【文章內(nèi)容簡介】 第 8 頁 方案二： 時間差測距法 超聲波測距正是利用超聲波的 直線傳播 特點，通過超聲波換能器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射的同時開始計時，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時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 —— 這就是所謂的時間差測距法。這種方案不需要不斷連續(xù)發(fā)射超聲波，也不需要 A/D 轉(zhuǎn)換，更重要的是，在不增加硬件的條件下可以把 測量精度做到很高。 方案一是基于反射回來的超聲波強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成脈沖的平均值電壓，其抗脈沖干擾能力強(qiáng)，但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時要增加 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，增加了成本。而方案二是基于時間差的測距原理，不需要 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，對回波的檢測、放大、濾波處理較方案一更容易實現(xiàn)。且其測量誤差主要取決于計時器的精度，基于成本、實現(xiàn)難度、精度等因素的考慮，本系統(tǒng)選擇方案二。 超聲波傳感器 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu) 超聲波傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。 目前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體動力型。電聲型主要有： 1 壓電傳感器； 2 磁致伸縮傳感器； 3 靜電傳感器。流體動力性中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱也有不同，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都把超聲傳感器稱作探頭，而工業(yè)中采用的流體動力型傳感器稱為“哨 ” 活“笛 ” 。壓電式傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭有壓電晶片、契塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材 料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 其具有下列的特性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器 [5]。 傳感器的主要組成部分是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵后產(chǎn)生振動，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，是 正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0 交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會使其產(chǎn)生機(jī)械 變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振類工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 它有兩個壓電晶片的一個共振板，當(dāng)它的兩級外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板的振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩級間為外加電壓，當(dāng)共振板接收到 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 壓電陶 瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率 f0。發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞。金 屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。 超聲波傳感器的頻率特性 這里以本設(shè)計選用的超聲波傳感器 TCT4016 型探頭（如圖 ）為特例加以說明。 型號： TCT4016R/T(直徑 16mm） （ KHz）： 40KHz at10V（ 0dB=）： ≥117dB at40KHz (0dB=V/ubar)： ≥65dB 圖 TCT4016型探頭 4 .靜電容 量 at1KHz,1V (PF)： 2021177。30% 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 TCT4016R/T 聲壓能級及靈敏度如圖 : 圖 TCT4016R/T 聲壓能級及靈敏度 由圖 可以看出 40khz 處為超聲波傳感器的中心頻率，在此中心頻率處，超聲波傳感器所產(chǎn)生的機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說 40khz 處所產(chǎn)生的聲壓能級最高。而在 40khz 兩側(cè)聲壓能級迅速衰減。其頻率特性曲線如圖 所示。 圖 TCT4016R/T 傳感器的頻率特性曲線 由圖 知超聲波傳感器一定要使用非常接近于中心頻率 40khz 的交流電壓來激勵。 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)基于超聲波反射原理利用單片機(jī)控制器產(chǎn)生 40Khz 的方波信號，通過發(fā)送模塊對方波信號進(jìn)行功率放大，驅(qū)動超聲波探頭，發(fā)射 40K超聲波。超聲波信號在空氣中傳播至障礙物后發(fā)生反射，反射回波經(jīng)空氣傳播給超聲波接收換能器并轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)接收模塊濾波、放大、整形后，輸入到微控制器的外部中斷口，產(chǎn)生中斷，通過相應(yīng)的公式計算出距離，然后將距離值通過 LED 顯示出來。為了減少不同環(huán)境下，系統(tǒng)都能達(dá)到測量精度的要求，需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，而本系統(tǒng)采用數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20 進(jìn)行溫度取樣，用算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 如圖 所示為系統(tǒng)總體框圖。 AT89C51 單片機(jī)簡介 單片機(jī)是本系統(tǒng)的核心元件，它負(fù)責(zé)各個模塊的協(xié)調(diào)工作，記錄超聲LED 顯示 模塊 溫度測量 模塊 電源 供電 模塊 實時播報 模塊 單 片 機(jī) 控 制 器 鍵盤 輸入 接收 模塊 發(fā)送 模塊 超聲波 障 礙 物 圖 系統(tǒng)總體框圖 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 13 頁 波發(fā)送 到遇障礙物后反射回來的時間差，并將這個時間差轉(zhuǎn)化為距離，然后通過 LED 顯示模塊把距離顯示出來。 AT89C51 是一種帶 4KB 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C51 單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且 價廉的方案。 （ 1） 主要特性： 與 MCS51 兼容 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 三級程序存儲器鎖定 128*8 位內(nèi)部 RAM 32 可編程 I/O 線 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器 5 個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路 （ 2） AT89C51 引腳如圖 管腳說明： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時 ，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 14 頁 程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH 進(jìn)行校驗時 ， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高 。 P 1 .01P 1 .12P 1 .23P 1 .34P 1 .45P 1 .56P 1 .67P 1 .78R S T9P 3 .0 (R X D )10P 3 .1 (T X D )11P 3 .2 (IN T 0 )12P 3 .3 (IN T 1 )13P 3 .4 (T 0 )14P 3 .5 (T 1 )15P 3 .6 (W R )16P 3 .7 (R D )17X T A L 218X T A L 119G N D20P 2 .0 /(A 8 )21P 2 .1 /(A 9 )22P 2 .2 /(A 1 0 )23P 2 .3 /(A 1 1 )24P 2 .4 /(A 1 2 )25P 2 .5 /(A 1 3 )26P 2 .6 /(A 1 4 )27P 2 .7 /(A 1 5 )28P S E N29A L E /P R O G30E A /V P P31P 0 .7 /(A D 7 )32P 0 .6 /(A D 6 )33P 0 .5 /(A D 5 )34P 0 .4 /(A D 4 )35P 0 .3 /(A D 3 )36P 0 .2 /(A D 2 )37P 0 .1 /(A D 1 )38P 0 .0 /(A D 0 )39V C C40A T 8 9 C 5 1 圖 AT89C51 引腳圖 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “ 1” 時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時 ， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1” 時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “ 1” 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL） 這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下所示： 遼寧科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 15 頁 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)