【正文】 單片機的外中斷引腳。根據(jù)(323)可得：帶寬為Bw=根據(jù)（313）A=8/3,則A0=8，所以U9=5/=U9//U10=8KΩ,所以可以得出U10=,U9==U8=4kΩ,U11=8kΩ. 當接收電路經(jīng)過放大濾波后，就需要進行檢測，這就需要一個檢測電路。圖33 帶通濾波電路為了計算簡便，設U12=U8=R，U11=2R,C5=C6=C則可由KCL列出方程，導出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為: （313）設A為所要的波，波動范圍為3KHz左右。在本設計中我們需要采用帶通濾波濾除除40kHz意外的其他雜波。它的功能是通過從零到某一截止角頻率Wh的低通信號，和大于Wl的所有頻率信號，其他的完成衰減。有源濾波電路通常可以分為以下幾類[13]:它的功能是通過從零到某一截止角頻率W的低通信號，而對于大于W的所有頻率則完成衰減。集成運放非常流行，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點。超聲波接受電路接收的信號中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲，而前端放大電路在放大有用信號的同時，會將一部分的噪聲信號同時放大[13]。R3=20OK。圖中運放的同相輸入端接有電阻U14，參數(shù)選擇時應使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即,靜態(tài)時使輸入級偏置電流平衡并讓輸入級的偏置電流在運算放大器兩個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的對輸出端的影響，故U14又稱為平衡電阻。故可知本電路中:U+=0，U=U+=0，且Ii≈If，所以有 (311)上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運算關(guān)系，式中的負號表示U0與Ui反相。由電路的基本知識，可列出: (39) (310)根據(jù)放大器理想化的兩個重要概念:=U_U+≈O，若把它理想化，則有U=0，當不是短路，故常稱為虛短。同時，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。前置放大電路單元的作用是對有用的信號進行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設計。因壓電效應晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小交變電壓信號，而不能提供電流信號。概括起來說，功率放大電路就是要在保證晶體管安全運用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。選用100uF最大耐壓值為5OV的電解電容，負載電阻為45Ω，功放管選用2SC1815，2SA1015兩匹配三極管，其耐壓為50v，大于每管電源電壓的兩倍即2(5/2)=5v。我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為： （33）最大輸出功率則為： (34)功放管的耐壓降為：Ucemx=2Vcc （35）最大集電極功率損耗為： (36)集電極效率：% （37）最大集電極允許電流： (38)采用一個電源的互補對稱電路，由于每個管子的工作電壓不是原來的Vcc，而是Vcc/2(輸出電壓最大也只能達到約Vcc/2)，所有前面導出的計算公式，只要用Vcc/2代替其中的Vcc即可。功率放大電路不可避免會出現(xiàn)交越失真的問題，但是交越失真在本設計中不會產(chǎn)生很大的影響，所以不予考慮。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供給功率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所謂效率就是負載得到的有用功率Po與電源供給晶體管功率Pe的比值，用η表示。一．功率放大電路的特點功率放大電路的主要任務是向負載提供一定的不失真(或失真較小)的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號電壓，同時還要輸出大幅度的信號電流，通常是在大信號狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒有出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是:為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運用狀態(tài)下工作。其輸出波形穩(wěn)定可靠，但輸出電流和輸出功率很低，不能夠推動發(fā)射傳感器發(fā)出足夠強度的超聲信號，所以在此間加入一單電源乙類互補對稱功率放大電路，如圖31所示。另外考慮實際發(fā)射傳感器的最大輸入電壓為20vpp，以及單片機正常工作輸出最大電壓SV，傳感器發(fā)射信號的功率直接決定發(fā)射探頭發(fā)出超聲信號的遠近，所以考慮電壓的同時應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)自動識別被測距離遠近，設置發(fā)射脈沖個數(shù)。間斷地激發(fā)換能器晶片振動。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附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動規(guī)律相同。此外，發(fā)射波形應盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應近似為統(tǒng)一頻率的振動波，以便于接受時可以采用濾波器進行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動波峰。第三章超聲波測距儀硬件設計在以上的章節(jié)中，論文對于設計的基本內(nèi)容及設計范圍做了詳細的敘述，在本章當中，將要詳細的對硬件電路進行設計。通過詳細分析超聲傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及影響超聲傳感器的幾個重要參數(shù)給出木系統(tǒng)設計中所用超聲傳感器的特性參數(shù)。硬件電路的詳細說明將在接下來的章節(jié)中逐步說明。本電路是只能停車儀的一個部分所以可以不顯示，將數(shù)據(jù)傳輸出去，但是在設計的時候為了直觀的顯示出來數(shù)據(jù)傳輸出去，用一個發(fā)光二極管來代替。本系統(tǒng)設計此部分電路時采用一級放大，和一帶通濾波電路，中心頻率4OKHZ左右，放大濾波電路均采用了高速精密運算放大器TL082，輸出信號大約在5V左右。由于單片機端口輸出功率很弱，為使測量距離滿足要求，驅(qū)動超聲傳感器UCM40T發(fā)射超聲波距離足夠遠，故在此電路上加功率放大電路。系統(tǒng)計劃在室內(nèi)實現(xiàn)小范圍測距，測試距離約在4米以內(nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖26所示。上一部分我們就影響超聲測距誤差的幾個因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比較適合的傳感器，即由一支發(fā)射探頭UCMT40和一支接收探頭UCMR40的收發(fā)分體式傳感器。此時，從接收回波信號幅度和測量盲區(qū)兩個方面來衡量比較適中，并且接收準確響應速度快。最終采用短距離(2m內(nèi))發(fā)射200us(8個40KHz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度。發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時與信號的發(fā)射能量有關(guān)。在常溫20℃下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計算出為344m/s?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長λ，傳感器半徑r有關(guān)。這樣傳感器方I句性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。工作頻率的確定主要基于以下幾點考慮:，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。hdS 障礙物發(fā)射端接收端圖25超聲測距原理圖如圖25所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用: (24)即可計算得傳感器與反射點之間的距離S，測量距離 （25）當Sh時，則d≈S，即: （26）由文獻[10]，空氣中超聲波的衰減對頻率f很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHz左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無法傳播開去的。25%pf最大輸入電壓20Vpp20Vpp超聲測距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。聲壓115dBmin(0dB=)一70dBmin(0dB=1v/ubar)指向角7580容量2500177。1kHz頻帶寬2177。表21傳感器特性參數(shù)表型號UCMt40UCMr40使用方式發(fā)射接收中心頻率40177。頻率取得太高，在傳播的過程中衰減較大，檢測距離越短，分辨力也變高。收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。一般電子市場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。二、超聲傳感器的選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭(接收縱波)、斜探頭(接收橫波)、表面波探頭(接收表面波)、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在20℃一+70℃溫度范圍內(nèi)可以長期工作。以石英晶片為例，當溫度達到+290℃時靈敏度可降低6%。一般為幾度至幾十度。靈敏度的單位是分貝(dB)，數(shù)值為負，它主要取決于晶片材料及制造工藝。中心頻率最高，測距越短，而分辨力越高。一、主要參數(shù)中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。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。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。圖24超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖24所示，它采用雙晶振子，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。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。壓電陶瓷晶片有一個固定的諧振頻率，即中心頻率兒。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機械波作用，這將會使其產(chǎn)生機械變形，這種機械變形是與超聲機械波一致的，機械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機械波相同的電信號[7]。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時，根據(jù)壓電效應，就會使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小和方向在一定范圍內(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。當超聲波作用于晶片時，晶片受迫振動引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應的電信號，是正壓電效應。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯欽酸鉛，欽酸鋇等。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測中最常用的實現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測裝置的重要組成部分。流體動力型