【文章內(nèi)容簡介】 時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即反射回來，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 V，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。 本系統(tǒng)利用單片機控制超聲波的發(fā)射和對超聲波自發(fā)射至接收往返時間的計時。接收電路的輸出端接單片機的外部中斷源輸入口。系統(tǒng)定時發(fā)射超聲波，在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在單片機的外部中斷源輸入口產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時 間差，計算距離 ,結(jié)果輸出給 LED 顯示。 利用本測距系統(tǒng)測量，范圍應(yīng)在 30cm～ 200cm 內(nèi)，其最大誤差控制在 10cm。 13 三 超聲波傳感器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，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、磁致伸縮型和電動型等；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。目前較為常用的是壓電 式超聲波發(fā)生器。 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的因有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩極間未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 在設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)之前，我們首先來了解一下有關(guān)超聲波傳感器方面的知識。在本章里，將介紹超聲波傳感器的原理和特性，檢測方式以及超聲波傳感系統(tǒng)的構(gòu)成。 超聲波傳感器的 原理與特性 原理 人們可以聽到的聲音頻率為 20Hz～ 20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即 20Hz 以下的聲音稱為低頻聲波， 20kHz 以上的聲音稱為超聲波，一般說話的頻率范圍為 100Hz～ 8kHz。 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強，為此利用超聲波的這種性質(zhì)就可以制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中傳播的速度較慢，約為 330m/s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡單。 超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可以具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用，即為 可逆元件。一般市場上出售的超聲波傳感器有專用型和兼用型，專用型就是發(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)送器和接收器為一體傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接收超聲波。超聲波傳感器的諧振頻率 (中心頻率 )有 23kHz、 40kHz、 75kHz、 200kHz、 400kHz 等。諧振頻率變高，則檢測距離變短，分解力也變高。 超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。所謂壓電逆效應(yīng)如圖 31 所示，是在壓電元件上施加電壓，元件就變 形，即稱應(yīng)變。若在圖 a 14 所示的已極化的壓電陶瓷上施加如圖 b所示極性的電壓，外部正電荷與壓電陶瓷的極化正電荷相斥，同時，外部負電荷與極化負電荷相斥。由于相斥的作用，壓電陶瓷在厚度方向上縮短，在長度方向上伸長。若外部施加的極性變反，如圖 c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長，在長度方向上縮短。 圖 31 壓電逆效應(yīng) 超聲波傳感器采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長，另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 (振動板 )接到一個電極端，下面用引線直接接 到另一個電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點就成為振子振動的節(jié)點。金屬板的中心有圓錐形振子。發(fā)送超聲波時，圓錐形振子有較強的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波；接收超聲波時，超聲波的振動集中于振子的中心，所以，能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。 采用雙晶振子的超聲波傳感器 ,若在發(fā)送器的雙晶振子 (諧振頻率為 40kHz)上施加 40kHz 的高頻電壓，壓電陶瓷片就根據(jù)所加的高頻電壓極性伸長與縮短，于是就能發(fā)送 40kHz 頻率的超聲波。超聲波以疏密波形式傳播，傳送給超聲波接收器。超聲波接收 器是利用壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件的特定方向上施加壓力，元件就發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為正極，另一面為負極的電壓。若接收到發(fā)送器發(fā)送的超聲波，振子就以發(fā)送超聲波的頻率進行振動，于是，就產(chǎn)生與超聲波頻率相同的高頻電壓，當然這種電壓是非常小的，必須采用放大器放大。 特性 現(xiàn)以 MA40S2R 接收器和 MA40S2S 發(fā)送器為例說明超聲波傳感器的各種特性，表 31示出的就是這種超聲波傳感器的特性。傳感器的標稱頻率為 40kHz，這是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自 使用并聯(lián)諧振頻率。 15 表 31 超聲波傳感器 MA40S2R/S的特性 種類特性 MA40S2R接收 MA40S2S發(fā)送 標稱頻率 40kHz 靈敏度 － 74dB以上 100dB以上 帶寬 6kHz以上 (－ 80dB) 7kHz以上 (90dB) 電容 1600pF 1600pF 絕緣電阻 100MΩ以上 溫度特性 － 20~+60℃范圍內(nèi)靈敏度變化在 10dB以內(nèi) 超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分是在標稱頻率附近使用，為此，要采取措施擴展頻帶，例如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率較大，溫 度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進行頻率調(diào)整和阻抗匹配。 MA40S2R/S 傳感器的發(fā)送與接收的靈敏度都是以標稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免逸出標稱頻率。 圖 32表示傳感器方向性的特性，這種傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度，因此，適用于物體檢測與防犯報警裝置等。 另外，對于這種傳感器，一般來說溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境溫度下使用時，不僅在外部進行溫度補償，在傳感器內(nèi)部也要進行溫度補償。 圖 32 傳感器的方向性 超聲波傳感器的檢測方式 當物體在發(fā)送器與接收器之間通過時，檢測超聲波束衰減或遮擋的情況從而 16 判斷有無物體通過。這種方式的檢測距離約 1m，作為標準被檢測物體使用 100mm 100mm 的方形板。它與光電傳感器不同，也可以檢測透明體等。 當發(fā)送超聲波束碰到被檢測物體時，僅檢測電位器設(shè)定距離內(nèi)物體反射波的方式，從而判斷在設(shè)定距離內(nèi)有無物體通過。若被檢測物體的檢測面為平面時，則可檢測透明體。若被檢測物體相對傳感器的檢測面為傾斜時，則有時不能 檢測到被測物體。若被檢測物體不是平面形狀，實際使用超聲波傳感器時一定要確認是否能檢測到被測物體。 在距離設(shè)定范圍內(nèi)放置的反射板碰到發(fā)送的超聲波束時，則被檢測物體遮擋反射板的正常反射波，若檢測到反射板的反射波衰減或遮擋情況，就能判斷有無物體通過。另外，檢測范圍也可以是由距離切換開關(guān)設(shè)定的范圍。 回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式與穿透超聲波傳感器的相同，主要用于發(fā)送器設(shè)置與布線困難的場合。若反射面為固定的平面物體，則可用作回歸反射式超聲 波傳感器的反射板。另外，光電傳感器所用的反射板同樣也可以用于這種超聲波傳感器。 這種超聲波傳感器可用脈沖市制的超聲波替代光電傳感器的光，因此，可檢測透明的物體。利用超聲波的傳播速度比光速慢的特點，調(diào)整用門信號控制被測物體反射的超聲波的檢測時間，可以構(gòu)成限定距離式與限定范圍式超聲波傳感器。 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成 超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成，如圖33 所示。發(fā)送器常使用直徑為 15mm 左右的陶瓷振子，將陶瓷振子的電振動能量轉(zhuǎn)換為超聲波能量并向空中輻射。除穿透式超聲波傳感器外 ，用作發(fā)送器的陶瓷振子也可用作接收器，陶瓷振子接收到超聲波產(chǎn)生機械振動，將其變換為電能量，作為傳感器接收器的輸出，從而對發(fā)送的超聲波進行檢測。 17 圖 33 超聲波傳感器系統(tǒng)的構(gòu)成 控制部分判斷接收器的接收信號的大小或有無，作為超聲波傳感器的控制輸出。對于限定范圍式超聲波傳感器，通過控制距離調(diào)整回路的門信號，可以接收到任意距離的反射波。另外，通過改變門信號的時間或?qū)挾?，可以自由改變檢測物體的范圍。 超聲波傳感器的電源常由外部供電，一般為直流電壓，電壓范圍為 12~24V177。 10%，再經(jīng)傳感器內(nèi)部穩(wěn)壓電路變?yōu)榉€(wěn)定 電壓供傳感器工作。 超聲波傳感器系統(tǒng)中關(guān)鍵電路是超聲波發(fā)生電路和超聲波接收電路。可有多種方法產(chǎn)生超聲波，其中最簡單的方法就是用直接敲擊超聲波振子，但這種方法需要人參與，因而是不能持久的，也是不可取的。為此，在實際中采用電路的方法產(chǎn)生超聲波，根據(jù)使用目的的不同來選用其振蕩電路 [3]。 本章小結(jié) 本章我們詳細介紹了超聲波傳感器的原理及其特性，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理產(chǎn)生超聲波的。 超聲波傳感器有四種檢測方式，分別為穿透式超聲波傳感器的檢測方式、限定距離式超聲波傳感器的檢測方式、限定范圍式超聲波 傳感器的檢測方式和回歸反射式超聲波傳感器的檢測方式。 超聲波傳感器系統(tǒng)由發(fā)送器、接收器、控制部分以及電源部分構(gòu)成。 18 四 AT89C51 單片機簡介 本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是基于單片機控制的，在介紹電路設(shè)計之前，我們先來簡單了解一下單片機的工作原理，由于本課題所設(shè)計的超聲波測距系統(tǒng)是以 Atmel 公司的 8位單片機 AT89C51 為核心的，所以，在本章先簡單的介紹一下 AT89C51 的一些特性。 單片機基礎(chǔ)知識 單片微型計算機簡稱單片機，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器(Microcontroller)。單片微型計算機是微型計算機的一個重要分支，也是一種非常活躍且頗具生命力的機種。 通常，單片機由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能部件：CPU(Central Processing Unit，中央處理器 )、存儲器和 I/O 接口電路等。因此，單片機只需要與適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。 單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 41所示。 圖 41 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 與單片機相比，微型計算機是一種多片機系統(tǒng)。它是由中央處理器 (CPU)芯片、 ROM 芯 片、 RAM 芯片和 I/O 接口芯片等通過印刷電路板上總線 (地址總線 AB、數(shù)據(jù)總線 DB和控制總線 CB)連成一體的完整計算機系統(tǒng)。其中，中央處理器 (CPU)的字長長，功能強大； ROM 和 RAM 的容量很大； I/O 接口的功能也大，這是單片機無法比擬的。因此，單片機在結(jié)構(gòu)上與微型計算機十分相似，是一種集微型計算機主要功能部件于同一塊芯片上的微型計算機，并由此而得名。 由圖 41 可見，中央處理器 (CPU)是通過內(nèi)部總線與 ROM、 RAM、 I/O 接口以 19 及定時器 /計數(shù)器相連的，這個結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但并不好理解。為此，在分析單片機工作 原理前，先對圖 41中各部件作一基本介紹是十分必要的 。 在單片機內(nèi)部， ROM 和 RAM 存儲器是分開制造的。通常， ROM 存儲器容量較大， RAM 存儲器的容量較小，這是單片機用于控制的一大特點。 (1)ROM ROM(Read Only Memory，只讀存儲器 )一般為 1~32K 字節(jié)，用于存放應(yīng)用程序，故又稱為程序存儲器。由于單片機主要在控制系統(tǒng)中使用，因此一旦該系統(tǒng)研制成功，其硬件和應(yīng)用程序均已定型。為了提高系統(tǒng)的可靠性，應(yīng)用程序通常固化在片內(nèi) ROM 中，根據(jù)片內(nèi) ROM 的結(jié)構(gòu)，單片機又可分為無 ROM 型、 ROM 型和EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory,可擦除可編程只讀存儲器 )型三類。近年來，又出現(xiàn)了 EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory,電擦除可編程只讀存儲器 )和 Flash 型 ROM 存儲器。 無 ROM 型單片機特點是片內(nèi)不集成 ROM 存儲器，故應(yīng)用程序必須固化到外接的 ROM 存儲器芯片中，才能構(gòu)成有完整功能的單片機應(yīng)用系統(tǒng)。 ROM型單片機內(nèi)部，其程序存儲器是采用掩膜工藝制成的，程序一 旦固化進去便永遠不能修改。EPROM 型單片機內(nèi)部的程序存儲器是采用特殊 FAMOS 管構(gòu)成的，程序一旦寫入，也可以通過特殊手段加以修改。因此， EPROM 型單片機是深受研制人員歡迎的。 (2)RAM 通常，單片機片內(nèi) RAM(Random Access Memory，隨機存取存儲器 )容量為 64～ 256 字節(jié)，最多可達 48K 字節(jié)。 RAM 主要用來存放實時數(shù)據(jù)或作為通用寄存器、數(shù)據(jù)堆棧和數(shù)據(jù)緩沖器之用。 (CPU) 中央處理器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，要像