【文章內容簡介】 ，這種機械振動推動空氣等媒介，便會產(chǎn)生超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生 頻率與超聲機械波相同的電信號。 壓電傳感器屬于超聲波傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉換的一種傳感器件，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。其具有下列的特性：把這種材料置東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 超聲波測距的基本理論及測量方案的選擇 7 于電場之中，它就 產(chǎn)生一定的應變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應變就會在其內部產(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。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應來工作的。超聲波發(fā)生器內部結構如圖 22所示，它有兩個壓電晶片和一個錐形振子，當它的兩極外加脈沖信號，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，并帶動錐形振子振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當錐形振子接收到超聲波時，將壓迫壓電 晶片作振動，將機械能轉化為電信號，這時它就成為超聲波傳感器。 一般常用的超聲波傳感器有兩種：專用型和兼用型。專用型是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接收器用作接收超聲波；兼用型就是發(fā)送器和接收器是一體的傳感器，既可以發(fā)送超聲波，又可以接收超聲波。本設計選用的超聲波傳感器是專用型，其型號為TCT4016T 和 TCT4016R，其中 40 表示傳感器工作的中心頻率為 40KHz ,16 表示傳感器的外徑為 16mm ， T 和 R 分別表示發(fā)射器和接收器。 圖 22 壓電式傳感器構圖 方案選擇的論證和選擇 設計方案一 采用單片機來控制的超聲波測距儀是先 由單片機產(chǎn)生一個信號，經(jīng)過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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： 2/CTD? 28 原理圖如圖 23所示 。 錐形振子 壓電晶片 電極 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 超聲波測距的基本理論及測量方案的選擇 8 圖 23 采用單片機來控制的單片機測距儀 方案設計二 采用 CPLD 來控制的超聲波測距儀，主要是在軟件上應用 VHDL(Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)編寫程序主要使用用的是 MAX + PLUX II 軟件進行軟硬件的調試和仿真，最終實現(xiàn)測距功能。使用本方案的優(yōu)點在于超聲波測距儀設計中采用的是 MAX7000s 系列中的 EPM7128SLC8415 的 CPLD 器件，器最高頻率可達 ，可以用于邏輯組合電路、時序邏輯電路、算法、雙端口RAM等的設計。充分利用了其多達 128 個宏單元、 68 Pin 可編程 I/O 口，使該器件可以充分將分頻功能、 計數(shù)功能、顯示編碼功能、震蕩功能全部集中在一起。又因其延時平均的特點，保障了測距結果精度高、響應速度快。缺點是方案中需要一塊 FPFA, 一塊雙口 RAM， 還需要一塊用來存儲波形數(shù)據(jù)的 EEPROM，那么 設計的成本較高。 同時在 FPGA 中還要用硬件描述語言 (VHDL 語言 )編寫程序來實現(xiàn)硬件電路功能。由于 由于EPM7128SLC8415的算法復雜，所以在軟件實現(xiàn)起來編程也較復雜。 方案設計三 采用鎖相環(huán)頻率合成技術，也可以實現(xiàn)我們所需要的超聲波測距儀。具體方案如下：首先通過頻率合成技術產(chǎn)生超聲波 所需要的頻率，在通過信號線將采用鎖頻率相合成技術得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實現(xiàn)超聲波測距。它的優(yōu)點就是工作頻率可調，也可以達到很高的頻率分辨率；缺點是要求使用的濾波器通帶可變，實現(xiàn)很困難。它的原理如圖 24所示： 開始測量 超聲波開定時器 關定時器數(shù)據(jù)運算 顯示器 驅動電路 接收檢測 電聲轉換器 電聲轉換器 單 片 機 處 理 器 LED顯示器 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 超聲波測距的基本理論及測量方案的選擇 9 晶振整形電路fm R 分頻鑒相器 FD環(huán)路濾波器 LF壓控振蕩器 VCO可變分頻器 Nfv 圖 24 超聲波原理圖 方案設計四 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng) 常用于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設計比較方便，計算處理也較簡單，并且在 測量精度方面也能達到 日常 使用要求。在測量精度方面也能達到 日常 使用要求。 超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根據(jù)設計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C52單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn) LED數(shù)字顯示， 超聲波驅動信號用單片機的定時器。 超聲波測距系統(tǒng)的設計如圖 25 所示。 圖 25 超聲波測距系統(tǒng)的設計 通過對 四種方案優(yōu)缺點的比較，本設計采用第四 種設計方案。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 超聲波測距系統(tǒng)設計 10 3 超聲波測距系統(tǒng)設計 在整個超聲波測距系統(tǒng)設計中占有很重要的位置的是超聲波測距系統(tǒng)的硬件電路設計。硬件電路設計的合理性將直接影響系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性。其中選擇合適的器件和合理的電路布局將對系統(tǒng)有很大的影響，并且硬件系統(tǒng)的性能是整個測距系統(tǒng)可靠性的最根本保證。因此，在能夠保證實現(xiàn)超聲波測距所需要功能的基礎上，還應該需要重點考慮以下幾個原則 : (1)盡量選擇一些典型芯片，典型的應用電路。這樣可以保證電路設計模塊的正確性，為系統(tǒng)的標準化 、模塊化打下良好的基礎。 (2)盡量減小硬件電路的復雜性，能在片內實現(xiàn)的功能，最好不要再外接電路，多選用集成度高的芯片。 (3)在芯片選擇和線路板排布時候盡量考慮系統(tǒng)的可靠性及抗干擾性能。 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設計 硬件電路的設計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用 AT89C52 或其兼容系列。采用 12MHz 高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的 40kHz 的方波信號，利用外中斷 0 口監(jiān)測超 聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅動。 AT89C52 單片機的介紹 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8位單片 機 ，片內含 8k bytes 的可反復擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51 指令系統(tǒng)，片內置通用 8位中央處理器和 Flash 存儲單元， AT89C52 單片機在電子行業(yè)中有著廣泛 的應用。 ? 主要功能特性 ① 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) ② 8k 可反復擦寫 (大于 1000 次） Flash ROM； ③ 32 個雙向 I/O 口； ④ 256x8bit 內部 RAM； ⑤ 3 個 16 位可編程定時 /計數(shù)器中斷； ⑥ 時鐘頻率 024MHz； ⑦ 2 個串行中斷，可編程 UART 串行通道； ⑧ 2 個外部中斷源，共 8 個中斷源； ⑨ 2 個讀寫中斷口線， 3 級加密位； 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 超聲波測距系統(tǒng)設計 11 ⑩ 低功耗空閑和掉電模式 ，軟 設置睡眠和喚醒功能 ； 有 PDIP、 PQFP、 TQFP及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需 求。 如圖 31 顯示了 AT89C52的引腳圖。 12345678RST9RXD10TXD11INT0122122232425262728PSEN29ALE30EA/VP3133343536373839Vcc40INT113T014T115WR16RD17X218X119Vss2032U?AT89C52 圖 31 AT89C52 的引腳圖 ? 特殊功能寄存器 在 AT89C52 片內存儲器中， 80HFFH 共 128 個單元為特殊功能寄存器（ SFR），SFR 的地址空間映象 。 非所有的地址都被定義，從 80H—FFH 共 128 個字節(jié)只有一部分被定義，還有相當一部分沒有定義。對沒有定義的單元讀寫將是無效的，讀出的數(shù)值將不確定，而寫入的數(shù)據(jù)也將丟失。不應將數(shù)據(jù)寫入未定義的單元，由于這些單元在將來的產(chǎn)品中可能賦予新的功能，在這種情況下，復位后這些單元數(shù)值總是 “0”。 AT89C52 除了有 AT89C51 所有的定時 /計數(shù)器 0 和定時 /計數(shù)器 1 外，還增加了一個定時 /計數(shù)器 2。 數(shù)據(jù)查詢 AT89C52 單片機用 Data Palling 表示一個寫周期結束為特征，在一個寫周期中，如需讀取最后寫入的一個字節(jié)，則讀出的數(shù)據(jù)的最 高位（ ）是原來寫入字節(jié)最高位的反碼。寫周期完成后，所輸出的數(shù)據(jù)是有效的數(shù)據(jù)，即可進入下一個字節(jié)的寫周期，寫周期開始后， Data Palling 可能隨時有效。 Ready/Busy：字節(jié)編程的進度可通過 “RDY/BSY 輸出信號監(jiān)測，編程期間，ALE 變?yōu)楦唠娖?“H”后， （ RDY/BSY）端電平被拉低，表示正在編程狀態(tài)（忙狀態(tài)）。編程完成后， 變?yōu)楦唠娖奖硎緶蕚渚途w狀態(tài)。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 超聲波測距系統(tǒng)設計 12 ? AT89C52 總線結構 AT89C52的管腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶 I/O 口部分 P3外， 其余管腳都是為實現(xiàn)系統(tǒng)擴展而設置的。這些管腳構成了三總線形式，即： （ 1） 地址總線（ AB）：地址總線寬度為 16 位，因此，其外部存儲器直接地址外圍為 64K 字節(jié)。 16 位地址總線由 P0經(jīng)地址鎖存器提供低 8 位地址（ A0～ A7）； P2口直接提供高 8位地址（ A8～ A15）。 （ 2） 數(shù)據(jù)總線（ DB）：數(shù)據(jù)總線寬度為 8位，由 P0口提供。 （ 3） 控制總線 （ CB）：由部分 P3口的第二功能狀態(tài)和 4根獨立控制線 RESET、EA 、 ALE、 PSE 組成 。圖 32 為的 AT89C52 結構框圖。 單片機系統(tǒng)及顯示電路 單片機采用 AT89C52 或其兼容系列。系統(tǒng)采用 12MHz 高精度的晶振，已獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，并減小測量誤差。單片機用 端口輸出超聲波換能器所需的40kHz 方波信號，利用中斷 0 口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅動，位碼用 PNP 三極管 9012 驅動。單片機系統(tǒng)及顯示電路如圖 33 所示。 時鐘電路 ROM RAM 定時 /計數(shù)器 C P U 并行接口 串行接口 中斷系統(tǒng) P0 P1 P2 P3 TXD RXD /INT0 /INT1 T0 T1 圖 32 AT89C52 結構圖 T2 復位電路 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文）