基于單片機(jī)的超聲測(cè)距儀畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、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)信息與通信工程學(xué)院學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 通信工程學(xué) 院： 丁永紅專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 2012年 6月基于單片機(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

2、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microcontroller-baseddesignoftheultrasonicrange finderabstractwith the rapid development of science and technology, ultrasound will be more widely applied in the range finder. ultrasonic range finder as a new, very important and useful tool in e

3、very respect, there will be much room for development, it will be the direction of more high positioning precision to meet the growing needs of the community.lot of information to understand the purpose and significance of the ultrasonic range finder research and development at home and abroad, the

4、working principle and characteristics of the ultrasonic sensor, ultrasonic propagation velocity of the air to determine the conditions for use of transmission ultrasound and is reflected backwave time to measure the test distance to complete the ultrasonic range finder hardware and software design,

5、hardware circuit includes a transmitter circuit and receiver circuit, the preamplifier circuit, comparison detection circuit, a short distance of the ultrasonic ranging.keywords ：ultrasound,mcu,ultrasonicsensors目 錄1 緒論11.1 課題研究目的意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)51.4 論文結(jié)構(gòu)安排52 超聲波測(cè)距簡(jiǎn)介62.1 超聲波和超聲波傳感器62.1.1

6、超聲波62.1.2 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)82.1.3 超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇102.2 超聲測(cè)距儀原理及測(cè)量方法112.3 超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述122.3.1 工作頻率122.3.2 指向角介紹132.3.3 溫度介紹132.3.4 發(fā)射脈沖寬度介紹133 超聲測(cè)距儀硬件設(shè)計(jì)143.1 總體設(shè)計(jì)143.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)143.2.1 發(fā)射電路的方案論述143.2.2 發(fā)射電路153.2.3 分析計(jì)算163.3 接收電路設(shè)計(jì)173.3.1 前置放大電路173.3.3 比較檢測(cè)電路213.4 顯示電路213.5 超聲波距離探測(cè)器總體電路213.5.1 超聲測(cè)距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)223.5.

7、2 總體電路設(shè)計(jì)234 超聲測(cè)距儀軟件設(shè)計(jì)244.1 軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì)244.1.1 軟件設(shè)計(jì)原理244.1.2 軟件總體設(shè)計(jì)254.2 測(cè)距儀單片機(jī)主程序254.3 測(cè)距儀子程序274.3.1 超聲波發(fā)射子程序274.3.2 距離計(jì)算284.3.3 比較程序304.3.4 乘法計(jì)算程序304.3.5 外部中斷子程序314.3.6 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1.1 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

8、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

9、，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)

10、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。1.2 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)汽車了，以車代步已經(jīng)成為生活的一部分。關(guān)于汽車的各種新技術(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的位置6。然而現(xiàn)在通常在有的有顯示空車位停車場(chǎng)當(dāng)中又不能智

11、能引導(dǎo)汽車走到空著的車位。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：有很多車會(huì)堵在停車場(chǎng)門口處，又譬如浪費(fèi)了很長(zhǎng)時(shí)間找到車位又被其他車輛所占據(jù)，會(huì)導(dǎo)致打架的事情，直接導(dǎo)致家用車貨車的擱淺，引起極大的不便。再如長(zhǎng)時(shí)間駕駛后在沒(méi)有需要的停車位置的情況下停車休息，由于極度疲勞導(dǎo)致的貴重錢物丟失現(xiàn)象以及大型長(zhǎng)途貨車在停車場(chǎng)門口馬路很窄的情況下由于很多待于停車的車輛堵車引起的倒車不便等等。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)

12、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、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)

13、：1.對(duì)于設(shè)計(jì)停車場(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)停車場(chǎng)停車當(dāng)中有的車有天窗，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

14、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、汽車倒車、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。智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)是近年來(lái)隨著汽車在生活中的普及而發(fā)展起來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。有效的車輛探測(cè)裝置對(duì)智能車輛引導(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

15、。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uct-2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cts-10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，所以儀器沒(méi)有多大發(fā)展，仍使用電子管式的uct-2，cts-10型儀器。19

16、76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)cn.s公司推出僅有 3.5kg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jc-2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s

17、c-2型，cts-25型，syc-2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)同類產(chǎn)品相比，設(shè)計(jì)新穎合理，功能齊全，在儀器

18、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)外同類儀器水平目前常用的超聲傳感器有兩大類，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

19、類型的哨笛。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作探頭，而工業(yè)中采用的流體動(dòng)力型傳感器稱為“哨”或“笛” 14。電子測(cè)距儀要求測(cè)量范圍在0.105.00m，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l=(t/2)*c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)用于汽車倒車、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

20、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)停車位是否有車了。1.3 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，判斷車位是否有車。若相差較大則有車，否則無(wú)車。1.4 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)

21、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2.1 超聲波和超聲波傳感器2.1.1 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

22、。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?、海豚等?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20hz-20khz，即為可聽(tīng)聲波，超出頻率范圍的聲音，即20hz以下的聲音稱為低頻聲波，頻率高于人類聽(tīng)覺(jué)上限頻率(約20khz)的聲波，稱為超聲波，或稱超聲。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

23、方向相垂直的波，稱為橫波。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)鞑ィ穹S著深度的增加而迅速地衰減，稱為表面波。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)傳播的波稱為折射波，如圖2.1所示。 圖2.1 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

24、速v，與折射波中介質(zhì)的波速v2之比，即 (2.l)（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，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)r的大小為 (2.2)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: (2.3) 若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為z1=1.44*106，z2=4*102，代入上式則得r=0.999。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

25、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10-3db/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(1-4)*l03db/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%。2.1.2

26、 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，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。屬于晶體的如石英，妮酸鏗

27、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

28、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2.2 雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2.2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

29、下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。圖2.3 雙壓電晶片的等效電路雙壓電晶片的等效電路如圖2.3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2.4 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2.4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

30、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。2.1.3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

31、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

32、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

33、傳感器，由一支發(fā)射傳感器ucm-t40和一支接收傳感器ucm-r4o組成，其特性參數(shù)如表2.1所示。表2.1 傳感器特性參數(shù)表型號(hào)ucm-t40ucm-r40使用方式發(fā)射接收中心頻率401khz381khz頻帶寬20.5khz20.5khz聲壓115dbmin(0db=0.02mpa)70dbmin(0db=1v/ubar)指向角7580容量250025%pf250025%pf最大輸入電壓20vp-p20vp-p2.2 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

34、端接收端圖2.5超聲測(cè)距原理圖如圖2.5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: (2.4)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 （2.5）當(dāng)sh時(shí)，則ds，即: （2.6）2.3超聲波測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)論述2.3.1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

35、。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

36、加，但不會(huì)給發(fā)射和接收帶來(lái)困難。2.3.2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)。2.3.3溫度介紹由2.2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

37、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。2.3.4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200us(8個(gè)40khz方波脈沖)發(fā)射脈沖寬度;長(zhǎng)距離(2m外)發(fā)射 800us(32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)3.1 總體

38、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米以內(nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3.1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3.1 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

39、示。3.2 發(fā)射電路設(shè)計(jì)3.2.1 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)

40、。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)。3.2.2 發(fā)射電路發(fā)射電路采用功率放大電路。如圖3.2圖3.2 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

41、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。% （3.1）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pc(pc=pe-po)。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。3.2.3 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： （3.2）輸出功率po與輸入電壓u

42、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： （3.3）最大輸出功率則為： （3.4）功放管的耐壓降為： ucemx=2vcc （3.5）最大集電極功率損耗為： （3.6） 集電極效率：% （3.7）最大集電極允許電流： （3.8）采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對(duì)稱電路，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

43、，2sa1015兩匹配三極管，其耐壓為50v，大于每管電源電壓的兩倍即2(5/2)=5v；根據(jù)公式3-8，管的集電極最大允許電流為150ma，大于ma，符合設(shè)計(jì)要求。最大輸出功率為po=,所以符合設(shè)計(jì)要求。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。3.3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

44、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。3.3.1 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3.3 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: （3.9） (3.10)根據(jù)放大器理想

45、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u=u_-u+o，若把它理想化，則有u=0，當(dāng)不是短路，故常稱為虛短。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i=o，但不是斷開(kāi)，故常稱為虛斷。故可知本電路中:u+=0，u-=u+=0，且iiif，所以有 (3.11)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: (3.12)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

46、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r2=lk;r3=20ok;rp=lk，即放大電路將輸入信號(hào)放大200倍。3.3.2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

47、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: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

48、們采用如下面圖示的有源帶通濾波電路濾除雜波。圖3.4 帶通濾波電路為了計(jì)算簡(jiǎn)便，設(shè)u12=u8=r，u11=2r,c5=c6=c則可由kcl列出方程，導(dǎo)出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為: （3.13）設(shè)a為所要的波，波動(dòng)范圍為3khz左右。令 (3.14)本電路要求帶通濾波器的中心頻率f0=40khz，設(shè)計(jì)其品質(zhì)因數(shù)q為3，選用電容為l000pf。根據(jù)(3.23)可得：帶寬為bw=3.3khz根據(jù)（3.13）a=8/3,則a0=8，所以u(píng)9=5/3u10.又因?yàn)閡11=u9/u10=8k,所以可以得出u10=12.8k,u9=21.3k.所以u(píng)12=u8=4k,u11=8k.3.3.3 比較檢測(cè)電路

49、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3.5 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u7=20k和u6=1k，則參考電壓為v=vccu7/(u6+u7)=

50、51/21=238mv;上拉電阻u4=1k,電容c=1000pf。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)。3.4 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3.6 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。3.5 超聲波距離探測(cè)器總體電路3.5.1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

51、到的元器件如下表3.1所示：表3.1元器件清單元件名稱元件值個(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_7-seg_lm393 dpsn7406sw-pbtl082cp(8)ucm40-r 522111211131131212113.5.2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?？傠娐分邪ㄇ爸梅糯箅娐?，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)4.1軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì)4.1.1 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)