【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 聲探頭的力量小 ,因此 ,溫度相對(duì)較低 ,不能長(zhǎng)時(shí)間工作的失敗。因?yàn)獒t(yī)學(xué)的超聲波探頭溫度很高，所以需要一個(gè)單獨(dú)的冷卻裝置。 (3)靈敏度。 主要取決于設(shè)計(jì)芯片本的機(jī)電耦合系數(shù)、靈敏度比較高。 人能聽(tīng)到的聲音頻率范圍 :20 hz ~ 20 khz,這超出了可聽(tīng)見(jiàn)的聲音 ,聲音的頻率范圍 ,即低于 20 赫茲頻率聲音稱(chēng)為低頻聲波 ,聲頻率高于 20 khz 稱(chēng) 為超聲波。它是一種常用的探測(cè)材料的壓電晶體、壓電陶瓷執(zhí)行工作利用壓電效應(yīng) [12]。高頻電振動(dòng)的逆壓電效應(yīng)為高頻機(jī)械振動(dòng) ,產(chǎn)生超聲波 ,可作為發(fā)射探針 。積極的壓電效應(yīng)和超聲振動(dòng)波的使用 ,將轉(zhuǎn)換為電信號(hào) ,可以用作接收探頭。 為了研究和利用超聲波 ,是設(shè)計(jì)和制造各種各樣的超聲波發(fā)生器?？傮w來(lái)說(shuō) ,超聲波發(fā)生器可以分為兩種類(lèi)型 :一種是電氣超聲波 ,類(lèi)似是機(jī)械波。另一種是壓電超聲波。它們兩個(gè)的頻率、功率和它們所產(chǎn)生的聲學(xué)特性是不同的 ,因此 ,從根本上講目的是不同。 圖 7 超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 壓電晶體諧振器是在壓電是超聲波發(fā)生器基礎(chǔ)上工作的 。 圖 7是超聲波發(fā)生器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖 ,超聲波發(fā)生器有一個(gè)共振板與兩個(gè)壓電晶體 。當(dāng)它 的壓電振動(dòng)固有頻率芯片 等于脈沖信號(hào)頻率時(shí) ,壓電共振發(fā)生 ,促進(jìn)生成板振動(dòng)共振超聲的發(fā)展 [13]。 反之 ,如果 電極電壓兩個(gè)都不共振 ,當(dāng)超聲共振被共振板收到時(shí) ,壓電晶片的振動(dòng) 將被 抑制 ,然后會(huì)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。 超聲波傳感器原理 市場(chǎng)比超聲波傳感器常見(jiàn)是開(kāi)放的 ,內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 8所示 ,復(fù)合振動(dòng)器靈 活固定在底座 9 上。振動(dòng)器是一個(gè)復(fù)合雙壓電晶片零件振動(dòng)器組成的諧振器和一個(gè)金屬板和一個(gè)壓電陶瓷片。角形諧振器 ,有效輻射產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)的目的 ,并能有效地使超聲波振動(dòng)器聚集在一個(gè)中心位置。 應(yīng)用于壓電陶瓷電壓時(shí) ,會(huì)改變電壓和頻率的機(jī)械變形。另一方面 ,當(dāng)壓電陶瓷的振動(dòng)時(shí) ,它將生成一個(gè)。根據(jù)這一原理 ,當(dāng)振動(dòng)器由兩個(gè)壓電陶瓷或壓電陶瓷和金屬板的一種形式 ,稱(chēng)為雙壓電晶片零件元素 ,應(yīng)用一個(gè)信號(hào) ,它會(huì)發(fā)出超聲波由于彎曲振動(dòng)。相反 ,當(dāng)檢測(cè)超聲振動(dòng)時(shí) ,它會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。在此基礎(chǔ)上 ,它可以用作壓電陶瓷超聲傳感器。 圖 8 超聲波內(nèi)部結(jié)構(gòu) 超聲波的基本特性如下所述： 波傳播的速度被用于表示頻率乘以波長(zhǎng) ,大約 344 米 /秒（ 20℃）。在這種比較低的傳播速度，短波長(zhǎng)，這意味著我們可以得到高分辨率的距離和方向。這是因?yàn)楦叩姆直媛实奶攸c(diǎn)，它使我們有可能獲得在測(cè)量具有高精確度。 檢測(cè)物體存在，超聲波可以反映在對(duì)象上。由于金屬，木材，水泥，玻璃，橡膠，紙罐超聲波接近 100％的反射，這樣我們就可以很容易地找到這些對(duì)象。布，棉，羊毛可吸收超聲波，因此難以通過(guò)超聲波來(lái)檢測(cè)它們。同時(shí)，由于不規(guī)則反射，通常可能很難探 測(cè)物體和斜坡面的不平坦表面，這些因素決定了理想的測(cè)試環(huán)境是超聲波在空地，并且測(cè)試對(duì)象必須被反射波。 聲音的速度隨環(huán)境溫度而變化。因此，要準(zhǔn)確地測(cè)量和對(duì)象的距離，經(jīng)常檢查環(huán)境溫度是非常必要的，尤其是在冬季室內(nèi)外溫差大，對(duì)超聲波測(cè)距誤差的精度影響很大，可用 10 18B20 溫度補(bǔ)償，以降低溫度變化，考慮到在測(cè)試環(huán)境被設(shè)計(jì)在室內(nèi)，并主要用于超聲波測(cè)距功能，測(cè)量精度不高，因此對(duì)溫度的系統(tǒng)的影響的問(wèn)題這里不做深入研究。 傳播超聲波在空氣與距離的變化成比例地降低了強(qiáng)度，這是因?yàn)樗鸬谋砻嫔系那蛎鏀U(kuò)散損 失的衍射現(xiàn)象，而且還因?yàn)槲論p耗的吸收能量。如圖 9 所示，超聲波頻率為高時(shí)，衰減率較高，因?yàn)槌暡ǖ膫鞑ゾ嚯x比較短，所以超聲波的衰減會(huì)從根本上影響超聲波的有效距離。 圖 9 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 [14],“ P”為有效聲壓 (μ bar)，“ Pre”為參考聲壓 (2 104μ bar)如圖 10所示為幾種常用超聲波傳感器的聲壓圖。 11 圖 10 超聲波傳感器的聲壓圖 6． 靈敏度特性 是聲接收靈敏度級(jí)單位 ,使用以下公式表示。 的敏感性 E / P = 20 日志 (dB)類(lèi)型 ,“E” 電壓生成 (Vrms),“P” 作為輸入聲壓 (bar)。超聲波傳感器的靈敏度直接影響系統(tǒng)的范圍 ,如超聲波傳感器是常見(jiàn)的在幾個(gè)敏感圖 ， 如圖11所示 ,可以發(fā)現(xiàn)最大聲壓級(jí)傳感器 40 khz,也就是說(shuō)相應(yīng)的 40 khz 靈敏度最高。 圖 11 超聲波傳感器靈敏度示意圖 7．輻射特性 超聲波傳感器是安排在桌子上。然后 ,測(cè)量角度和聲壓的關(guān)系 (靈敏度 )。為了準(zhǔn)確地表達(dá)了輻射 ,與前面相比 ,聲壓級(jí) (靈敏度 )6 分貝衰減角稱(chēng)為衰 變一半角 ,由 9 1/2 表示。規(guī)模較小的外表面的超聲設(shè)備很容易獲得準(zhǔn)確的輻射角 [15]。如 圖 12 所示為幾種常見(jiàn)的超聲傳感器的輻射特性示意圖。 12 圖 12 超聲波傳感器輻射特性示意圖 分析上述結(jié)果不難看出 ,超聲波傳感器的最大工作壓力水平和最高的靈敏度范圍 40 khz。 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(kāi)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(lái)，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(kāi)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(lái)，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(guò)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(guò)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， 我們只要測(cè)得超聲波從汽車(chē)中發(fā)射出去到被障礙物反射到達(dá)汽車(chē)中的時(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 13所示： 13 t 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ 超聲波接收 圖 13 超聲波的測(cè)距原理 ?cosSH? （ 31） )(HLarctg?? （ 32） 式中 :L兩個(gè)探頭之間一半的距離 . 又了解超聲波的傳播距離為 : vtS?2 ( 33) 式中 :v— 超聲波在空氣中的傳播速度 。 t— 超聲波從汽車(chē)發(fā)射出波到 汽車(chē)又接收到波所需要的時(shí)間 . 將（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarctgvtH ? ( 34) 式中超聲波在空氣中的傳播速度 v 在溫度不變的情況下就是一個(gè)常數(shù) (比如在常溫 T=30 度時(shí) ,V=349m/s)。當(dāng)需要測(cè)量的距離 H 大于 L 時(shí) ,則 (3— 4)變?yōu)?: vtH 21? ( 35) 所以 ,只需要測(cè)量出超聲波往返的時(shí)間 t,就可以得出汽車(chē)到障礙物的距離 H. 時(shí)鐘 電路的設(shè)計(jì) 分別在 XTAL1 和 XTAL2 反向放大器的輸入和輸出。振蕩器的配置是在反向放大器的基礎(chǔ)上實(shí)施的。陶瓷諧振器可以使用。如果一個(gè)外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng) ,XTAL2 不應(yīng)該滿(mǎn)足。 因?yàn)闄C(jī)器周期期間 ,由 6 個(gè)周 ,每個(gè)周的 2 個(gè)振蕩周期 ,由此一個(gè)機(jī)器的振蕩周期是 12個(gè)振蕩周期 ,假如石英晶體外部的振蕩期的頻率是 12兆赫茲 ,一個(gè)振蕩周期 1/12us,由此得 14 出機(jī)器的振蕩周期是 1。 如圖 14 所示為時(shí)鐘電路。 CCX12MHZXTAL1XTAL2 圖 14 時(shí)鐘電路圖 復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 自動(dòng)上電復(fù)位與外部手動(dòng)復(fù)位是通常的重置方法 ,時(shí)鐘電路的單片機(jī)在以后的工作中 ,在高端重置繼續(xù)給 2 個(gè)機(jī)器周期通常可以完成復(fù)位操作。例如 ,使用晶體振蕩器頻率 12 mhz,然后復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間不應(yīng)少于 2 人。這個(gè)設(shè)計(jì)用于自動(dòng)復(fù)位電路。復(fù)位電路如圖 15 所 示： 圖 15 復(fù)位電路圖 聲音報(bào)警電路的設(shè)計(jì) B1蜂鳴器Q58550VCCGND+R132KP23 15 圖 16 聲音報(bào)警電路圖 如下圖所示，用一個(gè) Speaker 和三極管、電阻接到單片機(jī)的 P13 引腳上，構(gòu)成聲音報(bào)警電路，如圖 16 示為聲音報(bào)警電路。 顯示模塊 顯示接口電路是在顯示模塊基礎(chǔ)上的，如圖 17 所示 E1D2DP3C4G54H62H9F10A111H12B73H8DS1ABCDE FGDP 1H2H3H4HQ18550Q38550Q48550Q28550VCC1H3H2H4HR4 1KR5 1KR7 1KR6 1KP34P35 P36P37 圖 17 數(shù)碼管電路 16 4 系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)的主要思路是由預(yù)設(shè)、發(fā)射、接收、顯示、聲音報(bào)警等五個(gè)模塊為前提下組成的五個(gè)獨(dú)立模塊。在主程序中有一個(gè)鍵控循環(huán)模式 ,在我們按下控制的按鈕時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi) ,這五個(gè)獨(dú)立模塊中的每個(gè)模塊會(huì)反過(guò)來(lái)實(shí)現(xiàn) 調(diào)用預(yù)置子程序、子程序、子例程接收子程序 ,這五個(gè)獨(dú)立模塊可以 根據(jù)結(jié)果分析測(cè)量結(jié)果 。 當(dāng)測(cè)量距離小于 我們?cè)O(shè)定的安全距離時(shí)，會(huì)又蜂鳴器來(lái)發(fā)出聲音來(lái)報(bào)警 。 軟件設(shè)計(jì)思路 我們把系統(tǒng)的主程序作為第一個(gè)系統(tǒng)初始化 ,我們把定時(shí)器設(shè)置為 16 位的定時(shí)計(jì)數(shù)器為 T0 模式。一般我們把中斷程序 EA 作 為顯示端口 P0 和 P20。然后我們以發(fā)送一個(gè)超聲波作為基礎(chǔ)調(diào)用系統(tǒng)的子程序 ,我們?yōu)榱吮苊獬暡òl(fā)射器與接收的波直接傳輸而造成干擾 ,造成延遲約 毫秒的干擾，在外部中斷的時(shí)候我們接收返回的超聲波信號(hào)。超聲波防撞系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)是以超聲波接收的中斷程序和顯示子程序?yàn)榛A(chǔ)的。我們了解 C語(yǔ)言程序可以實(shí)現(xiàn)許多困難的算法 ,我們知道匯編語(yǔ)言的運(yùn)行效率比較高可以較精確地計(jì)算時(shí)間 ,和超聲波測(cè)距的程序的更加復(fù)雜的算法 ,我們要求匯編語(yǔ)言對(duì)計(jì)算程序的運(yùn)行時(shí)間比較精確。所以，我們的控制程序必須用 C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言。 超聲波汽車(chē) 防撞電路的算法設(shè)計(jì) 超聲波測(cè)距的基本思路就是記住汽車(chē)發(fā)出超聲波的某一時(shí)刻 ,當(dāng)汽車(chē)發(fā)出的超聲波遇到前方的障礙物，在被前方障礙物反射回來(lái)的波 ,然后汽車(chē)接收到前方障礙物反射回來(lái)的波。所以我們就可以計(jì)算出超聲波信號(hào)從發(fā)射到被反射回來(lái)的時(shí)間 ,然后我們就可以計(jì)算出汽車(chē)與前方障礙物的距離。距離的計(jì)算公式 : d=s/2=(ct)/2 這里的 D 是汽車(chē)與障礙物的距離 ,t 是超聲波從開(kāi)始發(fā)射到與到障礙物然后在被障礙物反射回來(lái)到汽車(chē)中的時(shí)間 。 當(dāng)開(kāi)始在發(fā)射超聲波的時(shí)候我們就就啟動(dòng) T0 定時(shí)器芯片 ,然后我們就用定時(shí)器的功能來(lái)記錄超聲波 從開(kāi)始發(fā)射到被反射回來(lái)的時(shí)間 。 當(dāng)我們收到被障礙物反射回來(lái)的超聲波 ,接收電路就是產(chǎn)生一個(gè)負(fù)面的跳 ,就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)的請(qǐng)求 INT0或 INT1終端 , 單片機(jī)外部中斷請(qǐng)求 ,外部中斷服務(wù)子程序的實(shí)現(xiàn) ,根據(jù)時(shí)間的差異 ,去計(jì)算汽車(chē)到障礙物的距離。 主程序流程圖 我們把軟件分為兩部分，分別是主程序和中斷服務(wù)程序。如圖 1 1 19 所示。我 17 們?cè)僭谕瓿煽刂瞥绦虺跏蓟那闆r下，我們每個(gè)超聲波的發(fā)射和和接收的序列。 我們?cè)谕娉沙暡ń惶鎮(zhèn)鬏敃r(shí)中斷服務(wù)子子程序的三個(gè)方向 ,主要就是外部的讀取中斷服務(wù)子程序、計(jì)算距離、 結(jié)果輸出的時(shí)間等。 程序流程圖圖 17 圖 17 程序流程圖 Y Y N N 主程序入口系統(tǒng)初始化 T1 定時(shí)時(shí)間到？ I/O 口 T0,T1 初始化 =0 開(kāi)始發(fā)射，啟動(dòng) T0,T1，開(kāi)外中斷 0， T0,T1 溢出允許