【正文】 晶片上加有頻率為兒交 流電壓，它就會產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動，這種機(jī)械振動推動空氣等媒介，便會發(fā)出超聲波。 雙壓電晶片如圖 11 所示，當(dāng)在 AB 間施加交流電壓時(shí)，若 A 片的電場方向與極化方 向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動 雙壓電晶片的等效電路如圖 12 所示， c0 為靜電電容， R 為陶瓷材料介電損耗并聯(lián) 電阻 O”和 Lm 為機(jī)械共振回路的電容和電感， Rm 為損耗串聯(lián)電阻。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的 固有諧振頻率一致。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變 壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。在雙晶振子的兩面涂敷 薄膜電極，其上面用引線通過金屬板（振動板）接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到 另一個(gè)電極端。這 兩處的支點(diǎn)就成為振予振動的節(jié)點(diǎn)。 超聲波測距系統(tǒng)原理及測量方法 超聲測距方法 有脈沖回波法、共振法和頻差法。 如圖 14 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 4 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(shí)間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用： 超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)論述 工作頻率 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。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮： (1)如果測距的能力要求很大，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。 (3)從傳感器設(shè)計(jì)角度看， I 作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。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。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)。空氣中傳播的超聲波是 由機(jī)械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。即： 5 其中 B 為氣體的彈性模量， r 為氣體的密度。氣 體的壓強(qiáng)為： 其中，R 為普適常量 8. 314kg/mol， T 為氣體溫度 K（絕對 溫度）， M 為氣體分子量，空氣為 103 kg/mol。例如： 20℃時(shí)， T=293. 15， CS= m/s。當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。 總體設(shè)計(jì) 上面我們就影響超聲測距誤差的幾個(gè)因素做了分析，并為本系統(tǒng)選擇了比鞍適合的傳感器，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。系統(tǒng)計(jì)劃在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測距，測試距離約在 2 米以內(nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖 15 所示。由于單片機(jī)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(yuǎn)，故在此電路上加功率放大電路。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)此部分電路時(shí)采用一級放大，和一帶通濾波電路，中心頻率 40KHZ 左右，放大濾波電路均采用了高速精密運(yùn)算放大器 TL082，輸出信號大約在 5v 左右。 二 超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 51 系列單片機(jī)雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外按晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路、起振速度有少許影響， CIO、 ClI 可在 20pF 到 lOOpF 之間取值。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。復(fù)位引腳 RST 通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信 號。 最簡單的上電自動復(fù)位電路中上電自動復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。 除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動復(fù)位。按鍵手動復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。 圖 21 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射部分是為了讓超聲波發(fā)射換能器 TCT4016T 能向外界發(fā)出 40 kHz 左右的方波脈沖信號。編程由單片機(jī) 端口輸出 40 kHz左右的方波脈沖信號，由于單片機(jī)端口輸出功率不夠， 40 kHz 方波脈沖信號俞成兩路，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 UCMT40 以聲波形式發(fā)射到空氣中。圖中輸出端上拉電阻 R3， R9，一方面可以提高反向器 74HC04 輸出高電平的驅(qū)動能力，另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。接收 部分的電路，如圖 23 所示。 CX20216 是一款應(yīng)用廣泛的紅外線檢波接收的專用芯片，其具有功能強(qiáng)、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，由于紅外遙控常用的載波頻率 38 kHz 與測距的超聲波頻率 40 kHz 比較接近，而且 CX20216內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率 f0 可由其 5 腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為3060kHz。 CX20216 內(nèi)部由前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器及整形電路構(gòu)成。當(dāng)接收到與 CX20216 濾波器中心頻率相符的回波信號時(shí)，其輸出端 7 腳就輸出低電平，而輸出端 7 腳直接接到 AT89S52 的 INTO 引腳上，以觸發(fā)中斷。 9 圖 23 超聲波接收原理圖 顯示電路 本系統(tǒng)采用共陰七段數(shù)碼管顯示所測距離值。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口夠用所以不必考慮接口問題。 10 溫度測量電路 由于聲音的速度在不同的溫度下有所不同，為提高系統(tǒng)的精度，采用了溫度補(bǔ)償功能。將 DS18820 數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 口相連，就可以實(shí)現(xiàn) 溫度測量 報(bào)警電路 采用一個(gè)蜂鳴器，由 輸出一定頻率的信號，在連接到蜂鳴器之前，經(jīng)過一個(gè)三極管 9012 的放大。該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89S51 單片機(jī) 軟件設(shè)計(jì)原理 在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲波測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的 處理和應(yīng)用。在系統(tǒng)軟件中，要完成增益控制信號、門控信號、發(fā)射脈沖信號、峰值采集信號、 遠(yuǎn)近控制信號的時(shí)序及輸出。 三、信號處理 RAM 中存儲的計(jì)數(shù)值并不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì) 數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為： S={V 燈 =$v 術(shù) (Tr}N)其中， T 為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間， Tr 為方波信號怍為計(jì)數(shù)脈沖時(shí)計(jì)數(shù)器的時(shí)間分辨率， N 為計(jì)數(shù)器的值。 四、數(shù)據(jù)傳輸與顯示 經(jīng)軟件處理得到的距離送顯示輸出，用四位 LED 表示。由于 12 距離值的得出及顯示是在中斷子程序中完成的，因此在初始化發(fā) 射程序后進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、中斷服務(wù)程序幾個(gè)主要部分。然后調(diào)用超聲波發(fā)生子程序送出一個(gè)超聲波脈沖，為了避免超聲波從發(fā)射器直接傳送到接收器引起的直射波觸發(fā)。由于采用的是 l2MHZ 的晶振，計(jì)數(shù)器每計(jì)一個(gè)數(shù)就是 lum，當(dāng)主程序檢測到 接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器 TO中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式 ()計(jì)算，即可得被測物體與測距器之間的距離，設(shè)計(jì)使取 20℃時(shí)的聲速為 344m/s 則有 d=(c*t)/2=172T0/1000 cm () 其中 T0 為計(jì)數(shù)器 TO 的計(jì)數(shù)值。 13 定時(shí) 器／計(jì)數(shù)器方式控制寄存器 TMOD 定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 TO、 Tl 都有 4 種工作方式，可通過 TMOD 編程設(shè)置來選擇。 IE 的位定義格式如下： 表 3. 2IE 的位定義格式 EA：中斷允許總控位。 EA 的作用是使中斷允許形成兩極控制，即各中斷源的中斷允許與否，首先受 EA 位的控制，其次還要受中斷源自己的中斷允許位控制。 ETO=0，禁止 T0 中斷：ETO=1，允許 TO 中斷 子程序流程圖 14 測量溫度子程序 測溫電路由美國 DALLAS 公司的 DS18820 芯片完成，其初始化過程如下： DS18820 的初始化 (1)先將數(shù)據(jù)線置高電平“ 1”。 (4)延時(shí) 750 微秒（該時(shí)間的時(shí)間范圍可以從 480 到 960 微秒）。 (6)延時(shí)等待（如果初始化成功則在 15 到 60 毫秒時(shí)間之內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)由 DS18820 所返回的低電平“ 0”。 (7)若 CPU 讀到了數(shù)據(jù)線上的低電平“ 0”后，還要做延時(shí)，其延時(shí)的時(shí)間從發(fā)出的高電平算起 (第 (5)步的時(shí)間算起） 最少要 480 微秒。 DS18820 的寫操作 (1)數(shù)據(jù)線先置低電平“ 0”。 (3)按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位）。 15 (5)將數(shù)據(jù)線拉到高電平。 DS18820 的讀操作 (1)將數(shù)據(jù)線拉高“ l”。 (3)將數(shù)據(jù)線拉低“ 0”。 (5)將數(shù)據(jù)線拉高“ l”。從原理上講，超聲測距有脈沖回波法、共振法和頻差法。由于溫度影Ⅱ向超聲波在空氣中的傳播速度：超聲波反射回波很難 精確捕捉，致使超聲波在空氣中傳播的時(shí)間很難精確測量。 本文從引起超聲測距誤差的原因入手，分析了溫度對超聲波聲速的影響，回波檢測對時(shí)間測量的影響和超聲波傳感器所加電壓對測量精度和范圍的影Ⅱ向。 誤差產(chǎn)生原因分析 空氣中傳播的超聲波是由 機(jī)械振動產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。氣體彈性模量，由理想氣體壓縮特性可得： B=g． r，其中 g 為定壓熱容與定容熱容的比值，空氣為 ， P 為氣體的壓強(qiáng)。所以 由公式 34 可知，超聲聲速與空氣的溫度有密切關(guān)系。 40℃時(shí)， T=313. 15, CS= m/s。 從上面的計(jì)算可以看出，溫度對超聲波在空氣中的傳播速度有明顯的影響。 針對誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改進(jìn)方案 在實(shí)際應(yīng)用中，為了方便處理，超聲波常調(diào)制成具 有一定間隔的調(diào)制脈沖波信號。如何提高測量精度是超聲測距的關(guān)鍵技術(shù)。 脈沖發(fā)射周期的選擇主要考慮微機(jī)處理數(shù)據(jù)的速度，速度趕快，脈沖發(fā)射周期可選短些。 (3)提高計(jì)時(shí)精度，減少時(shí)間量化誤差 如采用芯片計(jì)時(shí)器，計(jì)時(shí)器的計(jì)數(shù)頻率越高，則時(shí)間量化誤差造成的測距誤差就越小。當(dāng)晶振頻率為 12MHz時(shí)，計(jì)數(shù)頻率為 lMHz，此時(shí)測距時(shí)間量化誤差為 。 (4)補(bǔ)償溫度對傳播聲速的影響 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度與溫度、壓力等因數(shù)有關(guān)，其中溫度的影響最大，因此需要對其進(jìn)行補(bǔ)償。聲速可以用聲速儀測量，以驗(yàn)證理論 計(jì)算的準(zhǔn)確性。 18 總結(jié) 兩周的課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這次的課程設(shè)計(jì)中不僅檢驗(yàn)了我所學(xué)習(xí)的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。學(xué)會了合作，學(xué)會了