【正文】 超聲波的發(fā)射強度。當 P3 腳為高電平時，三極管截至，相對應(yīng)的數(shù)碼管就不亮；當 P3 腳為低電平時，三極管導通，相對應(yīng)的數(shù)碼管就亮 ,通過輪流使 P3． 0~P3． 3 賦高低電平，達到數(shù)碼管輪流的點亮，由于視覺造成的效果顯示好象是同時亮的，這即動態(tài)掃描顯示。本設(shè)計采用動態(tài)顯示方式。所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地循環(huán)點亮顯示器各個位（掃瞄），對于顯示器地每個位來說，每隔一段時間點亮一次。所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定地導通或截止。在四位一體的 LED顯示器中，各個相同的段連在一起（構(gòu)成 LED顯 示器的 8個引腳），再加上連接位控線的 4個引腳，總共 12個引腳，如圖 35所示。否則，如果是將正極（陽極）內(nèi)接在一起引出的，則稱為共陽數(shù)碼管，共同的引腳則稱為共陽極， 8個負極則為段極。我們通常又將各二極與一個字節(jié)的 8位對應(yīng)， a(D0),b(D1),c(D2),d(D3),e(D4),f(D5),g(D6),h(D7)，相應(yīng) 8個發(fā)光二極管正好與單片機一個端口 Pn的 8個引腳連接，這樣單片機就可以通過引腳輸出高低電平控制 8個發(fā)光二極的亮與滅，從而顯示各種數(shù)字和符號；對應(yīng)字節(jié)，引腳接 法為： a()， b()， c()， d()， e()， f()，g()， h()。作為習慣，分別給 8個發(fā)光二極管標上記號： a,b,c,d,e,f,g,h。顯示部分電路如圖 36所示。電路如圖 34所示。采用 12M高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定的時鐘頻率，減小測量誤差。下面就對每一個部分進行介紹。 ，顯示在 LED上。 1：回波信號到達，關(guān)閉計時器， “ 0”，清 “ 0” 情況 2：回波信號沒有到達，關(guān)閉計時器，清 ， “ 0” 繼續(xù)重一開始。當溫度不便或者常溫時可以認為 c 時固定不變的。而所測距離是聲波傳輸距離的一半 ，即： /2s ct? () 式中， c 為超聲波在空氣中的傳播速度 。本論文硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為 :檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波 (假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體 )，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間，即往返時間。 圖 32 超聲波測距器系統(tǒng)設(shè)計框圖 測距原理 超聲波測距的方法有多種，如相位檢測法、聲波幅值檢測法和往返時間檢測法等。 4 XTAL2 0 時鐘振蕩器輸出腳：此腳接到單片機內(nèi)部的反相振蕩放大器（ Oscillator39。 充分利用 AT89C2051的片內(nèi)資源，即可在很少外圍電路的情況下構(gòu)成功能完善的超聲波測距系統(tǒng)。作為一個計數(shù)器，該寄存器在相應(yīng)的外部輸入腳 。作為一個定時器，每個機器周期寄存器增加 1，這樣寄存器即可計數(shù)機器周期?？傻綦姳４?RAM的內(nèi)容，但可使振蕩器停振以禁止芯片所有的其它功能直到下一次硬件復(fù)位。 AT89C2051的特點除了表中所描素的以外它還 支持二種軟件可選的電源節(jié)電方式。 AT89C2051是一個 2k字節(jié)可編程 EPROM的高性能微控制器。 表 1 AT89C51和 AT89C2051主要性能表 AT89C51 AT89C2051 4KB可編程 Flash存儲器（可擦寫 1000次） 2 KB可編程 Flash存儲器（可擦寫 1000次） 三級程序 存儲器保密 兩 級程序 存儲器保密 靜態(tài)工作頻率： 0Hz－24MHz 靜態(tài)工作頻率： 0Hz－24MHz 128字節(jié)內(nèi)部 RAM 128字節(jié)內(nèi)部 RAM 2個 16位定時計數(shù)器 /計時器 2個 16位定時計數(shù)器 /計時器 一個串行通訊口 一個串行通訊口 六個中斷源 六個中斷源 32條 I/O引線 15條 I/O引線 片內(nèi)時鐘振蕩器 一個片內(nèi)模擬比較器 從上表可以看出它們大體相同，由于 AT89C2051的 IO線很少，導致它 無法外加 RAM和程序 ROM,片內(nèi) Flash存儲器也很少，但它的體積比 AT89C51小的多，價格也便宜一些。 要選用阻抗較高的前置放大器，以獲得較高的接收靈敏度和選擇性 。 ，設(shè)計時元件參數(shù) 經(jīng)過比較精確的計算。 在設(shè)計超聲波傳感器測距電路時應(yīng)注意以下幾點： ，驅(qū)動時所需電流較小，一般僅為幾毫安到十幾毫安。關(guān)于超聲波的發(fā)射電路，接收前置放大，脈沖形成與記憶電路，電源電路，以及碼分制超聲波測距電路中的編碼與解碼電路，脈沖調(diào)制與解調(diào)電路。在實際的應(yīng)用中 ，一般選用 30100KHz的超聲波進行距離測量，比較的典型的頻率為 40KHz。它的物理意義在于 :超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗，在長度 上， 平面聲波的振幅衰減為原來的 1/e。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 20f??? () 其中， 0? 為介質(zhì)常數(shù)， f 為振動頻率。聲學理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。聲波的描述方程與電磁波是類似的 : ? ? ? ? ? ?c os tA t A x k x??? () 上式 中 ， ??AxA(x)為振 幅， ? 為傳播角頻率， t 為傳播時間， x 為傳播距離， 2/k ??? 為波 速 ， ? 為聲波波長。其中，吸收衰減主要是由媒質(zhì)的粘滯性、熱傳導及各種弛豫過程引起的 :散射衰減是由于聲波在 遇到媒質(zhì)界面時，向不同的方向產(chǎn)生散射，從而導致聲波減弱 。 圖 26 傳感器回波原理分析 超聲波的衰減 聲波在媒質(zhì)中傳播時，其強度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為聲衰減。從距離上說，根據(jù)盲區(qū)時間和聲速，就可以求得盲區(qū)距離。另外，從圖中 A點以后，接收信號才比發(fā)射信號大，但還將與發(fā)射信號相迭加，難以分辨。為保證一定的信噪比，接收信號幅值需達到規(guī)定的闡值V，亦即接收信號的幅值必須大于這一 m值才能使接受放大器有輸入信號。當反射面離探頭越來越遠，接收和發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值也越來越小。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定的寬度，加上放大器有阻塞問題，在靠近發(fā)射脈沖一段時間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱為盲區(qū)，具體分析如下 :當發(fā)射超聲波時，發(fā)射信號雖然只維持一個極短時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定余振 (由于機械慣性作用 )。不同的檢測儀阻塞程度不一樣。 測量盲區(qū) 在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的 發(fā)射電脈沖在激勵傳感器的同時也進入接收部分。 圖 25 碼分制超聲波測距電路原理圖 由圖 25 可見，碼分制超聲波測量電路與碼分制紅外遙控電路的結(jié)構(gòu)基本相同，只是發(fā)射與接收的器件不同而已。 1．單通道超聲波檢測電路 單通道超聲波檢測電路比較簡單，其原理圖如圖 24 所示 圖 24 單通道超聲波測距電路原理圖 單通道超聲波測距電路的發(fā)射器一般由超聲波信號振蕩器（由 AT89C2051單片機來實現(xiàn)），驅(qū)動電路，超聲發(fā)射器件（超聲波傳感器發(fā)射 TX401）構(gòu)成；接收電路一般由超 聲波接收器（超聲波傳感器接收 RX401），前置放大器，記憶驅(qū)動電路，執(zhí)行電路構(gòu)成。但由于這個特性，使頻分制超聲波多通道檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)起來不太方便。若將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來可提高抗干擾性能。 本測距儀使用的超聲波換能器是 TCT4012F1(T發(fā)射 )和 TCT4012S1(R接收 )，中心頻率是 40KHz。 圖 23 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 由于是利用超聲波測距，要測量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波必須要有一定的功率和合理的頻率才能達到預(yù)定的傳播距離，同時這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有得到足夠的回波功率，接收電路才能檢測到回波信號 和防止外界干擾信號的干擾。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，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時，它就是一個超聲波發(fā)生換能器；反之，如果兩電極間沒有外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，使機械能轉(zhuǎn)化為電信號，這是它就成為超聲波接收換能器了。壓電式超聲波 換能 器 是利用壓電晶體的諧振來工作的。用于測距的傳感器的中心頻率一般為 40KHz。 當所用的壓電材料不變時，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便地改變其固有諧振頻率。 壓電陶瓷晶片有一個固有的諧振頻率，即中心頻率 fo，發(fā)射超聲波時，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率 fo 一致；接收超聲波時，作用在其 上面的超聲機械波的頻率也要與它的固有頻率 fo 一致。 C0 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻， Cm 和 Lm 為機械共振回路的電容和電感。因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動。 圖 雙壓電晶片示意圖1 . 3 圖 21 雙壓晶片示意圖 圖 21 是雙壓晶片示意圖。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 fo 的交流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種振動推動空氣等媒質(zhì)，便會發(fā)出聲波。這種超聲傳感器需用的壓電材料較少， 價格低廉，且非常適用于氣體和液體的介質(zhì)中。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。總體上講，超聲波 換能 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。另外超聲波在傳輸距離稍大時衰 減很大，精度也隨之降低。但值得注意的是 ，超聲波在空氣中傳播速度會隨介質(zhì)溫度的升高而增大 ， 氣溫每上升 1攝式度 ， 聲波速度增加 0. 6mPs。 這樣，在實際測量中，我們可以根據(jù)聲速與溫度的關(guān)系作相應(yīng) 的溫度補償。超聲在一般流體媒質(zhì) (氣體、液體 )中的傳播理論已較成熟。也就是說，在聲擾動下，氣體媒質(zhì)中的質(zhì)點在各自平衡位置附近運動，形成稠密和稀疏依次交替的傳遞過程，而且，質(zhì)點運動的方向與聲波傳播的方向一致。某種媒質(zhì)中的聲速主要取決于該媒質(zhì)的密度和溫度。其符號為 c， 單位為 m/s。從聲源發(fā)出的聲波向各個方向擴散時，聲波可能被反射、折射、散射、衍射 、 干涉和吸收。因此你也可以接 收到來自物體內(nèi)部的信號，不過它是很細微的 。 目標物體的組成成份也是一個因素。反射波的振幅與目標物體上能 產(chǎn)生反射的表面成比例。 超聲聲速的計算 由于超聲 有很好的指向性，超聲在某種媒質(zhì)中的傳播速度較為恒定，因此 超聲最常用的功能是距離測量及定位。功率超聲則主要利用超聲的能量對物質(zhì)的作用，即利用超聲振動產(chǎn)生的大功率、高強度超聲波， 來改變物質(zhì)的性質(zhì)與狀態(tài)。如超聲測距、測厚、測物位、工業(yè)測井、工業(yè)無損探傷、測媒質(zhì)的流速、密度、粘度、硬度等等。同時，當超聲在媒質(zhì)中傳播時，由于聲波和媒質(zhì)之間的相互作用，使媒質(zhì)發(fā)生一系列物理的和化學的變化，也出現(xiàn)一系列力學、光學、電、化學等超聲效應(yīng)因此，就超聲的物理機制和應(yīng)用目的來看 ，可大致分為檢測超聲和功率超聲。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都己成功地用于雷達、電子通信和成像技術(shù)等方面。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。 20世紀初，電子學的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮 效應(yīng)制成各種機電換能器。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和液哨等機械型超聲換能器。 超聲的發(fā)展史 超聲的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。頻率高于人類聽覺上限頻率 (約 20200Hz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。隨后，由于媒質(zhì)的反彈作用，該質(zhì)點及相鄰質(zhì)點又相繼返回其平衡位置，但因質(zhì)點運動的慣性，它們又在相反方向產(chǎn)生上述過程。按線性聲學的觀點，對聲波產(chǎn)生的物理過程做如下定性描述。 波是由某一點上開始的擾動所引起的 ,并按預(yù)定的方式傳輸或傳播到其他點上。在國外， 19世紀，聲學己成為具有現(xiàn)代意義的科學并發(fā)展到相當高的水平。在科學史上，人們很久以前對聲音信號就有了認識，聲學是最早發(fā)展的學科 之一。比如要測量有毒或有腐蝕性化學物質(zhì)的液面高度或高速公路上快速行駛汽車之間的距離。 由于超聲波指向性好 ,能力消耗緩慢 ,在介質(zhì)中傳播的距離較遠 ,因而超聲波經(jīng)常被用于距離的測量 ,利用超聲波檢測距離設(shè)計比 較簡單 ,計算處理也比較簡單 ,并且在測量精度方面也能達到日常使用要求。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強度好控制，因人類采用仿真技能利用超聲波測距。此外在材料科學、醫(yī)學、生物科學等領(lǐng)域中也占據(jù)重要地位。 這些年來 ，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。例 如，頁面測量就是一種距離測量，傳統(tǒng)的電極法是采用差位分布電極，通過給電或脈沖來檢測頁面，電極長期浸泡于水中或其他液體中，極易被腐蝕、電解，失去靈敏性。ranging system 。單片機程序使用 KEIL 設(shè)計并調(diào)試。軟件部分主要由主程序、