超聲波傳感器畢業(yè)論文

1、目錄1 概述2超聲波測(cè)距原理 32.1超聲波傳感器介紹 32.2超聲波傳感器的特性 42.3超聲波檢測(cè)概述 52.3超聲波測(cè)距的原理及實(shí)現(xiàn) 63單片機(jī)超聲波測(cè)距的總體設(shè)計(jì) 3.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)的總體方案 3.2系統(tǒng)主要參數(shù)考慮 103.2.1傳感器的指向角 9 103.2.2測(cè)距儀的工作頻率 103.2.3 聲速113.2.4發(fā)射脈沖寬度113.2.5測(cè)量盲區(qū) 114單片機(jī)倒車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元設(shè)計(jì) 134.1發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案 134.2顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì) 224.2.1 系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì) 224.2.2系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì) 244.3單片機(jī)復(fù)位電路 254.4時(shí)鐘電路 264.5穩(wěn)

2、壓電源 265系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn) 295.1單片機(jī)硬件介紹 295.1.1單片機(jī)AT89C51介紹 295.1.2 8155芯片介紹 315.1.3 74LS244芯片介紹325.2探頭UCM介紹 355.2.1主程序375.2.2顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序 40結(jié)論43參考文獻(xiàn) 442畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說(shuō)明原創(chuàng)性聲明本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個(gè)人在指導(dǎo)教 師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 盡我所知，除文中特別加 以標(biāo)注和致謝的地方外，不包含其他人或組織已經(jīng)發(fā)表或公布過(guò)的研 究成果，也不包含我為獲得及其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或?qū)W歷而使用過(guò)的材料。對(duì)本研究提供

3、過(guò)幫助和做出過(guò)貢獻(xiàn)的個(gè)人或集體， 均已在文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。作者簽名： 日 期：指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說(shuō)明本人完全了解大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電 子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的印刷本和電子版，并提供 目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復(fù)制 手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)校可以公布論文的部分 或全部?jī)?nèi)容。學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外， 本論文 不包含任何其他個(gè)人或集體

4、已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)的成果作品。 對(duì)本文的研 究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完 全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保留并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名:日期： 年 月指導(dǎo)教師評(píng)閱書(shū)指導(dǎo)教師評(píng)價(jià)：一、撰寫(xiě)（設(shè)計(jì)）過(guò)程1、學(xué)生在論文（設(shè)計(jì)）過(guò)程中的治學(xué)

5、態(tài)度、工作精神優(yōu) 良 中 及格 不及格2、學(xué)生掌握專(zhuān)業(yè)知識(shí)、技能的扎實(shí)程度優(yōu)良中及格不及格3、學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和專(zhuān)業(yè)技能分析和解決問(wèn)題的能力優(yōu)良中及格不及格4、研究方法的科學(xué)性；技術(shù)線路的可行性；設(shè)計(jì)方案的合理性?xún)?yōu)良中及格不及格5、完成畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）期間的出勤情況優(yōu)良中及格不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？?jī)?yōu)良中及格不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？?jī)?yōu)良中及格不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？?jī)?yōu)良中及格不及格3、論文（

6、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平優(yōu)良中及格不及格建議成績(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“ V"）評(píng)閱教師評(píng)閱書(shū)評(píng)閱教師評(píng)價(jià)：一、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1、論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？?jī)?yōu)良中及格不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？?jī)?yōu)良中及格不及格二、論文（設(shè)計(jì)）水平1、論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義 優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？?jī)?yōu)良中及格不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平優(yōu)良中及格不及格建議成績(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“ V”）指導(dǎo)教師：（簽名）單位：（蓋章

7、）年 月 日教研室（或答辯小組）及教學(xué)系意見(jiàn)教研室（或答辯小組）評(píng)價(jià)：一、答辯過(guò)程1畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）的基本要點(diǎn)和見(jiàn)解的敘述情況優(yōu) 良 中 及格 不及格2、對(duì)答辯問(wèn)題的反應(yīng)、理解、表達(dá)情況優(yōu)良中及格不及格3、學(xué)生答辯過(guò)程中的精神狀態(tài)優(yōu)良中及格不及格二、論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1論文（設(shè)計(jì)）的整體結(jié)構(gòu)是否符合撰寫(xiě)規(guī)范？?jī)?yōu)良中及格不及格2、是否完成指定的論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)（包括裝訂及附件）？?jī)?yōu)良中及格不及格三、論文（設(shè)計(jì)）水平1論文（設(shè)計(jì)）的理論意義或?qū)鉀Q實(shí)際問(wèn)題的指導(dǎo)意義優(yōu) 良 中 及格 不及格2、論文的觀念是否有新意？設(shè)計(jì)是否有創(chuàng)意？?jī)?yōu)良中及格不及格3、論文（設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)）所體現(xiàn)的整體水平優(yōu)良中及格不及格

8、評(píng)定成績(jī)：優(yōu) 良 中 及格 不及格（在所選等級(jí)前的內(nèi)畫(huà)“ V"）教研室主任（或答辯小組組長(zhǎng)）：（簽名）年 月 日教學(xué)系意見(jiàn)：摘要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺， 汽車(chē)的數(shù)量在大副攀升。 交通擁擠狀況也日 趨嚴(yán)重，撞車(chē)事件屢屢發(fā)生，造成了不可避免的人身傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，針對(duì)這種情況，設(shè)計(jì) 一種響應(yīng)快， 可靠性高且較為經(jīng)濟(jì)的汽車(chē)防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行， 超聲波測(cè)距法是最常見(jiàn)的 一種距離測(cè)距方法，本文介紹的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)的一種倒車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)。本文是基于AT89C51單片機(jī)倒車(chē)防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要利用超聲波的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，將超 聲波測(cè)距系統(tǒng)和AT89C51單片機(jī)結(jié)合于一體，設(shè)計(jì)出

9、一種基于AT89C51單片機(jī)的倒車(chē)防撞報(bào) 警系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用軟、硬件結(jié)合的方法，具有模塊化和多用化的特點(diǎn)。論文概述了超聲波檢測(cè)的發(fā)展及基本原理， 闡述了超聲波傳感器的原理及特性。 對(duì)于系 統(tǒng)的一些主要參數(shù)進(jìn)行了討論， 并且在介紹超聲波測(cè)距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上， 提出了系統(tǒng)的總 體構(gòu)成。通過(guò)多種發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)方案比較，得出了最佳設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)計(jì)單 元的原理進(jìn)行了介紹。對(duì)組成各系統(tǒng)電路的芯片進(jìn)行了介紹，并闡述了它們的工作原理。論 文介紹了系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，通過(guò)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的誤差分析，給出 了系統(tǒng)的改進(jìn)方案。關(guān)鍵字 ：?jiǎn)纹瑱C(jī) 超聲波 AT89C511 概述高速度，高效率

10、是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，而這是建立在高質(zhì)量的基礎(chǔ)之上的。設(shè)計(jì)和工藝人 員理應(yīng)了解：非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機(jī)出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常?？梢杂袝r(shí)甚至是只能依 靠無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn)，評(píng)價(jià)。當(dāng)然，這與數(shù)十年來(lái)多方的重視和廣大從業(yè)人 員的艱辛努力，使無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在這方面已具有一定的能力有關(guān)。現(xiàn)在，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家， 無(wú)損檢測(cè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門(mén)已被卓有成效的運(yùn)用， 1981 年美國(guó)前總統(tǒng)里根在 給美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)成立 40 周年大會(huì)的賀信中就說(shuō)過(guò)： “你們能夠給飛機(jī)和空間飛行器， 發(fā)電廠，船舶，汽車(chē)和建筑物等帶來(lái)更大程度的可靠性。沒(méi)有無(wú)損檢測(cè)，我們就不可能享有 目前在這些領(lǐng)域和其他領(lǐng)域的領(lǐng)先地

11、位。 ”無(wú)損檢測(cè)正在以迅猛之勢(shì)向縱深發(fā)展，客觀的需 要畢竟是一種專(zhuān)業(yè)可以發(fā)展的最大動(dòng)力。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。超聲波檢測(cè)技術(shù)是我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展和推廣的新技術(shù)， 其具有高精度， 無(wú)損，非接觸等優(yōu)點(diǎn)。 目前，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在機(jī)械制造，電子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工業(yè)領(lǐng)域。 此外，在材料科學(xué)，醫(yī)學(xué)，生物科學(xué)等領(lǐng)域中也占具重要地位。國(guó)外在提高超聲波測(cè)距方面 做了大量研究， 國(guó)內(nèi)一些學(xué)者也做了相關(guān)研究。 對(duì)超聲波測(cè)距精度主要取決于所測(cè)的超聲波 傳播時(shí)間和超聲波在介質(zhì)中的傳播速度， 二者中以傳播時(shí)

12、間的精度影響較大， 所以大部分文 獻(xiàn)采用降低傳播時(shí)間的不確定度來(lái)提高測(cè)距精度。 目前，相位探測(cè)法和聲譜輪廓分析法或二 者結(jié)合起來(lái)的方法是主要的降低探測(cè)傳輸不確定度的方法。超聲波檢測(cè)技術(shù)作為無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其發(fā)展過(guò)程中起著重要的作用， 它提供了評(píng)價(jià)固體材料的微觀組織及相關(guān)力學(xué)性能、 檢測(cè)其微觀和宏觀不連續(xù)性的有效通用 方法。由于其信號(hào)的高頻特性，超聲波檢測(cè)早期僅使用模擬量信號(hào)的分析，大部分檢測(cè)設(shè)備 僅有 A 掃描形式，需要通過(guò)有經(jīng)驗(yàn)的無(wú)損檢測(cè)人員對(duì)信號(hào)進(jìn)行人工分析才能得出正確的結(jié) 論，對(duì)檢測(cè)和分析人員的要求較高，因此，人為因素對(duì)檢測(cè)的結(jié)果影響較大，波形也不易記錄和保存，不適宜完成自

13、動(dòng)化檢測(cè)。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。 其中，煤炭科學(xué)研究院研制的 2000A 型超聲分析檢測(cè)儀， 是一種內(nèi)帶微處理器的智能化測(cè)量?jī)x器， 全部操作都處于微處理器的控 制管理之下，所有測(cè)量值，處理結(jié)果，狀態(tài)信息都在顯像管上顯示出來(lái)，并可接微型打印機(jī) 打印。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

14、 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。502超聲波測(cè)距原理2.1超聲波傳感器介紹超聲波由于其指向性強(qiáng)、能量消耗緩慢、傳播距離較遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，而經(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)距主要應(yīng)用于倒車(chē)?yán)走_(dá)、建筑 施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如液位、井深、管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。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， 因此在測(cè)控系統(tǒng)的研制上得到了廣泛應(yīng)用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗?/p>

15、需頻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。圖2.1壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖壓電式超聲波發(fā)生器實(shí)際上是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的，超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)共振板，當(dāng)它的兩極外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電 晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，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(shí)，將壓迫壓電晶片作振動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn) 化為電信號(hào)，這時(shí)它就成

16、為超聲波傳感器。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率fO。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。超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中， 并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對(duì)壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損 壞。金屬網(wǎng)也是起保護(hù)作用的，但不影響發(fā)射與接收超聲波。2.2超聲波傳感

17、器的特性超聲波傳感器的基本特性有頻率特性和指向特性，這里以SZW-S40-12M發(fā)射型超聲波傳感器為例進(jìn)行說(shuō)明。頻率特性心:心H dB I圖2.2超聲發(fā)射傳感器頻率特性圖2.2是超聲波發(fā)射傳感器的頻率特性曲線。其中， f0 = 40KHz為超聲發(fā)射傳感器的 中心頻率，在f0處，超聲發(fā)射傳感器所產(chǎn)生的超聲機(jī)械波最強(qiáng)，也就是說(shuō)在f0處所產(chǎn)生的超聲聲壓能級(jí)最高。而在f0兩側(cè)，聲壓能級(jí)迅速衰減。因此，超聲波發(fā)射傳感器一定要 使用非常接近中心頻率f0的交流電壓來(lái)激勵(lì)。另外，超聲波接收傳感器的頻率特性與發(fā)射傳感器的頻率特性類(lèi)似。曲線在f0處曲線最尖銳，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在 f0處接收靈敏度最高。因此

18、，超聲波接收傳感器具 有很好的頻率選擇特性。超聲接收傳感器的頻率特性曲線和輸出端外接電阻 R 也有很大關(guān) 系，如果 R 很大，頻率特性是尖銳共振的，并且在這個(gè)共振頻率上靈敏度很高。如果 R 較 小，頻率特性變得光滑而具有較寬得帶寬，同時(shí)靈敏度也隨之降低。并且最大靈敏度向稍低 的頻率移動(dòng)。因此，超聲接收傳感器應(yīng)與輸入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有較高得 接收靈敏度。指向特性實(shí)際的超聲波傳感器中的壓電晶片是一個(gè)小圓片，可以把表面上每個(gè)點(diǎn)看成一個(gè)振蕩 源，輻射出一個(gè)半球面波（子波） ，這些子波沒(méi)有指向性。但離開(kāi)超聲傳感器的空間某一點(diǎn) 的聲壓是這些子波迭加的結(jié)果（衍射） ，卻有指向性。2.3 超聲

19、波檢測(cè)概述超聲波是一種頻率超過(guò) 20kHz 的機(jī)械波。超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波 傳輸?shù)幕疚锢硖匦苑瓷?、折射、干涉、衍射、散射。超聲波具有方向性集中、振幅小?加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。 利用超聲波檢測(cè)往往比較迅速，方便，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，主要應(yīng)用于倒車(chē)?yán)走_(dá)、建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，例如：液位、井深、 管道長(zhǎng)度等場(chǎng)合。超聲波在被檢材料（金屬、非金屬）中傳播時(shí)，利用材料本身或內(nèi)部缺陷所示的聲學(xué)性 質(zhì)對(duì)超聲波傳播的影響來(lái)檢測(cè)材料的組織和內(nèi)部缺陷的方法， 稱(chēng)為超聲探傷。 它是一種非破

20、壞性的材料實(shí)驗(yàn)方法， 即不需破壞被檢材料或工件就能探測(cè)其內(nèi)部各種缺陷 （如裂紋、 氣泡、 夾雜物等） 的大小，形狀和分布狀況以及測(cè)定材料性質(zhì)。 超聲探傷具有靈敏度高、 快速方便、 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器制造、冶金、化工設(shè)備、國(guó)防建設(shè)等部門(mén)，已成 為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保安全的一種重要手段。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種：（1）脈沖反射法 把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來(lái)自物體中的反射波，這種探傷方法稱(chēng)為脈沖反射法。 它是超聲探傷中最基本的方法。 在脈沖反射法中， 根據(jù)聲束傳播情況可分為直探法和斜探法； 根據(jù)探傷所用波形可分為縱波探傷法、橫波探傷法、表面波探傷法和板波探傷法；根據(jù)

21、探頭 個(gè)數(shù)和作用可分為單探頭法和雙探頭法；根據(jù)聲耦合方式可分為直接接觸法和水浸法等等。 由于這些方法具有各自的特點(diǎn)，所以廣泛用來(lái)對(duì)金屬和非金屬材料及其制品進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。(2) 穿透法 利用穿過(guò)被檢物體的超聲波的穿透率和有無(wú)聲影進(jìn)行探傷檢驗(yàn)的方法稱(chēng)為穿透法。 穿透 法有連續(xù)波穿透法，脈沖穿透法和共振穿透法等。此方法的優(yōu)點(diǎn)是適用于薄工件；由于超聲 波傳播路程僅為反射法的一半，故適用于檢查衰減大的材料；探傷圖形直觀，只要定好檢查 標(biāo)準(zhǔn)就可以進(jìn)行作業(yè)；易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)探傷、檢查速度快。缺點(diǎn)是不能知道缺陷的深度位置；缺 陷探測(cè)靈敏度一般比反射法低，難以檢查較小缺陷。(3) 共振法把頻率連續(xù)改變的超聲波射入被檢

22、材料， 根據(jù)材料的共振狀況測(cè)量其厚度或檢查有無(wú)缺 陷等材料性質(zhì)的方法稱(chēng)為共振法。共振法一般用來(lái)測(cè)量金屬板、管壁、容器壁的厚度或腐蝕 程度，測(cè)量聲速，檢查板中的分層和進(jìn)行材質(zhì)判定。2.3 超聲波測(cè)距的原理及實(shí)現(xiàn) 超聲測(cè)距從原理上可分為共振式、脈沖反射式兩種。由于應(yīng)用要求限定，在這里使用脈 沖反射式， 即利用超聲的反射特性。 超聲波測(cè)距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射傳感器向某一方向發(fā) 射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回 來(lái)，超聲波接收器收到反射波就停止計(jì)時(shí)。 常溫下超聲波在空氣中的傳播速度為 C=340m/s， 根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t ，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障

23、礙物的距離 (S) ，即：S=C*t/2=C*t0(2-1 )其中， t0 就是所謂的渡越時(shí)間?？梢钥闯鲋饕糠钟校?1) 供應(yīng)電能的脈沖發(fā)生器(發(fā)射電路) ；(2) 使接收和發(fā)射隔離的開(kāi)關(guān)部分；(3) 轉(zhuǎn)換電能為聲能，且將聲能透射到介質(zhì)中的發(fā)射傳感器；(4) 接收反射聲能(回波)和轉(zhuǎn)換聲能為電信號(hào)的接收傳感器；(5) 接收放大器，可以使微弱的回聲放大到一定幅度，并使回聲激發(fā)記錄設(shè)備；(6) 記錄 / 控制設(shè)備，通常控制發(fā)射到傳感器中的電能，并控制聲能脈沖發(fā)射到記錄回 波的時(shí)間，存儲(chǔ)所要求的數(shù)據(jù)，并將時(shí)間間隔轉(zhuǎn)換成距離。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

24、的 過(guò)程中衰減較大。故在超聲波測(cè)量中，常使用 40KHz 的超聲波。目前超聲波測(cè)量的距離一 般為幾米到幾十米， 是一種適合室內(nèi)測(cè)量的方式。 由于超聲波發(fā)射與接收器件具有固有的頻 率特性，具有很高的抗干擾性能。距離測(cè)量系統(tǒng)常用的頻率范圍為 25KHZ300KHZ的脈沖壓力波，發(fā)射和接收的傳感器 有時(shí)共用一個(gè)，或者兩個(gè)是分開(kāi)使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩部分組成，負(fù)責(zé)向傳 感器輸出一個(gè)有一定寬度的高壓脈沖串， 并由傳感器轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)射出去； 接收放大器用于 放大回聲信號(hào)以便記錄， 同時(shí)為了使它能接收具有一定頻帶寬度的短脈沖信號(hào)， 接收放大器 要有足夠的頻帶寬度； 收/ 發(fā)隔離則使接收裝置避開(kāi)強(qiáng)

25、大的發(fā)射信號(hào)； 記錄/ 控制部分啟動(dòng)或 關(guān)閉發(fā)射電路并記錄發(fā)射的瞬時(shí)及接收的瞬時(shí)，并將時(shí)差換算成距離讀數(shù)并加以顯示或記 錄。3單片機(jī)超聲波測(cè)距的總體設(shè)計(jì)該超聲測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于 DSP的超聲信號(hào)檢測(cè)中的先期部分。因此初步計(jì)劃 是在室內(nèi)小范圍的測(cè)距，限定在 4米之內(nèi)。本章從整體結(jié)構(gòu)角度討論了測(cè)距系統(tǒng)的組成及 一些系統(tǒng)主要參數(shù)。3.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)的總體方案系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及器件的選擇也正是在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行的，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。圖3.1 超聲波測(cè)距硬件電路圖電子市場(chǎng)上常見(jiàn)的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為40KHZ。如果需要更高頻率的超 聲探頭，比如幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率， 就需要到專(zhuān)業(yè)

26、經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品的廠商去購(gòu)買(mǎi)或者 定制。鑒于有限的條件，擬選用的探頭是40KHZ的超聲傳感器，有一支接收傳感器SZW-R40-10P和一支發(fā)射傳感器SZW-S40-12M其特性參數(shù)如表3.1所示。發(fā)射電路通常有調(diào)諧式和非調(diào)諧式。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈（有時(shí)裝在探頭內(nèi)），諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。在非調(diào)諧式電路中沒(méi) 有調(diào)諧元件，發(fā)射出的超聲頻率主要由壓電晶片的固有參數(shù)決定，頻帶較寬。為了將一定頻 率、幅度的交流電壓加到發(fā)射傳感器的兩端，使其振動(dòng)發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿(mǎn)足發(fā)射傳感器的固有頻率40KHZ,這樣才能使其工作在諧振頻 率，達(dá)到最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從

27、理論上說(shuō)是越高越好，因?yàn)閷?duì)同一支發(fā)射傳感器而言，電 壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對(duì)于 接收電路的設(shè)計(jì)就相對(duì)簡(jiǎn)單一些。但是，每一支實(shí)際的發(fā)射傳感器有其工作電壓的極限值， 即當(dāng)工作電壓超過(guò)了這個(gè)極限值之后，會(huì)對(duì)傳感器的內(nèi)部電路造成不可回復(fù)的損害。因此， 工作電壓不能超過(guò)這個(gè)極限值。同時(shí)，發(fā)射電路中的阻尼電阻決定了電路的阻尼情況。通常 采用改變阻尼電阻的方法來(lái)改變發(fā)射強(qiáng)度。電阻大時(shí)阻尼小，發(fā)射強(qiáng)度大，儀器分辨率低， 適宜于探測(cè)厚度大，對(duì)分辨力要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測(cè)近表面 缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。型號(hào)SZW-S40

28、-12MSZW-R40-1OP結(jié)構(gòu)開(kāi)放式開(kāi)放式使用方式發(fā)射接收中心頻率40 + lKHz40±lKHz整個(gè)靈敏度靈敏度聲壓115dBmin(OdB=0.02mPa)-70dBmin(0dB=lV/Pbar)指向性75 s80°容量2.500±25KpFl1100±254pF最低使用溫度40" C-40° C最高使用溫度85" C85° C最小探測(cè)距離0 2m0 2m最大探測(cè)距離4m4m分辨率9in in9 m in最大輸入電壓SV丹連續(xù)信號(hào)表3.1傳感器特性參數(shù)發(fā)射部分的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶

29、片產(chǎn)生的射頻電壓不過(guò)幾十毫伏，要對(duì)這樣小的信號(hào)進(jìn)行處理就必須放大到一定的幅度。接收部分就是由三級(jí)放大電路，檢波電路及門(mén)限判別電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終達(dá)到對(duì)回波進(jìn)行放大檢 測(cè)，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。但是由于超聲傳感器固有特性，即盲區(qū)的存在，對(duì)于回波的接收和處理造成了相當(dāng)程度的影響。3.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮系統(tǒng)的主要參數(shù)有傳感器的指向角、測(cè)距的工作頻率、聲速、脈沖寬度、測(cè)量盲區(qū)等， 下面做介紹并闡述。3.2.1傳感器的指向角B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)， 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

30、長(zhǎng)入，傳感器半徑r有關(guān)。由(2 n / 入)*r*sin( 9 /2)=1.615(3-1)選f0=40KHz時(shí)，入=C/f0=8.5mm。當(dāng)fO選定后，指向角9近似與傳感器半徑成反比。 指向角9 愈小，空間分辨率愈高，則要求傳感器半徑 r 愈大。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳 感片規(guī)格有限，為降低成本，在不降低空間分辨率的條件下，選用國(guó)產(chǎn)現(xiàn)有壓電傳感器片最 大半徑 r=6.3mm,故 9 =2*arcsi n (1.615 入 /2* n *r)=75 °。3.2.2 測(cè)距儀的工作頻率由文獻(xiàn) 知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為a =a a a S=Af2+Bf4。所以，空氣中超聲波的 衰減對(duì)頻

31、率很敏感，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。 傳感器的工作頻率是測(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)相同尺寸的換能器來(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

32、來(lái)看，工作頻率要求提高。40KHz，定為(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，由于本測(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44KHz這樣傳感器方向性尖銳，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。3.2.3 聲速由公式 （2-1） ，聲速的精確程度線性的決定了測(cè)距系統(tǒng)的測(cè)量精度。傳播介質(zhì)中聲波的傳播速度隨溫度，雜質(zhì)含量，和介質(zhì)壓力的變化而變化。聲速隨溫度變化公式為V=331.4 0.607T（m/s）（3-2）式中， T 是溫度。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

33、。 在常溫下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 340 m/s 。3.2.4 發(fā)射脈沖寬度發(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。但是根據(jù)實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，過(guò)寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回波 及比較電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比較了 24卩s （1 個(gè)40KHz脈沖方波），120卩s（ 5 個(gè)40KHz脈沖方 波），240卩s （10 個(gè)40KHz脈沖方波），720卩s（ 30 個(gè)40KHz脈沖方波）的發(fā)射脈沖寬度 作為發(fā)射信號(hào)后的接收信

34、號(hào)，最終選用120卩s （5個(gè)40KHZ脈沖方波）的發(fā)射脈沖寬度。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。3.2.5 測(cè)量盲區(qū)在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下， 電壓很高的發(fā)射電脈沖在激勵(lì)傳感器的同時(shí)也 進(jìn)入接收部分。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒(méi)有放大作用，這種現(xiàn)象 稱(chēng)為阻塞。 不同的檢測(cè)儀阻塞程度不一樣。 根據(jù)阻塞區(qū)內(nèi)的缺陷回波高度對(duì)缺陷進(jìn)行定量評(píng) 價(jià)會(huì)使結(jié)果偏低，有時(shí)甚至不能發(fā)現(xiàn)障礙物，這是需要注意的。由于發(fā)射聲脈沖自身有一定 的寬度，加上放大器有阻塞問(wèn)題，在靠近發(fā)射脈沖一段時(shí)間范圍內(nèi)，所要求發(fā)現(xiàn)的缺陷往往 不能被發(fā)現(xiàn)，這段距離，稱(chēng)為盲區(qū)，具體分析如下

35、：當(dāng)發(fā)射超聲波時(shí)，發(fā)射信號(hào)雖然只維持一個(gè)極短時(shí)間，但停止施加發(fā)射信號(hào)后，探頭上 還存在一定余振（由于機(jī)械慣性作用） 。因此，在一段較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，加在接收放大器輸入端 的發(fā)射信號(hào)幅值仍具一定幅值高度，可以達(dá)到限幅電路的限幅電平 VM ；另一方面，接收探 頭上接收到的各種反射信號(hào)卻遠(yuǎn)比發(fā)射信號(hào)小，即使是離探頭較近的表面反射回來(lái)的信號(hào)， 也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。 當(dāng)反射面離探頭愈來(lái)愈遠(yuǎn)， 接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來(lái)愈 長(zhǎng)，其幅值也愈來(lái)愈小。 在超聲波檢測(cè)中， 接收信號(hào)的衰減總是比發(fā)射信號(hào)余振衰減慢的多。 為保證一定的信噪比， 接收信號(hào)幅值需達(dá)到規(guī)定的閾值 Vm ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于 這一閾

36、值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。4單片機(jī)倒車(chē)防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元設(shè)計(jì)該超聲波測(cè)距系統(tǒng)由超聲波發(fā)射與接收電路、 單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成, 下面主要通過(guò)各個(gè)模塊的各種方案比較，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心部分采用性能 較好的AT89C51單片機(jī)。4.1發(fā)射與接收電路的設(shè)計(jì)方案超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要部分，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系 統(tǒng)的精確性和安全可靠性。本文通過(guò)多種方案比較，以達(dá)到最佳方案確定。設(shè)計(jì)方案一：由施密特振蕩器和數(shù)字功放電路組成，由 P1.0 口發(fā)出的同步脈沖信號(hào)如圖4.1。它啟 動(dòng)振蕩器，輸出40KHZ的高頻信號(hào)，經(jīng)整形及功放電路，加至發(fā)射換能器

37、，發(fā)出 40kHz的超 聲波。接收電路主要由回波放大接收及比較控制電路組成，如圖4.1所示圖4.1 接收控制及接口電路初始，比較器A1同相端已經(jīng)通過(guò)調(diào)整Rr,使其電壓略高于2.5V。因此A1應(yīng)輸出高電平，但由于D1相位作用，A1輸出低電平，即RS觸發(fā)器的S=0, Q=1, R =1 , INTO二°。當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)，在A點(diǎn)形成正脈沖，經(jīng)N1反相，R= 0, D1相位釋放，S= 1, Q=Q INT° = 1 （正跳）,T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。脈沖過(guò)后，S= 1, R=1, Q=0 麗二1?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)放大 濾波，送至比較器A1的反相端，它是疊加在2.5V電壓上的交變40k

38、Hz的信號(hào)。它的前沿使 A1輸出低電平。S=0, R= 1，Q=1, iNT0= 0 （負(fù)跳），即獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPJ向應(yīng) 中斷，T0計(jì)數(shù)停，計(jì)數(shù)值N1送存RAM由于發(fā)射探頭和接收探頭都是平行放置且距離較近，發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)，接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)，因此必須將其隱去。當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信號(hào)，主控同步脈沖加至比較器A2時(shí)，A2輸出一個(gè)遠(yuǎn)大于2.5V的電壓，經(jīng)過(guò)D2降壓后約為7.5V左右，加至A1同相 端，又C2的延遲作用，A1同相端產(chǎn)生一定寬度和高度的方波，它的幅度和寬度均大于發(fā)射 串?dāng)_信號(hào)，A1輸出端即RS觸發(fā)器的S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去。這段時(shí)間稱(chēng) 為盲區(qū)，約2ms設(shè)

39、計(jì)萬(wàn)案一：40KHz的超聲波發(fā)送脈沖信號(hào)由單片機(jī)的 P1.0 口送出，發(fā)出一系列的脈沖群，每一個(gè) 脈沖群的持續(xù)時(shí)間大約為0.5ms左右。信號(hào)經(jīng)過(guò)三極管放大，再經(jīng)過(guò)阻抗匹配電路即變壓器（變壓器輸入輸出比為1: 10）后，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭，發(fā)射換能器兩端就加上了高電壓， 內(nèi)部的壓電晶片開(kāi)始震動(dòng)，經(jīng)過(guò)壓電換能器將發(fā)出40kHz的脈沖超聲波。當(dāng)超聲波遇到障礙 物時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反射波，發(fā)射波返回到超聲波傳感器上，盡管發(fā)射部分的脈沖電壓比較高，但 是由回波引起的接受壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓幅度近距離有幾毫伏，遠(yuǎn)距離還不到幾毫伏， 由于在較遠(yuǎn)距離的情況下，聲的回波很弱，因而轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的幅值也很小，為此要求將信

40、號(hào)放大6000倍左右。信號(hào)經(jīng)過(guò)放大整形電路產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)，使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。在接收端第一級(jí)，要求其放大倍數(shù)為了 C945這62倍左右，所以選擇只三極管，達(dá)到了 放大倍數(shù)。第二三級(jí)選用了一枚集成放大器 NE5532它集成了兩個(gè)放大器，可達(dá)到預(yù)定放 大倍數(shù)。1、發(fā)射電路發(fā)射電路由555多諧振蕩器和數(shù)字功率放大器組成。采用 555多諧振蕩器可以實(shí)現(xiàn)寬 范圍占空比的調(diào)節(jié)，并且電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單占用面積小。如圖 4.2所示，由單片機(jī).P1.0 口發(fā)出 同步脈沖信號(hào)，該同步脈沖啟動(dòng)多諧振蕩器，使其輸出 20KHZ的高頻電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)整形及 功放電路加至超聲波換能器探頭，根據(jù)逆壓電效應(yīng)，產(chǎn)生振動(dòng)頻率為 20K

41、HZ的超聲波。2、接收電路接收電路主要由回波放大接收電路及比較電路組成。如圖4.3所示，首先調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R使比較器A1同相端電位高于2.5V。由于D1輸出低電平， 而反相器N輸出高電平，所 以有RS觸發(fā)器的S=0，R=1, Q=1, INTO=o當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)（如圖4.2中的（1）所 示）經(jīng)過(guò)微分電路形成的同步脈沖信號(hào)通過(guò)反相器 N的反相功能，R=0, D1箝位釋放S=1, Q=0 麗=1 （正跳變），T0計(jì)數(shù)器開(kāi)始記數(shù)，脈沖經(jīng)過(guò)之后 S=R=1, Q=0 麗=1。回 波信號(hào)經(jīng)過(guò)放大濾波送至比較器 A1的反相端，它是疊加在2.5V上的頻率為20KHZ的高頻電 壓信號(hào)。如圖4.2中的（3

42、）所示，其前上升沿使A1輸出低電平，S=0, R=1, Q=1, T0=0 （負(fù)跳變）；即INT0獲得負(fù)跳沿信號(hào)，CPU響應(yīng)中斷請(qǐng)求，使T0計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，記數(shù)值N送存RAM3、盲區(qū)干擾信號(hào)的消隱通常發(fā)射換能器和接收換能器都是平行放置且距離較近。當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射超聲波時(shí)接收 換能器接收到的第一個(gè)波是串?dāng)_直通波， 也稱(chēng)泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過(guò)繞射由發(fā)射 換能器直接到達(dá)接收換能器而造成的。因此，通常接收探頭會(huì)引起強(qiáng)烈的感應(yīng)信號(hào)。所以必 須將其隱去,當(dāng)P1.0輸出啟動(dòng)信息，同步脈沖加至比較器 A2時(shí)，A2輸出一遠(yuǎn)大于2.5V的 電壓，經(jīng)D2降壓后大約等于7.5V，加至A1同相端，由于C1延遲作用

43、，A1同相端將產(chǎn)生 一定寬度和高度的方波，如圖 4.2中的（4）所示。它的寬度和幅度都大于發(fā)射串?dāng)_信號(hào)， A1輸出端即RS觸發(fā)器S端仍為高電平，這樣串?dāng)_信號(hào)將被隱去，這段時(shí)間稱(chēng)為盲區(qū)，約2毫秒。Pi+o«i出同步信號(hào) 2jiis 5S旺INTO 號(hào)同步脈沖信號(hào)回波宿號(hào)A1同押瑞肓區(qū)側(cè)隱時(shí)號(hào)設(shè)計(jì)方案四：1、發(fā)射電路發(fā)射電路由脈沖產(chǎn)生電路和發(fā)射電路組成。脈沖產(chǎn)生電路的主要任務(wù)是產(chǎn)生40KHZ脈沖電壓。它由與非門(mén)和電阻電容構(gòu)成振蕩電路，由單片機(jī)P1.1 口控制其是否工作。其電路圖如圖1所示。脈沖產(chǎn)生電路的輸出電壓經(jīng)脈沖變壓器升壓后輸出到超聲傳感器。其中，脈 沖變壓器對(duì)脈沖電壓變換值的大小直

44、接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅2、接收電路接收電路的主要任務(wù)是檢測(cè)回波，并向單片機(jī)發(fā)出中斷以停止計(jì)時(shí)。 接收電路設(shè)計(jì)的好 壞直接影響超聲波在空氣中傳播時(shí)間的測(cè)量。接收部分電路由檢波電路、濾波放大電路和整形電路組成。檢波電路拾取回波中的正半波，以便后級(jí)電路放大；整形電路把回波信號(hào)整理 為單片機(jī)系統(tǒng)能夠接收的信號(hào)并向單片機(jī)申請(qǐng)中斷以停止計(jì)時(shí)。接收電路的主體是濾波放大電路。由于超聲回波信號(hào)十分微弱并含有噪聲，S/N較小，所以接收電路設(shè)置了兩級(jí)高 Q值的濾波放大電路。濾波放大電路采用二階帶通濾波放大器，一級(jí)和二級(jí)濾波放大電路采用相同的結(jié)構(gòu)和參數(shù)。其電路如圖 4.5所示。圖4.5中，R1

45、1、R12 C13 C14 R15和運(yùn)算放 大器AmplA組成了一級(jí)濾波放大電路；R21、R22 C23 C24 R25和運(yùn)算放大器AmplB組 成了二級(jí)濾波放大電路。VCC圖4.4發(fā)射部分電路圖4.5 次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問(wèn)題:發(fā)射波形如圖4.6，傳感器的振蕩波形要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號(hào)的幅度時(shí)指數(shù)上升的，Q各周期后達(dá)到滿(mǎn)幅度的95%，1.5Q個(gè)周期后達(dá)到99%。為提高傳感器的靈敏度，Q值一般不能太低，為使傳感器充分振蕩起來(lái),發(fā)射脈寬要求不能小于Q個(gè)振蕩周期，才能使發(fā)射幅度基本達(dá)到最大。考慮到測(cè)量“盲區(qū)”,這里選擇脈寬為120卩s,包含5個(gè)調(diào)制的4

46、4KHZ的方波信號(hào)。由文獻(xiàn)3T的正弦波加到傳感器上，然后關(guān)閉發(fā)射電路，打開(kāi)接收通道，接收來(lái)自障礙物的反射波。傳感器發(fā)射電壓大小主要取決于發(fā)射信號(hào)損失及接收機(jī)的靈敏度，綜合各種損耗的因 素，包括往返傳播損失，聲波傳輸損失，聲波反射損失，環(huán)境噪聲損失，接收預(yù)放大單兀的 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，以利檢測(cè) 單元的正確檢測(cè)。如何達(dá)到信號(hào)的最佳接收關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和安全性，所以也應(yīng)考慮到影響接收信號(hào)的各方面問(wèn)題。在傳感器接收到的信號(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。室內(nèi)環(huán)境中噪聲主要集中在低頻段，遠(yuǎn)離回波信號(hào)頻率，因此系統(tǒng)的總

47、噪 聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定， 其功率譜寬度遠(yuǎn)大于接收機(jī)的通頻帶。 我們可以近似 的將其作為白噪聲處理，根據(jù)已有知識(shí)，輸入為已知信號(hào)加白噪聲的條件下，匹配濾波器的 輸出信噪比最大。匹配濾波器具有以下特點(diǎn)：(1) 輸出最大信噪比與信號(hào)波形無(wú)關(guān)(2) 匹配濾波器對(duì)信號(hào)的幅度和時(shí)延具有適應(yīng)性，即對(duì)只有幅度和出現(xiàn)時(shí)間不同的信 號(hào)，它們的匹配濾波器是相同的。(3) 匹配濾波器與相關(guān)接收和相關(guān)器具有等效性。實(shí)際上很難得到精確的匹配濾波器，由于單個(gè)射頻脈沖的頻譜是連續(xù)的，用普通的窄帶 濾波器就能把其主峰部分(w附近)濾波出來(lái)，適當(dāng)?shù)倪x擇濾波器的通帶寬度就能取得與匹配 濾波器相差不多的效果。控制端A1

48、A0圖4.7 信號(hào)放大器原理圖接收放大器的作用是放大有用信號(hào)，并抑止其它噪聲與干擾，從而達(dá)到最大的信噪比,以利于檢測(cè)電路的正確檢測(cè)。放大器組成框圖如圖4.7，采用三級(jí)放大電路。前置放大主要起阻抗匹配的作用，使輸入信號(hào)功率最大。帶通放大器選擇最佳時(shí)間帶寬積，以達(dá)到匹配濾 波的效果。模擬開(kāi)關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測(cè)量近距離時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)閉合，發(fā)射信號(hào)可以進(jìn) 入接收通道；測(cè)量遠(yuǎn)距離時(shí)，模擬開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，發(fā)射信號(hào)不可以進(jìn)入接收通道。程控放大器分 為2檔，分別放大10倍和100倍，由控制端A1，A0控制。綜合以上四種方案比較，最后確定超聲波發(fā)射接收電路如圖 4.8所示。該電路簡(jiǎn)單實(shí)用， 通過(guò)兩極放大，增強(qiáng)接收信

49、號(hào)，比較適合本設(shè)計(jì)需要。測(cè)距系統(tǒng)中的超聲波傳感器采用壓電陶瓷傳感器，他的工作電壓是40kHZ的脈沖信號(hào)，前方測(cè)距電路的輸入端接單片機(jī) P1.0端口，單片機(jī)執(zhí)行程序后，在P1.0端口輸出一個(gè)40kHZ 的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管 T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭 UCM40T發(fā)出40kHZ的脈沖超聲波， 且持續(xù)發(fā)射200卩s。右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接 P1.1和P1.2端口，原理和前方圖4.8基于AT89C51單片機(jī)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射接收電路由AT89C51單片機(jī)編程，執(zhí)行程序后P1.0 口產(chǎn)生40KHZ的脈沖信號(hào)，經(jīng)三極管放大后 來(lái)驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T產(chǎn)生超聲波。接收頭采用和發(fā)射頭配對(duì)

50、的UCM40R將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器兩級(jí)放大后加至IC2。IC2是帶有鎖定環(huán)的音頻譯碼集成塊LM567內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率 fO=1/1.1R8C3,電容C4決定其鎖定帶寬。調(diào)解R8在發(fā)射的載頻上，則LM567俞入信號(hào)大于25mv,輸出端8腳由高電平越變?yōu)榈?電平，作為中斷請(qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理。在啟動(dòng)發(fā)射電路的同時(shí)啟動(dòng)單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器 TO,禾I用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能記錄超聲 波發(fā)射的時(shí)間和收到反射波的時(shí)間。 當(dāng)收到超聲波反射波時(shí)，接收電路輸出端產(chǎn)生一個(gè)負(fù)跳 變，在INTO或INT1端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)，單片機(jī)響應(yīng)外部中斷請(qǐng)求，執(zhí)行外部中斷服 務(wù)子程序，讀取時(shí)

51、間差，計(jì)算距離。發(fā)射電路電路圖如圖4.9所示:U R2-360T40-16R1-3 .6K I圖4.9系統(tǒng)發(fā)射電路此電路由一個(gè)9V的電源,R1=3.6K歐,R2=360歐,三極管T一個(gè),激勵(lì)換能器T40-16 一個(gè)其流程圖如圖4.10所示：圖4.10流程圖發(fā)射電路原理：當(dāng)單片機(jī) AT89C51通過(guò)P1.0這個(gè)I/O 口 ,發(fā)送一系列的脈沖,經(jīng)過(guò)三極管T進(jìn)行放大,從而使T40-16這個(gè)激勵(lì)換能器發(fā)射出超聲波。接收電路如4.11所示:SINTD圖4.11接收電路圖其原理框圖如下:圖4.12原理框圖此系統(tǒng)為了全方位測(cè)距，故有左、右、中三個(gè)測(cè)距電路，其電路都相同。4.2顯示報(bào)警單元方案設(shè)計(jì)顯示報(bào)警單元

52、是經(jīng)過(guò)超聲波發(fā)射接收電路及單片機(jī) AT89C51處理后把信號(hào)轉(zhuǎn)化為人為 可以知覺(jué)的數(shù)字顯示和報(bào)警響應(yīng)， 以進(jìn)一步避免事故發(fā)生。顯示報(bào)警電路由顯示和報(bào)警兩部 分電路組成，主要實(shí)現(xiàn)在出現(xiàn)緊急情況下的顯示報(bào)警功能，以此提醒駕駛員。4.2.1系統(tǒng)顯示電路設(shè)計(jì)顯示器是一個(gè)典型的輸出設(shè)備，而且其應(yīng)用是極為廣泛的，幾乎所有的電子產(chǎn)品都要使 用顯示器，其差別僅在于顯示器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型不同而已。最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED發(fā)光二CRT監(jiān)視器或者屏幕極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息，而復(fù)雜的較完整的顯示器應(yīng)該是較大的LCD液晶屏。綜合課題的實(shí)際要求以及考慮單片機(jī)的接口資源，采用串行方式顯示 的LED驅(qū)動(dòng)輸出設(shè)備。由于全程

53、顯示的距離范圍在 4米之內(nèi)，用3個(gè)LED數(shù)碼管表示距 離的cm數(shù)值。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，發(fā)光二極管LED顯示器常用兩種驅(qū)動(dòng)方式：靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)和動(dòng)態(tài) 顯示驅(qū)動(dòng)。所謂靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)，就是給要點(diǎn)亮的 LED通以恒定的電流，即每一位LED顯示器 各引腳都要占用單獨(dú)的具有鎖存功能的I/O接口。單片機(jī)只需要把要顯示的字形段碼發(fā)送到 接口電路并保持不變即可，如果要顯示新的數(shù)據(jù)，再發(fā)送新的字形段碼。因此，使用這種方 法單片機(jī)中CPU開(kāi)銷(xiāo)小，但這種驅(qū)動(dòng)方法需要寄存器、譯碼器等硬件設(shè)備。而所謂動(dòng)態(tài)顯示 驅(qū)動(dòng)就是給欲點(diǎn)亮的LED通以脈沖電流，即采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COMS， 使各個(gè)顯示器輪流點(diǎn)亮，這時(shí)

54、LED的亮度就是通斷的平均亮度?？紤]各種因素，本設(shè)計(jì)選用 動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)顯示。本設(shè)計(jì)選用 8155芯片作為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)擴(kuò)展的I/O 口。8155的PA口作 為L(zhǎng)ED的字形輸出口，為提高顯示亮度，采用 8路反相驅(qū)動(dòng)器74LS244驅(qū)動(dòng)；PC口作為L(zhǎng)ED 的位選控制口，采用共陽(yáng)極的 LED顯示器，由于8段全亮?xí)r位控線的驅(qū)動(dòng)電流較大，采用 6 路反相驅(qū)動(dòng)器74LS06以提高驅(qū)動(dòng)能力。圖4.13系統(tǒng)顯示電路422系統(tǒng)報(bào)警電路設(shè)計(jì)系統(tǒng)報(bào)警電路由一個(gè)運(yùn)算放大器、一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)喇叭組成。R25的阻值為1K,R26的阻值為10K。對(duì)于二級(jí)運(yùn)算放大,都采用F007芯片.兩級(jí)放大電路均是負(fù)反饋接法,即 反相比例

55、運(yùn)算電路.而反相比例運(yùn)算電路中，輸入信號(hào)從反相輸入端輸入，同相輸入端接地. 根據(jù)“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，即u_=u+,i_=i+=0.可得u+=0.而所謂“虛短”是由于理想 集成運(yùn)放AuL所以可以認(rèn)為兩個(gè)輸入端之間的差模電壓近似為零，即Uid=u_=u+肚0.即u_=u+,而u0具有一定值。由于兩個(gè)輸入端間的電壓為零，而又不是短路，故稱(chēng)為“虛短”。 而“虛斷”是由于理想集成運(yùn)放的輸入電阻Rid，：:,故可以認(rèn)為輸入端不取電流，即i_=i+ -0.這樣，輸入端相當(dāng)于斷路，而又不是斷開(kāi)，稱(chēng)為“虛斷”。而電路中，反相輸入端 與地端等電位，但又不是真正接地，這種情況稱(chēng)為“虛地”。ul u_-u0 -

56、u0Rf所以il= R| ,iF= Rf = Rf，因?yàn)閕_=0,il=if,貝U可得u0=- Ri ul.故可將信號(hào)進(jìn) 行放大。圖4.14系統(tǒng)報(bào)警電路當(dāng)單片機(jī)AT89C51通過(guò)P1.0，P1.1，P1.2三個(gè)I/O 口，發(fā)射出超聲波的信號(hào)，即輸出一個(gè)高電平給這三個(gè)I/O 口，大約5V的電壓，同時(shí)單片機(jī)計(jì)數(shù)器T0開(kāi)始計(jì)時(shí)。則信號(hào)經(jīng)過(guò) 三極管T1, T2，T3進(jìn)行放大。使電流達(dá)到T40-16的工作電流，從而發(fā)射出超聲波。當(dāng)T40-16發(fā)射出去的超聲波遇到障礙物時(shí)會(huì)被反射回來(lái)，這時(shí)接收器R40-16便會(huì)將反射回來(lái)的超聲波接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的兩極放大，將信號(hào)送給LM567的輸入端，當(dāng)LM567的輸入端電流大