實驗四超聲波測距電路設計--改后

1、實驗三 超聲波測距電路設計一實習的性質： 綜合二實驗目的： 通過本實驗了解和掌握超聲波傳感器測量的原理和方法，加深理解超聲波傳感器的處理 電路設計，掌握溫度補償?shù)霓k法及提高測量精度的方法。三、實驗的時間分配： 總學時 12 學時1、電路設計 4 學時2、電路焊接 4 學時3、電路調試 4 學時四、實驗地點： 東一教 811和 816 實驗室五、 實驗要求：1、理解超聲波測距原理及方法。2、根據(jù)給出的題目，參照附錄中給定的題目所需的參考資料，自行設計超聲波測距的發(fā) 射與接收電路，并理解和掌握整體電路的設計思路和電路的工作原理。3、根據(jù)設計的電路圖獨立完成電路的焊接及調試工作，掌握焊接方法及調試步

2、驟。 擴展練習：采用單片機實現(xiàn)超聲波測距的原理、方法及接口電路的設計。六、實驗原理 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)振動頻率的不同，可分為次聲 波、聲波、超聲波和微波等。1) 次聲波：振動頻率低于 l6Hz 的機械波。2) 聲波：振動頻率在 16 20KHz 之間的機械波，在這個頻率范圍內(nèi)能為人耳所聞。3) 超聲波：高于 20KHz 的機械波。 超聲波與一般聲波比較，它的振動頻率高，而且波長短，因而具有束射特性，方向性強， 可以定向傳播，其能量遠遠大于振幅相同的一般聲波，并且具有很高的穿透能力。例如，在 鋼材中甚至可穿透 10 米以上。超聲波在均勻介質中按直線方向傳播，但到達

3、界面或者遇到另一種介質時，也像光波一 樣產(chǎn)生反射和折射，并且服從幾何光學的反射、折射定律。超聲波在反射、折射過程中，其 能量及波型都將發(fā)生變化。超聲波在界面上的反射能量與透射能量的變化。取決于兩種介質聲阻抗特性。和其他聲 波一樣，兩介質的聲阻抗特性差愈大，則反射波的強度愈大。例如，鋼與空氣的聲阻抗特性 相差 10 萬倍，故超聲波幾乎不通過空氣與鋼的介面，全部反射。超聲波在介質中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，能量的衰減決定于波的 擴散、散射 ( 或漫射 )及吸收。擴散衰減，是超聲波隨著傳播距離的增加，在單位面積內(nèi)聲能 的減弱；散射衰減，是由于介質不均勻性產(chǎn)生的能量損失；超聲波被介質吸

4、收后，將聲能直 接轉換為熱能，這是由于介質的導熱性、粘滯性及彈性造成的。以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉換成電量 輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感 器有兩種， 即壓電式超聲波傳感器 （ 或稱壓電式超聲波探頭 ） 和磁致式超聲波傳感器。 本實驗 采用的是壓電式超聲波傳感器 , 主要由超聲波發(fā)射器 （或稱發(fā)射探頭 ） 和超聲波接收器 （ 或稱 接收探頭）兩部分組成，它們都是利用壓電材料 （如石英、壓電陶瓷等 ）的壓電效應進行工作的。 利用逆壓電效應將高頻電振動轉換成高頻機械振動， 產(chǎn)生超聲波， 以此作為超聲波的發(fā)射

5、器。 而利用正壓電效應將接收的超聲振動波轉換成電信號，以此作為超聲波的接收器。6.1 壓電式超聲波傳感器的原理 目前，超聲波傳感器大致可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生的超聲波，一類是用機 械方式產(chǎn)生的超聲波。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。在工程中，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。壓電式超聲波傳感器實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。壓電式超聲波發(fā)生器的內(nèi) 部有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，且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

6、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，將機械能轉換為電信 號，這時即為超聲波接收器。6.2 超聲波傳感器的測距原理： 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圖 1 超聲波傳感器結構示意圖為了提高精度,需要考慮不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關系： v=331.4+0.61T式

7、中，T為實際溫度（C）, v的單位為m/s。七注意事項：1. 使用電烙鐵注意安全。 烙鐵會產(chǎn)生高熱, 萬一不小心碰觸將會導致嚴重燙傷, 使用時千萬要小心。2. 焊接每個結點不要超過一秒鐘：焊接時間過久,會導致焊錫過熱反白,電子 零件也會因為過熱而損壞,因此要特別注意焊接時間。正常不過熱的接點,焊錫會 呈現(xiàn)金屬光澤。3. 接點形狀：以立體圓弧形狀為佳,過大、過小、尖塔狀、孔隙沒有填滿都是 不良的接點形狀。4. 檢測電子零件：試問您在焊接之前,是否確定每一個電子零件都是好的？是 否都用萬用表作過測量？任何一個電子零件故障,都會導致整個電路無法正常工作, 所以這個程序是絕對必要的,您檢測了么？八成績

8、考核：1. 電路設計： 30分/4 學時2. 焊接電路： 30分/4 學時3. 電路調試： 30分/4 學時4. 實驗報告： 10 分九、參考資料：附錄一：超聲波測距系統(tǒng)的發(fā)射與接收電路的設計 在工程實踐中，超聲波由于指向性強、能量消耗緩慢且在介質中傳播的距離較遠，因而 經(jīng)常用于距離的測量。它主要應用于倒車雷達、測距儀、物位測量儀、移動機器人的研制、 建筑施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場等，例如：距離、液位、井深、管道長度、流速等場合。利 用超聲波檢測往往比較迅速、方便，且計算簡單、易于做到實時控制，在測量精度方面也能 達到工業(yè)實用的要求，因此得到了廣泛的應用。1、 超聲波測距原理及系統(tǒng)組成 超聲波測

9、距是借助于超聲脈沖回波渡越時間法來實現(xiàn)的。設超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到 接收所經(jīng)歷的時間為t,超聲波在空氣中的傳播速度為 v,則從傳感器到目標物體的距離 D可 用下式求出： D = v t /2 ，圖 2 是相應的系統(tǒng)框圖：圖 2 超聲波測距系統(tǒng)組成框圖基本原理：經(jīng)發(fā)射器發(fā)射出長約 6mm,頻率為40KHZ的超聲波信號。此信號被物體反 射回來由接收頭接收,接收頭實質上是一種壓電效應的換能器。它接收到信號后產(chǎn)生 mV 級 的微弱電壓信號。2、電路原理2.1 超聲波發(fā)射電路由兩塊555集成電路組成。IC1(555)組成超聲波脈沖信號發(fā)生器，工作周期計算公式 如下,實際電路中由于元器件等誤差,會有一些

10、差別。條件：RA =9.1M 為 RB=150Q、C=0.01yFTL = 0.69 x RB x C3 -6= 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6 = 1 msecTH = 0.69 x (RA + RB) x C= 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 msecIC2組成超聲波載波信號發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz, 占空比50%的脈沖，停止64ms。計算公式如下：條件：RA =1.5K Q RB=15Q、C=1000pFTL = 0.69 x RB x C3 -12=0.69 x 15 x 10

11、x 1000 x 10= 10 卩 secTH = 0.69 x (RA + RB) x C=0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10_12 = 11 卩 secf = 1/(TL + TH)-6= 1/(10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz由IC3 (CD4069)組成超聲波發(fā)射頭驅動電路。2.2 超聲波接收電路超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)IC4的2級放大1000倍(60dB)，第1級放大100倍(40dB)，第2級放大10倍(20dB)。 由于 一般的運算放大器需要正、負對稱電源，而該裝置電源用的是單

12、電源(9V)供電，為保證其可靠工作，這里用R10和R11進行分壓，這時在IC4的同相端有4.5V的中點電壓，這樣可 以保證放大的交流信號的質量，不至于產(chǎn)生信號失真。C9、D1、D2、C10組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至IC5進行處理。IC5 組成信號比較電路，對接收信號進行調整輸出，供后續(xù)電路測量使用，下面分析其 工作原理。由Ra、Rb、IC5組成信號比較器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb) = (47K Q x 9V”(1M Q + 47K=0)V所以當IN3點(IC5的反相端)過來的脈沖信號電壓高于 0.4V時，OUT4點電壓將由高 電平1到低電平

13、 0。圖示參數(shù)的最小測量距離在 40cm 左右。附錄二：基于ATmega8勺超聲波倒車雷達實現(xiàn)方案1 引言 由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中的傳播距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離 測量，如測距儀和物位測量儀等都可以用超聲波來實現(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，因此在移 動機器人、汽車工業(yè)等領域中有廣泛的應用。本文根據(jù)筆者所在的武漢理工大學汽車電子電器研究所研發(fā)的一種由單片機開發(fā)的超聲波倒 車雷達報警器方案，詳細介紹了其硬件軟件實現(xiàn)過程。2 設計目標報警器利用超聲波回聲測距的原理，測量車后一定距離內(nèi)的物體，并以A

14、VRmega系列單片機 作為中心控制單元。這種超聲波雷達可以及時顯示車后障礙物的距離和方位，顯示范圍為 0. 5m9.9m當距離大于2m時顯示車后障礙物的方位；當距離小于2m時，除了顯示其方位外， 還可按照三段距離分別給出三種報警信號，以警示司機三種不同程度的緊急狀態(tài)，使司機據(jù) 此作出相應的操作，防止事故的發(fā)生。3 超聲波測距原理3.1 超聲波發(fā)生器超聲波發(fā)生器分為兩類 : 一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波， 包括加爾統(tǒng)笛、 氣流笛等一類是用電 氣方式產(chǎn)生超聲波，包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等 ； 它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功能 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型超聲波

15、發(fā)生器。3.2 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)部有兩個壓電 晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有頻率時，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，如果兩電極間未加電壓，當共 振板接受到超聲波時，將壓迫壓電晶片做振動，將機械能轉換為電信號，這是它就成為超聲 波接收器了。3.3 超聲波測距原理 超聲波測距是通過不斷檢測發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接收回波的時 間差t，然后求出距離S=Ct/2,式中的C為超聲波波速。由于超聲波也是一種聲波，其速度 C與溫度有關，在溫度確定后

16、，只要測得超聲波往返時間， 即可求得距離。4 Atmega8 的功能特點ATME公司在2002年第一季度推出的一款新型 AVF單片機。在AVF家族中，ATmega8是一款 非常特殊的單片機，它的芯片內(nèi)部集成了大容量的寄存器和豐富的硬件接口電路，具有其他 高檔AVF單片機MEG系列的全部特點，采用了小引腳封裝（為DIP28），價格卻與低檔單片機 相當，同時具有AVR單片機的ISP（在線編程）性能。是AVR高檔單片機中內(nèi)部接口豐富、功 能齊全、性價比最好的品種。它的主要性能如下 :4.1先進的RISC精簡指令集結構130 條功能強大的指令，大多數(shù)為單時鐘周期指令 ;32 個 8 位通用工作寄存器

17、; 工作在 16MHz 時具有16MIPS的性能；執(zhí)行速度為2個時鐘周期的片內(nèi)乘法器。4.2 大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器ATmega8L具有可擦寫10000次的8K字節(jié)Flash程序存儲器；支持在線編程（ISP）;擦寫100000次的512字節(jié)的，1K字節(jié)內(nèi)部SRAM帶有獨立加密位的可選 BOOT區(qū)，通過B00區(qū)內(nèi)的引 導程序區(qū)實現(xiàn)在系統(tǒng)編程，而且寫操作時真正可讀。4.3 外部性能2 個比較模式的帶預分頻的 8 位定時/計數(shù)器；1 個帶有預分頻器 ； 一個獨立振蕩器的異步實時 時鐘;3個PWNS道;8個通道 A/D/轉換，6路10位A/D+2/路8位A/D;6個通道A/D轉換，4 路10

18、位A/D+2/路8位A/D;1個I2C的串行接口，1個串行USAR接口，1個SPI同步串行接 口; 片內(nèi)看門狗定時器。4.4 特殊功能包括上電復位和可編程的低電壓檢測、內(nèi)部可校準的RC振蕩器、五種睡眠模式 （空閑模式、 ADC噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、待命和擴展待命模式）、可用軟件選擇時鐘頻率、 可通過一個熔絲選定的兼容模式以及全局上拉禁止等。 ATmega8的獨有特點包括上電復位和 可編程的低電壓檢測、內(nèi)部可校準的RC振蕩器、五種睡眠模式 （空閑模式、ADC噪聲抑制 模式、省電模式、掉電模式、待命和擴展待命模式 ） 、可用軟件選擇時鐘頻率、可通過一個熔 絲選定ATmega8的兼容模式

19、以及全局上拉禁止等。5 系統(tǒng)的硬件設計5.1 超聲波發(fā)送超聲波發(fā)送脈沖如圖1所示。40kHz的超聲波發(fā)送脈沖信號由單片機 mega8的PB0口送出， 其脈沖寬度及脈沖間隔均由軟件控制。脈沖寬度約為 125卩s200卩s，即在一個調制脈沖內(nèi)包58個40kHz的方波。脈沖發(fā)送間隔取決于要求測量的最大距離及測量通道數(shù)。本系統(tǒng)有四路測距通道，采用分時工作，按左、中、右的順序循環(huán)測距。若在有效測距范圍內(nèi)有被測 物的話，則在后一路超聲波束發(fā)出之前應當接收到前一路發(fā)同的反射波，否則認為前一路無 被測物。因此按有效測距范圍可以估算出最短的脈沖間隔發(fā)送時間。例如：最大測距范圍為5m時，脈沖間隔時間t =2s/v

20、=2 x 5/34030ms實際應取t 30ms圖1超聲波發(fā)送脈沖波形圖5.2超聲波接收回波很弱，因而轉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。采有三級放大。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。在中斷服務程序中，讀取 時間計數(shù)器的計數(shù)值，并結合溫度換算出的速度算出發(fā)射到接收的距離。5.3時間計測超過波從發(fā)射到接收的間隔時間的測定是由單片機內(nèi)部的計數(shù)器T1來完成的。在調試過程中出現(xiàn)的發(fā)送部分與接收部分的直接串擾問題是由于換能器之間的距離不大，有部分聲波未經(jīng) 被測物就直接繞射到接

21、收換能器上。從發(fā)射開始一直到“虛假反射波”結束這段時間，不會 發(fā)中斷申請，可有效躲避干擾，但也會形成所謂的“盲區(qū)”。本系統(tǒng)的盲區(qū)約為 20cm左右。 5.4報警燈顯示由于mega8有較強的驅動能力(驅動電流可達到20mA，可直接由mega8驅動三組(每組四路) 的發(fā)光二級管作為報警顯示器。6系統(tǒng)的軟件設計中斷服務程序分為INT0, INT1, T0,T0設置為30ms中斷一次，其任務就是每隔30ms產(chǎn)生5 8個40kHz的方波作為超聲波脈沖并按順序送到四個通道，即產(chǎn)生如圖1所示的超聲波發(fā)射脈沖。T0的中斷服務程序流程如圖2所示：圖2中斷服務程序流程圖INT0中斷子程序讀取A/D轉換結果，并將相

22、應數(shù)據(jù)值轉換為環(huán)境溫度值；INT1停止T0、T1計 數(shù)，根據(jù)T1內(nèi)容計算時間T，并進行最終距離的計算。先計算超聲波傳播速度:T1工作在方，再計算距離:D=CT/2，并將計算結果送入緩沖區(qū)以備通訊式1。7誤差分析本系統(tǒng)最大測距誤差在8cm左右，測距的盲區(qū)為20cm入射角超聲波波束對探測目標的入射角的影響。(2) 過零點觸發(fā)超聲波回波聲強與待測距離的遠近有關系，所以實際測量時，不一定是第一個回波的過零點觸發(fā)。(3) 聲速修正超聲波傳播速度對測距的影響。 波的傳播速度取決于傳播媒質的特性。 傳播媒質的溫度、 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。對于測距而言，引起聲速 變化的主要

23、原因是媒質溫度的變化。本文采用聲速預置和媒質溫度測量結合的方法對聲速進 行修正，可有效地消除溫度變化對精度的影響。8 結束語該系統(tǒng)經(jīng)過大量實驗數(shù)據(jù)測試表明系統(tǒng)滿足設計要求 , 通過修改部分子程序可根據(jù)需要擴展 成六通道、二通道、單通道的汽車后視儀及根據(jù)不同的要求作不同的報警處理。例如在該設 計中加入了一時鐘芯片 X1203 , 通過添加一些程序就可以實現(xiàn)時鐘 顯示與倒車報警的二合一產(chǎn)品，有較好的推廣價值。附錄三：時差法超聲測距儀的研制 超聲波是由機械振動產(chǎn)生的，可在不同介質中以不同的速度傳播，具有定向性好、能量 集中、傳輸過程中衰減較小、反射能力較強等優(yōu)點。超聲波傳感器可廣泛應用于非接觸式檢

24、測方法，它不受光線、被測物顏色等影響，對惡劣的工作環(huán)境具有一定的適應能力，因此在 水文液位測量、車輛自動導航、物體識別等領域有著廣泛的應用。本文著重介紹脈沖回波法 的超聲空氣測距原理及系統(tǒng)構成。1、工作原理 超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發(fā)射和接 收回波的時間差 t,然后求出距離S。在速度V已知的情況下，距離S的計算，公式如下：S= VA t/2在空氣中，常溫下超聲波的傳播速度是 334米/秒，但其傳播速度V易受空氣中溫度、濕 度、壓強等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如溫度每升高1C,聲速增加約0.6米/秒。因此在測距精度要求很高的情況下，應通過溫度補

25、償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。已?現(xiàn)場環(huán)境溫度T時，超聲波傳播速度V的計算公式如下：V=331.5+0.607T這樣，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時間差A t以及現(xiàn)場環(huán)境溫度T,就可以精確計算出發(fā)射點到障礙物之間的距離。微電腦超聲測距儀的硬件結構框圖如圖1所示。該系統(tǒng)由AT89C2051單片機、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、環(huán)境溫度采集電路及顯示電路組成ATAT89C2051單片機是整個系統(tǒng)的核心部件，用來協(xié)調各部件的工作。先由單片機控制的振蕩源產(chǎn)生40KH的頻率信號以 驅動超聲波傳感器，它每次發(fā)射 10 個脈沖。當?shù)谝粋€超聲波脈沖發(fā)射后，計數(shù)器開始計數(shù)， 在檢測到第一個回波脈沖的瞬間，計數(shù)

26、器停止計數(shù)，這樣就能夠得到從發(fā)射到接收的時間差 At;同時溫度采集電路也將現(xiàn)場環(huán)境溫度數(shù)據(jù)采集到單片機中，以在計算距離時對超聲波 傳播速度進行修正。根據(jù)所采集到的數(shù)據(jù)最終利用單片機計算出被測距離，并由顯示器顯示 出來。圖 1 微電腦超聲波測距儀的硬件結構和時差信號波形1.1 單片機與各部分電路的接口本系統(tǒng)以AT89C2051單片機為核心來實現(xiàn)對各部分電路的控制和響應。在進行硬件設計 時，AT89C2051的串行口 RXD TXD分別與顯示電路的RXD和TXD相連，構成串行靜態(tài)顯示電 路；定時/記數(shù)器T0與V/F轉換器LM331的輸出端相連，實現(xiàn)頻率采集功能；P1.7與CMOS 多諧振蕩器的控制

27、端相連，可通過軟件使P1.7 口輸出高電平或低電平，從而控制超聲波的發(fā) 射；P1.6通過一個開關二極管IN4148與比較器的基準電壓產(chǎn)生電路控制端連接，發(fā)射超聲 波時置P1.6為“ T; P1.2 口連接比較器LM324的輸出端，這樣，通過掃描P1.2 口就可以 判斷是否接收到回波。1.2 超聲波發(fā)射及驅動電路超聲波發(fā)射及驅動電路如圖2所示，由與非門CD4011組成的CMO多諧振蕩器產(chǎn)生40KH、 的振蕩源，為了控制振蕩的產(chǎn)生或者停止，把第一個門U1的一個輸入端作為控制端 C,當C0”時，振蕩停止；C=“1 ”時，產(chǎn)生振蕩。將C端與AT89C2051單片機的P1.7 口連接 后，就可通過微處理

28、器來控制超聲波的發(fā)射。需要注意的是，控制脈沖的頻率（P1.7 口高、低電平的變化頻率）必須遠低于多諧振蕩器的振蕩頻率。該電路的振蕩周期可由以下公式得 出： T=2.2RTCT由于超聲波的傳播距離與它的振幅成正比，為了使測距范圍足夠遠，可對振蕩信號進行 功率放大后再加在超聲波傳感器上。本電路采用CD4049組成驅動電路可將振蕩信號的幅度放 大一倍，從而增加了超聲波的傳播距離，擴大了測距范圍。圖 2 超聲波發(fā)射及驅動電路 為防止絕緣電阻下降導致超聲波傳感器轉換性能變壞，不能長時間的對傳感器施加直流 電壓。因此在電路中串入一個耦合電容 C1，通過它可以將直流電壓轉換為等幅的交流電壓， 從而保證測距儀

29、能夠長時間可靠、穩(wěn)定的工作。1.3 超聲波接收及過零檢測電路超聲波接收及過零檢測電路原理圖如圖 3所示。由于超聲波在空氣中傳播時，其能量的 衰減程度與傳播距離成正比，所以超聲波傳感器接收信號一般在 1mv1V之間。為了便于使用， 接收電路要提供 100倍以上的放大增益。此外，接收傳感器輸出的是正弦波信號，這就需要 設計交流放大電路。本系統(tǒng)選用兩片OP07組成兩級放大電路，對接收到的超聲波信號進行放 大處理。信號經(jīng)過放大以后，輸入LM324的正端并與基準電壓相比較，使LM324的輸出端（與 單片機的P1.2 口連接）輸出高電平，單片機接收到回波后立即停止記時。圖 3 超聲波接收及過零檢測電路在單

30、片機控制超聲波發(fā)射（P1.7置“1”）的同時，P1.6輸出一個高電平，給電容 C5 充電，并經(jīng)一串聯(lián)分壓網(wǎng)絡將該電壓輸出到比較器的負端，這樣可以有效抑制由于超聲波發(fā) 射器發(fā)射的超聲波直接輻射到接收器而導致的比較器誤反轉，從而得到錯誤檢測信號。發(fā)射 結束后P1.6 口由高電平翻轉為低電平，比較器的負端也為低電平，若LM324的輸出端為高電 平，則表明已接收到回波信號。1.4 溫度采集及 V/F 轉換電路溫度采樣電路部分包括測溫電橋、放大電路和 V/F 轉換電路。其中 V/F 轉換電路原理如 圖4所示。測溫電橋采用鉑熱電阻 PT100做為溫度傳感器。經(jīng)取樣電橋采樣后，將溫度信號 轉換成電壓信號，再經(jīng)放大后接入由LM331組成的V/F轉換電路。該電路轉換精度高，數(shù)字分辨率可達 12 位。由公式fO = Vi/( RLRT)可知，電阻RS RL、RT和電容G直接影響轉換結果FO,因此對 元件的精度要有一定的要求。電容CL對轉換結果雖然沒有直接的影響，但應選擇漏電流小的 電容器。電阻R1和電容C1組成低通濾波器，可減少輸入電壓中的干擾脈沖，有利于提高轉 換精度。圖4由LM331構成V/F轉換電路2、軟件設計 由于超