【正文】 （ 33) 把放大器理想化后 : 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。 前置放大電路單元的作用是對有用的信 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)。采用三級(jí)放大 ： 前兩級(jí)放大 100 倍 ， 用高精密放大器 LM318， 帶寬為 15MHz， 充分滿足要求 ； 第三級(jí)采用 LF353 運(yùn)算放大器 ， 寬為 4MHz。里面的放大電路是一個(gè)三級(jí)運(yùn)算放大器 A1， 功能是將從目標(biāo)處反射回來的微弱信號(hào)進(jìn)行放大整形后送入計(jì)數(shù)控制電路部分。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個(gè)超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射接收的設(shè)計(jì)方法 [8]。 （ 4） 由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計(jì)算，因而不可避免地存在發(fā)射和反射之間的夾角，其大小為 2? ，當(dāng) ? 很小的時(shí)候，可直接按式 2S C t? V 進(jìn)行距離的計(jì)算；當(dāng)夾角很大的時(shí)候，必須進(jìn)行距離的修正 ，修正的公式為： cos 2ctS ? ??? (31) 實(shí)際的調(diào)試過程中，要十分注意發(fā)射和接收探頭在電路板上的安裝位置，這是因?yàn)槊恳环N超聲波發(fā)射、接收頭都有一個(gè)有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為 45176。超聲波傳播速度 的 穩(wěn)定與準(zhǔn)確度是保證測量精度的必要條件，而 超聲 波的傳播速度又受傳播媒質(zhì)特性的 影響 。 存在 4 個(gè)因素限制了該系統(tǒng)的最大可測距離：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射回波和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。 圖 31 超聲波發(fā)射電路框圖 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 12 Q2Q1V C C V C CC1R1L S 1RFP 1. 0 圖 32 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射器的注意事項(xiàng) 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物反射后立即返回來，超聲波接收器收到反射波 后 就 會(huì) 立即停止計(jì)時(shí)。 發(fā)射電路方案 從上面的分析可以 知道，發(fā)射電路設(shè)計(jì)的主要目的是提供輸入到發(fā)射探頭電壓和功率。測距所用超聲波一般都是間斷單 脈沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。 為 了保證 發(fā)射波功率和波形的重復(fù)性， 發(fā)射電路 的 設(shè)計(jì)必須合理 。 各個(gè)振動(dòng)的發(fā)射波應(yīng) 是 以大致相同的頻率，這樣，接收的帶通濾波器可用于消除干擾和 接收相同的振動(dòng) 波 峰，以避免由于反射 面和干涉障礙物造成 的各種損失。圖中輸出端上拉電阻 R31，一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， 另 一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力。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。通過單片機(jī)編程將內(nèi)部計(jì)數(shù)得到的時(shí)間數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換為距離信息，通過 三 位 LED 數(shù)碼管顯示。這里使用 CX 20xx6A 集成電路對接收探頭 接 收濾波 ，信號(hào)經(jīng)過 端口送入單片機(jī)中進(jìn)行處理 。 發(fā)射電路采用單片機(jī) 端口編程輸出 大概 40KHz 的方波脈沖信號(hào)，同時(shí)開啟內(nèi)部計(jì)數(shù)器 T0 單片機(jī)端口輸出功率 比較 弱， 所以 加大加功率放大電路使測量距離 能夠 滿足要求，驅(qū)動(dòng)超聲傳感器 UCM40T 發(fā)射超聲波距離足夠遠(yuǎn) 。 隨著超聲波測量技術(shù) 的 不斷提高， 用超聲波測量 任何目標(biāo)物體 ，都存在著超聲波的發(fā)射和接收問題。通過詳細(xì)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(gè)重要參數(shù)給出本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中所用超聲傳感器的特性參數(shù) ； 析了超聲波測距的基本原理，并在此基礎(chǔ)上給出了測距的幾種常用方法以及傳感器指向角、環(huán)境溫度、工作頻率、發(fā)射脈沖波形。 （系統(tǒng)中應(yīng)用該式進(jìn)行溫度補(bǔ)償） 發(fā)射脈沖波形 超聲測距常用的發(fā)射脈沖波形如圖 所示有衰減振蕩脈沖、單個(gè)尖脈沖、寬等幅波列脈沖和窄等幅波列脈沖。 在本系統(tǒng)中利用 AT89S52 中的定時(shí)器測量超聲波傳播時(shí)間，利用 DS18B20 測量環(huán)境溫度，從而提高測距精度。表 22 列出了幾種溫度下的聲速： 表 22 聲速與溫度的關(guān)系表 溫度（攝氏度） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（米／秒） 313 319 325 331 337 343 349 389 在使用時(shí)，假設(shè)溫度變化不是大的 話 ，則可以 當(dāng)做 聲速 c 不變，計(jì)算的 時(shí)候 取 c 的 大小 為 340m/s。綜合以上分析，本設(shè)計(jì)將采用渡越時(shí)間法 [6]。 表 21 傳感器特性參數(shù)表 型號(hào) UCMT40K1 UCMR40KQ 結(jié)構(gòu) 開放式 開放式 使用方式 發(fā)射 接收 中心頻率 ZKH140? ZKH138? 頻帶寬 ? ? 靈敏度 ubardBV110 ubardBV65? 聲壓 ) n(115 m P adBdB ? )10m in (70 ub arVdBdB ?? 指向角 o75 o80 容量 pF%252500 ? pF%252500 ? 超聲波測距的原理 超聲波測距方法主要有三種： 1）相位檢測法：精度高，但檢測范圍有限； 2）聲波幅值檢測法：易受反射波的影響； 3）渡越時(shí)間法 ：工作方式簡單，直觀，在硬件控制和軟件設(shè)計(jì)上都容易實(shí)現(xiàn)，其原理為：檢測從發(fā)射傳感器發(fā)射的超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)傳播到接收傳感器的時(shí)間 t，這個(gè)時(shí)間就是渡越時(shí)間，然后求出距離 l。 超聲波傳感器選擇 在超聲波測量系統(tǒng)中，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；頻率取得太低，外界的雜音干擾 會(huì) 相應(yīng)的 變 多。 在這種情況下，超聲波傳感器具有 很 高的靈敏度。 A B 圖 23 雙壓電晶片示意圖 圖 24 雙壓電晶片的等效電路圖 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 7 雙壓電晶片的等效電路如圖 24 所示， R 是 電損耗 ， C0 為靜電電 容 ， R 是損耗串聯(lián)電阻 ， 聯(lián)電阻 Cm、 Lm 是 機(jī)械共振回路的電容和電感 。 即 在壓電陶瓷晶片上加有頻率為交流電壓 ， 它就會(huì)產(chǎn)生相同頻率的機(jī)械振動(dòng)， 以促進(jìn)這種介質(zhì)，例如空氣，可發(fā)射超聲波。這種超聲波傳感器需要較少的壓電材料，價(jià)格低廉，非常適合于氣體和液體介質(zhì)。相反，如果對它施以外力，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。壓電材料 可 分為壓電陶瓷和晶體兩類。電聲型主要有壓電傳感器、靜電傳感器和 磁致伸縮傳感器。目前常用的超 聲傳感器有兩大類，即流體動(dòng)力型與電聲型。 V=+ (21) 式中， V 為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度單位為 m／ s， T 為實(shí)際溫度單位為℃。 比如 超聲波發(fā)射器 朝 一方向發(fā)射 出 了超聲波，同時(shí)在發(fā)射時(shí)刻的 計(jì)時(shí)，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。相反，未 在 兩極間 加電壓 時(shí)，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)來 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、一個(gè)共振板。他們 產(chǎn)生 出的超聲波頻率 、 功率 和聲波特性 都各 自不相同，因此用途也不 盡 相同，壓電式超聲波發(fā)生器是目前比較 常用的發(fā)生器。 超聲波傳感器介紹 總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是 利 用機(jī)械方式產(chǎn)生 出 超聲波，一類是 利 用電氣方式產(chǎn)生 出 超聲波。 (2) 空化作用 流體動(dòng)力學(xué)指出，在聲場 作用下振動(dòng) 的液體中的微氣泡在 達(dá)到一定 聲壓值的時(shí)候，氣泡會(huì)迅速膨脹，之后 就 突然閉合， 而 在氣泡閉合時(shí)產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 5 動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過程就叫做為空化 [4]。 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用 (1) 機(jī)械作用 超聲波傳播過程中，一般會(huì)引起介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)交替的伸張與壓縮，造成了壓力的變化，引起機(jī)械效應(yīng)。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個(gè)聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射。 一般采用縱波形式的超聲波來 測 量各種狀態(tài)下的物理量 。 超聲波的三種形式 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三種形式的振 蕩波：橫波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于傳播方向的波；縱波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向、 波 的 傳 播方向一致 ；表面波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)介于縱波、 橫波之間 。該技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運(yùn)作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。 發(fā)射電路 接收電路 AT89C51 LCD DS18B20 報(bào)警電路 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 3 圖 12 時(shí)序圖 南昌 理 工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 4 二、 超聲波測距原理與方 法 超聲波簡介 超聲波技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械、以及材料科學(xué)為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都可使用的通用技術(shù)之一。 由圖 12 時(shí)序圖可以看出，超聲波測距模塊的發(fā)射端在 T0 時(shí)刻發(fā)射方波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，當(dāng)收到回波后，產(chǎn)生一負(fù)跳變到單片機(jī)中斷口，單片機(jī)響應(yīng)中斷程序，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)。一旦有高電平輸出，即在模塊中經(jīng)過放大電路，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射 超聲波 。汽車行進(jìn)時(shí) LCD 顯示環(huán)境溫度，當(dāng)?shù)管嚂r(shí)，發(fā)射和接收電路工作，經(jīng)過 AT89C51 數(shù)據(jù)處理將距離也顯示到 LCD 上，如果距離小于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警電路會(huì)鳴叫，提醒司機(jī)注意車距。通過簡單的外圍電路發(fā)和接收超聲波，單片機(jī)通過采樣獲取到超聲波的傳播時(shí)間，用軟件來計(jì)算出距離，并且可以采集環(huán)境溫度進(jìn)行測距補(bǔ) 償，其測量電路小巧，精度高，反映速度快，可靠性好。超聲波具有方向性好、強(qiáng)度大等特點(diǎn)，因此利用超聲波測距技術(shù)在工業(yè)控制、機(jī)器人定位、勘探測量和安全防范等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 [2]。 超聲檢測在國內(nèi)發(fā)展綜述 在基于傳統(tǒng)的測距存在不可克服的缺陷。同時(shí)由于超聲波測距系統(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。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計(jì)算簡單、易于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能 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。 由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，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、長壽命等特點(diǎn)。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小３暡ㄍ瑯幼裱话銠C(jī)械波在介質(zhì)中的傳播規(guī)律，比如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生折射及反射現(xiàn)象，進(jìn)入介質(zhì)后而被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越 廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。 【 關(guān)鍵詞 】 ： AT89S51 超聲波 測距 II Abstract Is the frequency at 20kHz ultrasonic sound waves above , it is a mechanical wave . Also follow the general mechanical ultrasonic wave propagation in elastic media , such as reflection and refraction at the interface media into the media after the decay occurs , such as dielectric absorption . It is because of these properties , so that ultrasound can be used to measure the distance . With increasing levels of technology , ultrasonic ranging technology is widely used among people39。此外供電電源也會(huì)使測量差生很大的誤差。相關(guān)部分附有硬件電路圖、程序流程圖。它控制單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送與接收，在一定溫度下對超聲波速度的校正，還有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)正確顯示在 LCD 上。溫度測量后送到單片機(jī)，通過程序?qū)λ俣冗M(jìn)行校正， 結(jié)合兩者實(shí)現(xiàn) 超聲波測距 的功能。 整個(gè)電路采用模塊化設(shè)計(jì)，由信號(hào)發(fā)射和接收、供電、溫度測量、顯示等模塊組成。