【正文】 式超聲波發(fā)生器，其又可分為兩類： （ 1）順壓電效應： 某些電介物質(zhì)，在沿一定方向上受到外力作 用而變形時，內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在其表面上產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種將機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱順壓電效應（超聲波接收器的工作原理）。 型號 T/R4016 中心頻率 40177。 25% 允許輸入電壓 20V 南昌航空大學學士學位論文 6 工作原理 當 40KHZ的脈沖電信號加在超聲波發(fā)射器上，由壓電陶瓷激勵器和諧振片轉(zhuǎn)換成機械振動，經(jīng)錐形輻射器將超聲振動信號以疏密波的形式向外發(fā)射出去。 常用的超聲波傳感器的諧振頻率（即中心頻率）為 23KHz ，40KHz,75KHz,200KHz,400KHz等，諧振頻率高，在相同發(fā)射功率的前提下檢測距離短，但分辨力提高。超聲波測距的關(guān)鍵是把聲源由 反射到返回的傳播時間計量出來，若要求測距誤差小于 米，那么測量時間的誤差必須小于 30 微秒。 本文的硬件設(shè)計采用超聲波往返時間檢測法，其原理為 :檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出的超聲波 (假設(shè)傳播介質(zhì)為氣體 )，經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間即往返時間。根據(jù)選擇的超聲波傳感器的不同，其工作原理也相應有所不同。根據(jù)圖 過測量發(fā)射與接受裝置之間的距離 h 利用直角三角形可求得： （ ） 而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即 :(1) （ ） 2*tVL ?? ?22 2hSL ??南昌航空大學學士學位論文 7 圖 收發(fā)一體式換能器工作原理圖 圖 超聲波測距原理 在上式中， L 為待測距離， v 為超聲波的聲速， t 為往返時間（其中所測量的t為超聲波走過 2s路程所需的時間。若要求測距誤差小于 1cm，已知聲速v=344m/s(20℃時 )，顯然，直接用秒表測時間是不現(xiàn)實的。對超聲波傳播時間的測量可以歸結(jié)到對超聲波回波前沿的檢測。本文采用的是脈沖檢測計數(shù)法。實現(xiàn)的方法是當回波信號經(jīng)放大處理后，進入比較器，調(diào)整好合適的閾值在比較器的輸出端就會產(chǎn)生正負電平的變化，再通過三極管的截止和飽和的兩種狀態(tài)來產(chǎn)生高低電平的變化。在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計過程中，采用的是查詢方式來檢測是否接收到了回波信號。在利用超聲波測量兩點間的距離時，對近距離測量要求高，因此盲區(qū)處理更為關(guān)鍵。雖然增大超聲波換能器之間的距離能減少盲區(qū)范圍，但是由于受整個系統(tǒng)體積所限，而且增大超聲波換能器之問的距離使回波容易發(fā)散，所以本系統(tǒng)超聲波換能器的之 間距離要盡量縮小，有部分波未經(jīng)反射物就直接進入到接收換能器，形成繞射現(xiàn)象。 在超聲波產(chǎn)生電路的設(shè)計中，首先通過軟件編程的方式由單片機的 生 40KHz的脈沖信號，再經(jīng)過三極管 8050和變壓器進行功率放大。 接收端采用與發(fā)射端配對的 UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘枴Ｇ爸梅糯笄爸梅糯?、自動增益控?(AGC)電路把微弱回波信號放大了 200倍以上，足夠滿足后面整形電路的需要；帶通濾波電路為濾波效果比較理想的高 Q值、窄寬帶的二階帶通濾波器。實現(xiàn)增益 隨時間呈指數(shù)變化的 AGC電路有多種 ,設(shè)計了通過軟、硬件結(jié)合的 AGC電路 ,它是由可編程放大器 AD620AN 、數(shù)字電位器 MAX5400 結(jié)合單片機聯(lián)合實現(xiàn) [9]。但是采用 555芯片來產(chǎn)生 40KHz的超聲波信號，并且通過單片機的一個 I/O口來控制 555芯片是否振蕩。在驅(qū)動電路中采用的是非門 CD4069構(gòu)成推挽式的電流放大電路 ，通過提 高 CD4069的工作電壓的方式來將電壓增大，進而增大發(fā)射功率。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、 限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成，可以利用它作為超聲波檢測電路。 方案三 在此方案中，采用 STC989C52單片機作為超聲波測距的核心部分。當 ，555芯片不工作；當 ， 555芯片構(gòu)成了多諧振蕩器從而在 3腳輸出40KHz的脈沖信號。 在超聲波接收放大部分，采用的一階 RC濾波電路和運放 TL084構(gòu)成的放大電路。在放大電路的設(shè)計中，為了避免由于增益過大造成運放的自激振蕩，而采用兩級放大的方式，放大倍數(shù)為 400多倍。 在超聲波發(fā)射的同時，啟動單片機內(nèi)部的定時器 T0用作計數(shù)方式，利用定時器T0的計數(shù)功能記錄超聲波從開始發(fā)射到接收到信號的時間。 方案確定 超聲波測距系統(tǒng)從理論上說是發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因為對同一只發(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計就相對簡單一些。發(fā)射部分的點脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，要對這樣小的信號進行處理就必須放大到一 定的幅度。 在方案一中，采用單片機的 I/O口來做超聲波的產(chǎn)生電路，在發(fā)射超聲波的同南昌航空大學學士學位論文 11 時將無法即時開啟計數(shù)器來準確計算超聲波從發(fā)射到接收所用的時間，這樣將會帶來較大的誤差。但是在本課題的技術(shù)指標中要求的距離為4cm4m，當采用此方案時，其發(fā)射的功率遠遠超出所需要的功 率，造成性價比下降，而且 U=100V可能超過了超聲波傳感器工作電壓的極限值，將對傳感器內(nèi)部造成損傷。 在方案二中，通過使用單片機的 I/O口來控制 555芯片工作與否的方式來發(fā)射超聲波，這就使得在計數(shù)時能夠獲得比方案一更準確的數(shù)據(jù)。而且使得設(shè)計的硬件系統(tǒng)更加的復雜 。在此方案中，考慮到超聲波傳感器的一些特性（即只有在 40KHz左右的信號能夠通過傳感器，其它頻率信號其衰減較快），因此在濾波電路中，只是采用 RC電路構(gòu)成濾波電路。另外，通過由二極管和電容構(gòu)成峰值檢波電路以及運放和三極管構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，其實現(xiàn)上較為簡單，成本也較低。 在本系統(tǒng)設(shè)計過程中，經(jīng)過綜合考慮和比較后，最終采用了方案三來實現(xiàn)超聲波測距硬件系統(tǒng)的設(shè)計。 掌握超聲波傳感器的工作原理并設(shè)計 超聲波發(fā)射器與接收器的工作電路 。 溫度補償范圍： 20 500C。 超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 通過對方案的比較和論證及設(shè)計要求的領(lǐng)會，將超聲波測距儀硬件設(shè)計電路分成了：超聲波產(chǎn)生電路模塊、驅(qū)動電路模塊、超聲波接收放大電路模塊、峰值檢波模塊、電壓比較模塊、電平轉(zhuǎn)換、溫度補償模塊、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)控制模塊和數(shù)碼顯示這九個模塊來實現(xiàn)。圖 為 555定時器構(gòu)成的多諧振蕩器，復位端 4由單片機的 口控制，當單片機給低電平時，電路停振；當單片機給高電平時電路起振。這時 Vcc 經(jīng)過 R3 和 R2向 C2 充電，當充至 Uc=2/3Vcc 時，輸出翻轉(zhuǎn) U1 =0， VT 導通；這時電容 C2 經(jīng) R2和VT放電，當降至 Uc=1/3Vcc 時 ，輸出翻轉(zhuǎn) U1=1。其振蕩周期與充電時間 tPH和放電時間 tPL有關(guān)，振蕩周期為： ? ?P H P L 3 2 2T = t + t 0. 7 R + 2R C? （ ） （ ） 由公式 可知， 555 多諧振蕩器的振蕩頻率由 R2,R3,C2 來確定 [12]。再將 C2 和 R2的值帶入公式 中可知： 為了方便在實驗過程中使得 555 芯片的 3 腳輸出 40KHz 的信號，在這里將其用 10 KΩ 的電位器代替。通過調(diào)節(jié)電位器 R3 的阻值，使其輸出波形的頻率為 40KHz，這樣就完成了超聲波產(chǎn)生電路。超聲波發(fā)射器由 5個成對的 CMOS 反相器 CD4069 驅(qū)動。 在暫停發(fā)送期間，電容 C3 用于阻塞輸人電流中的直流成分， 起到保護超聲波發(fā)射器的作用。加在超聲波發(fā)射器上的信號應為 0～ +12V 的脈沖信號。非門采用 CMOS 產(chǎn)品，因為其功耗小，抗干擾能力強， 驅(qū)動能力強 。同時通過在輸入端加一上拉電阻R4來增大 40KHz 方波信號的電流，從而也增大了發(fā)射功率。在此電路中，為了防止在超聲波接收器上始終加有一直流信號讓其工作導致傳感器的壽命縮短，從而加上一隔值電容 C4，同時 C4和 R5也構(gòu)成了一濾波電路。在綜合考慮了反相放大器、同相放大器和測量放大器的優(yōu)缺點后，最終選擇了同相放大電路。在此電路中，根據(jù)同相放大器的閉環(huán)增益公式： () 因為接收到的信號幅度為幾到幾十毫伏，所以需要將其放大 400多倍使得其接收到的40KHz信號不會被干擾信號給掩蓋。 同時根據(jù)公式 ，計算出同相放大器的平衡電阻 R6和 R10，在這里 R6和 R10的取值均為 10 KΩ。 圖 接收放大電路 峰值檢波模塊 當信號經(jīng)過了接收放大模塊電路后，其輸出信號 V2 為 40KHz 的交流信號。在硬件的設(shè)計中，主要是通過電解電容 C7 的充放電來將 40KHz 的交流信號轉(zhuǎn)為直流信號，在本 系統(tǒng)中采用的是由檢波二極管 IN60 和 1uf 的電容來實現(xiàn)該功能。同時要求其放電時間Г 2 ≥ 25us，這樣才能保證峰值檢波電路將 40KHz 的交流信號轉(zhuǎn)化成直流信號。 12DRC? ?? () 61 12 0 1 10 12 0 s???? ? ? ? Rf RrRp Rf Rr? ?3 32 1 0 0 1 0111 1 1 112 1 0 1 0RAf R ?? ? ? ? ??南昌航空大學學士學位論文 17 2 1 2()DDR R C? ? ? ? () ? ? 62 12 0 12 0 1 10 24 0 s 25 s? ? ??? ? ? ? ? ?滿足設(shè)計要求。同時因為比較器不需要相位補償，故適用于高速工作。由于超聲波在空氣中傳輸時不可避免引入干擾，則比較基準電平時利用電位器調(diào)節(jié)電壓，消除干擾。在此電路中，采用 TL084 中的其他兩個運算放大器。 圖 峰值檢波電路 南昌航空大學學士學位論文 18 電平轉(zhuǎn)換模塊 當超聲波傳感器接收端接收到信號時，其比較器的輸出電壓為 +12V；當沒有接收到信號時，其比較其的輸出電壓為 12V。因此可以通過采用三極管的截止與飽和兩種狀態(tài)將 177。當超聲波傳感器的接收端接收到回波信號時，其 V3 的電壓為 +12V，這時三極管 9013 處于飽和狀態(tài)， 口的電壓為低電平（ 左右） ，發(fā)光二極管點亮；當沒有接收到回波信號時，其 V3 的電壓為 12V，這時因為三極管的 Ube=12V，所以三極管處于截止狀態(tài)，此時 口為高電平（ ），發(fā)光二極管熄滅。 圖 電壓比較電路 圖 電平轉(zhuǎn)換電路 32 5 0 .5 m A1 0 1 0I ???南昌航空大學學士學位論文 19 溫度測量模塊 在常溫下 ， 超聲波的傳播速度為 340m / s， 但其傳播速度 V易受到空氣中溫度、濕度、壓強等因素的影響 ， 其中溫度的影響最大。表 2為超聲波在不同溫度下的波速值。為了得到較為精確的測量結(jié)果 ， 必須對波速進行溫度補償。 目前 ， 大多數(shù)溫度測控系統(tǒng)在進行溫度測量時 ， 通常采用模擬式溫度敏感元件 ：如熱電阻、熱電偶、紅外測溫儀等 ， 將溫度轉(zhuǎn)化為電信號 ， 經(jīng)過信號放大電路放大到合適的范圍 ， 再由 A /D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。 DS18B20是 Dallas公司開發(fā)的 12W ire (單總線 )高精度數(shù)字式半導體溫度傳感器 。 12W ire (單總線 )是 Dallas半導體公司近年推出的新技術(shù)。單總線適用于單個主機系統(tǒng) ， 能夠控制一個或多個從機設(shè)備。另外采用 DS18B20能縮短開發(fā)周期 ， 有效地降低成本 ， 簡化系統(tǒng)設(shè)計 ， 擴展方便、占用系統(tǒng) I/O資源少 ， 在多點溫度檢測中具有極為廣泛的應用前景。 ℃ ， 增量值最小可為 ℃ ， 電源供電范圍 ～。采用信號線寄生供電 ， 不需 額外的外部供電 ， 在需要遠程溫度探測和空間受限的場合特別有用。