【正文】 于近距離 反射方式（兼用型） 探測物體 測量距離 ① 需要發(fā)射接收切換電路 ② 不能近距離測量 圖 超聲波探測物體的方式 對于直接方式，我們常用來探測物體。因為這種方式是將超聲波發(fā)射探頭和接收探頭置于兩處，沒有反射波可以被接收到，這樣使得超聲波在介質(zhì)中的傳播時間不易被準(zhǔn)確測出，所以，這種方式一般不被用來測 距。 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 我們通常用超聲波傳感器的反射方式進(jìn)行測距，也就是采用回波測距法。利用超聲波在兩種不同介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射的原理而工作。發(fā)射探頭向被測物體表面發(fā)射超聲波，經(jīng)物體表面反射后，回波被接收探頭所接收，測出超聲波在介質(zhì)中的傳播時間，進(jìn)而得到距離。 2． 1． 4 超聲波傳感器頻率的選擇 在空氣中，超聲波的衰減與頻率直接相關(guān)，空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率的平方成正比。因此，超聲波的頻率不能選的太大，太大會加速聲波的衰減，但也不能太小，太小會使引入的噪聲過大，而且頻率越低，則波長越長，測距的絕對誤差就越大 .在空氣媒質(zhì) 里，一般頻率選在幾十 KHz左右。在本課題中，我們選用 40KHz的頻率。 2． 2 超聲波測距的原理 2． 2． 1 常見的測距法 目前最常用的測距法有兩種 : (1) 超聲波測距法 :超聲波是頻率 20kHz以上的機(jī)械振動波，利用發(fā)射脈沖和接收脈沖的時間間隔推算出距離。超聲波測距法的缺點是波束較寬，其分辨力受到嚴(yán)重的限制，因此，主要用于導(dǎo)航和回避障礙物。 (2) 激光測距法 :激光測距法也可以利用回波法，或者利用激光測距儀，其工作原理如下 :氦氖激光器固定在基線上，在基線的一端由反射鏡將激光點射向被測物體，反射鏡固定在電動 機(jī)軸上，電動機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)，使激光點穩(wěn)定地對被測目標(biāo)掃描。由 CCD(電荷禍合器件 )攝像機(jī)接受反射光，采用圖像處理的方法檢測出激光點圖像，并根據(jù)位置坐標(biāo)及攝像機(jī)光學(xué)特點計算出激光反射角。利用三角測距原理即可算出反射點的位置。 由于我們是在實驗室中進(jìn)行的實驗和設(shè)計，所以我們選用超聲波測距法，這樣會使成本降低。 2． 2． 2 超聲波測距基本原理 單片機(jī)發(fā)出超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時間差 Ct，然后求出距離 S＝ Ct／ 2，式中的 C 為超聲波波速。限制該系統(tǒng)的最大可測 距離存在 4 個因素：超聲波的幅度、反射的質(zhì)地、反射和入射聲波之間的夾角以及接收換能器的靈敏度。接收換能器對聲波脈沖的直接接收能力將決定最小的可測距離。為 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 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 。 表 溫度與波速的關(guān)系表 溫度 /℃ 20 10 0 10 20 30 100 波速 /m/s 319 325 323 338 344 349 386 由于超聲波屬于聲波范圍，其波速 C 與溫度有關(guān)。 所以 列出了幾種不同溫度下的波速 ,請看表 所示。 在 測距時由于溫度變化，可通過溫度傳感器自動探測環(huán)境溫度、確定計算距離時的波速 C，較精確地得出該環(huán)境下超聲波經(jīng)過的路程，提高了測量精確度。波速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離 。 單片機(jī) (AT89C51)發(fā)出短暫的 40kHz 信號，經(jīng)放大后通過超聲波換能器輸出；反射后的超聲波經(jīng)超聲波換能器作為系統(tǒng)的輸入，鎖相環(huán)對此信號鎖定，產(chǎn)生鎖定信號啟動單片機(jī)中斷程序，得出時間，再由系統(tǒng)軟件對其進(jìn)行計算、判別后，相應(yīng)的計算結(jié)果被送至 LED 顯示電路進(jìn)行顯示，若測得的距離超出設(shè)定范圍系統(tǒng)將提示聲音報警電路報警。 2． 3 幾種常見的 40kHZ超聲波發(fā)射和接收電路 (1) 40kHZ超聲波發(fā)射電路 一： 圖 40kHZ超聲波發(fā)射電路 一原理圖 F1F2F1F1ST 4 0 1 69 VC2 1 0 0C31 0 0C11 5 0 0R PR14 7 KF1～ F4： C C 4 0 6 91 0 K 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 工作原理：由 F1～ F3三門振蕩器在 F3的輸出為 40kHZ方波，工作頻率主 要由 C R1和 RP決定，用 RP可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)頻率。 F3的輸出激勵換能器T4016的一端和反向器 F4， F4輸出激勵換能器 T4016的另一端，因此，加入F4使激勵電壓提高了一倍。電容 C C2平衡 F3和 F4的輸出，使波形穩(wěn)定。電路中反向器 F1~F4用 CC4069六反向器中的四個反向器，剩余兩個不用（輸入端應(yīng)接地）。電源用 9V疊層電池。測量 F3輸出頻率應(yīng)為 40kHZ177。 2kHZ，否則應(yīng)調(diào)節(jié) RP。發(fā)射超聲波信號大于 8m。原理圖如圖 ： (2) 40kHZ超聲波發(fā)射電路 二： 工作原理：電路中晶體管 VT VT2組成強(qiáng)反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率 圖 40kHZ超聲波發(fā)射電路 二原理圖 等于超聲波換能器 T4016的共振頻率。 T4016是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。 T4016兩端的振蕩波形近似于方波，電壓振幅接近電源電壓。 S是電源開關(guān)，按一下 S，便能驅(qū)動 T4016發(fā)射出一串 40kHZ超聲波信號。電路工作電壓 9V，工作電流約 25mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m。電路不需調(diào)試即可工作。原理圖如圖 ： T 4 0 1 6V D1I N 4 1 4 8V T1 9 0 1 3 2V T2C11 0 0 μ++9 VSR15 . 1 KR25 1 0 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 (3) 40kHZ超聲波發(fā)射電路 三： 工作原理：由 VT VT2組成正反饋回授振蕩器。電路的振蕩頻率決定于反饋元件的 T4016，其諧振頻率為 40kHZ177。 2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由 T4016作為換能器發(fā)出 40kHZ的超聲波信號。電感 L1與電容C2調(diào)諧在 40kHZ起作諧振作用。本電路適應(yīng)電壓較寬（ 3~12V），且頻率不變。電感采用固定式，電感量 。整機(jī)工作電流約 25mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m。原理圖如圖 ： 圖 40kHZ超聲波發(fā)射電路 三原理圖 (4) 40kHZ超聲波發(fā)射電路 四： 工作原理：它主要由四與非門電路 CC4011完成振蕩及驅(qū)動功能，通過超聲換能器 T4016輻射出超聲波去控制接收機(jī)。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。振蕩信號分別控制由 YF YF3組成的差相驅(qū)動器工作，當(dāng) YF3輸出高電平時，YF4一定輸出低電平； YF3輸出低電平時， YF4輸出高電平。此電平控制 T4016 換能器發(fā)出 40kHZ超聲波。電路中 YF1~YF4采用高速 CMOS電路 74HC00四與非T 4 0 1 6V D1I N 4 1 4 8V T1 9 0 1 3 2V T2C11 0 0 μ++9 VSR15 . 1 KC2 2 7 0 0L15 . 1 m H 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 門電路，該電路特點是輸出驅(qū)動電流大（大于 15mA），效率高等。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。原理圖如圖 示： 圖 40kHZ超聲波發(fā)射電路 四原理圖 (5) 40kHZ超聲波發(fā)射電路 五： 工作原理： 40kHZ超聲波發(fā)射電路之五，由 LM555時基電路及外圍元件構(gòu)成 40kHZ多諧振蕩器電路，調(diào)節(jié)電阻器 RP阻值，可以改變振蕩頻率。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。電路簡單易制。電路工作電壓 9V，工作電流 40~50mA。發(fā)射超聲波信號大于 8m。LM555可用 NE555直接替代，效果一樣。原理圖如圖 ： R25 1 0T 4 0 1 6Y F1C11 0 0 μ+9 VSR15 . 1 Kamp。amp。amp。amp。Y F1～ Y F47 4 H C D 0Y F2Y F3Y F4R31 0 0 KR45 . 1 KR P1 0 K 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 圖 40kHZ超聲波發(fā)射電路 五原理圖 (6) 雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收電路 由于單穩(wěn)態(tài)接收機(jī)無記憶功能，所以不能用在家用電器的開與關(guān)中，適用面不寬。下面介紹一種雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機(jī)電路，它的前級電路同單穩(wěn)態(tài)超聲波接收 電路完全一樣，只是執(zhí)行電路不同。如圖 所示 :電路中，由 VT VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng) VT 4每導(dǎo)通 一次（發(fā)射機(jī)工作一次），觸發(fā)信號經(jīng) C C8 向雙穩(wěn)電路送進(jìn)一個觸發(fā)脈沖， VT VT 6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng) VT 6從截止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變成導(dǎo)通狀態(tài)時， VD5截止， VT7截止，繼電器 K 釋放； 當(dāng)再來一個觸發(fā)信號時， VT6由導(dǎo)通轉(zhuǎn)變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)， VD5導(dǎo)通， VT 7導(dǎo)通，繼電器 K 吸合。由于增加了雙穩(wěn)電路，使之用于電燈、電扇、電視等電器遙控成為現(xiàn)實。調(diào)試時，在 a點與 +6V（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)。一般 情況下一次即可成功。 R25 1 0T 4 0 1 6C21 0 0 μ+9 VSR15 . 1 KR P4 . 7 KI CL M 5 5 5C1 1 0C31 0 0 μ1 5628 43 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 圖 雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收電路 圖 （ 2） 單穩(wěn)式超聲波接收器電路 如圖 所示超聲波換能器 R4016 諧振頻率為 40kHZ，經(jīng) R4016 選頻后，將 40kHZ 以外的干擾信號衰減，只有諧振于 40kHZ 的有用信號（發(fā)射機(jī)信號）送入 VT 1~VT3組成的高通放大器放大，經(jīng) C VD1檢出直流分量，控制 VT VT5組成的電子開關(guān)帶動繼電器 K工作。由于該電路僅作單路信號放大，當(dāng)發(fā)射機(jī)每發(fā)射一次超聲波信號時，接收機(jī)的繼電器吸合一次（吸合時間同發(fā)射機(jī)發(fā)射信號時間相同），無記憶保持功能。可用作無線遙控攝象機(jī)快門控制、兒童玩具控制、窗簾控制等。電路中 VT1β≥ 200， VT2β≥ 150，其他元件自定。電路不需調(diào)試即可工作。如靈敏度和抗干擾不夠，可檢查三極管的β值與電容 C4的容量是否偏差太大。經(jīng)實測，配合相應(yīng)的發(fā)射機(jī)，遙控距離可達(dá) 8m 以上。在室內(nèi)因墻壁反射，故沒有方向性。電路工作電壓 3V，靜態(tài)電流小于 10mA。 KR 4 0 1 6R11 5 KR25 1 0 KR35 1 0R55 1 0R45 1 0R66 8 KR72 KR82 . 7 KR91 0 KR1 01 0 KR1 11 0 KR22 KR1 32 0 KC2 0 . 0 1 μC3 2 0 0 0C5 0 . 0 1 μC4 2 0 0 0C6 0 . 0 2 μC7 1 μC8 0 . 1 μV T1 9 0 1 8 2V T2V T39 0 1 8V T49 0 1 5V T59 0 1 3V T69 0 1 3V T79 0 1 3V D1 I N 4 1 4 8V D2 I N 4 1 4 8V D3 V D4 V D5 ( 6 V )+ 6 VG N DV D6 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告紙 共 頁 第 頁 圖 單穩(wěn)式超聲波接收器電路原理圖 R11 5 K