【文章內(nèi)容簡介】 ，這種機(jī)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(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(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)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(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(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。 壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的逆向壓電效應(yīng)來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 22所示，它有兩個壓電晶片和一個錐形振子，當(dāng)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(dāng)錐形振子接收到超聲波時，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。 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(shè)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(gòu)圖 方案選擇的論證和選擇 設(shè)計方案一 采用單片機(jī)來控制的超聲波測距儀是先 由單片機(jī)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(diǎn)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(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(jī)來控制的單片機(jī)測距儀 方案設(shè)計二 采用 CPLD 來控制的超聲波測距儀，主要是在軟件上應(yīng)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(jìn)行軟硬件的調(diào)試和仿真，最終實(shí)現(xiàn)測距功能。使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于超聲波測距儀設(shè)計中采用的是 MAX7000s 系列中的 EPM7128SLC8415 的 CPLD 器件，器最高頻率可達(dá) ，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(shè)計。充分利用了其多達(dá) 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(diǎn)，保障了測距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)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(shè)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(shí)現(xiàn)硬件電路功能。由于 由于EPM7128SLC8415的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來編程也較復(fù)雜。 方案設(shè)計三 采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)，也可以實(shí)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(shù)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(shù)得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測距。它的優(yōu)點(diǎn)就是工作頻率可調(diào)，也可以達(dá)到很高的頻率分辨率；缺點(diǎn)是要求使用的濾波器通帶可變，實(shí)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(guān)定時器數(shù)據(jù)運(yùn)算 顯示器 驅(qū)動電路 接收檢測 電聲轉(zhuǎn)換器 電聲轉(zhuǎn)換器 單 片 機(jī) 處 理 器 LED顯示器 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)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(shè)計四 由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，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(shè)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(dá)到 日常 使用要求。在測量精度方面也能達(dá)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(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機(jī)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(shè)計要求并綜合各方面因素，本文采用 AT89C52單片機(jī)作為控制器，用動態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LED數(shù)字顯示， 超聲波驅(qū)動信號用單片機(jī)的定時器。 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計如圖 25 所示。 圖 25 超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計 通過對 四種方案優(yōu)缺點(diǎn)的比較，本設(shè)計采用第四 種設(shè)計方案。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 10 3 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 在整個超聲波測距系統(tǒng)設(shè)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(shè)計。硬件電路設(shè)計的合理性將直接影響系統(tǒng)運(yùn)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(shí)現(xiàn)超聲波測距所需要功能的基礎(chǔ)上，還應(yīng)該需要重點(diǎn)考慮以下幾個原則 : (1)盡量選擇一些典型芯片，典型的應(yīng)用電路。這樣可以保證電路設(shè)計模塊的正確性，為系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化 、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 (2)盡量減小硬件電路的復(fù)雜性，能在片內(nèi)實(shí)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(shè)計 硬件電路的設(shè)計主要包括單片機(jī)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(jī)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(jī)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(shí)用的 4 位共陽 LED 數(shù)碼管，段碼用 74LS244 驅(qū)動，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動。 AT89C52 單片機(jī)的介紹 AT89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS 8位單片 機(jī) ，片內(nèi)含 8k bytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256 bytes 的隨機(jī)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(shù)生產(chǎn)，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， AT89C52 單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛 的應(yīng)用。 ? 主要功能特性 ① 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) ② 8k 可反復(fù)擦寫 (大于 1000 次） Flash ROM； ③ 32 個雙向 I/O 口； ④ 256x8bit 內(nèi)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(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 11 ⑩ 低功耗空閑和掉電模式 ，軟 設(shè)置睡眠和喚醒功能 ； 有 PDIP、 PQFP、 TQFP及 PLCC 等幾種封裝形式，以適應(yīng)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(nèi)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(dāng)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(yīng)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(fù)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(jī)用 Data Palling 表示一個寫周期結(jié)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(jìn)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(jìn)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?zhǔn)備就緒狀態(tài)。 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計 12 ? AT89C52 總線結(jié)構(gòu) AT89C52的管腳除了電源、復(fù)位、時鐘接入、用戶 I/O 口部分 P3外， 其余管腳都是為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些管腳構(gòu)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(dú)立控制線 RESET、EA 、 ALE、 PSE 組成 。圖 32 為的 AT89C52 結(jié)構(gòu)框圖。 單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 單片機(jī)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(jī)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(qū)動，位碼用 PNP 三極管 9012 驅(qū)動。單片機(jī)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(jié)構(gòu)圖 T2 復(fù)位電路 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）