【正文】 ）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。當(dāng)加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。由于壓電材料的居里點(diǎn)一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效?！　。?）靈敏度。機(jī)電耦合系數(shù)大，靈敏度高。超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340m／s，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。它的探頭常用材料是壓電晶體和壓電陶瓷，是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來進(jìn)行工作的。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多種超聲波發(fā)生器。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 CAD簡介CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計算機(jī)輔助繪圖)的縮寫，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，人們逐步的認(rèn)識到單純使用計算機(jī)繪圖還不能稱之為計算機(jī)輔助設(shè)計；真正的設(shè)計是整個產(chǎn)品的設(shè)計，它包括產(chǎn)品的構(gòu)思、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、加工制造等。早在20世紀(jì)70年代軍工部門就是利用計算機(jī)來完成飛機(jī)，火箭等航空，航天器的設(shè)計工作。電子線路CAD軟件還能迅速形成各種各樣的報表文件，如元件清單報表，為元器件的采購及工程欲算等提供了方便，便于新型電子器件和集成電路的應(yīng)用。因此通過計算機(jī)進(jìn)行電子電路的輔助設(shè)計成為設(shè)計制作電路板的一個基本手段。而且Protel99SE包含眾多的服務(wù)器程序，總體上可以分為5種，分別為：原理圖設(shè)計、PCB設(shè)計（包含信號完整性分析）、自動布線器、原理圖混合信號仿真、PLD設(shè)計。4 硬件電路設(shè)計介紹了本設(shè)計方案選擇的情況，下面將著重按照前面所分析和采用的設(shè)計方案來完成具體的電路設(shè)計。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進(jìn)行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。另外還有溫度測量電路測量當(dāng)時的空氣溫度，等到把數(shù)據(jù)送到單片機(jī)后使用軟件對超聲波的傳播速度進(jìn)行調(diào)整，使測量精度能夠達(dá)到要求。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖41。 圖42 超聲波發(fā)送原理圖 超聲波發(fā)射器的注意事項 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射超聲波的同時開始計時，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就立即停止計時。存在4個因素限制了該系統(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。穩(wěn)定準(zhǔn)確的超聲波傳播速度是保證測量精度的必要條件，波的傳播速度取決于傳播媒質(zhì)的特性。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進(jìn)行距離的計算，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)很小的時候，可直接按式進(jìn)行距離的計算；當(dāng)夾角很大的時候，必須進(jìn)行距離的修正，修正的公式為： （41） 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，這是因為每一種超聲波發(fā)射、接收頭都有一個有效測量夾角，這里用到的發(fā)射、接收頭有效測量夾角為45176。為了增加所測量的覆蓋范圍、減小測量誤差，可采用多個超聲波換能器分別作為多路超聲波發(fā)射／接收的設(shè)計方法。對自己設(shè)計電路有很大幫助。我參考電路圖如圖43,44,45,46。40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管VTVT2組成強(qiáng)反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T4016的共振頻率。T4016兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。電路工作電壓9V，工作電流約25mA。電路不需調(diào)試即可工作。 圖43 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之二，由VTVT2組成正反饋回授振蕩器。2kHZ。電感L1與電容C2調(diào)諧在40kHZ起作諧振作用。電感采用固定式。發(fā)射超聲波信號大于8m。其中門YF1與門YF2組成可控振蕩器，當(dāng)S按下時，振蕩器起振，調(diào)整RP改變振蕩頻率，應(yīng)為40kHZ。此電平控制T4016換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路工作電壓9V，工作電流大于35mA，發(fā)射超聲波信號大于10m。由LM555第3腳輸出端驅(qū)動超聲波換能器T4016，使之發(fā)射出超聲波信號。電路工作電壓9V，工作電流40~50mA。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。 NE555是一種用途很廣的時基單元集成電路，其工作電壓范圍較寬，～18V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動電流可達(dá)200mA。輸入控制端有直接復(fù)位Reset端，通過比較器A1，復(fù)位控制端的TH、比較器A2置位控制的T。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。圖46 40khz超聲波發(fā)射電路 圖47 555內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳 本次設(shè)計中NE555電路的工作原理是：單片機(jī)TXD口發(fā)出低電平，三極管Q5為PNP管所以導(dǎo)通，C極向外輸出高電平。 Vcc經(jīng)外接電阻R1和R2向電容C充電，當(dāng)C上的電壓Vc上升到2Vcc/3時，反相比較器A1翻轉(zhuǎn)輸出低電平，RS觸發(fā)器復(fù)位，即V＝0，3腳輸出為“0”，則三極管導(dǎo)通，C經(jīng)三極管和P1放電，當(dāng)Vc下降到Vcc/3時，同相比較器A2翻轉(zhuǎn)輸出低電平，即S＝0，RS觸發(fā)器置位，3腳輸出變?yōu)椤?”，三極管又截止，C又開始充電，如此周而復(fù)始，輸出端便可獲得周期性的矩形脈沖波，NE555的內(nèi)部電路。所以調(diào)節(jié)R1和R2即可改變脈沖頻率使之等于40KHz。圖48 方波產(chǎn)生電路 為了使40KHz的方波信號更為可靠，要對其進(jìn)行整形及放大。整形后的信號經(jīng)由三極管2放大，此時的信號已經(jīng)很可靠，可以滿足本次設(shè)計的需要。此外在超聲波發(fā)射電路中還加入了消除余振部分以保證電路可以更好的為超聲波發(fā)射器提供信號，也使測量結(jié)果更為精確。所以當(dāng)發(fā)射電路停止向其輸入脈沖信號后，如果沒有合適的能量釋放回路，則在其感性的作用下，超聲波探頭內(nèi)部振蕩仍會持續(xù)一段時間，仍然發(fā)射超聲波，會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。單片機(jī)控制發(fā)送超聲波的TXD口和消除余振的INT0口都是P3口的低四位，只需要由程序控制兩個管腳輸出相同的電平。兩個動作幾乎是同時的，可以提高此后計時的準(zhǔn)確性。圖49方波消除余波電路 圖410 發(fā)射電路模塊 超聲波接收電路在本次設(shè)計中選擇了前置放大電路＋帶通濾波電路＋后級放大電路的類似電路。如圖411所示： 由于在距離較遠(yuǎn)的情況下，超聲波的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號的幅值也較小，為此要求將信號放大60萬倍左右。放大后的交流信號經(jīng)光電隔離送入比較器，比較器的作用是將交流信號整形輸出一個方波信號，此方波信號上升沿使D觸發(fā)器觸發(fā)，向CPU發(fā)中斷申請。調(diào)試時，在a點(diǎn)與+16V（電源）之間用導(dǎo)線快速短路一下后松開，繼電器應(yīng)吸合（或釋放），再短路一下松開，繼電器應(yīng)釋放（或吸合），如果繼電器無反應(yīng)，請檢查雙穩(wěn)電路元件焊接質(zhì)量和元件參數(shù)。為了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，對于超聲波探頭接收到的信號同樣需要進(jìn)行處理。電路中加入二極管D1同樣是因為上面提到的探頭的感性。這樣，如果沒有二極管保護(hù)，這個反向電動勢將會全部加在三極管Q4的be結(jié)上，如果探頭的感性比較強(qiáng)，其反向電動勢足以將be結(jié)擊穿。電容C9對經(jīng)過三極管的信號進(jìn)一步整形，去掉信號波形中的毛刺，使波形更好。CX20106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CX20106內(nèi)部設(shè)置的濾波器中心頻率f0五可由其5腳外接電阻調(diào)節(jié)，阻值越大中心頻率越低，范圍為30～60 kHz。CX20106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。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I／O接口用于筆劃段字形代碼。可以提供單獨(dú)鎖存的I／O接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴(kuò)展并行的I／O口。在顯示電路的設(shè)計上，利用單片機(jī)的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費(fèi)管腳資源，但是對單片機(jī)的理論知識要求相對比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。顯示及其驅(qū)動電路的原理圖見圖415。通過變壓器的直流電通過由二極管組成的橋式整流電路進(jìn)入三端穩(wěn)壓元件，CW7812和CW7805分別為電路提供穩(wěn)定的12V和5V直流電源。如圖416所示：圖416穩(wěn)壓電源 圖417 單片機(jī)電路 提高測距的范圍由于空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率成正比，因此用來測距的超聲波的頻率不能很高。所以，40Kz的超聲波單頻測距的范圍只有5～6米，無法滿足我們的要求。其測距原理是：控制器現(xiàn)發(fā)出一串頻率為fH的超聲波，串長度可以有10～16個完整的波形，接著送出4～8fL低頻率的超聲波。由于高頻聲波先發(fā)出，對于同一個目標(biāo)，其回波EchoH先到達(dá)CPU，因此，對于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測。由于該裝置在距離較遠(yuǎn)時對精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測。 發(fā)射探頭和接收探頭間的影響 超聲波從發(fā)射到接收的時間間隔是由控制器內(nèi)部的定時器來完成的。這一干擾問題可通過軟件編程，使控制器不讀取接收器在從發(fā)射開始到虛假反射波結(jié)束的時間段里的信號。 超聲波的衰減超聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其能量逐漸減弱，這種現(xiàn)象叫超聲波的衰減。超聲波的聲壓和聲強(qiáng)均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （3）粘滯衰減:聲波在介質(zhì)中傳播時，由于介質(zhì)的粘滯性造成近質(zhì)點(diǎn)之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。超聲波的衰減有兩種表示方法。這種方法僅能粗略地比較聲波在不同材料中的衰減程度，也就是對同樣厚度的不同材料在同樣的儀器靈敏度下，觀察它們的底面反射波的次數(shù)，底波次數(shù)多的材料，說明聲波在該材料中衰減少，底波次數(shù)少，則聲波衰減比較嚴(yán)重。 系統(tǒng)干擾因素測量裝置的干擾來自多方面。光線對測量裝置中的半導(dǎo)體器件會產(chǎn)生干擾。干擾竄入測量裝置有三條主要途徑，如圖418： 圖418 產(chǎn)生誤差的途徑（1）電磁干擾干擾以電磁波輻射的方式經(jīng)空間竄入測量裝置。信號在傳播過程中，通道中各元器件產(chǎn)生的噪聲或非線性畸變所造成的干擾。一般情況下，電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)干擾主要由發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、大功率繼電器、電臺等的感應(yīng)引起，其強(qiáng)度遠(yuǎn)小于電源接地系統(tǒng)和U0系統(tǒng)的干擾，這種干擾可采用良好的屏蔽與正確的接地、高頻濾波加以抑制。（3）供電系統(tǒng)干擾及其抗干擾由于供電電網(wǎng)面對各種用戶，電網(wǎng)上并聯(lián)著各種各樣的用電器。這種跳變的持續(xù)時間很短，人們稱之為尖峰電壓。（4）電網(wǎng)電源噪聲把供電電壓跳變的持續(xù)時間At ls者稱為過壓和欠壓噪聲。供電電壓跳變的持續(xù)時間lmsAtls ，稱為浪涌和下陷噪聲。供電電壓跳變時間的持續(xù)時間At lm s的被稱為尖峰噪聲。它可消除過壓、欠壓所造的影響，保證供電的穩(wěn)定。由于浪涌和尖峰噪聲主要成份是高頻分量，它們不通過變壓器級線圈之間的互感禍合，而是通過線圈寄生電容禍合。③ 低通濾波器。對于50HZ市電基波 ， 則通過整流濾波后也能夠完全濾除。在電路設(shè)計時，有意識地把各種不同功能塊的電路單獨(dú)設(shè)置供電系統(tǒng)電源。理論上，地線上所有的位置的電平應(yīng)該相同。同時，地線是所有信號的公共點(diǎn)所有信號電流都要經(jīng)過地線。所以，認(rèn)真設(shè)計地線和接地點(diǎn)對于系統(tǒng)的穩(wěn)定是十分重要的。下面公式是超聲波傳播速度與空氣溫度的關(guān)系。 表 41 超聲波波速與溫度的關(guān)系表溫度（℃）3020100102030100聲速（m／s）313319325323338344349386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。就可以實(shí)現(xiàn)溫度測量，如圖53 圖419 溫度測量芯片5 軟件設(shè)計本設(shè)計的軟件設(shè)計部分十分的重要，距離的換算與顯示，就連部分硬件電路不能完成的濾波也要靠程序來完成。 程序完成的功能本次設(shè)計的程序需要完成的功能有：（1）超聲波的發(fā)射和接受控制（2）消除余振（3）對回波信號的檢測（4）測距時間到距離的換算（5）距離的顯示（6）對距離進(jìn)行判斷 編程語言的選擇在編程語言的選擇上，我主要考慮使用我所學(xué)過的匯編語言和C語言。匯編語言是一種面向機(jī)器的低級的程序設(shè)計語言。匯編語言由于是面向機(jī)器的程序設(shè)計語言，與具體的計算機(jī)硬件有著密切的關(guān)系，因此，可移植性差。因此，匯編語言可直接利用機(jī)器硬件系統(tǒng)的許多特性，如寄存器、標(biāo)志位以及一些特殊指令等，具有執(zhí)行速度快、占用內(nèi)存少等優(yōu)點(diǎn)。C語言是一種編譯型的程序設(shè)計語言，它兼顧了多種高級語言的特點(diǎn)，并具備匯編語言的功能。C語言是一種結(jié)構(gòu)化設(shè)計語言，支持支持由頂向下結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計技術(shù)。在C語言的可讀性方面更容易借鑒前人的開發(fā)經(jīng)驗，提高程序的開發(fā)水平。因此利用C語言編寫程序可以大大縮短目標(biāo)系統(tǒng)軟件的開發(fā)周期，程序的可讀性明顯增加，便于改進(jìn)、擴(kuò)充、研制規(guī)