【正文】 源 ， 結(jié)構(gòu)簡單 ， 成本低廉 ， 精確度高 ， 便于總線擴展和維護等諸多優(yōu)點。此種形式 的溫度測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜 ， 調(diào)試繁鎖 ， 測量精度易受元器件參數(shù)影響。本文采用 DS18B20檢測現(xiàn)場溫度 ， 用以實現(xiàn)實際波速的校準。 表 2 波速與溫度關(guān)系表 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 40 波速（ m/s） 313 319 325 332 338 344 350 388 由表 2可見溫度對于超聲波測距系統(tǒng)的影響是不可忽略的。由式子 1℃ ， 聲速增加約為 / s。其中電阻 R15 和 R16 均為限流電阻，其電流值為： 。 12V的電壓信號轉(zhuǎn)化為單片機能夠處理的信號，其設(shè)計電路如圖 所示，在此電路中 Vcc 接 5V電源。因為單片機 STC89C52 的高低電平為 0～6V 左右，所以比較器輸出的電壓不能直接送給單片機去處理。當超聲波接收到信號時其比較器的輸出電壓 V4 為 +12V；當沒有接收到信號時，其比較器的輸出電壓 V4 為 12V。經(jīng)過多次測量并使用示波器觀察峰值檢波電路的輸出電平，最終將門限電壓設(shè)置為1V，其實驗電路如圖 所示。為了判斷超聲回波信號前沿以進行渡越時間 t 的測定而設(shè)置一定的門限電壓， 但由于每次測距的回波信號的峰值不同，當選取一定的門限電壓時，如果門限值設(shè)置過高，會造成信號的漏觸發(fā)，但也不能設(shè)置過低，否則會造成噪聲信號的誤觸發(fā)。 （其中 RD1,RD2分別為二極管的正向?qū)娮柚禐?120Ω） 電壓比較器模塊 超聲波傳感器所接收到的信號經(jīng)過放大和峰值檢波后變?yōu)橹绷餍盘?，為了判斷其是否接收到的回波信號? 其峰值檢波電路如圖 。通過公式 和 來分別計算其充電時間 Г 1和放電時間Г 2 。因為交流信號無法由單片機來處理，所以應(yīng)將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號。同相放大器平衡電阻公式為： （ ） 由公式 ，在圖 ,C5和電阻 R9構(gòu)成了一階濾波電路。為了防止引起運算放大器的自激振蕩，在第一級放大電路中， R7取值為 470KΩ ,R8取值為 10 KΩ ,其增益放大 : 31 12 1 .21 0 1 0I m A???3 31 7 4 7 0 1 01 1 4 88 1 0 1 0RAf R ?? ? ? ? ??1 RfAf Rr??南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 在第二級放大電路中， R11和 R12的取值分別為 100 KΩ、 10 KΩ，其放大增益： 其兩級增益： 12 48 11 528Af Af Af? ? ? ? ?。因為同相放大電路的理想輸入阻抗 Rin=∞，理想輸出阻抗 Rout=0，其帶負載能力較強等諸多因素，所以選擇此電路。 在此電路中，放大部分采用的是高速型運放 TL084。上拉電流的大小為： 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 圖 超聲波驅(qū)動電路 接收放大電路模塊 超聲波接收傳感器通過壓電轉(zhuǎn)換的原理，將由障礙物返回的回波信號轉(zhuǎn)換成電信號，由于該信號幅度較小 (幾到幾十毫伏 )，因此須由低噪聲放大、 40kHz帶通濾波電路將回波信號放大到一定幅度，使得干擾成分較 少，其電路圖如圖 。該電路 原理簡單， 連線方便，價格又相對便宜 [13]。每路信號經(jīng)過兩個并聯(lián)的非門是為了增加電流驅(qū)動能力。 為使發(fā)送器得到最大的能量， CD4069 采用了 12V 電壓驅(qū)動。輸出級實際上屬于全橋式接法， 使發(fā)射器有效電壓增倍，電路圖如圖 所示。 ? ? ? ?3 2 21. 4311 402P H P Lf KH zT tt R R C? ? ? ?? ?32312 331. 43 221. 43 2 2. 7 1033 00 10 40 105. 4 10RRCf????? ? ? ?? ? ?? ? ?南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 14 圖 555 構(gòu)成的多諧振蕩器電路 圖 555 芯片 3 腳的輸出波形 驅(qū)動電路模塊 超聲波驅(qū)動電路是由門電路組成的傳感器振蕩發(fā) 射電路， 其輸人信號由 555 定時器構(gòu)成的多諧振蕩器提供。 為了增大 U1的輸出功率，將 555 芯片的 8 腳接 +12v 的電壓，同時將其復(fù)位端 4接高電平，使用示波器觀察 555芯片 3腳的輸出波形，如圖 所示。在電路設(shè)計時，先確定 C2,R2 的取值，即 C2=3300pf， R2= KΩ 。 C2 放電終止、又重新開始充電，周而復(fù)始，形成振蕩。接通電源后，電容 C2 來不及充電， 6 腳電壓 Uc=0，則 U1=1,555 芯片內(nèi)部的三極管 VT處于截止狀態(tài)。最后制訂了本次畢業(yè)設(shè)計超聲波測距系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 框圖，如圖 所示： 接收 渡越 時間 按鍵控制 發(fā)射 溫度 補償 圖 超聲波測距系統(tǒng)的基本組成 計時 驅(qū)動發(fā)射電路 信號接收 及放大電路 峰值檢波 及電平變換 單 片 機 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 控 制 超聲波 發(fā)射器 超聲波 接收器 溫度測量電路 數(shù) 碼 顯 示 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 各功能模塊電路介紹 超聲波產(chǎn)生電路 在本系統(tǒng)中利用 555 定時器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生 40KHz 的超聲波。 實時顯示實測 距離、 溫度。 測量距離為 4CM4M，測量誤差 ≤ 1CM。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 第四章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計思路及調(diào)試 設(shè)計要求 利用超聲波換能器和單片機設(shè)計 一種 非接觸式測距儀， 該裝置 的測量距離為4CM4M，并且具 有 溫度補償 、 測量 準確、 性能 可靠性等優(yōu) 點。在此方案中要求在峰值檢波時要考慮延時時間的合理取值，而且在運放選擇時一定要使用高速型運放，這樣當接收到回波信號時，就能很快轉(zhuǎn)換好，使得測量的時間較為準確。在信號放大模塊的電路中，考慮到傳感器所接收到的信號幅度為毫伏級以及運放在增益過大時容易造成自激振蕩的特點，所以在設(shè)計時采用了兩級放大的模式，最終放大 400多倍，而且直接通過硬件就可以實現(xiàn)，使得在設(shè)計上比方案二較為簡單。 方案三在超聲波發(fā)射電路中采用了和方案二相同的電路，只是在超聲波接收部分的電路上有很大的不同。另外還使用了專用集成芯片 CX20206A和鎖相環(huán)電路，使得在頻率上能夠很好的鎖定 f0=40KHz的信號，抗干擾的能力較強，但是在采用這種方案將會大大提高設(shè)計成本。同時也可能會給使用者帶來造成觸電的危險，而且變壓器的體積比較大，在使用時也會帶來許多不便。另外采用變壓器的方式來增大發(fā)射功率，使得加載在超聲波傳感器的電壓為 100V，而且在超聲波接收電路中采用自動增益的方式，這樣可以利用超聲波來近距離測量以及測量較遠的距離。最終達到對回波進行放大檢測，產(chǎn)生一個單片機能夠識別的中斷信號作為回波到達的標志。但是，每一只實際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值，即當工作電壓超過了這個極限值之后，會對傳感器的內(nèi)部電路造成不可恢復(fù)的損害。當接收到超聲波的反射波時，接收電路的輸出端就會產(chǎn)生一個負跳變，即在 ，從而來停止 T1計數(shù)，然后通過相應(yīng)的計算來算出所測距離并顯示。然后經(jīng)過峰值檢波后轉(zhuǎn)化為直流信號，在經(jīng)過電壓跟隨器、電壓比較電路和利用三極管的截止與飽和狀態(tài)來獲取所需要的電平送至單片機處理。由于超聲波接收器接收的信號幅度為毫伏級 ，因此采用將接收到的信號先濾波后放大的處理方式。在超聲波發(fā)射電路中采用的是 CMOS系列的與非門 CD4069構(gòu)成推挽式的反向放大電路，同時也可以通過加大 CD4069的工作電壓的方式來進一步增大發(fā)射功率。在超聲波產(chǎn)生電路中，主要是利用單片的 I/O口 555芯片的 4腳。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 路輸出到鎖相環(huán)路，實現(xiàn)準確的計時 [11]。 在超聲波接收放大模塊中，采用的是專用集成芯片 CX20206A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片。然而要想利用超聲波測得的距離越遠其發(fā)射功率也就需要更大，增大功率的方式有增大電流或是增大電壓的方式。 方案二 在此方案中，仍然采用 stc89c52作為超聲波測距系統(tǒng)的中心。由于超聲波回波信號隨著被測距離大小的變化，其幅值變化也很大， 必須經(jīng)過增益控制， 以滿足整形電路的要求。在接收電路中設(shè)計了前置放大、帶通濾波（中心頻率 f0=40KHz）、自動增益控制（ AGC）電路和整形電路。在變壓器副線圈上將電壓 10倍放大，這時在超聲波傳感器發(fā)射端上加載的正弦電壓幅值約為 100V來驅(qū)動超聲波發(fā)射端 UCM40T，發(fā)出 40KHZ的脈沖波信號，且持續(xù)發(fā)射 200us。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第三章 超聲波測距系統(tǒng)硬件設(shè)計方案論證 方案一 本方案使用的單片機是 stc89c52，它經(jīng)濟易用，且片內(nèi)有 8K的 ROM，便于編程。盲區(qū)的形成是為解決超聲波自身繞射問題而延伸出的另一問題。 南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 盲區(qū)處理 盲區(qū)處理是超聲波測距的重要技術(shù)環(huán)節(jié)，盲區(qū)范圍大小是衡量測距系統(tǒng)性能的重要指標。利用查詢或 者中斷的方法便可以檢測出這些脈沖，便于測量出發(fā)射到接收到脈沖的時間。這種方法實現(xiàn)起來較包絡(luò)檢測方便，電路實現(xiàn)簡單，精度也較高 [9]。檢測脈沖計數(shù)法 : 脈沖檢測法是對有回波信號經(jīng)檢測電路產(chǎn)生的脈沖進行檢測的方法。因此，實現(xiàn)超聲波測距必須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。但由于超聲波的速度比較快，在測短距離的時候，將其作為超聲波走過 2L路程的時間）。如收發(fā)一體的傳感器，其工作原理圖如圖 ；收發(fā)分體超聲波傳感器，其工作原理圖如圖 。往返時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘，就是聲波傳輸?shù)木嚯x。因此，實現(xiàn)聲波測距須避開直接測量時間的方法，才能獲得實用的測長精度。 超聲測距原理 測距是立足于聲速在既定的均勻媒介傳播速度有一恒定數(shù)值，不隨聲波頻率變化的特點。（錐 形輻射器控制超聲波的發(fā)射角度） 接收器在收到由發(fā)射器傳來的超聲波后，使內(nèi)部的諧振片諧振，通過聲電轉(zhuǎn)換作用將電能轉(zhuǎn)換為電脈沖信號，由于該電脈沖的信號幅度很?。é?V級）經(jīng)信號放大器放大，最后驅(qū)動執(zhí)行器使電路工作。 1KHz 發(fā) 射電壓 大于 115DB 接收靈敏度 大于 64DB/V/ubar 6DB指向 50deg 電容 2400177。 （ 2）逆壓電效應(yīng)： 在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，會產(chǎn)生機械變形，當去掉外加電場時，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種將電能轉(zhuǎn)換為機械能的現(xiàn)象稱逆壓電效應(yīng)（超聲波發(fā)射器的工作原理）。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各有不同，因而用途也各不相同。 表 1 T/R40的特征參數(shù)圖 總體上講超聲波發(fā)生器可以分為兩大類： 1）使用電氣方式產(chǎn)生超聲波； 2）是用機械方式產(chǎn)生超聲波。常用的傳感器有 T40XX和 R40XX系列，UCM40T， UCM40R等，其中 T代表發(fā)射傳感器， R代表接收傳感器， 40為中心頻率 40KHz。發(fā)射器將電磁振蕩轉(zhuǎn)換為超聲波向空間發(fā)射，接收器將接收的超聲波進行聲電轉(zhuǎn)換變?yōu)殡娒}沖信號。 C，超聲波在空氣中的傳播速度 C1=, ?kC ?1?????2C?南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 5 C=+ (m/s) （ ） 式中 T:176。 二 超聲波的傳播速度 縱波、橫波及表面波的傳播速度取決于介質(zhì)的彈性常數(shù)以及介質(zhì)的密度。聲波在空氣媒質(zhì)里傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為 : 2fa??? () 式中， a為介質(zhì)常數(shù)， f為振動頻率。因為電磁波的傳播速度為 8310? m/ s，而超聲波在空氣中的傳播速度為 340m / s，其速度相對電磁波是非常慢的。一般而言是指聲音超過了 20KHz時稱之為超聲波。為了進一步提高超聲波測距儀的測量精度和分辨力，又進行了設(shè)計改進，采取聲速預(yù)置和媒質(zhì)溫度測量相結(jié)合的辦法對聲速進行修正 ，可有效地