 19 氣，空氣顆粒較小，對超聲波衰減影響較小，忽視其帶來 的影響，但空氣溫度變化影響較大，不容忽視。 圖 310 超聲波的接收和處理電路 （ 2） DS18B20 簡介 DS18B20是美國 DALLAS半導(dǎo)體公司繼 DS1820之后最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比 , 他能夠直接讀出被 測溫度并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12位的數(shù)字值讀數(shù) 表 方式?？梢苑謩e在 93175ms和 750ms內(nèi)完成 9位和 12位的數(shù)字量 , 并且從 DS18B20讀出的信息或?qū)懭?DS18B20的信息僅需要一根口線 (單線接口 ) 讀寫 , 溫度變換功率來源于數(shù)據(jù)總線 , 總線本 身也可以向所掛接的 DS18 B20供電 , 而無需額外電源。因而使用 DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更