基于參考聲速法超聲波液位計的測量

1、基于參考聲速法超聲波液位計的測量專 業(yè)：電機與電器班 級：06班姓 名： 學(xué) 號： 基于參考聲速法的超聲波液位計的設(shè)計摘要目前市場上的超聲波液位計品種多樣，大多采用溫度補償方法對超聲波傳播速度進行校正，以提高儀表測量精度。此方法需在系統(tǒng)外加一個溫度測量單元，通過測量環(huán)境溫度，獲得實際聲速；由此也引進了溫度測量誤差，從而限制了系統(tǒng)精度的進一步提高。本文是利用參考聲速法實現(xiàn)聲速校正的超聲液位測量系統(tǒng)。設(shè)計中采用氣介式測量方式，將一個反射性能良好的擋板固定在超聲波探頭和液面之間通過測量擋板回波的時間，實現(xiàn)精確的聲速校正，從而大大提高液位測量精度。此系統(tǒng)不但繼承了傳統(tǒng)超聲波液位計的優(yōu)點，而且無需采集環(huán)

2、境溫度，避免了由于測溫誤差引起的系統(tǒng)誤差。文中以超聲波原理為理論依據(jù), 以超聲波傳感器為接口部件, 利用超聲波在空氣中傳播的時間差來測量距離, 從而設(shè)計了一套超聲波測距系統(tǒng)。這種新型聲速校正方法相對于傳統(tǒng)補償方法，性能更加優(yōu)越，是今后超聲波液位測量的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：超聲波液位計，探頭，聲速校正，擋板 目錄第一章 緒論 1.1液位測量的意義 1.2液位計的種類 1.3超聲波液位計 1.31超聲波液位計的歷史、現(xiàn)狀與發(fā)展 1.32超聲波液位計測量方法 第二章 總體設(shè)計方案 第三章 硬件 第四章 軟件 第五章 結(jié)論與展望 第六章第一章 緒論1.1液位測量的意義目前無論是開渠水位

3、的測量、大型油罐液位的測量，還是小型容器液位的測量，或者是其他液位系統(tǒng)的測量，都對測量精度提出了越來越來高的要求。例如，石化部門使用的大型油罐容量一般在1000-100000m3之間，很小的測量誤差都將會造成很大的絕對誤差，因此提高液位測量精度，不僅對油罐的測量有很重要的意義，在其他液位測量系統(tǒng)中，也處于越來越來重要的地位。近年來，隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，液位測量儀表中的測量技術(shù)經(jīng)歷了有機械想機電一體化再到自動化的發(fā)展過程。結(jié)合這兩大技術(shù)，尤其是將微處理器引進液位測量系統(tǒng)，使得液位計的精度越來越來高，越來越來向智能化、一體化、小型化發(fā)展。在實際應(yīng)用中，可根據(jù)需要選擇合適的液位計，滿足測量精度、

4、測量環(huán)境等多方面的要求。1.2液位計的種類經(jīng)過不斷的努力和探索，科技工作者已經(jīng)開發(fā)出種類繁多，各具特色的液位測量儀表。尤其是近二十年來，隨著微處理器的引進，測量儀表發(fā)生了革命性的變化。液位計的量程從幾米到幾十米，測量精度也大大提高。根據(jù)液位計測量所涉及的液體存儲容器、被測介質(zhì)以及工藝過程的不同，液位計類型的選用也不同。早期的液位測量儀表大多采用機械原理，通過測量某些物理參數(shù)，已達到液位測量的目的。隨著工業(yè)自動化的發(fā)展，出現(xiàn)許多新的測量原理，一批具有智能控制功能、可實現(xiàn)非接觸測量、高精度、穩(wěn)定性好的液位計相繼問世，并應(yīng)用到越來越多的工業(yè)測量領(lǐng)域，如基于超聲波、雷達、光線等技術(shù)的測量儀。根據(jù)工作原

5、理的不同，液位計可分為以下幾種：(1) 直讀液位計，直讀式液位測量方法直接用于被測量容器連通的玻璃管或玻璃板來顯示容器中的液位高度，他是最原始但應(yīng)用較多的一種液位測量儀表；另外，利用侵入式刻度鋼皮尺直接測量液位高度的人工檢尺法也是應(yīng)用較廣泛計量方法，尤其是在大型油罐儲油量的測量中，也可以作為現(xiàn)場校驗其他測量儀表的參考手段。其精度一般為2mm的人為誤差。此種方法測量簡單直觀成本低但測量量程有限且不適與惡劣環(huán)境中的測量。(2) 浮子液位計，利用浮子的比重所測液體的比重稍小的特點，使浮子漂在液面上并隨著的升高或下降反應(yīng)液位，它也是一種應(yīng)用最早并應(yīng)用范圍很廣的液位測量儀表；將浮子用一條多孔鋼帶連接至一

6、個恒轉(zhuǎn)矩裝置或平衡錘上，由浮子的重量帶動多孔鋼帶通過齒輪裝置推動機械計數(shù)器做現(xiàn)場顯示，還可以連接到電動變送器，獲得遠距離顯示。由于滑輪機械裝置的摩擦力和剛帶重量，測量誤差一般約為410mm。(3) 靜壓液位計，利用液柱對某點產(chǎn)生壓力，測量該點壓力或測量與另一參考點的壓力差而間接測量液位的儀表；主要應(yīng)用于測量精度要求不高的場合。(4) 電磁液位計，這種測量方式是將液位的變化轉(zhuǎn)換為電量變化，從而對液位進行間接測量，如電容式、電感式、電阻式液位計等。電容式液位計是由兩塊同心的圓柱面板組成，是根據(jù)電容量與被測液體和氣相介質(zhì)的相對介電常數(shù)、電容傳感器侵入液體的深度、電容傳感器垂直高度、內(nèi)外極板圓柱底面半

7、徑之間的關(guān)系，有已知的其它參數(shù)值得出所測液位高度值。電容式液位計價格低，安裝容易，且可以應(yīng)用與高溫高壓的場合。但電容液位計測量重復(fù)精度較低，需要定期維修和重新標(biāo)定，工作壽命也不長。電阻式液位測量方法特別適用于導(dǎo)電液體。敏感器件具有電阻特性，其電阻值隨著液位的變化而變化，因此將電阻變化值傳送給二次電路即得到液位高度。電感式液位測量方法同樣適用于導(dǎo)電液體的測量，特別是液態(tài)金屬。其原理是：液位變化時的電感元件自感、互感或?qū)Т怕拾l(fā)生變化，故將該變化送往二次電電路即可得等到相應(yīng)的液位數(shù)值。電感式測量應(yīng)用最廣泛的是高頻液位計。該液位計的測量原理是，頻率調(diào)制信號通過射頻電纜耦合輸送傳感器諧振回路，諧振回路的

8、輸出電壓經(jīng)過檢波電路和射頻電纜傳送給低通濾波器，然后根據(jù)低通濾波器的輸出電壓控制調(diào)諧電路，產(chǎn)生新的振蕩頻率，直到傳感器諧振電路處于完全諧振狀態(tài)為止，則此時的振蕩頻率即與傳感器的電感量相對應(yīng)，從而與液位相對應(yīng)。(5) 超聲波液位計，超聲波液位計是非接觸測量中發(fā)展最快的一種。該技術(shù)基于超聲波在空氣傳播速度及遇到被測液體產(chǎn)生反射的原理。可實現(xiàn)非接觸測量、測量范圍寬、并且測量不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性等的影響，因此它的使用范圍非常廣泛，包括水渠、油罐、粘稠、腐蝕性及有毒液體等的液位測量。我國從就是年代開始將超聲波測距技術(shù)應(yīng)用到河流、湖泊等水體的水位測量中，以及油、漿等液體的液位測量中，超聲波液位測

9、量技術(shù)在越來越來多領(lǐng)域發(fā)揮極其重要的作用。(6) 雷達液位計連續(xù)式微波液位計通常采用調(diào)頻雷達原理利用同步調(diào)頻脈沖技術(shù)微波發(fā)射和接受器安裝在灌頂向液面發(fā)射頻率調(diào)制微波信號當(dāng)接收到回波信號時由于來回傳播的時間延遲發(fā)射頻率已改變了將兩者信號混合處理所得信號頻率與灌頂?shù)揭好嬷g的距離成反比(7) 光纖液位計其測量原理與超聲波液位計相似，只是用光波代替超聲波。即光源發(fā)射激光，經(jīng)過被測液面反射，接收反射光后，將從發(fā)射至接收的時間換算成液位。激光的光束是很窄的，在液位計中通過光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成約20mm寬的光束，這樣可使反射光易于被傳感器接收。傳統(tǒng)的液位計逐漸被這些新型液位計所取代。新型液位計無論是在精度穩(wěn)定性

10、還是在智能測量方面都比傳統(tǒng)液位計有著明顯的優(yōu)勢是今后液位計發(fā)展方向其中超聲波液位計以其低成本高精度非接觸式穩(wěn)定性好等優(yōu)勢受到廣泛青睞發(fā)展出了適應(yīng)不同場合的超聲波液位計廣泛應(yīng)用于石油化工航空航天水利氣象環(huán)保醫(yī)療衛(wèi)生食品飲料等多個領(lǐng)域。1.3超聲波液位計概況1.3.1國內(nèi)外的超聲波液位計發(fā)展在國際上，把超聲波技術(shù)用于液位測量己有較長時間，我國從20 世紀(jì)90 年代開始發(fā)展，將超聲測距技術(shù)應(yīng)用到河流、湖泊、水、渠等水體的水位測量中，以及油、漿等液體的液位測量中。目前國內(nèi)高精度超聲液位測量儀表的發(fā)展主要采用引進加吸收等手段，還有許多合資企業(yè)代理國外相應(yīng)產(chǎn)品。國內(nèi)自主研發(fā)超聲波液位計的公司極少，不足十家

11、，而且在測量范圍，死區(qū)范圍和精度都低于國外超聲儀表的平均水平。有的廠家只有生產(chǎn)設(shè)備，沒有標(biāo)定裝置。由此可見，我國在該領(lǐng)域的發(fā)展相對國外還有較大差距，在產(chǎn)品性能指標(biāo)、儀表可靠性、企業(yè)技術(shù)力量等方面都落后于西方發(fā)達國家。就精度一項指標(biāo)而言，目前國內(nèi)超聲波液位測量精度目前一般只達到3mm或0.5%，盲區(qū)最小為30cm 。影響精度的因素除了超聲波傳感器本身的制作工藝外，還與發(fā)射和接收電路的性能以及誤差的修正方法有關(guān)。隨著人們對引起測量誤差因素的認識以及解決方法的提出，測量精度在逐步提高。近年來國內(nèi)相關(guān)單位也加大了對這一領(lǐng)域的研究力度。在北京、上海、無錫、杭州等城市,均有一些公司小批量生產(chǎn)超聲液位儀表,

12、并不斷開發(fā)新產(chǎn)品。天津中環(huán)天儀集團正在推出的超聲波液位計具有0.2%fs的精度，1mm分辨力，是新品的代表之一。深信不久的將來,我國產(chǎn)品一定會有更加長足的進步。1.3.2超聲波液位計的優(yōu)點與局限性與其他種類的液位計相比，超聲波液位計具有以下優(yōu)點：(1)非接觸測量，超聲波換能器安裝在頁面上方，不與被測介質(zhì)接觸，可方便的測量腐蝕性、粘稠性或有毒液體。(2)適應(yīng)性強，適用范圍廣，不受介質(zhì)密度、介電常數(shù)、導(dǎo)電性的影響，對被測液體的物理化學(xué)性質(zhì)的適應(yīng)性極強。(3)適用于有毒、有腐蝕、高粘度的液體測量，彌補了其他液位計在此類惡劣性測量環(huán)境的不足。(4)通用性好，液位計即可測量開區(qū)液位，也可測量大型儲油罐等

13、液體液位。安裝拆卸方便。(5)幾乎沒有機械可動部件，無磨損，使用壽命長，重量輕。換能器內(nèi)的壓電元件以聲頻振動，振幅小，壽命長。1.3.3超聲波液位測量方法目前，采用超聲波測量液位的方法很多，有聲波阻斷法、脈沖回波法、共振法、頻差法等連續(xù)液位測量方法，還有連續(xù)波阻抗法、連續(xù)波穿透式、脈沖反射式和脈沖穿透式等定點液位測量方法。（1）聲波阻斷式是利用超聲波在氣體、液體和固體中被吸收而衰減的情況不同，來探測在超聲波探頭前方是否有液體或固體存在。當(dāng)夜位達到預(yù)定高度時，超聲波被阻斷，即可發(fā)出報警信號或進行限位控制。（2）脈沖回波測距法是利用聲波在同一介質(zhì)中有一定的傳播速度，而在不同的密度的介質(zhì)分界面處會產(chǎn)

14、生反射，從而根據(jù)聲波從發(fā)射到接收到液面回波的時間間隔來計算液位。根據(jù)超聲波探頭安裝的位子不同，該方法可分為氣介式、固介式、液介式三種。液介式： 圖1-1a液介式單探頭 圖1-1b液介式雙探頭 圖1-1c底置探頭氣介式： 圖1-2a氣介式單探頭 圖1-2b氣介式雙探頭固介式：聲波經(jīng)固體棒或金屬管傳播，經(jīng)液面發(fā)射后再由固體棒傳回接收換能器。這種方法由于由于有一定的局限性，所以應(yīng)用的很少。（3）共振法測量液位的基本原理是通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率，使得探頭和液面之間建立共振狀態(tài)，根據(jù)共振頻率和介質(zhì)聲速計算出探頭至液面的距離。如果不知道聲速，也可以利用某一固定距離測量時的共振，兩者比較，計算探頭至液面的距離

15、。1.4本課題擬解決的問題課題設(shè)計了一種利用參考聲速法實現(xiàn)聲速校正的超聲液位測量系統(tǒng)。設(shè)計中采用氣介測量方式，將一個反射性能良好的參考擋板固定在超聲波探頭與液面之間距離一定的位置，通過測量擋板回波的時間，實現(xiàn)精確的聲速校正；并用單片機雙定時器對擋板反射回波和液面反射回波進行精確計時，從而大大提高了液位測量精度。此系統(tǒng)不但繼承了傳統(tǒng)超聲波液位計的優(yōu)點，而且由于無需采集環(huán)境溫度，避免了由于測溫誤差引起的系統(tǒng)誤差，還簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)成本，進一步提高了系統(tǒng)精度。主要技術(shù)指標(biāo)（1）液位量程:040m；（2）測量誤差:0.5%；（3）顯示方式：led動態(tài)顯示液位高度；（4）環(huán)境溫度:-1060；（5

16、）電源：220vac第二章系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1超聲波聲波是物體機械振動狀態(tài)（或能量）的傳播形式。所謂振動是指物質(zhì)的質(zhì)點在其平衡位置附近進行的往返運動。譬如，鼓面經(jīng)敲擊后，它就上下振動，這種振動狀態(tài)通過空氣媒質(zhì)向四面八方傳播，這便是聲波。超聲波是指振動頻率大于20000hz以上的,其每秒的振動次數(shù)（頻率）甚高，超出了人耳聽覺的上限（20000hz），人們將這種聽不見的聲波叫做超聲波。超聲和可聞聲本質(zhì)上是一致的，它們的共同點都是一種機械振動，通常以縱波的方式在彈性介質(zhì)內(nèi)會傳播，是一種能量的傳播形式，其不同點是超聲頻率高，波長短，在一定距離內(nèi)沿直線傳播具有良好的束射性和方向性。為了以超聲波作為檢測

17、手段，必須產(chǎn)生超生波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，但一個超聲波傳感器也可具有發(fā)送和接收聲波的雙重作用。超聲波傳感器是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化，即在發(fā)射超聲波的時候，將電能轉(zhuǎn)換，發(fā)射超聲波；而在收到回波的時候，則將超聲振動轉(zhuǎn)換成電信號。2.2超聲波換能器超聲波傳感器千差萬別，即使對于相同種類的測定量也可采用不同工作原理的傳感器，應(yīng)此，要根據(jù)需要選用最適宜的傳感器。本設(shè)計綜合考慮了測量條件、傳感器的性能和傳感器的使用條件三個方面，選用t/r40-16型超聲波傳感器。傳感器的標(biāo)稱頻率為40khz,這

18、是壓電元件的中心頻率，實際上發(fā)送超聲波時是串聯(lián)諧振與并聯(lián)諧振的中心頻率，而接收時各自使用并聯(lián)諧振頻率。超聲波傳感器的符號及等效電路如圖2-1所示： 圖2-1 傳感器符號及等效電路圖超聲波傳感器的帶寬較窄，大部分在標(biāo)稱頻率附近使用，為此，要采用措施擴展頻帶，比如，接入電感等。另外，發(fā)送超聲波時輸入功率要大，溫度變化使諧振頻率偏移是不可避免的，為此，對于壓電陶瓷元件非常重要的是要進行頻率調(diào)整與阻抗匹配。圖2-2為t/r40-16型超聲波傳感器的頻率特性，由圖知，發(fā)送與接收的靈敏度都是以標(biāo)稱頻率為中心逐漸降低，為此，發(fā)生超聲波時要充分考慮到這一點以免溢出標(biāo)稱頻率。 圖2-2傳感器頻率特性圖2-3為t

19、/r40-16型超聲波傳感器的方向性特性，傳感器在較寬范圍內(nèi)具有較高的檢測靈敏度,因此，適用于物體檢測與防范報警裝置等。 圖2-3傳感器方向性特性圖2-4表示傳感器的溫度隨頻率的變化特性，對于這種傳感器，溫度越高，中心頻率越低，為此，在寬范圍環(huán)境下使用時，不僅在外部進行溫度補償，在傳感器內(nèi)部也要進行溫度補償。 圖2-4 溫度頻率特性曲線圖圖2-5表示阻抗隨頻率變化的特性。圖2-5 阻抗頻率特性曲線圖經(jīng)分析可知，頻率為40khz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，同時，為了方便處理，發(fā)射的超聲波被調(diào)制成40khz左右、具有一定間隔的調(diào)制脈沖信號。 2.3單片機的選用2.3.1 at89s51單片

20、機本課題選用at89s51單片機。at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，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80s51引腳結(jié)構(gòu)，at89s51具有40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，128 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。2.3.2 引腳圖如圖2-6所示： 圖2-6 at89s51引腳圖2.3.3 各引腳簡介1.vcc：電源電壓。2.gnd：地

21、。3.p0口：p0口是一組8位漏極開路型雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時，每位能驅(qū)動8個ttl。邏輯門電路，對端口寫：“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在flash編程時，p0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。4.p1口：p1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路，對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某

22、個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。5.p2口：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙i/o口，p2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（iil）。6.p3口：p3口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個ttl邏輯門電路。對p3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部的上拉電阻拉高并可作為輸入端口，作輸入端時，被外部拉低的p3口將用上拉電阻輸出電流（iil）。p3口除了作為一般的i/o口線

23、外，更重要的用途是它的第二功能。如表3-1所示： 表2-1 p3口介紹端口引腳第二功能p3.0pxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2int0（外中斷0）p3.3int1（外中斷1）p3.4t0（定時/計數(shù)器0）p3.5t1（定時/計數(shù)器1）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）7.rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，rst引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。wdt溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置sfr auxr的disrto位（地址8eh）可打開或關(guān)閉該功能。disrto位缺省為reset輸出高電平打開狀態(tài)。8.ale/prog：當(dāng)訪問

24、外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ale（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。9.ea/vpp：外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲器（地址為0000h-ffffh），ea端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存ea端狀態(tài)。如ea端為高電平（接vcc端），cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。10.psen：程序儲存允許（psen）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)at89s5

25、1由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期為兩次psen有效，即輸出兩個脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的psen信號。11.xtal1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。12.xtal2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.4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。假設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為v，根據(jù)計時器記錄的時間t，水塔整體高度為h，如圖所示圖2-7超聲波測距原理根據(jù)擋板回波的時間，計算出參考聲速即超聲波在空氣中的速度v，一段時間后液面回波時間，有h

26、=h-v*/2。這就是所謂的時間差測距法。首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖所示圖2-8超聲波測距系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖第三章 硬件設(shè)計超聲波液位測量系統(tǒng)以at89s51型單片機為控制核心，其外圍硬件包括哦超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、顯示電路和鍵盤電路等。3.1 發(fā)射電路的設(shè)計方案一：利用超聲波專用發(fā)生電路或通用發(fā)生電路產(chǎn)生40khz的超聲波信號，并直接驅(qū)動發(fā)生器產(chǎn)生超聲波。這種方法的特點是無需驅(qū)動電路，但缺乏靈活性。方案二：利用軟件產(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生

27、超聲波。這種方法的特點是充分利用軟件，靈活性好，但需要設(shè)計一個驅(qū)動電路。3.2接收電路的設(shè)計3.2.1幾種常見接收電路方案一：采用集成鎖相環(huán)ne567對放大后的信號進行頻率監(jiān)視和控制。一旦探頭接到回波，若接收到的信號頻率等于振蕩器的固有頻率（此頻率主要由值決定），則其輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?”（此時鎖相環(huán)已進入鎖定狀態(tài)），這種電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監(jiān)控。這種方法的特點是電路簡單，但鎖相環(huán)接收的頻帶較窄，不易鎖相。 方案二：采用紅外線檢波接收的專用集成芯片cx20106a，它常用于電視機紅外遙控接收器，由于紅外遙控常用的38khz載波與測距用的40khz超聲波

28、接近，當(dāng)它沒有接收到信號時輸出為高電平，當(dāng)它接收相近頻率的信號時輸出為低電平。因此它可以用來作為超聲波檢測接收電路。這種方法的特點是不僅靈敏度很高，抗干擾能力很強，而且還不需要放大電路，可使系統(tǒng)電路更為簡潔。 方案三：采用集成運放芯片（lm324）作為比較器對放大后的信號進行波形變換。當(dāng)輸入信號的電壓大于基準(zhǔn)電壓時，輸出為“1”；當(dāng)輸入信號的電壓小于基準(zhǔn)電壓時，輸出為“0”；這樣就起到對輸入信號進行變換的目的。這種方法的特點是電路簡單（主與放大電路共用一塊芯片），但選擇比較電壓非常關(guān)鍵。 因為采用cx20106a電路相對簡單，所以用方案二會比較好。2.3.2cx20106a專用芯片cx2010

29、6a芯片是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38khz 與測距超聲波頻率40khz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測電路，超聲波接收頭將機械能轉(zhuǎn)換為電信號。但這個電信號非常微弱，必須經(jīng)過放大，cx20106a芯片完成放大調(diào)制的功能。實驗證明，cx20106a芯片具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力。內(nèi)部電路由前置放大器、自動偏置電平控制電路、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和整形輸出電路組成。接收的回波信號先經(jīng)過前置放大器和限幅放大器，將信號調(diào)整到合適的幅值；再經(jīng)過帶通濾波器濾波得到有用信號，濾除干擾信號；最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖

30、相環(huán)路，實現(xiàn)準(zhǔn)確的計時。k1（rx（s）為超聲波接收頭，當(dāng)收到超聲波時產(chǎn)生一個下降沿，接到單片機的外部中斷int0 上。當(dāng)超聲波接收頭接收到40khz 方波信號時，將會將此信號通過cx20106a 驅(qū)動放大送入單片機的外部中斷0 口。單片機在得到外部中斷0 的中斷請求后，會轉(zhuǎn)入外部中斷0 的中斷服務(wù)程序進行處理。如圖3-2所示：圖3-2cx20106a芯片用于接收電路2.3.3引腳簡介1腳：超聲信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40k。2腳：該腳與地之間連接rc串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻r1或減小c1,將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但c1的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為r1=4.7，c1=1f。3腳：該腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3f。4腳：接地端。5腳：該腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取r=200k時，f042khz，若取r