【正文】 聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在 40KHz 處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。 其頻率特性如圖 27 所示。 壓電晶片 電極 共振板 超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 圖 27 超聲發(fā)射傳感器頻率特性 另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類似。因此，超聲波接收傳感器具有很好的頻率選擇特性。如果 R 較小，頻率特性變得光滑而且有較寬的帶寬，同時(shí)靈敏度以隨之降低。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗的前臵放大器配合使用，才能有較高的接收靈敏度。 （ 2） 指向特性 實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩器， 輻射出一個(gè)半球而波（子波）， 這些子波沒(méi)有指向性。 超聲傳感器的指向圖由一個(gè)主瓣和幾個(gè)副瓣構(gòu)成，其物理意 義是 0 度時(shí)電壓最大，角度逐漸增大時(shí)，聲壓減小。 圖 28 是電路中選用的發(fā)射傳感器的指向特性及結(jié)構(gòu)。超聲波在 醫(yī)學(xué) 上的應(yīng)用主要是診斷 疾病 ，它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法。因而推廣容易，受到醫(yī)務(wù)工作者和患者的歡迎。這個(gè)方法是利用超聲波的 反射 。每遇到一個(gè)反射面時(shí)， 回聲 在示波器的屏幕上顯示出來(lái)，而兩個(gè)界面的阻抗差值也決定了回聲的 振幅 的高低。過(guò)去，許多 技術(shù) 因?yàn)闊o(wú)法探測(cè)到物體組織內(nèi)部而受到阻礙，超聲波傳感技術(shù)的出現(xiàn)改變了這種狀況。在未來(lái)的應(yīng)用中，超聲波將與 信息技術(shù) 、新超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 16 材料技術(shù)結(jié)合起來(lái)，將出現(xiàn)更多的 智能化 、高靈敏度的超聲波傳感器。采用小型超聲波傳感器（ Φ12Φ16),工作頻率在 40KHZ,遙控距離約 10米 .遙控器的發(fā)送，這是由 555時(shí)基 電路 組成的振蕩器 ,調(diào)整 10KΩ 電位器，使振蕩頻率為 40KHZ，傳感器接在 ③ 腳接下按鈕時(shí)，發(fā)送出超聲波，接收電路。由于是非隔離電源，要整個(gè)電路用塑料外殼封裝，以防觸電（在調(diào)試時(shí)也應(yīng)注意）。放大后的信號(hào)去觸發(fā)由 Q Q4組成的雙穩(wěn)態(tài)電路， Q5 及 LED 作為觸發(fā)隔離，并可發(fā)光顯示。 Q5 輸出的觸發(fā)信號(hào)使雙向可控硅導(dǎo)通，負(fù)載接通。 液位指示及控制器由于超聲波在 空氣 中有一定的衰減，則發(fā)送到液面及從液面反射回來(lái)的信號(hào)大小與液位有關(guān)，液面位臵越高，信號(hào)越大；液面越低則信號(hào)就小。當(dāng) 上的電壓超過(guò) BG3 的導(dǎo)通電壓時(shí)，有電流流過(guò) BG3，電流表有指示，電流大小與液面有關(guān)。 BG 不導(dǎo)通，若液位升到規(guī)定位臵，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出高電平。 3 硬件設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)設(shè)計(jì)有超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、 電源電路、溫度補(bǔ)償電路、聲報(bào)警電路、鍵盤(pán)控制電路、 單片機(jī)硬件接口電路及顯示報(bào)警電路組成，該系統(tǒng)的核心部分采用性能較好的 AT89C51 單片機(jī)，下面分步介紹各硬件部分的具體超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 17 設(shè)計(jì)分析。前者利用軟件產(chǎn)生 40KHz 的超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)探頭產(chǎn)生超聲波。第二種方法是利用超聲波專業(yè)發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并直接驅(qū)動(dòng)換能器產(chǎn)生超聲波。本設(shè)計(jì)采用第二種方法產(chǎn)生超聲波發(fā)射信號(hào)。 74LS04 是一個(gè)高速 CMOS 六反相器，具有放大作用，具有對(duì)稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)換時(shí)間，而相對(duì)于 LSTTL 邏輯 IC，它的功耗減少很多。本系統(tǒng)將 40 KHz 方波信號(hào)分成兩路，分別由 74LS04 經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)成推拉式反向放大。 發(fā)射電路主要由反向器 74LS04 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī) 端口輸出 40KHz 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極。 輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力，上拉電阻 R R9 一方面可以提高反向器 74LS04 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。超聲波換能器內(nèi)部有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志。常用的載波頻率 38khz 與測(cè)距的 40khz 較為相近，可以利用它來(lái)做接收電路。 CX20206A(國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品型號(hào)為 D20206A)是日本索尼公司生產(chǎn)的在紅外遙控系統(tǒng)中作接收預(yù)放用的雙極型集成電路。這種 IC 性能優(yōu)越 ， 封裝形式及體積與許多遙控信超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 19 號(hào)接收器 IC 相同或相似 ， 故可用來(lái)代換多種型號(hào)的遙控信號(hào)接收集成電路。其主要功能是從 38KHz 紅外載波信號(hào)中，將編碼信號(hào)解調(diào)出來(lái)，并加以放大和整形，然后再送到微處理器 (CPU)進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)遙控操作功能，其具體引腳圖如圖 32 所示。 （ 2） 2 腳：該腳與 GND 之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前臵放大器的增益和頻率特性。但 C 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推薦選用參數(shù)為 R=， C=。 超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 （ 4） 4 腳：接地端。例如，取 R=200kΩ 時(shí)， fn≈42kHz ，若取 R=220kΩ，則中心頻率 f0≈38 KHz。 （ 7） 7 腳：遙控命令輸出端，它是集電極開(kāi)路的輸出方式，因此該引腳必須接上一個(gè)上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為 22kΩ，沒(méi)有接收信號(hào)時(shí)該端輸出為高電平，有信號(hào)時(shí)則會(huì)下降。 超聲波 接收電路 超聲波接收電路包括超聲波接收探頭、信號(hào)放大電路及波形變換電路三部分。由于 經(jīng) 探頭變換后的正弦波電信號(hào)非常弱，因此必須 經(jīng) 放大電路進(jìn)行放大。內(nèi)部電路由前臵放大器、自動(dòng)偏臵電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。 （ 1） 前臵 放大器： 它是高增益的放大器，由于超聲波在空氣中直線傳輸時(shí)，傳輸距離越大，能量的衰減越厲害，故反射回來(lái)的超聲波信號(hào)的幅值會(huì)有很大的變化。通過(guò)反饋將放大器設(shè)定于適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，再由限制電平電路進(jìn)行自動(dòng)控制。 （ 3） 寬頻帶濾波器：其頻率范圍為 30Hz~60Hz，其中心頻率可調(diào)。 （ 5） 積分濾波器與整形電 路：檢測(cè)器輸出的信號(hào)經(jīng)積分濾波器送到整形電路，輸出較好的矩形波。 CX20206A 的外部接線圖 如圖 33所示： IN1C12C23G N D4F05C36O U T7V C C8R 1 7C X 201 06AL S 3R X (S )C947 3R 1 4 K+C 1 7 10 uF / 5 0V+C 1 0 10 uF / 5 0VR 1 520 0KR 1 620 0KC6 33 0pFV C CC110 4P 3 2超聲波接收電路 圖 33 超聲波檢測(cè)接收電路圖 超聲波顯示及控制部分電路 AT89C51 單片機(jī)的原理及工作特點(diǎn) 5l系列單片機(jī)中典型芯片 (AT89C51)采用 40引腳雙列直插封裝 (DIP)形式，超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 內(nèi)部由 CPU， 4kB 的 ROM， 256 B 的 RAM， 2個(gè) 16b 的定時(shí)／計(jì)數(shù)器 T0和T1， 4個(gè) 8 b 的 I/O 端 I： IP0， P1， P2， P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。該系列單片機(jī)引腳與封裝如圖 34所示。 空閑方式： CPU 停止工作，而讓 RAM、定時(shí)／計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。 5l 系列單片機(jī)為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)測(cè)距原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差 tr，然后求出距離 S＝ Ct/2，式中的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 23 C 為超聲波 波速。接收換能器對(duì)聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測(cè)距離。由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān) 壓電陶瓷超聲波傳感器 (TCF4018TR1) 圖 35 壓電陶瓷超聲傳感 器 (1) 適用范圍 家用電器及其它電子設(shè)備的超聲波遙控裝臵；超聲測(cè)距及汽車(chē)倒車(chē)防撞裝臵；液面探測(cè)；超聲波近接開(kāi)關(guān)及其它應(yīng)用的超聲波發(fā)射與接收。其電路圖如圖 36 所示。 D1P O W E R+C 1 547 0uf / 25v+ C 1 610 00u f / 25vC710 4fC810 4fV i n1GND2V o ut3U7V O L T R E G1234D20 6123J3P O W E RV C CR 3 01K電源電路 圖 36 電源電路 220V 交流電通過(guò) 電源變壓器變換成交流低壓電源，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路D1~D4 和濾波電容的整理和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805 的 Vin 和GND 兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓。如37 所示的電路為輸出電壓為 +5V、輸出的電流 的穩(wěn)壓電源。 顯示電路原理 超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 25 超聲波測(cè)距儀顯示模塊 電路 如圖 38 所示。采用 LED 動(dòng)態(tài)顯示，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò) PIC 芯片的計(jì)算后傳到 LED 上，顯示精度是厘米。單片機(jī)用 端口 輸出超聲波換能器所需的 40KHz 方波信號(hào)，利用外中斷 0 口檢測(cè)超聲波接收電路輸出的返回信號(hào)。段碼用 74LS244 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 8550 驅(qū)動(dòng)。因此在測(cè)量精度要求很高的場(chǎng)合，應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，以提高測(cè)量精度，減小誤差。這種電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試繁雜，精度易受元器件參數(shù)的影響。 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，能夠 直接讀出被測(cè)溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過(guò)簡(jiǎn)單的編程，實(shí)現(xiàn) 9～12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換。溫度測(cè)量范圍從 55～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 檢測(cè)誤差不超過(guò) ℃ ，而在整個(gè)溫度測(cè)量范圍內(nèi)具有 177。本設(shè)計(jì)溫度測(cè)量選用 DALLAS公司的 DS18B20 數(shù)字式溫度傳感器，獨(dú)特的一線接口，只需要一條口線通信多點(diǎn)能力，簡(jiǎn)化了分布式溫度傳感應(yīng)用，無(wú)需外部元件，可用數(shù)據(jù)總線供電電源范圍為 至 無(wú)需備用電源。DS18B20 數(shù)字溫度傳感器除了具有相當(dāng)?shù)臏y(cè)量范圍和精度外，還具有溫度測(cè)量精度和不受外界干擾等的優(yōu)點(diǎn)。 鍵盤(pán)控制 電路 超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 此鍵盤(pán)與單片機(jī) P2 口四個(gè)引腳相接，用于對(duì)報(bào)警距離進(jìn)行設(shè)定。駕駛員可以根據(jù)自身要求對(duì)報(bào)警距離進(jìn)行設(shè)定 ，從而大大提高了駕駛的安全系數(shù)。 軟件設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 41： 圖 41 系統(tǒng)模塊框圖 （ 1） 系統(tǒng)初始化模塊：即系統(tǒng)剛上電的時(shí)候?qū)ο到y(tǒng)的各個(gè)引腳的電平分配和對(duì)各寄存器的初值賦值。 （ 3） 按鍵掃描模塊：此模塊用來(lái)通過(guò)鍵盤(pán)控制倒車(chē)?yán)走_(dá)的工作。 （ 5） 運(yùn)算結(jié)果處理模塊：運(yùn)算結(jié)果處理模塊將多次所測(cè)得時(shí)間進(jìn)行處理，進(jìn)行系統(tǒng)各功能模塊 系統(tǒng)初始化程序 按鍵掃描模塊 數(shù)碼管 顯示模塊 運(yùn)算結(jié)果處理模塊 發(fā)射接收控制模塊 聲光報(bào)警模塊 超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29 軟件取大值工作，根據(jù)公式計(jì)算出距離，然后再對(duì)計(jì)算得出的結(jié)果進(jìn)行修正處理，數(shù)據(jù)處理后送至數(shù)碼顯示模塊。 我們知道 C 語(yǔ)言程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法 ， 匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間，而超聲波測(cè)距儀的程序既有較復(fù)雜的計(jì)算（計(jì)算距離時(shí)），又要求精 細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行時(shí)間（超聲波測(cè)距時(shí)），所以控制程序可采用 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言混合編程。 軟件設(shè)計(jì)的要求 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求是利用超聲波測(cè)距原理設(shè)計(jì)一個(gè)車(chē)用的倒車(chē)?yán)走_(dá)。這樣只要計(jì)算出從發(fā)出超聲波信號(hào)到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。 超聲波的指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，遇到障礙物后反射效率高，是測(cè)距的良好載體。首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波 并同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，超聲波咋介質(zhì)傳播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來(lái)，當(dāng)接收器收到發(fā)射波立即停止計(jì)時(shí)。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播數(shù)的約為340m/s，所以由公式 41 知發(fā)射點(diǎn)距離障礙物之間的距離為： S=340t/2=170t 在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 T0，利用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可以認(rèn)為聲速是基本不變的。 其部分源程序如下： RECEIVE0： PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 //關(guān)外部中斷 0 MOV R7, TH0 //讀取時(shí)間值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31 SUBB A, 0BBH //計(jì)算時(shí)間差 MOV 31H, A //存儲(chǔ)結(jié)果 MOV A, R7 SUBB A, 3CH MOV 30H, A SETB EX0 //開(kāi)外部中斷 0 POP ACC POP PSW RETI 主程序 主程序是單片機(jī)程序的主體，整個(gè)單片機(jī)端系統(tǒng)軟件的功能的實(shí)現(xiàn)都是在其中完成的，在此過(guò)程中 主程序調(diào)用了子程序及中斷服務(wù)程序