【正文】 、超聲波接收中斷程序及顯示子程序組成。單片機通過兩根I/O口控制TC35的開關(guān)機、復位等，通過串口與TC35進行數(shù)據(jù)通信，通信速率為9600Kbps，采用8位異步通訊方式，1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。所以該模塊對電源的要求較高，電源的內(nèi)阻+FFC聯(lián)接線的電阻必需小于200mΩ。同時模塊在在發(fā)射時，電流峰值可高達2A。SIM電壓為3V/，TC35i的數(shù)據(jù)接口(CMOS電平)通過AT命令可雙向傳輸指令和數(shù)據(jù),可選波特率為300b/s～115kb/s , ～115kb/s。利用溫度檢測電路實時的測量環(huán)境溫度T并將結(jié)果送至單片機，單片機根據(jù)式子C=+[21]。為提高測距精度，采用溫度檢測電路。A4連續(xù)尋址：在正常操作中,當一個信息放出,遇到一個EOM標志時,地址計數(shù)器會復位，A4可防止地址計數(shù)器復位,使得信息連續(xù)不斷地放出。A3循環(huán)重放信息(PLAYE或PLAYLonly)可使存于存儲空間始端的信息自動地連續(xù)重放。當這個操作模式完成時,錄入的所有信息就作為一個連續(xù)的信息放出。這種模式僅用于放音,通常與A4操作同時應用。操作模式可以與微控制器一起使用,也可用硬件連線得到所需系統(tǒng)操作。當PLAYL、PLAYE或REC變?yōu)榈碗娖?同時A6,A7為高電平時,執(zhí)行對應操作模式。使用操作模式有兩點要注意:所有初始操作都是從0地址開始,0地址是ISD1420存儲空間的起始端,以后的操作可根據(jù)模式的不同,而從不同的地址開始工作。電路設(shè)計：如果A6,A7同為高電平時,它們即為模式位。電路內(nèi)部由振蕩器、語音存儲單元、前置放大器、自動增益控制電路、抗干擾濾波器、輸出放大器組成。實驗證明其具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。在這里我采用的是集成電路CX20106A，這是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器。超聲波接收部分是為了將反射波(回波)順利接收到，超聲波接收換能器TCT40－16R將接收到的反射波轉(zhuǎn)換變成電信號，并對此電信號進行放大、濾波、(INT0)引腳（），以產(chǎn)生一個中斷。8腳： 電源正極，～5V。6腳： 該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。5腳：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率，阻值越大，中心頻率越低。3腳：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作。增大電阻R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。超聲波發(fā)射電路如下圖所示： 發(fā)射模塊電路圖 接收模塊CX20106簡介： CX20106實物圖CX20106A的引腳注釋：l腳：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。40 kHz左右的方波脈沖信號的產(chǎn)生通常有兩種方法：采用硬件如由555振蕩產(chǎn)生或軟件如單片機軟件編程輸出，為了節(jié)省成本，本次設(shè)計采用了后者。15腳GND、16腳VCC（+5v）。 TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS232數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS232數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。 其中13腳（R1IN）、12腳（R1OUT）、11腳（T1IN）、14腳（T1OUT）為第一數(shù)據(jù)通道。 第二部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道。由6腳和4只電容構(gòu)成。當按下復位按鈕時，電容迅速放電，使RST端迅速變?yōu)楦唠娖?，復位按鈕松開后，電容通過電阻充電，逐漸使RST端恢復低電平。單片機的復位電路有兩種：上電復位和手動復位。復位是單片機的初始化操作，只要RST引腳出至少保持兩個機器周期的高電平就可以實現(xiàn)復位。對外接電容值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、震蕩器的穩(wěn)定性、快速性以及溫度穩(wěn)定性。這個放大器與反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構(gòu)成一個自激振蕩器。本設(shè)計只有一片單片機，采用內(nèi)部時鐘方式。時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時所需的時鐘信號，其有兩種時鐘方式：外部時鐘和內(nèi)部時鐘。 INT1中斷114~15 : 計數(shù)脈沖T0 T1 16,17: WR寫控制 RD讀控制輸出端)18~19: 晶振諧振器 20 地線RST復位鍵10 ~11腳:RXD串口輸入 TXD串口輸出12~19:I/O p3接口 (12,13腳 INT0中斷0 AT89S52引腳分布圖AT89S52芯片共40引腳:1~8腳: 通用I/~9腳:空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。AT89S52具有以下標準功能： 8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口， 片內(nèi)晶振及時鐘電路。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于 常規(guī)編程器。如下圖所示： 顯示示意圖:其中溫度單位為“攝氏度”，距離單位為“米” 各功能模塊介紹設(shè)計[19]AT89S52簡介： AT89S52實物圖AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。單片機控制發(fā)射模塊發(fā)出40kHZ的超聲波信號并開始記時，通過超聲波發(fā)射器輸出超聲波信號；超聲波接收器將接收到的超聲波返回信號送至接收模塊，經(jīng)處理后，送至中斷信號至單片機，單片機啟動中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算和修正，得出距離數(shù)并送LCD顯示。另外還有溫度測量電路測量當時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。下面兩圖是這次設(shè)計的整體硬件結(jié)構(gòu)圖和整體電路圖。b點就為測距遠限，其外部就為測量不到的區(qū)域。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。從b點以后，接收的信號低于閾值，相當于測距的遠限。在超聲波檢測中，接收信號的衰減總是比發(fā)射信號余振衰減慢的多。另一方面，接收探頭上接收到的各種反射信號卻遠比發(fā)射信號小，即使是離探頭較近的表面反射回來的信號，也達不到限幅電路的限幅電平。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: 輸入電壓對超聲信號的影響關(guān)系圖如圖所示，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)[18]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。 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)。 聲速聲速的精確程度線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度，傳播介質(zhì)中聲速的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。由于本測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率在40KHz[5]。 測距儀的工作頻率空氣中超聲波的衰減對頻率很敏感，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。鑒于目前電子市場的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低成本，選用國產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最大半徑。當f選定后，指向角θ近似與傳感器半徑成反比。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長元λ，傳感器半徑r有關(guān)。這時要求對環(huán)境噪聲進行頻譜分析，盡量避免與噪聲頻率重疊。噪聲有兩類，一類電噪聲，在處理上同其它電子儀一樣，另一類為機械噪聲，其中工業(yè)噪聲頻率較低，對液介式超聲測距儀，工作率較高，可以避開工業(yè)噪聲頻譜段。量程主要決定于接收信號的幅值應大于規(guī)定闡值。另一方面，可使遠處的回波信號的幅增大，以提高測量的精度?？諝庵新曀貱與溫度T的關(guān)系在常溫下可由下面近似公式表示: (1)壓縮發(fā)射脈沖寬度發(fā)射端采用減幅振蕩脈沖或單個脈沖，可使余震(拖尾)減少，此法常用于距離測量距離。對一定介質(zhì)，通常采用對溫度進行修正的方法[16]，可以測得比較準確的距離。 提高測距儀性能的方法要想通過測量超聲波傳播時間確定距離，聲速C必須恒定，實際上聲速隨介質(zhì)、溫度、壓力等變化而變化。但是，由于接收電路多少會受到發(fā)射電路的感應，并且發(fā)射探頭所發(fā)出的超聲波可能有部分直接繞道接收探頭，因此實際上仍存在一定的盲區(qū)，不過它要比單探頭方式的盲區(qū)小很多。而使用雙探頭方式[15]，不僅可以增加探測距離，還可以減小盲區(qū)。為了保證一定的信噪比，接收信號需要規(guī)定一個值，接收信號必須大于這個值，不能能有輸出信號。當液面離探頭越來越遠時，接收信號與發(fā)射信號相隔時間越來越長，其幅值相應的越來越小。在使用一個探頭同時充當發(fā)射和接收的情況下，由于在探頭上施加的發(fā)射電壓強達幾十伏甚至上百伏以上，雖然發(fā)射信號只維持一個極短的時間，但停止施加發(fā)射信號后，探頭上還存在一定的余振，因此在一段較長的時間內(nèi)，加在接收放大器輸入端的發(fā)射信號幅值仍是相當強的，可以達到限幅電路，引起探頭振動，不能進行正確的測量。距離過遠時，接收到的信號太弱，以致無法從噪聲信號中分辨出來，這是遠限存在的原因。當需要測量的距離H遠遠大于L時, : 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H。如下圖所示： 超聲波的測距原理 式中:L為兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: 式中:v—超聲波在介質(zhì)中的傳播速度。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離S，即：S=340t/2。聲光效應構(gòu)成的超聲波傳感器有利用光纖的波導部分的形變敏感構(gòu)成的結(jié)構(gòu)，也有利用對彈性體表面或內(nèi)部彈性波束的衍射品格作用形成的結(jié)構(gòu)。當超聲波傳來時，受音板發(fā)生唯一，使磁路磁場發(fā)生變化，在拾音線圈中產(chǎn)生電動勢。動圈式接受器的結(jié)構(gòu)為在磁場中防止帶有受音板的可動線圈或?qū)w帶，當它們因超聲波而運動時，產(chǎn)生感應電動勢，由于受音體慣性大，因而只適用于低頻。結(jié)構(gòu)上有采用PVDF膜作為受音體、也有采用欽酸、鎬酸鉛系列陶瓷以板狀或圓桶狀受音體的形式結(jié)構(gòu)。壓電型主要用石英晶體或氧化鋅材料。 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖 超聲波接收器超聲波接收器接收原理基于伴隨聲波而產(chǎn)生的電容、壓電、反壓電、動電、電磁、反磁致伸縮聲光效應等。按照應用領(lǐng)域的不同，超聲波束可以是強方向性的、扇狀的、無方向的形狀，還有些發(fā)射器附帶有調(diào)整層，以便發(fā)射器與媒質(zhì)的音內(nèi)阻抗相匹配。 (4)高頻型超聲波傳感器上述各種類型傳感器的中心頻率只有數(shù)十kHz，但中心頻率高于100kHz的傳感器近來也有銷售。因此，在很寬頻帶范圍內(nèi)具有較高的靈敏度。所以，一個傳感器可以兼作接收傳感器與發(fā)送傳感器。因為寬頻帶傳感器發(fā)送和接收是共用一個探頭的傳感器輸出開路時，其輸出電壓較高，但阻抗也高，易受噪聲的影響，通常要接入幾千歐到幾百千歐的電阻。但通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的，測量中必須成對使。 超聲波傳感器的種類超聲波傳感器根據(jù)應用范圍的不同可分為以下四類(1)通用型超聲波傳感器超聲波傳感器的帶寬一般為幾kHz，并具有選頻特性。使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成一體，圓錐狀諧振子的邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。兩芯片之間，芯片與金屬該班之間通常夾以薄黃銅片，作為焊接電極引線用。超聲波換能器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置，它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。壓電組件在超聲振蕩時，仿佛是一個小活塞，其振幅很小，但這種振動加速度很大，于是把電磁振蕩能量轉(zhuǎn)化為振動能量，這種巨大的超聲波能量，沿著特定方向傳播出來。常見的壓電材料有石英晶體、壓電陶瓷、壓電半導體、高分子壓電材料等。(2)正壓電效應當對某電介質(zhì)施加應力時，產(chǎn)生的變形將引起內(nèi)部正負電荷中心發(fā)生相對位移而產(chǎn)生極化，在介質(zhì)兩端面上出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成正比，這種效應稱為正壓電效應。利用逆壓電效應能產(chǎn)生超聲波。如電場反向，則形變亦相反。壓電效應包括逆壓電效應和正壓電效應。直到現(xiàn)在，朗之萬型換能器仍在得到廣泛的應用，如功率超聲和水聲中。在第一次世界大戰(zhàn)期間，法國物理學家朗之萬于1916年研制成功了第一個真正實用的壓電換能器，并將其應用于潛艇的探測中。目前壓電式換能器的理論研究和實際應用最為廣泛，本文超聲波測距選用的也是壓電式超聲波換能器。 超聲波傳感器的原理及結(jié)構(gòu)[13] 超聲換能器是在超聲頻率范圍內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲信號或者將外界聲場中的聲信號轉(zhuǎn)換為電信號的能量轉(zhuǎn)換器件。 超聲波傳感器為了以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。，對于相同的頻率波長短，容易提高測量的分辨率。正是在這種工作原理下，我們可以充分地利用超聲波的各種特性來研制超聲波傳感器，配合不同的信號處理與顯示電路完成許多待測量的檢測工作。 超聲的應用目前各種超聲波儀器和裝置已經(jīng)廣泛地應用在了工業(yè)、通信、醫(yī)療等許多行業(yè)中。 （4）超聲波的聲壓特性當聲波進入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的