基于單片機(jī)的超聲測(cè)距儀畢業(yè)設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)基于單片機(jī)的超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)學(xué)院專(zhuān)業(yè)指導(dǎo)教師2012年6月信息與通信工程學(xué)院通信工程丁永紅基于單片機(jī)的超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)摘要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測(cè)距儀中的應(yīng)用越來(lái)越廣。超聲測(cè)距儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會(huì)需求。查閱大量資料了解了超聲測(cè)距儀研究的目的和意義及國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，通過(guò)對(duì)超聲傳感器的工作原理及特性的研究，以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來(lái)測(cè)量待測(cè)距離，完成了超聲測(cè)距儀的硬件和軟件的設(shè)計(jì)，硬件電路主要包括發(fā)射電路、接收電路、前置放大電路、比較檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)了短距離的超聲波測(cè)距。關(guān)鍵詞超聲波，單片機(jī)，超聲傳感器MICROCONTROLLERBASEDDESIGNOFTHEULTRASONICRANGEFINDERABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFSCIENCEANDTECHNOLOGY,ULTRASOUNDWILLBEMOREWIDELYAPPLIEDINTHERANGEFINDERULTRASONICRANGEFINDERASANEW,VERYIMPORTANTANDUSEFULTOOLINEVERYRESPECT,THEREWILLBEMUCHROOMFORDEVELOPMENT,ITWILLBETHEDIRECTIONOFMOREHIGHPOSITIONINGPRECISIONTOMEETTHEGROWINGNEEDSOFTHECOMMUNITYLOTOFINFORMATIONTOUNDERSTANDTHEPURPOSEANDSIGNIFICANCEOFTHEULTRASONICRANGEFINDERRESEARCHANDDEVELOPMENTATHOMEANDABROAD,THEWORKINGPRINCIPLEANDCHARACTERISTICSOFTHEULTRASONICSENSOR,ULTRASONICPROPAGATIONVELOCITYOFTHEAIRTODETERMINETHECONDITIONSFORUSEOFTRANSMISSIONULTRASOUNDANDISREFLECTEDBACKWAVETIMETOMEASURETHETESTDISTANCETOCOMPLETETHEULTRASONICRANGEFINDERHARDWAREANDSOFTWAREDESIGN,HARDWARECIRCUITINCLUDESATRANSMITTERCIRCUITANDRECEIVERCIRCUIT,THEPREAMPLIFIERCIRCUIT,COMPARISONDETECTIONCIRCUIT,ASHORTDISTANCEOFTHEULTRASONICRANGINGKEYWORDSULTRASOUND,MCU,ULTRASONICSENSORS目錄1緒論111課題研究目的意義112國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀113課題內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)514論文結(jié)構(gòu)安排52超聲波測(cè)距簡(jiǎn)介621超聲波和超聲波傳感器6211超聲波6212超聲波傳感器結(jié)構(gòu)8213超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇1022超聲測(cè)距儀原理及測(cè)量方法1123超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述12231工作頻率12232指向角介紹13233溫度介紹13234發(fā)射脈沖寬度介紹133超聲測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)1431總體設(shè)計(jì)1432發(fā)射電路設(shè)計(jì)14321發(fā)射電路的方案論述14322發(fā)射電路15323分析計(jì)算1633接收電路設(shè)計(jì)17331前置放大電路17333比較檢測(cè)電路2134顯示電路2135超聲波距離探測(cè)器總體電路21351超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)22352總體電路設(shè)計(jì)234超聲測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)2441軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì)24411軟件設(shè)計(jì)原理24412軟件總體設(shè)計(jì)2542測(cè)距儀單片機(jī)主程序2543測(cè)距儀子程序27431超聲波發(fā)射子程序27432距離計(jì)算28433比較程序30434乘法計(jì)算程序30435外部中斷子程序31436定時(shí)器中斷子程序32附錄超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)電路圖33總結(jié)34參考文獻(xiàn)35致謝371緒論11課題研究目的意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來(lái)越廣。在人類(lèi)文明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術(shù)一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個(gè)技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在人們可以想象的所有領(lǐng)域中，它幾乎無(wú)所不在。傳感器是世界各國(guó)發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，在各國(guó)有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門(mén)的共同努力下，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。但就目前技術(shù)水平來(lái)說(shuō)，人們可以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無(wú)限前景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域1。超聲波測(cè)距與其它非接觸式的檢測(cè)方式方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法它不受光線，被測(cè)對(duì)象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對(duì)于被測(cè)物體處于黑暗，有灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力2。因此在液位測(cè)量，機(jī)械手控制，車(chē)輛自動(dòng)導(dǎo)航，物體識(shí)別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辯力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)3。超聲波是一種指向性強(qiáng)，能量消耗慢的波。它在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，可解決超長(zhǎng)度的測(cè)量4。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)幕疚锢硖匦?、反射、折射、干涉、衍射、散射與物理緊密聯(lián)系，應(yīng)用靈活。并且更適合與高溫、高粉塵、高濕度和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。超聲波可用于非接觸測(cè)量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾的優(yōu)點(diǎn)，是利用計(jì)算超聲波在被測(cè)物體和超聲波探頭之間的傳輸來(lái)測(cè)量距離的，對(duì)被測(cè)目標(biāo)無(wú)損害5。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無(wú)關(guān)。超聲波的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到人們的重視。12國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀社會(huì)在進(jìn)步，隨著經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，在當(dāng)今社會(huì)，車(chē)輛已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪兄陵P(guān)重要的一部分，我們知道我們?cè)絹?lái)越離不開(kāi)汽車(chē)了，以車(chē)代步已經(jīng)成為生活的一部分。關(guān)于汽車(chē)的各種新技術(shù)也層出不窮，但是放眼望去，絕大多數(shù)的廠家和研究機(jī)構(gòu)的研究方向過(guò)多的集中在了設(shè)備本來(lái)已經(jīng)相當(dāng)高級(jí)的車(chē)上。而在平日的生活當(dāng)中我經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題，如來(lái)到一個(gè)大型的停車(chē)場(chǎng)，要來(lái)購(gòu)物或者有非常著急的事情，但是卻往往找不到要停車(chē)的位置6。然而現(xiàn)在通常在有的有顯示空車(chē)位停車(chē)場(chǎng)當(dāng)中又不能智能引導(dǎo)汽車(chē)走到空著的車(chē)位。在這種特殊的情況下，有通常會(huì)發(fā)生各種各樣棘手問(wèn)題而束手無(wú)策，譬如有很多車(chē)會(huì)堵在停車(chē)場(chǎng)門(mén)口處，又譬如浪費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間找到車(chē)位又被其他車(chē)輛所占據(jù)，會(huì)導(dǎo)致打架的事情，直接導(dǎo)致家用車(chē)貨車(chē)的擱淺，引起極大的不便。再如長(zhǎng)時(shí)間駕駛后在沒(méi)有需要的停車(chē)位置的情況下停車(chē)休息，由于極度疲勞導(dǎo)致的貴重錢(qián)物丟失現(xiàn)象以及大型長(zhǎng)途貨車(chē)在停車(chē)場(chǎng)門(mén)口馬路很窄的情況下由于很多待于停車(chē)的車(chē)輛堵車(chē)引起的倒車(chē)不便等等。針對(duì)這些具體而實(shí)際的問(wèn)題提出解決方案，節(jié)約資源時(shí)間，所以我們做一個(gè)智能車(chē)輛引導(dǎo)系統(tǒng)更具有現(xiàn)實(shí)意義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，測(cè)距與識(shí)別問(wèn)題在工業(yè)中變得十分重要。例如，傳統(tǒng)的如鋼卷尺接觸式測(cè)量?jī)x器在測(cè)量一定距離時(shí)，這種儀器對(duì)高于3M的頂板安設(shè)困難，且測(cè)量不準(zhǔn)確；對(duì)于橫向變形量的測(cè)量，若安設(shè)于兩側(cè)之間，則妨礙人、車(chē)來(lái)往，如果不固定安設(shè)裝，則測(cè)量精度很低，難以監(jiān)測(cè)微小變形。在自動(dòng)化裝配、檢測(cè)、分類(lèi)、加工與運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中，要對(duì)隨意放置的工件進(jìn)行作業(yè)，這就必須對(duì)工件的位置、形狀、姿勢(shì)、種類(lèi)自動(dòng)地進(jìn)行判別，尤其在在工件運(yùn)輸過(guò)程中進(jìn)行識(shí)別，則問(wèn)題更為復(fù)雜與困難，因此人們急切需要各種非接觸式的測(cè)距儀7。我們目前的非接觸式測(cè)距儀常采用超聲波、激光和雷達(dá)，紅外線等。但激光和雷達(dá)測(cè)距儀造價(jià)偏高，紅外線測(cè)量距離又太短，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn)1對(duì)于設(shè)計(jì)停車(chē)場(chǎng)來(lái)說(shuō)，超聲波的傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，并且指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離，很合適；2針對(duì)停車(chē)場(chǎng)停車(chē)當(dāng)中有的車(chē)有天窗，是玻璃或其他透明物質(zhì)制的。超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可適用于識(shí)別透明、半透明及漫反射差的物體如玻璃、拋光體；3停車(chē)場(chǎng)應(yīng)該是日夜工作的，超聲波對(duì)外界光線和電磁場(chǎng)不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中；4超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡(jiǎn)單可靠，易于小型化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測(cè)和識(shí)別的手段，已越來(lái)越引起人們的重視。在機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配及檢測(cè)、自動(dòng)測(cè)距、無(wú)損檢測(cè)、超聲定位、汽車(chē)倒車(chē)、工業(yè)測(cè)井、水庫(kù)液位測(cè)量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用8。智能車(chē)輛引導(dǎo)系統(tǒng)是近年來(lái)隨著汽車(chē)在生活中的普及而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。有效的車(chē)輛探測(cè)裝置對(duì)智能車(chē)輛引導(dǎo)系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變同頻率的其他形式的能的器件9。超聲檢測(cè)的原理主要是利用超聲波作為載體，即通過(guò)超聲在媒質(zhì)中的傳播、散射、吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)木身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測(cè)媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是從無(wú)到有，從低級(jí)階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測(cè)儀器的研制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化10。五十年代，我國(guó)開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如英國(guó)的UCT2超聲波檢測(cè)儀，重達(dá)24KG，各單位積極開(kāi)展試驗(yàn)研究工作，在一些工程檢測(cè)中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國(guó)內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。隨后，上海同濟(jì)大學(xué)研制出CTS10型非金屬超聲檢測(cè)儀，也是電子管式，儀器重約20KG，該儀器性能穩(wěn)定，波形清晰。但當(dāng)時(shí)這種儀器只有個(gè)別科研單位使用，建工部門(mén)使用不多。直至七十年代中期，因無(wú)損檢測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段，未推廣普及，所以?xún)x器沒(méi)有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT2，CTS10型儀器。1976年，國(guó)家建委科技司主持召開(kāi)全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無(wú)損檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國(guó)6個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無(wú)損檢測(cè)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的推廣普及。如羅馬尼亞N2701型超聲波測(cè)試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示，儀器重量10KG。七十年代，英國(guó)CNS公司推出僅有35KG重的PLJNDIT便攜式超聲儀11。1978年10月，中國(guó)建筑科學(xué)院研制出JC2型便攜式超聲波檢測(cè)儀。該儀器采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為5KG。同期研制出的超聲檢測(cè)儀器還有SC2型，CTS25型，SYC2型超聲波檢測(cè)儀。從此，我國(guó)有了自己生產(chǎn)的超聲波儀器，為推廣一應(yīng)用無(wú)損檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著檢測(cè)技術(shù)研究的不斷深入，對(duì)超聲檢測(cè)儀器的功能要求越來(lái)越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能夠具有雙顯及內(nèi)帶有單板機(jī)的微處理功能。隨后具有檢測(cè)、記錄、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理與分析等多項(xiàng)功能的智能化檢測(cè)分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象12。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，可靠性高，具有斷電存儲(chǔ)功能，其串口可以方便用戶(hù)對(duì)儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開(kāi)發(fā)。與國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測(cè)儀器，計(jì)算機(jī)可發(fā)揮它一機(jī)多用的各種功能，實(shí)際上是最大的節(jié)約。過(guò)去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。高智能化檢測(cè)儀器只能滿足檢測(cè)條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測(cè)試內(nèi)容等基木情況一樣，才可充分發(fā)揮其特有功能。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足用戶(hù)的要求13。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號(hào)已超過(guò)國(guó)外同類(lèi)儀器水平目前常用的超聲傳感器有兩大類(lèi)，即電聲型與流體力型。電聲型主要有1壓電傳感器；2磁致伸縮傳感器；3靜電傳感器。流體動(dòng)型中包括有氣體與液體兩種類(lèi)型的哨笛。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感的結(jié)構(gòu)形式是多種多樣的，并且名稱(chēng)也有不同，例如在超聲檢測(cè)和診斷中習(xí)慣上都超聲傳感器稱(chēng)作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱(chēng)為“哨”或“笛”14。電子測(cè)距儀要求測(cè)量范圍在010500M，測(cè)量精度1CM，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物體無(wú)直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地顯示測(cè)量結(jié)果。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，公式LT/2C簡(jiǎn)單易算，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距器，可以應(yīng)用于汽車(chē)倒車(chē)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長(zhǎng)度的測(cè)量等場(chǎng)合15。利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。所以就順其自然的選擇用超聲波探測(cè)儀來(lái)進(jìn)行探測(cè)停車(chē)位是否有車(chē)了。13課題內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)本文在理論方面對(duì)超聲測(cè)距實(shí)際方案做了深入研究，在此基礎(chǔ)上，以ATMEL89C51單片機(jī)為核心，采用4OKHZ壓電超聲傳感器完成超聲測(cè)距儀的設(shè)計(jì)。在軟件上，獨(dú)特的采用了每次開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行初始化，將第一次的測(cè)量距離放入單片機(jī)內(nèi)的某個(gè)單元。在以后的測(cè)量中，始終以初始化后存于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行比較，判斷車(chē)位是否有車(chē)。若相差較大則有車(chē)，否則無(wú)車(chē)。14論文結(jié)構(gòu)安排第一章，緒論。介紹課題研究的意義及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等內(nèi)容。第二章，超聲波測(cè)距簡(jiǎn)介。介紹超聲波測(cè)距儀的原理綜述及傳感器的參數(shù)選擇。第三章，超聲測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)。介紹超聲波測(cè)距儀的總體硬件設(shè)計(jì)，和各部分電路的組成。第四章，超聲測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)。介紹超聲波測(cè)距儀的軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì)、單片機(jī)主程序及各子程序代碼。2超聲波測(cè)距簡(jiǎn)介21超聲波和超聲波傳感器211超聲波1超聲波及超聲波波形的介紹在科學(xué)史上，人們很久以前對(duì)聲音信號(hào)就有了認(rèn)識(shí)，我們生活的世界充滿了各種可聽(tīng)的聲信號(hào)。聲學(xué)是最早發(fā)展的學(xué)科之一。我國(guó)兩千多年前的先秦時(shí)期，在樂(lè)律和樂(lè)器的研究方面，對(duì)聲學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)。在國(guó)外，19世紀(jì)，聲學(xué)已成為具有現(xiàn)代意義的科學(xué)并發(fā)展到相當(dāng)高的水平。然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對(duì)晚一點(diǎn)了。由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框稹⒑ｋ嗟葎?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。我們知道以前在物理課中學(xué)過(guò)，人們可聽(tīng)到的聲音頻率為20HZ20KHZ，即為可聽(tīng)聲波，超出頻率范圍的聲音，即20HZ以下的聲音稱(chēng)為低頻聲波，頻率高于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限頻率約20KHZ的聲波，稱(chēng)為超聲波，或稱(chēng)超聲。聲波的速度越高，越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般有以下幾種（1）縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱(chēng)為縱波。它能在固體、液體和氣體中傳播。（2）橫波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波，稱(chēng)為橫波。它只能在固體中傳播。（3）表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速地衰減，稱(chēng)為表面波。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑ァ?反射與折射當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量反射回原介質(zhì)的波稱(chēng)為反射波另一部分則透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)能繼續(xù)傳播的波稱(chēng)為折射波，如圖21所示。圖21波的反射與折射原理圖其反射與折射滿足如下規(guī)律（1）反射定律入射角的正弦與反射角的正弦之比，等于波束之比。當(dāng)入射波和反射波的波形一樣時(shí)，波速一樣，入射角即等于反射角。（2）折射定律入射角的正弦與折射角的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速V，與折射波中介質(zhì)的波速V2之比，即2L12SINV（3）反射系數(shù)當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲速在其中傳播的速度不同，在分界面上聲波會(huì)產(chǎn)生反射和折射，反射聲強(qiáng)IR與入射聲強(qiáng)I0之比，稱(chēng)為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大小為22221COSZOI式中IR為反射聲強(qiáng)I0為射聲強(qiáng)Z1為第一介質(zhì)的聲阻抗Z2為第二介質(zhì)的聲阻抗。在聲波垂直入射時(shí)，0，上式可化簡(jiǎn)為2321ZR若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為Z1144106，Z24102，代入上式則得R0999。這說(shuō)明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體，或相反得情況下，由于兩種介質(zhì)得聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。3聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會(huì)被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收最小而衰減最小，因此對(duì)于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距離會(huì)明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在傳播時(shí)的衰減更明顯。衰減的大小用衰減系數(shù)表示，其單位為DB/M，通常用103DB/MM表示。在一般探測(cè)頻率上，材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間，如水及其他衰減材料A為14L03DB/MM。假如為1DB/MM，則聲波穿透LMM距離時(shí)，衰減為10穿透20MM距離時(shí)，衰減為90。212超聲波傳感器結(jié)構(gòu)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)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變?yōu)橥l率的其他形式的能的器件。目前常用的超聲傳感器有兩大類(lèi)，即電聲型與流體動(dòng)力型。電聲型主要有1壓電傳感器2磁致伸縮傳感器3靜電傳感器。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類(lèi)型的哨笛。壓電傳感器屬于超聲傳感器中電聲型的一種。探頭由壓電晶片、楔塊、接頭等組成，是超聲檢測(cè)中最常用的實(shí)現(xiàn)電能和聲能相互轉(zhuǎn)換的一種傳感器件，是超聲波檢測(cè)裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類(lèi)。屬于晶體的如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特性把這種材料置于電場(chǎng)之中，它就產(chǎn)生一定的應(yīng)變相反，對(duì)這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會(huì)在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場(chǎng)。所以，只要對(duì)這種材料加以交變電場(chǎng)，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲振動(dòng)。因此，用這種材料可以制成超聲傳感器。傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(lì)后產(chǎn)生振動(dòng)，即可發(fā)射聲脈沖，是逆壓電效應(yīng)。當(dāng)超聲波作用于晶片時(shí)，晶片受迫振動(dòng)引起的形變可轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，是正壓電效應(yīng)。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。超聲波傳感器一般采用雙壓電陶瓷晶片制成。這種超聲傳感器需要的壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常適用于氣體和液體介質(zhì)中。在壓電陶瓷上加有大小和方向不斷變化的交流電壓時(shí)，根據(jù)壓電效應(yīng)，就會(huì)使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形的大小和方向在一定范圍內(nèi)是與外加電壓的大小和方向成正比的。也就是說(shuō)，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為兒交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。如果在壓電陶瓷晶片上有超聲機(jī)械波作用，這將會(huì)使其產(chǎn)生機(jī)械變形，這種機(jī)械變形是與超聲機(jī)械波一致的，機(jī)械變形使壓電陶瓷晶片產(chǎn)生頻率與超聲機(jī)械波相同的電信號(hào)7。圖22雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖22所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，若A片的電場(chǎng)方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。圖23雙壓電晶片的等效電路雙壓電晶片的等效電路如圖23所示，C0為靜電電容，R為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻0和LM為機(jī)械共振回路的電容和電感，RM為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率兒。發(fā)射超聲波時(shí)，加在其上面的交變電壓的頻率要與它的固有諧振頻率一致。這樣，超聲傳感器才有較高的靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷晶片的幾何尺寸，就可非常方便的改變其固有諧振頻率，利用這一特性可制成各種頻率的超聲傳感器。圖24超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖24所示，它采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以相反極化方向粘在一起，在長(zhǎng)度方向上，一片伸長(zhǎng)另一片就縮短。在雙晶振子的兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過(guò)金屬板振動(dòng)板接到一個(gè)電極端，下面用引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電壓。213超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇1主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測(cè)距越短，而分辨力越高。常見(jiàn)超聲波傳感器的中心頻率有有30KHZ、4OKHZ、75KHZ、200KHZ、400KHZ等。（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝DB，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。（4）工作溫度工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)到290時(shí)靈敏度可降低6。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn)573，就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高，在20一70溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期工作。治療用的超聲波傳感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施9。2超聲傳感器的選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭接收縱波、斜探頭接收橫波、表面波探頭接收表面波、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市場(chǎng)上出售的超聲波傳感器常見(jiàn)的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。在超聲波測(cè)量系統(tǒng)中，頻率取得太低，外界的雜音干擾較多頻率取得太高，在傳播的過(guò)程中衰減較大，檢測(cè)距離越短，分辨力也變高。木文中選用的探頭是4OKHZ的收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCMT40和一支接收傳感器UCMR4O組成，其特性參數(shù)如表21所示。表21傳感器特性參數(shù)表型號(hào)UCMT40UCMR40使用方式發(fā)射接收中心頻率401KHZ381KHZ頻帶寬205KHZ205KHZ聲壓115DBMIN0DB002MPA70DBMIN0DB1V/UBAR指向角7580容量250025PF250025PF最大輸入電壓20VPP20VPP22超聲測(cè)距儀原理及測(cè)量方法超聲測(cè)距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測(cè)距最為常用，它主要基于超聲測(cè)距回波信號(hào)的識(shí)別，多采用模擬方法，用電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。HDS障礙物發(fā)射端接收端圖25超聲測(cè)距原理圖如圖25所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測(cè)物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測(cè)量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，在己知超聲波聲速獷的前提下，利用241SVT2即可計(jì)算得傳感器與反射點(diǎn)之間的距離S，測(cè)量距離2HD（25）當(dāng)SH時(shí)，則DS，即（26）1DVT223超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述231工作頻率空氣中超聲波的衰減對(duì)頻率F很敏感，要求合理選擇超聲波頻率，一般在40KHZ左右，太高頻率的超聲波在空氣中是無(wú)法傳播開(kāi)去的。傳感器的上作頻率是測(cè)距系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)，它直接影響超聲波的擴(kuò)散和吸收損失，障礙物反射損失，背景噪聲，并直接決定傳感器的尺寸。工作頻率的確定主要基于以下幾點(diǎn)考慮1如果測(cè)距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對(duì)增加，由于介質(zhì)對(duì)聲波的吸收與聲波頻率的平方成正比，為減小聲波的傳播損失，就必須降低工作頻率。2工作頻率越高，對(duì)相同尺寸的還能器來(lái)說(shuō)，傳感器的方向性越尖銳，測(cè)量障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長(zhǎng)短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識(shí)清楚，因此從測(cè)量復(fù)雜障礙物表面和測(cè)量精度來(lái)看，工作頻率要求提高。3從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就越困難。綜上所述，由于木測(cè)距儀最大測(cè)量量程不大，因而選擇測(cè)距儀工作頻率在40KHZ。這樣傳感器方I句性尖銳，且避開(kāi)了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播損失相對(duì)低頻有所增加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。232指向角介紹傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測(cè)距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)，記為，它直接影響測(cè)量的分辨率。對(duì)圓片傳感器來(lái)說(shuō)，它的大小與工作波長(zhǎng)，傳感器半徑R有關(guān)。233溫度介紹由22可知，聲速的大小線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度?？諝庵袀鞑サ某暡ㄊ怯蓹C(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響，由于該測(cè)距系統(tǒng)用于室內(nèi)測(cè)量，且量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫20下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為344M/S。但當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫度的影響。234發(fā)射脈沖寬度介紹發(fā)射脈沖寬度決定了測(cè)距儀的測(cè)量盲區(qū)，也影響測(cè)量精度，同時(shí)與信號(hào)的發(fā)射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測(cè)量精度，減小測(cè)量盲區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對(duì)接收回波不利。最終采用短距離2M內(nèi)發(fā)射200US8個(gè)40KHZ方波脈沖發(fā)射脈沖寬度長(zhǎng)距離2M外發(fā)射800US32個(gè)40KHZ脈沖方波的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開(kāi)盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號(hào)幅度和測(cè)量盲區(qū)兩個(gè)方面來(lái)衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。然而，在智能停車(chē)場(chǎng)當(dāng)中則選擇800US的脈沖寬度。3超聲測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)31總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)計(jì)劃在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測(cè)距，測(cè)試距離約在4米以?xún)?nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖31所示。顯示電路單片機(jī)處理部分發(fā)射電路檢測(cè)電路接收電路發(fā)射探頭接收探頭障礙物圖31系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖由單片機(jī)發(fā)出40KHZ的方波信號(hào)進(jìn)入超聲波發(fā)射電路，經(jīng)功率放大器放大后進(jìn)入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時(shí)間后經(jīng)前方被檢測(cè)物體反射回來(lái)，由超聲波接收頭接收，超聲波電路中的接收芯片對(duì)信號(hào)放大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個(gè)下拉電平使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中，單片機(jī)從檢測(cè)電路讀取數(shù)值并換算成當(dāng)前聲速，應(yīng)用時(shí)差法計(jì)算所檢測(cè)的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在LED顯示電路上顯示。32發(fā)射電路設(shè)計(jì)321發(fā)射電路的方案論述為獲得較高的分辨力，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復(fù)性。此外，發(fā)射波形應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應(yīng)近似為統(tǒng)一頻率的振動(dòng)波，以便于接受時(shí)可以采用濾波器進(jìn)行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動(dòng)波峰。以避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種干擾和損失。由于超聲波是換能器壓電晶片振動(dòng)附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射電路的設(shè)計(jì)是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式分為單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測(cè)距所用超聲波一般都是間斷單脈沖發(fā)射，每測(cè)距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測(cè)試距離太近；本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別被測(cè)距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)。322發(fā)射電路發(fā)射電路采用功率放大電路。如圖32圖32發(fā)射電路圖1功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的不失真或失真較小的輸出功率，即不僅要輸出大幅度的信號(hào)電壓，同時(shí)還要輸出大幅度的信號(hào)電流，通常是在大信號(hào)狀態(tài)下工作，因此，功率放大電路包括著一系列在電壓放大電路上沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)的特殊問(wèn)題，這些問(wèn)題是（1）要求輸出功率盡可能大為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。（2）效率由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問(wèn)題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用功率PO與電源供給晶體管功率PE的比值，用表示。（31）OEP10直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號(hào)功率以外，剩余部分變成晶體管的管耗PCPCPEPO。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供給功率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所以，對(duì)于功率放大器，提高效率也是一個(gè)重要問(wèn)題。323分析計(jì)算功率放大電路不可避免會(huì)出現(xiàn)交越失真的問(wèn)題，但是交越失真在本設(shè)計(jì)中不會(huì)產(chǎn)生很大的影響，所以不予考慮。對(duì)于這部分電路的分析計(jì)算基本如下首先計(jì)算輸出功率PO，對(duì)于整個(gè)功率放大電路可知（32）O1PUI2輸出功率PO與輸入電壓U和輸入電流I有關(guān)，就是與激勵(lì)信號(hào)有關(guān)系。我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為（33）VCES2最大輸出功率則為22OLLVCUESCPR（）（34）功放管的耐壓降為UCEMX2VCC（35）最大集電極功率損耗為（36）TOP02集電極效率（37）7854最大集電極允許電流（38）CLVIR采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱(chēng)電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來(lái)的VCC，而是VCC/2輸出電壓最大也只能達(dá)到約VCC/2，所有前面導(dǎo)出的計(jì)算公式，只要用VCC/2代替其中的VCC即可。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源12V供電,也可采用獨(dú)立5V電源。選用100UF最大耐壓值為5OV的電解電容，負(fù)載電阻為45，功放管選用2SC1815，2SA1015兩匹配三極管，其耐壓為50V，大于每管電源電壓的兩倍即25/25V；根據(jù)公式38，管的集電極最大允許電流為150MA，大于MA，符合設(shè)計(jì)要求。LVC5/2R4最大輸出功率為PO,所以符合設(shè)計(jì)要求。25/70MV4OLCPR概括起來(lái)說(shuō)，功率放大電路就是要在保證晶體管安全運(yùn)用的情況下，獲得盡可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。33接收電路設(shè)計(jì)接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號(hào)電荷，電荷量很少，只能提供微小交變電壓信號(hào)，而不能提供電流信號(hào)。接收換接收電路的任務(wù)是將這一微小交變電壓信號(hào)充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號(hào)，放大同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng)后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。331前置放大電路前置放大電路單元的作用是對(duì)有用的信號(hào)進(jìn)行放大，并抑制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)。圖33前置放大電路圖考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入阻抗同時(shí)，換能器的輸出電壓很小，數(shù)十毫伏，這就要求前置放大電路有很高的精度、很小的輸入偏置電壓。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大器TL082及電阻U13、U15和U14構(gòu)成，組成一反向比例放大電路，這樣可以減小地線噪聲的影響。由電路的基本知識(shí)，可列出（39）2FIUIR31003FI根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念1集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的靜輸入電壓通常接近于零即UU_UO，若把它理想化，則有U0，當(dāng)不是短路，故常稱(chēng)為虛短。2集成運(yùn)方兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流，如把它理想化，則有IO，但不是斷開(kāi)，故常稱(chēng)為虛斷。故可知本電路中U0，UU0，且IIIF，所以有311302IRU上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號(hào)表示U0與UI反相。電路的電壓放大倍數(shù)為312032UFIURA利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流輸入信號(hào)的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只需要調(diào)節(jié)U13和U15阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接有電阻U14，參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即靜態(tài)時(shí)使輸入級(jí)偏置電流平衡并讓輸入級(jí)的偏置電流在運(yùn)算放大器兩23/PR個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移的對(duì)輸出端的影響，故U14又稱(chēng)為平衡電阻。根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小,數(shù)十毫伏，故分別取R2LKR320OKRPLK，即放大電路將輸入信號(hào)放大200倍。332帶通濾波電路超聲波接受電路接收的信號(hào)中，除了障礙物反射的回波外，總混有雜波和干擾脈沖等環(huán)境噪聲，而前端放大電路在放大有用信號(hào)的同時(shí)，會(huì)將一部分的噪聲信號(hào)同時(shí)放大。于是設(shè)計(jì)出一高品質(zhì)因素的濾波器對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)十分重要。集成運(yùn)放非常流行，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。所以采用有源濾波電路濾除無(wú)用的干擾雜波信號(hào)。有源濾波電路通常可以分為以下幾類(lèi)1低通濾波電路它的功能是通過(guò)從零到某一截止角頻率W的低通信號(hào)，而對(duì)于大于W的所有頻率則完成衰減。2高通濾波電路它的功能是通過(guò)從高于某一角頻率W的高通信號(hào)，而對(duì)于低于W的所有頻率則完成衰減。3帶阻濾波電路它的功能是通過(guò)從零到某一截止角頻率WH的低通信號(hào)，和大于WL的所有頻率信號(hào)，其他的完成衰減。4帶通濾波電路它的功能是低邊截止角頻率WL和高邊截止角頻率WH之間所有頻率信號(hào)通過(guò)，其它頻率信號(hào)則完成衰減。在本設(shè)計(jì)中我們需要采用帶通濾波濾除除40KHZ意外的其他雜波。所以我們采用如下面圖示的有源帶通濾波電路濾除雜波。圖34帶通濾波電路為了計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)U12U8R，U112R,C5C6C則可由KCL列出方程，導(dǎo)出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為（313）2AS13SCR設(shè)A為所要的波，波動(dòng)范圍為3KHZ左右。令0A1WRC3143QA本電路要求帶通濾波器的中心頻率F040KHZ，設(shè)計(jì)其品質(zhì)因數(shù)Q為3，選用電容為L(zhǎng)000PF。根據(jù)323可得3120014KW2410RCF帶寬為BW33KHZ根據(jù)（313）A8/3,則A08，所以U95/3U10又因?yàn)閁11U9/U108K,所以可以得出U10128K,U9213K所以U12U84K,U118K333比較檢測(cè)電路當(dāng)接收電路經(jīng)過(guò)放大濾波后，就需要進(jìn)行檢測(cè)，這就需要一個(gè)檢測(cè)電路。這個(gè)部分非常關(guān)鍵，關(guān)系到以后電路是否能正常工作，還決定系統(tǒng)的精度問(wèn)題。檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的要求是保證每次接收信號(hào)都能被準(zhǔn)確的鑒別出來(lái)，通常利用比較器將輸入信號(hào)與某一固定電平進(jìn)行比較，輸出不同的電平來(lái)產(chǎn)生上升或下降沿觸發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的外中斷引腳。圖35比較檢測(cè)電路由于LM393具有集電極開(kāi)路輸出的結(jié)構(gòu)，所以在電源與輸出之間，加一上拉電阻，電容C4起簡(jiǎn)單濾波作用。具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到前級(jí)放大濾波電路輸出是峰峰值為5V左右的連續(xù)正弦波信號(hào)的疊加，所以分別取U720K和U61K，則參考電壓為VVCCU7/U6U751/21238MV上拉電阻U41K,電容C1000PF。當(dāng)進(jìn)入比較器的輸入信號(hào)高于238MV時(shí)，比較器輸出電壓為5V輸入信號(hào)低于238MV時(shí)，比較器輸出電壓為0V，利用此邊沿跳變來(lái)控制單片機(jī)中斷INT0，停止計(jì)時(shí)。34顯示電路本設(shè)計(jì)中的顯示電路以74HC373做驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口夠用所以不必考慮接口問(wèn)題。圖36顯示模塊本顯示部分的電路設(shè)計(jì)是為了更人性化,例如這個(gè)系統(tǒng)除了為智能停車(chē)場(chǎng)服務(wù)以后,還可將此系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為普通的超聲波距離探測(cè)器時(shí)作為測(cè)量顯示，只需要將軟件進(jìn)行重新的編輯即可。35超聲波距離探測(cè)器總體電路351超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)在硬件電路設(shè)計(jì)當(dāng)中我們所用到的元器件如下表31所示表31元器件清單元件名稱(chēng)元件值個(gè)數(shù)電阻三極管電阻電阻電解電容晶振瓷片電容電阻芯片單片機(jī)電解電容瓷片電容發(fā)光二極管接口共陰七段發(fā)光二極管芯片按鍵開(kāi)關(guān)集成運(yùn)放超聲波發(fā)射探頭超聲波接受探頭1K2SA10154K8K10UF/25V12MHZ30PF4574HC37389C51100UF/50V1000PFBT201CON3DPY_7SEG_LM393DPSN7406SWPBTL082CP8UCM40R52211121113113121211352總體電路設(shè)計(jì)通過(guò)我們?cè)谝陨喜糠种袑?duì)于超聲波距離探測(cè)器的各部分電路設(shè)計(jì)敘述，我們得到總體電路圖。總電路中包括前置放大電路，帶通濾波電路，比較檢測(cè)電路，發(fā)射電路，必要時(shí)可以加入顯示電路。設(shè)計(jì)詳細(xì)總體電路圖見(jiàn)附錄。4超聲測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)41軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì)411軟件設(shè)計(jì)原理在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測(cè)距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是針對(duì)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)第三章所述系統(tǒng)硬總體設(shè)計(jì)方案和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能1信號(hào)發(fā)射控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收放大電路、濾波及門(mén)限檢測(cè)的設(shè)計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成脈沖串的輸出。2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)處理為了得到發(fā)射信號(hào)與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，但不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為S05VT05344T172T，其中，T為發(fā)射信號(hào)到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間。由于單片機(jī)是按照16進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，所以得出的S并不能直接顯示，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這個(gè)部分中，信號(hào)處理主要包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，以及二進(jìn)制與十進(jìn)制轉(zhuǎn)換。3顯示輸出數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離，送到與單片機(jī)P0口用三位LED顯示輸出。將是否有車(chē)的數(shù)據(jù)傳輸出去，給上位機(jī)。在這個(gè)實(shí)物電路中，采用一個(gè)發(fā)光二極管來(lái)代替。412軟件總體設(shè)計(jì)否是開(kāi)始初始化設(shè)定測(cè)距值域程序跳入測(cè)距程序5秒后進(jìn)行跳轉(zhuǎn)繼續(xù)測(cè)量測(cè)量距離與保存值比較是否有車(chē)顯示并輸出數(shù)據(jù)，5秒后跳轉(zhuǎn)圖41主程序流程圖42測(cè)距儀單片機(jī)主程序本測(cè)距儀采用了單片機(jī)89C51來(lái)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，用單片機(jī)匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)軟件編程。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷子程序等幾個(gè)主要部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如圖41所示，在初始化以及調(diào)用測(cè)距發(fā)射子程序后打開(kāi)定時(shí)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，程序進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。程序初始化過(guò)程，主要是定時(shí)器計(jì)數(shù)器工作方式以及初值進(jìn)行設(shè)置，程序如下VOUTEQUP10脈沖輸出端口ORG0000HLJMPSTARTORG0003HLJMPPINT0ORG000BHLJMPINTT0ORG0013HRETIORG001BHLJMPINTT1ORG0023HRETIORG002BHRETISTARTMOVSP,4FHMOVR0,40H4043H為顯示數(shù)據(jù)存放單元（40為最高位）MOVR7,0BHCLEARDISPMOVR0,00HINCR0DJNZR7,CLEARDISPMOV20H,00HMOVTMOD,21HT1為8位自動(dòng)重裝模式，T0為16位定時(shí)器MOVTH0,00HMOVTL0,00H40KHZ初值MOVTH1,0F2HMOVTL1,0F2HMOVP0,0FFHMOVP1,0FFHMOVP2,0FFHMOVP3,0FFHMOVR4,04H；超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制SETBPX0SETBET0STEBEACLR00HSETBTR0開(kāi)啟測(cè)距定時(shí)器START1LCALLDISPLAYJNB00H,START1收到反射信號(hào)時(shí)標(biāo)志位為1CLRELCALLWORK；計(jì)算距離子程序SETBEACLR00HSETBTR0；重新開(kāi)啟測(cè)距定時(shí)器MOVR2,64H；測(cè)量間隔控制（約4100400MS）LOOPLCALLDISPLAY；可用來(lái)顯示DJNZR2,LOOP；判斷是否顯示完畢SJMPSTART1LCALLREMEM保存第一次的測(cè)距數(shù)據(jù)43測(cè)距儀子程序431超聲波發(fā)射子程序INTT1CPLVOUTDJNZR4,RETIOUTCLRTR1；超聲波發(fā)送完畢，關(guān)T1CLRET1MOVR4,04HSETBEX0；開(kāi)啟接收回波中斷RETIOUTRETI432距離計(jì)算WORKPUSHACCPUSHPSWPUSHBMOVPSW,18HMOVR3,45HMOVR2,44HMOVR1,00DMOVR0,17DLCALLMUL2BY2MOVR3,03HMOVR2,0E8HLCALLDIV4BY2LCALLDIV4BY2MOV40H,R4MOVA,40HJNZJJ0MOV40H,0AHJJ0MOVAR0MOVR4,AMOVAR1MOVR5AMOVR3,00DMOVR2,100DLCALLDIV4BY2MOV41H,R4MOVA,41HJNZJJ1MOVA,40HSUBBA,0AHJNZJJ1MOV41H,0AHJJ1MOVA,R0MOVR4,AMOVA,R1MOVR5,AMOVR3,00DMOVR2,10DLCALLDIV4BY2MOV42H,R4MOVA42HJNZJJ2MOVA,41HSUBBA,0AHJNZJJ2MOV42H,0AHJJ2MOV43H,R0POPBPOPPSWPOPACCRET433比較程序CONMOVA,46HMOVB,47HSUBBA,BCJNEA,48H,CON1CLRP10CON1SBITP11434乘法計(jì)算程序MULD2BY2CLRAMOVR7,AMOVR6,AMOVR5,AMOVR4,AMOV46H,10HMULLOOP1CLRCMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,R5RLCAMOVR5,MOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,R0RLCAMOVR0,AMOVA,R1RLCAMOVR1,AJNCMULLOOP2MOVA,R4ADDA,R2MOVR4,AMOVA,R5ADDCA,R3MULLOOP2DJNZ46H,MULLOOP1RET435外部中斷子程序中斷服務(wù)程序是響應(yīng)單片機(jī)的外部中斷。在系統(tǒng)主程序中，發(fā)射的4OKHZ脈沖信號(hào)遇到障礙物反射后，經(jīng)接收檢測(cè)電路產(chǎn)生外中斷信號(hào)至單片機(jī)。在中斷服務(wù)程序中，首先進(jìn)行必要的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)，再把進(jìn)入中斷服務(wù)程序處的計(jì)數(shù)值讀出并對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算得到相應(yīng)的距離值，同時(shí)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制，如需要顯示可送到P0口顯示輸出。PINT0CLRTR0；關(guān)計(jì)數(shù)器CLRTR1CLRET1CLREACLREX0MOV44H,TL0；將計(jì)數(shù)值移入處理單元MOV45H,TH0SETB00H；接收成功標(biāo)志RETI延時(shí)程序DL1MSMOVR6,14HDL1MOVR7,19HDL2DJNZR6,DL2DJNZR6,DL1RET436定時(shí)器中斷子程序由于51單片機(jī)是16位定時(shí)器，最大計(jì)時(shí)時(shí)間為65536US，當(dāng)測(cè)量的距離很遠(yuǎn)的時(shí)候，定時(shí)器就會(huì)發(fā)生溢出所以必須對(duì)溢出中斷進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置才能使得單片機(jī)正常工作。同時(shí)由于電路的測(cè)量距離有限最遠(yuǎn)為5米，當(dāng)測(cè)量距離超出5米時(shí)，接收探頭就不能檢測(cè)回波，即不能產(chǎn)出外部中斷更不可能關(guān)閉定時(shí)器。程序如下INTT0CLREACLRTR0MOVTH0,00HMOVTL0,00HSETBET1SETBEASETBTR0啟動(dòng)計(jì)時(shí)器T0，用以計(jì)算超聲波來(lái)回時(shí)間SETBTR1開(kāi)啟發(fā)超聲波用定時(shí)器T1OUTRETI附錄超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)電路圖總結(jié)隨著畢業(yè)日子的到來(lái)，畢業(yè)設(shè)計(jì)也接近了尾聲。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的努力終于完成了超聲測(cè)距儀的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，但是由于時(shí)間和具體條件的關(guān)系，實(shí)物沒(méi)有做出來(lái)。在沒(méi)有做畢業(yè)設(shè)計(jì)以前覺(jué)得畢業(yè)設(shè)計(jì)只是對(duì)這年年來(lái)所學(xué)知識(shí)的單純總結(jié)，但是通過(guò)這次做畢業(yè)設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法有點(diǎn)太片面。畢業(yè)設(shè)計(jì)不僅是對(duì)前面所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的一種提高。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我明白了自己原來(lái)知識(shí)還比較欠缺。自己要學(xué)習(xí)的東西還太多，以前老是覺(jué)得自己什么東西都會(huì)，什么東西都懂，有點(diǎn)眼高手低。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們才明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期積累的過(guò)程，在以后的工作、生活中都應(yīng)該不斷的學(xué)習(xí)，努力提高自己知識(shí)和綜合素質(zhì)。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我更加熟練的掌