(論文)超聲波測距系統(tǒng)論文(設(shè)計說明書)(2013年優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計論文)

鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)論文 (2010)超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)1 概 述 從技術(shù)上看，超聲波測距系統(tǒng)在上個世紀(jì)70年代已經(jīng)實用化，從70年代末期開始廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)領(lǐng)域。于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求，因此在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上到了廣泛的應(yīng)用。2 課題研究背景與意義2.1 課題研究背景超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇。近年來，隨著電子測量技術(shù)的發(fā)展，運用超聲波作出精確測量已成可能。隨著經(jīng)濟發(fā)展，電子測量技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，而超聲波測量精確高，成本低，性能穩(wěn)定則備受青睞。超聲波是指頻率在20kHz以上的聲波，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質(zhì)后被介質(zhì)吸收而發(fā)生衰減等。正是因為具有這些性質(zhì)，使得超聲波可以用于距離的測量中。隨著科技水平的不斷提高，超聲波測距技術(shù)被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪小Ｒ话愕某暡y距儀可用于固定物位或液位的測量，適用于建筑物內(nèi)部、液位高度的測量等。2.2 課題研究意義由于超聲測距是一種非接觸檢測技術(shù)，不受光線、被測對象顏色等的影響，較其它儀器更衛(wèi)生，更耐潮濕、粉塵、高溫、腐蝕氣體等惡劣環(huán)境，具有少維護、不污染、高可靠、長壽命等特點。因此可廣泛應(yīng)用于紙業(yè)、礦業(yè)、電廠、化工業(yè)、水處理廠、污水處理廠、農(nóng)業(yè)用水、環(huán)保檢測、食品（酒業(yè)、飲料業(yè)、添加劑、食用油、奶制品）、防汛、水文、明渠、空間定位、公路限高等行業(yè)中?？稍诓煌h(huán)境中進行距離準(zhǔn)確度在線標(biāo)定，可直接用于水、酒、糖、飲料等液位控制，可進行差43值設(shè)定，直接顯示各種液位罐的液位、料位高度。因此，超聲在空氣中測距在特殊環(huán)境下有較廣泛的應(yīng)用。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于實現(xiàn)實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的指標(biāo)要求，因此為了使移動機器人能夠自動躲避障礙物行走，就必須裝備測距系統(tǒng)，以使其及時獲取距障礙物的位置信息（距離和方向）。因此超聲波測距在移動機器人的研究上得到了廣泛的應(yīng)用。同時由于超聲波測距系統(tǒng)具有以上的這些優(yōu)點，因此在汽車倒車?yán)走_的研制方面也得到了廣泛的應(yīng)用。3方案設(shè)計和選擇根據(jù)本次設(shè)計的要求，方案的選擇應(yīng)力求實用性強，性價比高，使用簡單。3.1 超聲波測距的基本原理諧振頻率高于20kHz的聲波被稱為超聲波。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。利用超聲波的這種性能就可制成超聲傳感器，或稱為超聲換能器，它是一種既可以把電能轉(zhuǎn)化為機械能、又可以把機械能轉(zhuǎn)化為電能的器件或裝置。換能器在電脈沖激勵下可將電能轉(zhuǎn)換為機械能，向外發(fā)送超聲波；反之，當(dāng)換能器處在接收狀態(tài)時，它可將聲能(機械能)轉(zhuǎn)換為電能。3.1.1 超聲波發(fā)生器 為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一 類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生 的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 3.1.2 壓電式超聲波發(fā)生器原理 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示，它有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信 號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。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，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。 3.1.3超聲波測距原理 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停 止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：s=340t/2最常用的超聲測距的方法是回聲探測法，超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物面的距離s，即：s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖3-1所示： 超聲波發(fā)射 障礙物 S H 超聲波接收圖3-1 超聲波的測距原理 （3-1） （3-2）式中:L-兩探頭之間中心距離的一半.又知道超聲波傳播的距離為: ( 3-3)式中:v超聲波在介質(zhì)中的傳播速度; t超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間.將（32）、（33）代入（3-1）中得： ( 3-4)其中,超聲波的傳播速度v在一定的溫度下是一個常數(shù)(例如在溫度T=30度時,V=349m/s);當(dāng)需要測量的距離H遠遠大于L時,則(34)變?yōu)? ( 3-5) 所以,只要需要測量出超聲波傳播的時間t,就可以得出測量的距離H.3.2單片機AT89S52單片機一詞最初源于“Single-Chip Microcomputer”，簡稱“SCM”。單片機也叫做“微控制器”或者“嵌入式微控制器”。它不是完成某一個邏輯功能的芯片（芯片也稱為集成電路塊，它是1958年9月12日，在Robert Noyce的領(lǐng)導(dǎo)下，科研小組發(fā)明集成電路后開始出現(xiàn)的一個名稱），而是把一個微型計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它體積小、質(zhì)量輕、價格便宜，為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。近年來，微處理器已廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，尤其是在智能儀器儀表中的應(yīng)用更是如此，這不僅引起了產(chǎn)品本身的變革，也深深地影響設(shè)計的理念的變革。智能儀器儀表作為一種智能系統(tǒng)，其核心在于微處理器。基于微處理器的智能系統(tǒng)設(shè)計，已成為目前電子設(shè)計領(lǐng)域的一個熱點。智能系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，一般包含微處理器、按鍵與顯示人機界面、A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換等基本功能部件，同時也包含與應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的其他特殊部件。智能系統(tǒng)一般需要在惡劣的環(huán)境下長期連續(xù)地工作，因此在滿足功能的基礎(chǔ)上，其可靠性也是設(shè)計時需要考慮的一個方面，目前已經(jīng)普遍應(yīng)用于通信、雷達、遙控和自動控制等各個領(lǐng)域中。在本次畢業(yè)設(shè)計中我選用的是AT89S52單片機。 AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。3.2.1 一般說明AT89S52具有如下特點：40個引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器，256 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。AT89S52的數(shù)據(jù)存儲包括256字節(jié)的內(nèi)部RAM，特殊功能寄存器（SFR），2K字節(jié)的片內(nèi)EEPROM和可擴展至64K的外部數(shù)據(jù)存儲器。此外，AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。3.2.2 極限參數(shù) 表3-1 AT89S52極限參數(shù)參數(shù)額定值單位操作溫度0+70或-40+85C儲存溫度范圍-65+150CEA/Vpp腳相對于Vss的電壓0+13.0V其他任何腳相對于Vss的電壓-0.5+6.5V每個IO腳的最大IOL15mA3.3 超聲波傳感器3.3.1超聲波的特性聲音是與人類生活緊密相關(guān)的一種自然現(xiàn)象。當(dāng)聲的頻率高到超過人耳聽覺的頻率極限(根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計，取整數(shù)為20000赫茲)時，人們就會覺察不出周圍聲的存在，因而稱這種高頻率的聲為“超”聲。人的聽覺范圍如圖2-5所示。圖3-5 人的聽覺范圍 超聲波的特性有：（1）束射特性由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的所有定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角，當(dāng)射線透過一種物質(zhì)進入另一種密度不同的物質(zhì)時就會產(chǎn)生折射現(xiàn)象，也就是要改變它的傳播方向，兩種物質(zhì)的密度差別愈大，則折射率也愈大。（2）吸收特性聲波在各種介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，其強度會逐漸減弱，這是因為介質(zhì)要吸收掉它的部分能量。對于同一介質(zhì)，聲波的頻率越高，介質(zhì)吸收就越強。對于一個頻率一定的聲波，在氣體中傳播時吸收尤為歷害，在液體中傳播時吸收就比較弱，在固體中傳播時吸收是最小的。（3）超聲波的能量傳遞特性超聲波之所以能在各個工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用，主要原因還在于比聲波具有強大得多的功率。為什么有這么強大的功率呢?因為當(dāng)聲波進入某一介質(zhì)中時，由于聲波的作用使物質(zhì)中的分子也隨之振動，振動的頻率和聲波頻率樣，分子振動的頻率決定了分子振動的速度。頻率愈高速度愈大。物資分子由于振動所獲得的能量除了與分子本身的質(zhì)量有關(guān)外，主要是由分子的振動速度的平方?jīng)Q定的,所以如果聲波的頻率愈高，也就是物質(zhì)分子愈能得到更高的能量。超聲波的頻率比普通聲波要高出很多，所以它可以使物質(zhì)分子獲得很大的能量；換句話來說，超聲波本身就可以供給物質(zhì)分子足夠大的功率。 （4）超聲波的聲壓特性當(dāng)聲波進入某物體時,由于聲波振動使物質(zhì)分子相互之間產(chǎn)生壓縮和稀疏的作用，將使物質(zhì)所受的壓力產(chǎn)生變化。由于聲波振動引起附加壓力現(xiàn)象叫聲壓作用。3.3.2 超聲波換能器完成產(chǎn)生超聲波和接收超聲波這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲波探頭。超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多用作探測方面。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。由于晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能都是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解清楚該探頭的性能參數(shù)。超聲波傳感器的主要性能指標(biāo)包括：（1）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。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。（2）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，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。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。（3）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高。人類能聽到的聲音頻率范圍為：20Hz20kHz，即為可聽聲波，超出此頻率范圍的聲音，即20Hz以下頻率的聲音稱為低頻聲波，20kHz以上頻率的聲音稱為超聲波。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。為此，利用超聲波的這種性能就可制成超聲波傳感器。另外，超聲波在空氣中的傳播速度較慢，為340ms，這就使得超聲波傳感器使用變得非常簡便。我們選用壓電式超聲波傳感器。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)來進行工作的。逆壓電效應(yīng)將高頻電振動轉(zhuǎn)換成高頻機械振動，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而利用正壓電效應(yīng)，將超聲振動波轉(zhuǎn)換成電信號，可作為接收探頭。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?？傮w上講，超聲波發(fā)生器大體可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。 共振板gon 壓電晶片 電極 電極圖3-6超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 壓電式超聲波發(fā)生器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。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。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。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，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。如圖4-4所示。3.4 CAD簡介CAD在早期是英文Computer Aided Drafting (計算機輔助繪圖)的縮寫，隨著計算機軟、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繪圖還不能稱之為計算機輔助設(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。二維工程圖設(shè)計只是產(chǎn)品設(shè)計中的一小部分；于是CAD的縮寫也由Computer Aided Drafting 改為 Computer Aided Design（計算機輔助設(shè)計），CAD也不再僅僅是輔助繪圖，而是整個產(chǎn)品的輔助設(shè)計。早在20世紀(jì)70年代軍工部門就是利用計算機來完成飛機，火箭等航空，航天器的設(shè)計工作。電子線路CAD的基本含義是使用計算機來完成電子線路的設(shè)計過程，包含電路原理圖的編輯，電路功能的仿真，工作環(huán)境的模擬，印制板的設(shè)計（自動布局，自動布線）與檢測等等。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。隨著電子技術(shù)的飛速用日趨廣泛，電子電路也變得越來越復(fù)雜，這給電路的設(shè)計工作帶來更的難度。因此通過計算機進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。Protel99SE是澳大利亞Protel Technology公司于2000年推出的一款基于Windows 95/98以上環(huán)境下的全32位EDA（Electronic Design Automation 電子設(shè)計自動化）道路設(shè)計自動化軟件，是一個客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序。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。由于其性能優(yōu)越，Protel99SE已經(jīng)成為電路設(shè)計不可缺少的理想輔助設(shè)計工具。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。4.1 整體電路設(shè)計整體電路的控制核心為單片機AT89S52。超聲波發(fā)射和接收電路中都對相應(yīng)信號進行整形及放大，以保證測量結(jié)果盡可能精確。超聲波探頭接OUT口實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。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)送到單片機后使用軟件對超聲波的傳播速度進行調(diào)整，使測量精度能夠達到要求。整體結(jié)構(gòu)圖包括超聲波發(fā)射電路,超聲波接收電路,單片機電路,顯示電路與溫度測量電路等幾部分模塊組成。而超聲波發(fā)射與接收電路還要加入放大電路。在發(fā)射后把信號放大，接收前也要把還再次放大。整體電路結(jié)構(gòu)圖如圖4-1。圖4-1超聲波測距原理圖單片機發(fā)出40kHZ的信號，經(jīng)放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送LED顯示。 圖4-2 超聲波發(fā)送原理圖4.2超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計4.2.1 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。超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即為：s=340t/2，這就是所謂的時間差測距法。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。測距誤差主要來源于以下幾個方面：（1）超聲波波束對探測目標(biāo)的入射角的影響；（2）超聲波回波聲強與待測距離的遠近有直接關(guān)系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)；（3）超聲波傳播速度對測距的影響。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。傳播媒質(zhì)的溫度、壓力、密度對聲速都將產(chǎn)生直接的影響，因此需對聲速加以修正。（4）由于超聲波利用接收發(fā)射波來進行距離的計算，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，可直接按式進行距離的計算；當(dāng)夾角很大的時候，必須進行距離的修正，修正的公式為： （4-1） 實際的調(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45。接收換能器對超聲波脈沖的直接接收能力將決定該系統(tǒng)最小的可測距離。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。4.2.2 超聲波發(fā)射電路 超聲波測距技術(shù)經(jīng)過幾年的研究和發(fā)展，已經(jīng)有了很多比較成熟的技術(shù)和設(shè)計方案，使本次設(shè)計能有很多可借鑒的資料，從中學(xué)到了很多寶貴的知識。對自己設(shè)計電路有很大幫助。超聲波發(fā)射電路，要求功率盡量大些，發(fā)射距離大于1.5米，電路力求簡單實用。我參考電路圖如圖4-3,4-4,4-5,4-6。吸取幾個圖的優(yōu)點而避免他們的缺點，然后結(jié)合分析設(shè)計超聲波的發(fā)射與接收電路。40kHZ超聲波發(fā)射電路之一，電路中晶體管VT1、VT2組成強反饋穩(wěn)頻振蕩器，振蕩頻率等于超聲波換能器T40-16的共振頻率。T40-16是反饋耦合元件，對于電路來說又是輸出換能器。T40-16兩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T40-16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。這樣電路很簡單與實用。 圖4-3 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之二，由VT1、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T40-16，其諧振頻率為40kHZ2kHZ。頻率穩(wěn)定性好，不需作任何調(diào)整，并由T40-16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（312V），且頻率不變。電感采用固定式，電感量5.1mH。整機工作電流約25mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。 圖4-4 40khz超聲波發(fā)射電路40kHZ超聲波發(fā)射電路之三，它主要由四與非門電路完成振蕩及驅(qū)動功能，通過超聲換能器T40-16輻射出超聲波去控制接收機。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YF4、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T40-16換能器發(fā)出40kHZ超聲波。電路中YF1YF4采用高速CMOS電路74HC00四與非門電路，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。圖4-5 40khz超聲波發(fā)射電路 40kHZ超聲波發(fā)射電路之四，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T40-16，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4050mA。發(fā)射超聲波信號大于8m。LM555可用NE555直接替代，效果一樣。 經(jīng)過認(rèn)真仔細的考慮和分析，本人選擇使用NE555加外圍電路構(gòu)成多諧振蕩器來產(chǎn)生頻率為40KHz的方波，再經(jīng)過整形放大后來驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波。 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，可在4.518V范圍內(nèi)工作，其驅(qū)動電流可達200mA。NE555的內(nèi)部中心電路是三極管Q15和Q17加正反饋組成的RS觸發(fā)器。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。輸出端為F，另外還有集電極開路的放電管DIS。它們控制的優(yōu)先權(quán)是R、T、TH。利用NE555可以組成相當(dāng)多的應(yīng)用電路，甚至多達數(shù)百種應(yīng)用電路，在各類書刊中均有介紹，例如家用電器控制裝置、門鈴、報警器、信號發(fā)生器、電路檢測儀器、元器件測量儀、定時器、壓頻轉(zhuǎn)換電路、電源應(yīng)用電路、自動控制裝置及其它應(yīng)用電路都有著廣泛的應(yīng)用，這是因為NE555巧妙地將模擬電路和數(shù)字電路結(jié)合在一起的緣故。圖4-6 40khz超聲波發(fā)射電路 圖4-7 555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。555芯片8腳接到高電平開始工作，4腳被拉高，多諧振蕩電路不工作，當(dāng)接到單片機的低電平信號后振蕩器開始工作。 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V0，3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S0，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。由電路可知電容C的放電時間t1R2Cln2，充電時間t2（R1+R2）Cln2，即可得出輸出脈沖的頻率為：f1/t1+t2。所以調(diào)節(jié)R1和R2即可改變脈沖頻率使之等于40KHz。如圖4-6所示。圖4-8 方波產(chǎn)生電路 為了使40KHz的方波信號更為可靠，要對其進行整形及放大。信號由NE555的3腳向外輸出，經(jīng)過二極管D2整形，濾去低于低電平 的部分，只保留零電平以上部分。整形后的信號經(jīng)由三極管Q1、Q2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。信號由OUT口輸出，送入超聲波探頭中。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。因為超聲波探頭是一個感性元件，在一定程度上會表現(xiàn)出電感的性質(zhì)。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。加入這個電路就是為了在停止發(fā)送超聲波的時候?qū)l(fā)射器內(nèi)部的能量釋放到地，使其立即停止工作。單片機控制發(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。在TXD口為高電平時停止發(fā)射超聲波，此時INT0口也為高電平，使得三極管Q3導(dǎo)通，即打開消除余振功能，將剩余的能量接地。兩個動作幾乎是同時的，可以提高此后計時的準(zhǔn)確性。電路如圖4-9所示。圖4-9方波消除余波電路 圖4-10 發(fā)射電路模塊4.2.3 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。通過波形整形，積分器，檢波器，帶通濾波，限幅放大和前置放大等實現(xiàn)接收超聲波的功能。如圖4-11所示： 由于在距離較遠的情況下，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。如圖4-11所示電路有三級放大：前兩級種放大100倍，采用高速精密放大器LM318， 其帶寬為15MHz，放大倍數(shù)為100倍時，能充分滿足要求；第三級采用LF353運算放大器，帶寬為4MHz，對于62倍的放大倍數(shù)，能充分滿足條件。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。在中斷服務(wù)程序中，讀取時間計數(shù)器的計數(shù)值，并結(jié)合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離如圖4-12所示：圖4-11 40KHz超聲波接收電路圖4-12 40KHz超聲波接收電路圖4-12所示電路為雙穩(wěn)態(tài)超聲波接收機電路，由VT5、VT6及相關(guān)輔助元件構(gòu)成雙穩(wěn)態(tài)電路，當(dāng)VT4每導(dǎo)通一次（發(fā)射機工作一次），觸發(fā)信號經(jīng)C7、C8向雙穩(wěn)電路送進一個觸發(fā)脈沖，VT5、VT6狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次，當(dāng)VT6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，VT7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+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)。再加上設(shè)計中所選用的超聲波探頭里已經(jīng)集成了上述超聲波接收電路，一般情況下一次即可成功。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行處理。探頭收到的回波信號經(jīng)OUT口回到電路中，經(jīng)過電容C10耦合，只保留測距需要的交流信號。電路中加入二極管D1同樣是因為上面提到的探頭的感性。由于感性的存在，在停止發(fā)送超聲波的那一刻，OUT口會出現(xiàn)一個反向電動勢，即電位低于地電位。這樣，如果沒有二極管保護，這個反向電動勢將會全部加在三極管Q4的b-e結(jié)上，如果探頭的感性比較強，其反向電動勢足以將b-e結(jié)擊穿。二極管D1提供了一個電流的瀉放電路，也可以說是將反向電動勢降到最?。?.7V左右），保護三極管及其他電路。電容C9對經(jīng)過三極管的信號進一步整形，去掉信號波形中的毛刺，使波形更好。電阻R5起一個上拉電阻的作用，因為回波信號經(jīng)過濾波后很可能會衰減的很嚴(yán)重，所以利用R5將其幅度上拉到5V，以便單片機更好的檢測回波信號。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、性能優(yōu)越、外圍接口簡單、成本低等優(yōu)點，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3060 kHz。故本次設(shè)計用它來做接收電路。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。圖4-13超聲波回波信號整形電路 圖4-14 40KHz超聲波接收電路4.3 顯示電路設(shè)計在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的IO接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡單與便利。可以提供單獨鎖存的IO接口電路很多，常用的就是通過串口外接串并轉(zhuǎn)換器74LS164，擴展并行的IO口。需要幾個數(shù)碼管就擴展幾個并行接口，數(shù)碼管直接接在74LS164的輸出腳上，單片機通過串口將要顯示數(shù)據(jù)的字形碼逐一的串行移出至74LS164的輸出腳上數(shù)碼管就可以顯示相應(yīng)的數(shù)字。在顯示電路的設(shè)計上，利用單片機的P0P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機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。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陽極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到低電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動電路的原理圖見圖4-15。圖4-15 數(shù)碼管顯示電路4.4 穩(wěn)壓電源設(shè)計因為本次設(shè)計的元器件都可以使用+12V或是+5V的電源來驅(qū)動，所以我制作了一個穩(wěn)壓電源，它使用三端集成穩(wěn)壓器CW7812和CW7805來設(shè)計。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。極性電容起濾波電容的作用，非極性電容則可以改善負載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。如圖4-16所示：圖4-16穩(wěn)壓電源 圖4-17 單片機電路4.5硬件電路設(shè)計優(yōu)化4.5.1 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。另一方面，頻率越低，波長越長，測量的絕對誤差就越大。所以，40Kz的超聲波單頻測距的范圍只有56米，無法滿足我們的要求。為了解決測量范圍和測量精度之間的矛盾，我們采用雙頻測距的方法。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1016個完整的波形，接著送出48fL低頻率的超聲波。這種在時域上連續(xù)的兩種頻率的超聲波被前方的目標(biāo)反射后，形成回波，回波經(jīng)由接收器形成回波脈沖EchoH和EchoL。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CPU，因此，對于較近的目標(biāo)，首先用高頻超聲波探測。當(dāng)目標(biāo)較遠時，高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，接收器接收到的回波中只有低頻超聲波EchoL。由于該裝置在距離較遠時對精度要求不是很高，所以可以用EchoL探測。如圖4-17所示：圖4-17 雙頻超聲波測距工作時序圖 t0、t1分別為高、低超聲波發(fā)射的開始時間，t2、t3為高、低超聲波回波到達的時間，所測得的距離分別為：D1=c(t2-t0)/2 (4-1) D2=c(t3-t1)/2 (4-2) 經(jīng)試驗可知，用雙頻超聲波發(fā)射，量程可達到25m。 4.5.2 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。由于發(fā)射器探頭與接收器探頭的距離不大，有部分波未經(jīng)被測物就直接繞射到接收器上，造成發(fā)送部分與接受部分的直接串?dāng)_問題。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。這樣，就有效的避免了干擾，但另一方面也形成了20cm左右的“盲區(qū)”。 4.5.3 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。引起超聲波衰減的主要原因有： （1）擴散衰減:超聲波在傳播過程中，由于聲束的擴散能量逐漸分散，從而使單位面積內(nèi)超聲波的能量隨傳播距離的增加而減弱。超聲波的聲壓和聲強均隨至聲源的距離的增加而減弱。 （2）散射衰減:當(dāng)聲波要傳播過程中遇到由不同聲阻抗介質(zhì)所組成的界面時，就將產(chǎn)生散亂反射，從而損耗了聲波的能量，被散射的超聲波在介質(zhì)中沿著復(fù)雜的路徑傳播下去，最終變?yōu)闊崮堋?（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)點之間的內(nèi)摩擦從而使一部分聲能轉(zhuǎn)化熱能。同時，由于介質(zhì)的熱傳導(dǎo)，介質(zhì)的稠密和稀疏部分之間進行熱交換，從而導(dǎo)致聲能的損耗，這就是介質(zhì)的吸收現(xiàn)象。超聲波的衰減有兩種表示方法。一種是用底波多次反射的次數(shù)來表示。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。另一種是理論上定量計算的表示方法，即用衰減系數(shù)來表示聲波的衰減。4.5.4 系統(tǒng)干擾因素測量裝置的干擾來自多方面。機械振動或沖擊會對傳感器產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾;光線對測量裝置中的半導(dǎo)體器件會產(chǎn)生干擾;溫度的變化會導(dǎo)致電路參數(shù)的變動，產(chǎn)生干擾:以及電磁干擾等等。干擾竄入測量裝置有三條主要途徑，如圖4-18：圖4-18 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。信道干擾。信號在傳播過程中，通道中各