【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。 超聲波的基本特性如下所述： 1． 波長(zhǎng) 波的傳播速度是用頻率乘以波長(zhǎng)來表示。電磁波的傳播速度是 3 108m/s，而聲波在空氣中的傳播速度很慢，約為 344m/s (20℃時(shí) )。在這種比較低的傳播速度下，波長(zhǎng)很短，這就意味著可以獲得較高的距離和方向分辨率。正是由于這種較高的分辨率特性，才使我們有可能在進(jìn)行測(cè)量時(shí)獲得很高的精確度。 2． 反射 要探測(cè)某個(gè)物體是否存在，超聲波就能夠在該物體上得到反射。由于金屬 、木材、混凝土、玻璃、橡膠和紙等可以反射近乎 100％的超聲波，因此我們可以很容易地發(fā)現(xiàn)這些物體。由于布、棉花、絨毛等可以吸收超聲波，因此很難利用超聲波探測(cè)到它們。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通?？赡芎茈y探測(cè)到凹凸表面以及斜坡表面的物體，這些因素決定了超聲波的理想測(cè)試環(huán)境是在空曠的場(chǎng)所，并且測(cè)試物體必須反射超聲波。 3． 溫度效應(yīng) 聲波傳播的速度“ c”可以用下列公式表示。 c=+ (m/s) 式中， t=溫度 (℃ )也就是說，聲音傳播速度隨周圍溫度的變化而有所不同。因此，要精確的測(cè)量與某個(gè)物體之間的距離 時(shí)，始終檢查周圍溫度是十分必要的，尤其冬季室內(nèi)外溫差較大，對(duì)超聲波測(cè)距的精度影響很大，此時(shí)可用 18B20作溫度補(bǔ)償來減小溫度變化所帶來的測(cè)量誤差，考慮到本設(shè)計(jì)的測(cè)試環(huán)境是在室內(nèi)，而且超聲波主要是用于 測(cè)距 功能，對(duì)測(cè)量精度要求不高，所以關(guān)于溫度效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)的影響問題在這里不做深入的探討。 第 15 頁 4. 衰減 傳播到空氣中的超聲波強(qiáng)度隨距離的變化成比例地減弱，這是因?yàn)檠苌洮F(xiàn)象所導(dǎo)致的在球形表面上的擴(kuò)散損失，也是因?yàn)榻橘|(zhì)吸收能量產(chǎn)生的吸收損失。如圖 8所示，超聲波的頻率越高，衰減率就越高，超聲波的傳播距離也就越短，由此可見超 聲波的衰減特性直接影響了超聲波傳感器有效距離。 圖 8 聲壓在不同距離下的衰減特性 5．聲壓特性 聲壓級(jí) (.) 是表示音量的單位，利用下列公式予以表示。 .= 20logP/Pre (dB)式中 ,“ P”為有效聲壓 (μ bar)，“ Pre”為參考聲壓 (2 104μ bar)如圖 6所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。 第 16 頁 圖 9 超聲波傳感器的聲壓圖 6．靈敏度特性 靈敏度是表示聲音接收級(jí)的單位，使用下列公式予以表示。 靈敏度 = 20log E/P (dB)式中 ,“ E”為所產(chǎn)生的電 壓 (Vrms)，“ P”為輸入聲壓 (μ bar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響著系統(tǒng)測(cè)距范圍，如圖 7所示為幾種中常見超聲波傳感器的靈敏度圖，從圖中可以發(fā)現(xiàn) 40KHz時(shí)傳感器的聲壓級(jí)最高，也就是說 40KHz時(shí)所對(duì)應(yīng)的靈敏度最高。 圖 10 超聲波傳感器靈敏度示意圖 7．輻射特性 把超聲波傳感器安裝在臺(tái)面上。然后，測(cè)量角度與聲壓 (靈敏度 ) 之間的關(guān)系。為了準(zhǔn)確地表達(dá)輻射，與前部相對(duì)比，聲壓 (靈敏度 ) 級(jí)衰減 6dB的角度被稱為半衰減角度，用θ 1/2表示。超聲波設(shè)備的外表面尺寸較小易于獲得精確的輻射角度。如圖 11所示為幾種常見超聲波傳感器的輻射特性示意圖。 第 17 頁 圖 11 超聲波傳感器輻射特性示意圖 分析以上研究結(jié)果不難看出超聲波傳感器工作在 40KHz范圍內(nèi)具有最大的聲壓級(jí)和最高的靈敏度 。 測(cè)距分析 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法 ， 超聲波 發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V 與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后， 只 要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。如圖 12 所示： t 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ 超聲波接收 圖 12 超聲波的 測(cè)距原理 ?cosSH? （ 31） 第 18 頁 )(HLarctg?? （ 32） 式中 :L兩探頭之間中心距離的一半 . 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 ( 33) 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度 。 t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間 . 將（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarctgvtH ? ( 34) 其中 ,超聲 波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個(gè)常數(shù) (例如在溫度 T=30 度時(shí) ,V=349m/s)。當(dāng)需要測(cè)量的距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L時(shí) ,則 (3— 4)變?yōu)?: vtH 21? ( 35) 所以 ,只要需要測(cè)量出超聲波傳播的時(shí)間 t,就可以得出測(cè)量的距離 H. STC89C52 單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。使用高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。STC89C52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) Flash， 256 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器， 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，三個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外， STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選 擇節(jié)電模式?？臻e模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。這一模塊以單片機(jī)為中心把程序代碼燒進(jìn)去然后外圍接上復(fù)位電路 、 振蕩電路 、鍵盤控制、 LED 顯示 電路、 報(bào)警電路等子模塊 。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 要使單片機(jī)工作起來最基本的電路構(gòu)成為單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖 37所示。 第 19 頁 12345678RST9(RXD)10(TXD)11(INT0)12(INT1)13(T0)14(T1)15(WR)16(RD)17XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/VPP313233343536373839VCC40U1U1Y112MC2 20C3 20VCCGNDR1410KC1 10uFVCC1234J1VCCS1P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P34P35P36P37 P23TrigEcho單片主控電路 圖 37 信號(hào)處理模塊 單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單 片機(jī) 、 復(fù)位電路 、 時(shí)鐘電路構(gòu)成。 STC89C52 單片機(jī)的工作電壓范圍： ,所以通常給單片機(jī)外界 5V直流電源。連接方式為單片機(jī)中的 40 腳 VCC 接正極 5V，而 20腳 VSS 接電源地端。 復(fù)位電路就是確定單片機(jī)的工作起始狀態(tài)，完成單片機(jī)的啟動(dòng)過程。單片機(jī)接通電源時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，完成單片機(jī)啟動(dòng)確定單片機(jī)起始工作狀態(tài)。 當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行中，受到 外界 環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時(shí)候，按下復(fù)位按鈕內(nèi)部的程序自動(dòng)從頭開始執(zhí)行。 一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后，在 RESET 端持續(xù)給出 2個(gè)機(jī) 器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。本設(shè)計(jì)采用的是外部手動(dòng)按鍵復(fù)位電路，需要接上上拉電阻來 提高輸出高電平的值 。 時(shí)鐘電路好比單片機(jī)的心臟，它控制著單片機(jī)的工作節(jié)奏。時(shí)鐘電路就是振蕩電路，是向單片機(jī)提供一個(gè)正弦波信號(hào)作為基準(zhǔn)，決定單片機(jī)的執(zhí)行速度。XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出 ， 該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有 6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為 2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有 12個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩 頻率為 12MHZ，一個(gè)振蕩周期為1/12us。 時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2 應(yīng)不接。 因?yàn)橐粋€(gè)機(jī)器周期含有 6個(gè)狀態(tài)周期，而每個(gè)狀態(tài)周期為 2個(gè)振蕩周期，所以一個(gè)機(jī)器周期共有 12 個(gè)振蕩周期，如果外接石英晶體振蕩器的振蕩頻率 第 20 頁 為 12MHZ，一個(gè)振蕩周期為 1/12us，故而一個(gè)機(jī)器周期為 1us。如圖 13 所示為時(shí)鐘電路。 CCX12MHZXTAL1XTAL2 圖 13 時(shí)鐘電路圖 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 復(fù)位方法 一般有上電自動(dòng)復(fù)位和外部按鍵手動(dòng)復(fù)位，單片機(jī)在時(shí)鐘電路工作以后 , 在 RESET 端持續(xù)給出 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)就可以完成復(fù)位操作。例如使用晶振頻率為 12MHz 時(shí)，則復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間應(yīng)不小于 2us。本設(shè)計(jì)采用的是 自 動(dòng)復(fù)位電路。如圖 14示為復(fù)位電路。 圖 14 復(fù)位電路圖 聲 光 報(bào)警電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中聲光報(bào)警電路采用 NPN 型 S8550 三極管驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)的 P2^3口輸出低電平時(shí)，三極管的 VEVBVC0。三極管的發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三幾個(gè)飽和導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管和蜂鳴器發(fā)出聲光報(bào)警，當(dāng)單片機(jī) 的 P2^3口輸出高電平時(shí)，三極管截止，聲光報(bào)警停止工作。具體電路圖如圖 15 所示： 第 21 頁 B1蜂鳴器Q58550VCCGND+R132KP2312D2DR162K 圖 15 聲 光 報(bào)警電路圖 數(shù)碼管 顯示模塊 顯示模塊采用 數(shù)碼管 顯 段選接在單片機(jī)的 P1口，位選接在單片機(jī)的 P3^P3^ P3^ P3^7 口，采用三極管驅(qū)動(dòng)方式。當(dāng)位選輸出低電平時(shí)，相應(yīng)的三極管將飽和導(dǎo)通，再打開相應(yīng)的段碼，這樣就可以在數(shù)碼管上顯示了。在本設(shè)計(jì)中采用動(dòng)態(tài)掃描的方式。具體電路圖如圖 16所示： E1D2DP3C4G54H62H9F10A111H12B73H8DS1ABCDE FGDP 1H2H3H4HQ18550Q38550Q48550Q28550VCC1H3H2H4HR4 1KR5 1KR7 1KR6 1KP34P35 P36P37 圖 16 數(shù)碼管電路 軟件設(shè)計(jì) 主程序工作流程圖 按上述工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分 析可知 系統(tǒng)主程序工作流程圖如下圖 17 所示 ； 第 22 頁 圖 17 主程序工作流程圖