【正文】 口線和增用不少硬件芯片，成本較高。其原理比較簡(jiǎn)單。采用靜態(tài)掃描方式控制點(diǎn)亮 LED 數(shù)碼管無(wú)位選信號(hào)，各數(shù)碼管是同時(shí)點(diǎn)亮的 。而所謂動(dòng)態(tài)掃描就是指我們采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的 COM 端，使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮。其接口電路是把所有顯示器的 8 個(gè)筆劃段 a— h 同名端連在一起，而每一個(gè)顯示器的公共極 COM是各自獨(dú)立地受 I/O 線控制。硬件譯碼則采用CD451 74LS4 74LS4 74LS4 74LS49 等 BCD 碼七段鎖存、譯碼、驅(qū)動(dòng)芯片直接譯出筆劃信息。兩種數(shù)碼管僅在單片機(jī)編程時(shí)數(shù)碼對(duì)應(yīng)的筆劃信息碼不同。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的一段筆劃或點(diǎn)就發(fā)亮，控制不同二極管導(dǎo)通就能顯示出不 同符號(hào)。 LED 數(shù)碼管顯示與單片機(jī)接口通常涉及以下幾個(gè)問(wèn)題 : 數(shù)碼管顯示用共陰極管還是共陽(yáng)極管 問(wèn)題 1 采用共陰極數(shù)碼管還是共陽(yáng)極數(shù)碼管沒(méi)有太明顯的優(yōu)缺點(diǎn)。液晶屏。 單片機(jī)顯示電路設(shè)計(jì) 顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類型不同而己。 ?? KR 2020 。圖中 運(yùn)放的同相輸入端接有電阻 pR ，參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即 32 //RRRP ? ，靜態(tài)時(shí)使輸入級(jí)偏置電流平衡并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移對(duì)輸出端的影響，故 PR 又稱為平衡電阻。 故可知本電路中 :U 0,0 ??? ??? UU ，且 I fi I? 所以有 11 iURRU 23??? (34) 上式表明 ，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號(hào)表示 ?U 與 iU 反相。 由電路的基本知識(shí)，可列出 : I2RUUii ??? （ 32) I3RUUf ?? ?? (33) 根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念 : U通常接近于零，即 U=U? U? ? O，若把它理想化，則有 U=0，但不是短路，故常稱為虛短。同時(shí)，換能器的輸出電 壓很小(數(shù)十毫伏 )，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓 (Input Offset Voltage)。 前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變 的電壓信圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖 10號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。另外考慮實(shí)際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為 20Vpp，以及單片機(jī)正常工作輸出最大電壓 5V，傳感器發(fā)射信號(hào)的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號(hào)的遠(yuǎn)近，所以考慮電壓的同時(shí)應(yīng)該考慮如何提高其功率，才能使得發(fā)射電路更合理。本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。 通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為 :單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。 由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)時(shí)推動(dòng)附近的空氣發(fā)出的疏密波，其“波形”應(yīng)與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。此外，所發(fā)射的超聲波應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的各個(gè)振動(dòng)應(yīng)近似為同一頻率的振動(dòng)，以便接收時(shí)可采用帶通濾波器消除干擾和每次都接收到同一個(gè)振動(dòng)波峰。圖中輸出端上拉電阻 R31， R32，一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。編程由單片機(jī) 端口輸出40 kHz 左右的方波脈沖信號(hào)，由于 單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號(hào)分成兩路，送給一個(gè)由 74HC04 組成的推挽式電路進(jìn)行功率放大以便使發(fā)射距離足夠遠(yuǎn)，滿足測(cè)量距離要求，最后送給超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 以聲波形式發(fā)射到空氣中。 發(fā)射電路設(shè)計(jì) 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT40－ 16T 能向外界發(fā)出 40 kHz左右的方波脈沖信號(hào)。為節(jié)省硬件考慮 ， 顯示電路采用動(dòng)態(tài)掃描顯示。 由于 從接收傳感器探頭 UCM40T 傳來(lái)的超聲 波 回波很微弱（幾十個(gè) mV 級(jí)），又存在著較強(qiáng)的噪聲，所以放大信號(hào)和抑制噪聲是放大電路必須考慮。 發(fā)射電路采用單片機(jī) 端口編程輸出 40KHz 左右的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0。 隨著超聲波測(cè)量技術(shù) 的 不斷提高，用超聲波測(cè)量 任何目標(biāo)物體 ，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問(wèn)題。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方 8面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。長(zhǎng)距離 (2m外 )發(fā)射 800181。最終采用短距離 (2m內(nèi) )發(fā)射 200181。s(8 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 800181。s(l 個(gè) 40KHz 方波脈沖 )， 100181。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波及比較電路都造成一定困難。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行角度補(bǔ)償） 發(fā)射脈沖寬度 發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同 時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)?？諝?中聲速與溫度的關(guān)系可表示為： )/( smTTc ???? (23) 聲速確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間，即可求得距離： L=1/2(+)t。如果測(cè)距精度要求很高，則可通過(guò)改變硬件電路增加溫度補(bǔ)償電路的方法或者在硬件電路基本不變的情況下通過(guò)軟件改進(jìn)算法的方法來(lái)加以校正。 7 圖 26 測(cè)距原理 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 c 與空氣溫度有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，溫度每升高 1 攝氏度，聲速增加 米／秒。設(shè) l 為測(cè)量距離， t 為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為 c，則有 l=ct/2。本文中選用的探頭是 4OKHz 的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器 UCMT40KI 和一支接收傳感器 UCMR4OKI 組成，其特性參數(shù)如表 25 所示。 在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多 。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波 。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過(guò)金屬板 (振動(dòng)板 )接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，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。發(fā)射超聲波時(shí)，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。 圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， OC 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗 ,并聯(lián)電阻 Cm和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， mR 為損耗串聯(lián)電阻。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)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(hào)。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)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 5在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。屬于晶體的如石英，妮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，欽酸鋇等。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)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(cè)裝置的重要組成部分。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(cè)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(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛”。感器。電聲型主要有 : 。它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。 v=331． 4+0． 607T (22) 式中， T 為實(shí)際溫度單位為℃， v 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s。 假定 s 為被測(cè)物體到測(cè)距儀之間的距離，測(cè)得的時(shí)間為 t／ s，超聲波傳播速度為 v／ m其原理是超聲波傳感器發(fā)射一定頻率的超聲波，借助空氣媒質(zhì)傳播，到達(dá)測(cè)量目標(biāo)或障礙物后反射回來(lái)，經(jīng)反射后由超聲波接收器接收脈沖，其所經(jīng)歷的時(shí)間即往返時(shí)間，往返時(shí)間與超聲波傳播的路程的遠(yuǎn)近有關(guān) 。 超聲波測(cè)距的方法有多種：如往返時(shí)間檢測(cè)法、相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法。在超聲波電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，脈沖寬度越大，輸出的個(gè)數(shù)越多，能量越大，所能測(cè)的距離也越遠(yuǎn)。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，產(chǎn)生超聲波。本次設(shè)計(jì)超聲波傳感器采用電氣方式中的壓電式 超聲波傳感器分機(jī)械方式和電氣方式兩類，它實(shí)際上是一種換能器，在發(fā)射端它把超聲波換能器，它是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。反之，如果兩極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收器了。它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有 加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。 (3) 熱學(xué)作用 如果超聲波作用于介質(zhì)時(shí)被介質(zhì)所吸收，實(shí)際上也就是有能量吸收，同時(shí)，由于超聲波的振動(dòng)，使介質(zhì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。超聲波引起質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動(dòng)的頻率的平方成正比的質(zhì)點(diǎn)的加速度卻很大，有時(shí)足以達(dá)到破壞介質(zhì)的程度。由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個(gè)包括最大最小的揚(yáng)聲場(chǎng)。 (2)超聲波的衰減 超聲 波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強(qiáng)按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。 超聲波的物理性質(zhì) (1) 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時(shí)，一部分超聲波被反射；另一部分透射過(guò)界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播。橫波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。因此，我國(guó)對(duì)超聲波的研究特別活躍。超聲波技術(shù)是通過(guò)超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過(guò)程完成的。同時(shí)由于超聲波測(cè)距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車倒車?yán)走_(dá)的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的指標(biāo)要求，因此為了使移動(dòng)機(jī)器人能夠自動(dòng)躲避障礙物行走，就必須裝備測(cè)距系統(tǒng)，以使其及時(shí)獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）?？稍诓煌h(huán)境中進(jìn)行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進(jìn)行差值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。 由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護(hù)、不污染、高可靠、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測(cè)距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪?。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入 介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測(cè)量技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，而超聲波測(cè)量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。 源 程序 ........................................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。再設(shè)計(jì)的過(guò)程中考慮了這些因素，并給 出了一些解決方案。 實(shí)際的環(huán)境對(duì)超聲波有很大的影響，如外部電磁干擾電源干擾信道干擾等等，空氣的溫度對(duì)超聲波的速度影響也很大。另外程序控制單片機(jī)消除各探頭對(duì)發(fā)射和接收超聲波的影響。軟件程序主要由主程序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序等模塊組成。發(fā)射探頭的信號(hào)經(jīng)放大和檢波后發(fā)射出去，單片機(jī)的計(jì)時(shí)器開始計(jì)時(shí)，超聲波被發(fā)射后按原路返回 ,在經(jīng)過(guò)放大帶通濾波整形等環(huán)節(jié) ,然后被單片機(jī)接收 ,計(jì)數(shù)器停止工作并得到時(shí)間。我采用 以 AT89C51單片機(jī)為核心的低成本、高精度、微型化數(shù)字顯示超聲波測(cè)距儀的硬件電路。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括兩部分，即硬件電路和軟件程序。正是因?yàn)榫哂羞@些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測(cè)量中。圖表整潔，布局合理，文字注釋必須使用工程字書寫，不準(zhǔn)用徒手畫 3）畢業(yè)論文須用 A4 單面打印，論文 50 頁(yè)以上的雙面打印 4）圖表應(yīng)繪制于無(wú)格子的頁(yè)面上 5）軟件工程類課題應(yīng)有程序清單，并提供電子文檔 1）設(shè)計(jì)（論文） 2）附件：按照任務(wù)書、開題報(bào)告、外文譯文、譯文原文（復(fù)印件）次序裝訂 指導(dǎo)教師評(píng)閱書 指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)