超聲波測距儀設(shè)計原理及實驗分析

1、中北大學(xué)2006屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書撰寫人：李碩1 引言 我們生活的世界充滿了各種可聽的聲信號。在科學(xué)史上，人們很久以前對聲音信號就有了認(rèn)識，聲學(xué)是最早發(fā)展的學(xué)科之一。我國兩千多年前的先秦時期，在樂律和樂器的研究方面，對聲學(xué)的發(fā)展做出了重要的貢獻(xiàn)。在國外，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。然而由于超聲是人耳聽不到的信號，直到18世紀(jì)，人們在研究蝙蝠、海豚等動物時，才推測自然界中存在超聲。 現(xiàn)代聲學(xué)已經(jīng)涵蓋了從10-4Hz1014Hz的頻率范圍，相當(dāng)于從大約3小時振動一次的次聲到波長短于固體中原子間距的分子熱振動，即跨越了1018量級的寬廣頻段。頻率高于人類聽覺上限頻率

2、(約20000Hz)的聲波，稱為超聲波,或稱超聲。現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展對檢測技術(shù)提出了更高的要求，各種計量檢測技術(shù)都向非接觸、高靈敏度、智能化、微型化方向發(fā)展。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)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量。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(dá)到工業(yè)實用的要求。不僅在工業(yè)中，在日常生活中超聲測距也有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計就是一種利用超聲波作為媒介的測距裝置，它能夠通過單片機(jī)的控制來進(jìn)行測距并可以數(shù)碼顯示。其優(yōu)點是使用方便，精度高，可編程控制，可用于危險場地等的非接觸式測距。2 超聲技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用2.1 超聲技

3、術(shù)的發(fā)展利用超聲波測量己知基準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法，稱為超聲波測距法。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無目視能力的生物作為防御及捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽到的超聲波(20kHz以上的機(jī)械波)，借助空氣媒質(zhì)傳播由被待捕捉的獵物或障礙物反射回來的時間間隔長短與被反射的超聲波的強(qiáng)弱判斷獵物性質(zhì)或障礙位置的方法。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。超聲波測距是一種利用聲波特性、電子計數(shù)、光電開關(guān)相結(jié)合來實現(xiàn)非接觸式距離測量的方法。它在很多距離探測應(yīng)用中有很重要的用途

4、，包括非損害測量、過程檢側(cè)、機(jī)器人檢測和定位、以及流體液面高度測量等。 超聲的研究和發(fā)展與媒質(zhì)中超聲的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用最廣泛的壓電換能器也由天然壓電晶體發(fā)展到機(jī)電耦合系數(shù)高、價格低廉、性能良好的壓電陶瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以及塑料壓電薄膜等。近年來，為了物質(zhì)結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)研究的需要，超聲波的產(chǎn)生和接收還在向更高頻率(10¹²赫茲以上)發(fā)展。例如在媒質(zhì)端面直接蒸發(fā)或濺射上壓電薄膜或磁致伸縮的鐵磁性薄膜，就可獲得數(shù)百兆赫直至幾萬兆赫的超聲；利用凹型的微波諧

5、振腔，可在石英棒內(nèi)獲得幾萬兆赫的超聲。此外，用熱脈沖、半導(dǎo)體雪崩、超導(dǎo)結(jié)、光子與聲子的相互作用等方法，產(chǎn)生或接收更高頻率的超聲。2.2 超聲波的應(yīng)用 超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，可以超聲為工具，來檢驗、測量或控制各種非聲學(xué)量及其變化的。從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。近些年來,隨著超聲技術(shù)研究的不斷深入,再加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點,超聲的應(yīng)用變得越來越普及。目前已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在機(jī)械制造、電子冶金、航海、航空、宇航

6、、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)域中也占據(jù)重要地位，醫(yī)學(xué)上以人體為檢測對象的超聲醫(yī)學(xué)診斷，如超聲顯微鏡、超聲成像，以海洋探測及水下目標(biāo)識別為目的的水聲應(yīng)用等，也歸于此類。而我國關(guān)于超聲波的大規(guī)模研究始于1956年，迄今，在超聲的各個領(lǐng)域都開展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項目已接近或達(dá)到了國際水平。 超聲在測量領(lǐng)域中的各種應(yīng)用從被測對象來分,目前超聲在測量中的應(yīng)用主要由以下幾個方面:厚度的超聲測量:目前超聲測厚法有共振法、干涉法、脈沖回波等幾種。其中,脈沖回波法是廣泛得到應(yīng)用的一種。流速和流量的超聲測量:超聲測量流量在許多方面都有應(yīng)用,譬如在石油化工工業(yè)生產(chǎn)過程中流體流

7、量的控制和監(jiān)督,在水力電力部門對流量的連續(xù)測定以及醫(yī)學(xué)上血流的測量等。溫度的超聲測量:超聲測溫大多數(shù)是以氣、液、固三態(tài)介質(zhì)中溫度和聲速的相關(guān)性為理論基礎(chǔ)的。由于聲速與溫度有關(guān),因此可以根據(jù)聲速在介質(zhì)中的變化來確定介質(zhì)溫度。超聲測溫法可以用來測量超低溫和超高溫。距離的超聲測量:超聲測距是目前超聲在測量領(lǐng)域中的一個廣泛應(yīng)用。本設(shè)計所研究的也正是如何利用超聲波進(jìn)行距離的測量。粘度的超聲測量:在一般情況下,超聲波粘度計是利用粘性液體對振子的切變阻抗來測量粘度的,粘度測量方法有多種,但其中扭轉(zhuǎn)石英和磁致伸縮這兩種方法比較優(yōu)越。除以上幾種外,超聲還可以用來測量濃度、密度、硬度等。2.3 超聲測距的優(yōu)點及其

8、他測距方法目前常用的測距方式主要有雷達(dá)測距、紅外測距、激光測距和超聲測距。相比之下，超聲波方法在這些領(lǐng)域具有明顯突出的優(yōu)點：a).超聲波對色彩、光照度不敏感，可用于識別透明及漫反射性差的物體（如玻璃，拋光體b). 對外界光線和電磁場不敏感，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c). 超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離。縱向分辨率高d). 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單，體積小，費用低，信息處理簡單可靠，易于小型化和集成化e). 超聲波因其波長短，束射性強(qiáng)而易于控制f). 超聲波具有波動性和能量二重性通過與紅外線技術(shù)及光電技術(shù)和激光技術(shù)等測量方法的比較可

9、見，超聲波技術(shù)在測量領(lǐng)域具有相對的優(yōu)勢。由于超聲有很好的指向性，超聲在某種媒質(zhì)中的傳播速度較為恒定，因此，超聲最常用的功能是距離測量及定位。由于超聲測距的是一種非接觸的測量方式，和紅外、激光及無線電測距相比，超聲測距有結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、不易受光線、煙霧、電磁影響等優(yōu)點，而且紅外線、光電技術(shù)和激光技術(shù)的傳播速度，快而超聲傳播速度僅為光波的百萬分之一，所以超聲波技術(shù)更適合直接測量較近距離的物體。綜上所述，在某些特殊情況下超聲測距是其他測距方式不可替代的。目前，超聲波作為一種信息載體，它已在工業(yè)檢測、海洋探查與開發(fā)、無損評價與檢測、醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測及微電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的獨特的作用。

10、與此同時，超聲波作為一種能量形式，通過它與傳聲媒質(zhì)相互作用，而產(chǎn)生種種效應(yīng)，已在物理、化學(xué)、生物及醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開發(fā)中展示出十分廣闊的前景。3 超聲波數(shù)字電子尺裝置的實現(xiàn)原理 3.1 超聲數(shù)字電子尺的設(shè)計思想及超聲的傳輸特性經(jīng)過上述分析，可見超聲波在測距方面有著很大的優(yōu)勢，所以本測試儀選擇超聲波做測距媒介。本設(shè)計構(gòu)思利用脈沖回波法測量距離的原理來設(shè)計超聲波測距裝置。當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到障礙物時就會發(fā)生反射，接收探頭就會接收到反射回的超聲波。所以只要測定超聲波從發(fā)射到接收所用的時間t，那么超聲波從探頭發(fā)射到達(dá)反射面的時間就是t/2, 從超聲波探頭到反射面之間的距離S就可由下式計

11、算：S=Ct/2 (1.1) 具體如下所示：超 聲 波探 頭 S t 圖2.1 超聲測距示意圖在上圖中：S 超聲波探頭與反射面之間的距離。C 探頭發(fā)射的超聲波速(331.4m/s)。t 超聲波從探頭發(fā)射到探頭接收到超聲波所用的時間。其中，超聲波的波速可以根據(jù)溫度傳感器送入的數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。3.1.1超聲波在空氣中的傳播速度在任意情況下的一般氣體，即使在線性聲學(xué)條件下，其聲速表達(dá)式也頗為復(fù)雜，它與氣體的分子量，比熱和物態(tài)方程等多因素有關(guān)。這種嚴(yán)格的表達(dá)式一般用于聲速的精確計算和測量等，在一般的工程問題中，只需給出理想氣體聲速的表達(dá)式如下： （1.2）式中：R 摩爾氣體常數(shù)T 絕對溫度M 氣體的分子

12、量r 氣體的定壓比熱Cp與定容比熱Cv之比 空氣中的超聲波聲速，在溫度T為273.16K，P0為0.1MPa，含有0.03摩爾的二氧化碳且無水分時采用如下數(shù)據(jù)C0=（331.45+0.05）m/s （1.3） 在其他條件保持穩(wěn)定時，氣體的聲速隨溫度的變化為正溫度系數(shù)。計算不同溫度時空氣中的聲速可用下式： （1.4）式中：C0=331.45 m/s ；T0=273.16 K所以波速在本設(shè)計中相當(dāng)于是已知的，所以只要測出傳輸?shù)臅r間就可以算出距離來。而測量時間是很容易實現(xiàn)的，本方案以單片機(jī)ATMEL 89C2051為核心，通過對其進(jìn)行軟件編程，實現(xiàn)該單片機(jī)對其外圍電路的適時控制，并提供給外圍電路各種

13、所需的信號，包括頻率振蕩信號、數(shù)據(jù)處理信號和譯碼顯示信號等等，大大簡化了外圍電路的設(shè)計難度，同時更重要的是該種設(shè)計方案大大節(jié)省了設(shè)計成本，并且由于是采用軟件編程技術(shù)，所以其移植性能好，在設(shè)計電路時可以將其他更多的功能設(shè)計進(jìn)去，而我們在設(shè)計電路板時就可以根據(jù)自己的設(shè)計目的焊接元件。該方案的整個硬件電路可用圖2.2表示 超聲波 接 收門控電路施密特 整 形 信號 放大 40K振蕩頻率門控頻率超聲波發(fā) 射AT89C51信號整形 數(shù)碼顯示計數(shù)頻率、溫度補(bǔ)償圖2.2 硬件電路方框圖本設(shè)計中用到三種頻率。是超聲波的中心頻率(40kHz)。二是門控信號頻率， 經(jīng)驗設(shè)為2kHz。這樣從單片機(jī)Pl_3端輸出的時

14、鐘脈沖頻率f=2kHz， 周期T=1/f=50ms， 經(jīng)微分和限幅二極管的限幅后，變?yōu)檎蚣饷}沖， 再由兩個LM741整形，便得到高電平寬度為0.25ms的脈沖信號，該脈沖控制與非門的開啟。經(jīng)U1驅(qū)動超聲發(fā)射器MA40LIS發(fā)出0.25ms/0.025ms10個脈沖， 即從Pl_3輸出時鐘脈沖的每一個周期，超聲發(fā)射器便發(fā)射出脈沖數(shù)為1O的脈沖串(1/40kHz=0.25ms)。三是單片機(jī)送出來的計數(shù)頻率，根據(jù)超聲波測距精度為lmm，超聲波發(fā)射器的聲波傳播到反射物， 再由反射物反射到接收器，所傳播距離為2倍測量距離的計算得出。聲波在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下15 的傳播速度為34lm/s，要設(shè)計一個時鐘周期內(nèi)超

15、聲波傳播距離為0.002mm，3410.002m=17O.5×10kHz，故一個時鐘周期內(nèi)所測距離便為0.001m，N個周期所測的距離為N×0.001m。若軟件編程能保證單片機(jī)在啟停時三個頻率信號同步，就具備了精確計數(shù)的最基本條件。 用單片機(jī)來控制發(fā)射電路的輸出頻率，產(chǎn)生40kHz的超聲波。在這里還存在一個問題，就是超聲波不能一直發(fā)射，而只是發(fā)射一串，因為要識別接收回來的超聲波信號，就必須在接收時保證探頭此時不在發(fā)射狀態(tài)，而是處在等待狀態(tài)。因此發(fā)射脈沖的時間太長不行，否則會在這段時間內(nèi)不能接收；時間太短也不行，會使發(fā)射的超聲波能量不夠。所以必須控制超聲波的發(fā)射周期，使其隔一

16、段時間發(fā)射一次。本設(shè)計設(shè)定的發(fā)射時間為1ms，則可知其在1ms內(nèi)，超聲波走過的距離為：S=331.4×0.001=0.33m 由于超聲波的傳播速度v受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如果溫度每升高l，聲速增加約0.6ms。因此在測距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鞑ニ俣燃右孕Ｕ?。?dāng)已知現(xiàn)場環(huán)境溫度為T時，用公式(1.4)即可確定超聲波的傳播速度v： v331.5 十 0.617T （1.5）由式(1.5)可看出,溫度對聲速的影響較大,會帶來測量誤差。所以還需進(jìn)行溫度補(bǔ)償。3.1.2 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)之間傳播時，在它們的界

17、面上，一部分能量反射回介質(zhì)，另一部分透射過界面，繼續(xù)傳播，均遵從反射定律和折射定律。3.1.3 超聲波的衰減 聲波在媒質(zhì)中傳播時，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象，統(tǒng)稱為聲衰減。聲波的衰減主要分為以下三種主要類型:吸收衰減、散射衰減和擴(kuò)散衰減。其中吸收衰減主要是由媒質(zhì)的粘滯性、熱傳導(dǎo)及各種弛豫過程引起的;散射衰減是由于聲波在遇到媒質(zhì)界面時，向不同的方向產(chǎn)生散射，從而導(dǎo)致聲波減弱;擴(kuò)散衰減則是由聲源特性引起的，是因為聲波傳播過程中因波陣面的面積擴(kuò)大導(dǎo)致的聲強(qiáng)減弱，若聲源輻射的是球面波(波陣面是同心球面)，其波陣面隨r的平方增大，聲強(qiáng)隨r2規(guī)律減弱。 聲波的描述方程與電磁波是類似的: A(t

18、)=A(x)cos(wt+kx) (1.6)上式中，A(x)為振幅,為傳播角頻率,t為傳播時間,x為傳播距離,k=2/為波數(shù)，為聲波波長。 由于聲波的衰減，使得A(x)隨傳播距離的變化而變化。聲學(xué)理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。對沿X方向傳播的平面波而言，由于不需要計算擴(kuò)散衰減，則A(x)的變化規(guī)律可以由下式表示: A(x) =A0e (1.7)A0為聲源處質(zhì)子振幅，為不變量;為衰減系數(shù)。衰減系數(shù)與聲波所在介質(zhì)及頻率的關(guān)系為： = (1.8) 其中，為介質(zhì)常數(shù)，f為振動頻率。在空氣中=2×10-13S2/cm當(dāng)振動的聲波頻率f=40KHz時，可得=3.2x10-13c

19、m-1，即1/=31.25m。它的物理意義在于:超聲波在空氣媒介中傳播，因空氣分子運動摩擦等原因，能量被吸收損耗，在1/長度上，平面聲波的振幅衰減為原來的1/e。而且，頻率越高，衰減系數(shù)越大，傳播的距離也越短。在實際的應(yīng)用中，一般選用30-100KHz的超聲波進(jìn)行距離測量，比較的典型的頻率為40KHz.3.2 超聲波的產(chǎn)生及發(fā)射裝置的選擇 超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就可制成超聲波傳感器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機(jī)械方式有加爾

20、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。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器。3.2.1 超聲波換能器的工作機(jī)理超聲波換能器，即壓電式傳感器，它是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的傳感器。壓電效應(yīng)是可逆的，即有兩種壓電效應(yīng)：其一是正壓電效應(yīng)，當(dāng)沿著一定方向?qū)δ承╇娊橘|(zhì)施加力而使其變形時，在一定表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)；其二是逆壓電效應(yīng)，在介質(zhì)的極化方向施加電場時，這些電介質(zhì)就在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力；當(dāng)外加電場撤去后，這些變形或應(yīng)力也隨之消失。本文所研究的超聲測距換能器實際上是一種極近距離內(nèi)的雷達(dá)，其工作機(jī)理是依

21、據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng)。利用逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生超聲波，就是在壓電材料上加上某種頻率的交變信號，材料就會產(chǎn)生隨所加的電壓的變化規(guī)律而變化的機(jī)械變形，這種機(jī)械變形推動周圍介質(zhì)振動，產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波，如果其振動頻率在超聲范圍內(nèi)，這種機(jī)械波就是超聲波。發(fā)射的超聲波遇到探測物返回到換能器上，接收時，利用正壓電效應(yīng)把來自探測物的聲信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕妮敵觥?.2.2 超聲波換能器的結(jié)構(gòu) 超聲換能器是產(chǎn)生超聲波必需的能量轉(zhuǎn)換裝置，它把超聲電磁振蕩的能量轉(zhuǎn)換為聲波。如圖2.3所示，是一個超聲換能器，具有重量輕、體積小、能量大的特點 。相鄰兩片的壓電陶瓷片極化方向相反，芯片的數(shù)目成偶數(shù)。以使前后金屬蓋板或殼體與

22、同極性的電極相連。否則在前后蓋板與芯片之間要墊以絕緣墊圈，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增大。兩芯片之間，芯片與金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片(厚度小于0.1mm)，作為焊接電極引線用，芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠(例如環(huán)氧樹脂)膠合。在壓電組件的中央部分用結(jié)合軸與圓錐狀諧振子連成體，圓錐狀諧振于的邊緣部分裝有圓環(huán)狀彈性橡膠減振器，使之與外殼固定，起聲阻匹配作用。在電聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對應(yīng)圓錐狀諧振子的振動模式設(shè)置的幾個開口,使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。通過上述超聲換能結(jié)構(gòu)，配以適當(dāng)?shù)氖瞻l(fā)電路，便可以使超聲能量定向傳輸，從而達(dá)到測距的目的。外引線底座內(nèi)引線結(jié)合軸吸聲片減振器壓電

23、組件錐狀諧振子波速整形板圖2.3 超聲換能器結(jié)構(gòu)原理圖3.2.3 超聲波換能器的類型經(jīng)過調(diào)研得出：市場上常見超聲波傳感器可分為通用型、寬頻帶型、密封型、高頻型四種。a)通用型傳感器：頻帶較窄，帶寬一般為幾kHz，并具有選頻特性，靈敏度高，抗干擾性強(qiáng)。通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的，如MA40A3R、MA40A3S。b）寬頻帶型傳感器：在工作帶寬內(nèi)具有兩個諧振頻率，因而加寬了頻帶。寬帶傳感器具有兩個諧振頻率，其頻率特性就相當(dāng)于兩種傳感器的組合。因此，在很寬的頻帶范圍內(nèi)具有較高的靈敏度，如MA23L3。c）密封型傳感器：用于室外，耐風(fēng)雨性能好，對環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可用于汽車后方檢測物體的

24、裝置，如MA40E1R、MA40E1S。d）高頻型傳感器：是指中心頻率高于100kHz的超聲波傳感器。如MA200AI，中心頻率高達(dá)200kHz，其方向性強(qiáng)，可進(jìn)行高分辨率測量。但是測量距離不大，一般為20100cm之間。本設(shè)計采用兩個MA40LIR型的小型傳感器件，分別承擔(dān)發(fā)射和接收功能，可以滿足本設(shè)計的要求。4 超聲波電子尺系統(tǒng)電路的設(shè)計 4.1 發(fā)射部分電路4.1.1 門控電路為實現(xiàn)對超聲波發(fā)射和接收的自動控制，須在電路中加入門控電路。本設(shè)計中是用單片機(jī)來控制發(fā)射電路的輸出頻率，產(chǎn)生40kHz的超聲波，而單片機(jī)產(chǎn)生的超聲波不能一直發(fā)射，一次只發(fā)射10個脈沖串，因為要識別接收回來的超聲波信

25、號，就必須在接收時保證探頭此時不在發(fā)射狀態(tài)，而是處在等待狀態(tài)。因此發(fā)射脈沖的時間太長不行，否則會在這段時間內(nèi)不能接收；時間太短也不行，會使發(fā)射的超聲波能量不夠。所以必須控制超聲波的發(fā)射周期，使其隔一段時間發(fā)射一次。由于單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的超聲波發(fā)射頻率，其周期為250us,所以本設(shè)計設(shè)定的發(fā)射門控時間為1ms，足以保證在下一個脈沖序列到來時，前一個脈沖序列已經(jīng)被接收完，這樣就避免了前個脈沖接受是被后個脈沖所干擾，同時也提高了測量的精度。門控電路由RS觸發(fā)器完成，RS觸發(fā)器用CD4013中的一個D觸發(fā)器完成。當(dāng)R=1(S=O)時復(fù)位， 即Q=O；s=1(R=0)時置位， 即Q=1。當(dāng)單片機(jī)上電

26、復(fù)位時，非門CD4069的3腳為高電平，于是其2腳輸出為高電平。4.1.2 微分/整形電路微分電路由電容C2、電阻R3和二極管D1組成，整形電路由U2A，U2B組成，見圖2.4 圖2.4 微分/整形電路圖超聲波發(fā)射電路由與非門U2A、集成功率管LM386及超聲波發(fā)生器LABAL等組成，如圖2.5圖2.5 超聲波發(fā)射電路由單片機(jī)P1.2口產(chǎn)生40kHz的超聲波振蕩信號，并將一門控信號(從單片機(jī)的Pl.3 口送出，應(yīng)注意單片機(jī)的P1口初始化為低電平的)經(jīng)過兩級非門送入與非門的另一輸入端。由于平時非門的3腳由下拉電阻R3將其3腳的電位拉為低電平，經(jīng)過兩級非門后輸入與非門另外一端子的信號仍為低電平，這

27、時40kHz的超聲波振蕩信號無法通過與非門使超聲波發(fā)生器LABAL起振，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。按下啟動按鈕啟動單片機(jī)內(nèi)部的定時器TO，將產(chǎn)生一門控(閘門)信號。此門控(閘門)脈沖信號窄了會降低測量精度，寬了會增加測量延遲時間，同樣也會降低測量精度，所以設(shè)計時將此門控（閥門）信號設(shè)計成4kHz。由于單片機(jī)的P1口最多只有20mA 的拉電流，而超聲波發(fā)射器最小驅(qū)動電流要60mA，所以在與非門U1ACD4011的后級加入一級功率放大電路完成超聲波的發(fā)射 4.2 接受收濾波電路由于探頭接收到的波形要受各種噪聲的干擾，所以會對實際的反射波形成影響，從而會影響到測量的準(zhǔn)確性，所以要把干擾波濾去，也就是只讓接收

28、到的反射波通過，而不允許其它頻率的波形通過。這里采用壓控電壓源型的帶通濾波器，把中心頻率定為超聲波的發(fā)射頻率40kHz，這樣其他頻率的波就不會通過,探頭接收到的波形就比較理想。4.2.1 濾波電路的選擇及參數(shù)介紹本設(shè)計二階帶通濾波器的設(shè)計思想是使用一個高通濾波器串聯(lián)一個低通濾波器，組成二階帶通濾波器，其幅頻特性如圖： 圖2.6 帶通濾波器的幅頻特性紋波幅度d 在一定頻率范圍內(nèi)，實際濾波器的幅頻特性可能有波動，d值為幅頻特性的最大波動值。一個優(yōu)良的濾波器，d與相比,應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-3dB，即d<< 截止頻率 幅頻特性值等于所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率，記作 。帶寬和中心頻率帶通濾波器

29、上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為通頻帶帶寬，或-3dB帶寬，記作B=,帶寬決定濾波器分離信號相鄰頻率成分的能力，即頻率分辨力濾波器的中心頻率 是指上下兩截止頻率的幾何平均值，即 ： = (1.9) 通常用中心頻率 來表示濾波器通頻帶在頻率域的位置。 品質(zhì)因數(shù) 值 帶通濾波器中心頻率 與帶寬 之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，又稱 值，即 Q = (1.10)值越高，濾波器的頻率選擇性越好。4.2.2 濾波電路的參數(shù)設(shè)置 在本設(shè)計中，高通濾波器的臨界頻率必須比低通濾波器的臨界頻率小，在理想情況下，中心頻率等于與的幾何平均值，其中： 對于壓控電壓源型的二價帶通濾波器，已經(jīng)有公式如下： （1.11） （1

30、.12） （1.13）由于f0=40KHz, 0=2f0 :為計算方便取R1=R2=R3，C1=C2 ，可得R1C1=5.63 µs 故取R1=R2=R3=1.2K ，C1=C2=4.7µF Q值被稱為品質(zhì)因數(shù)。它的大小決定了通頻帶的寬度，由于本實驗也不是嚴(yán)格的40kHz波形，故Q值不宜取得很大，本設(shè)計取,Kf=3.5 因為R4和R5組成的是簡單的同相放大器，所以有下式成立： （1.14）取R4=0.8K，則可得R5=2.5K 。再將所求得的這些參數(shù)代入式（1.11）可得Kp=2Kf=8。濾波電路的設(shè)計如下： 圖2.7 濾波電路 由推導(dǎo)可知此濾波器在其中心頻率處的增益是8倍

31、，而在其它頻率處的增益相應(yīng)程度的減小，甚至出現(xiàn)增益小于1的情況，達(dá)到了本設(shè)計所要求的濾波的目的。表3.1 濾波效果對照表頻率20kHz30kHz35kHz38kHz40kHz42kHz45kHz50kHz60kHz放大倍數(shù)12.24786.63.8214.3 接收放大電路4.3.1 放大電路器件的選擇及功能介紹由于超聲波在傳輸過程中要逐漸衰減，播的距離越長，衰減的越厲害。所以要對收到的信號進(jìn)行放大。超聲接收探頭接收到由發(fā)射端發(fā)射出的40KHz的脈沖信號實際在傳輸過程中已經(jīng)發(fā)生了大幅度的衰減，所以接受端接收到的脈沖信號經(jīng)過濾波器過濾之后都要進(jìn)行放大，從而到達(dá)到波形轉(zhuǎn)換電路所設(shè)定的閾值電壓，經(jīng)過整

32、形電路的整形之后才能傳輸?shù)介T控電路之中，使門控電路識別到經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的矩形脈沖信號，從而最終象單片機(jī)發(fā)出中斷信號，使單片機(jī)控制外圍發(fā)射電路停止發(fā)送脈沖，達(dá)到較為準(zhǔn)確的計時效果。以本設(shè)計的最遠(yuǎn)測距（10米）來說，超聲波衰減到了1mV左右，所以可以說換能器接收到的有用信號是1mV左右的，經(jīng)過濾波器之后，因為有用信號即反射回來的超聲波信號是40KHZ的，也就是濾波器的中心頻率，所以從濾波器出來的有用信號應(yīng)該在于10mV左右的。放大器后面的波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)定的閾值為4V，所以為了保證有用信號均能被波形轉(zhuǎn)換電路識別，可以得出放大器的最小增益為4000/10=400倍?？紤]到實驗室的條件和為了盡可能的降低設(shè)

33、計費用，接收放大電路采用通用型運算放大器LM741組成兩極同相負(fù)反饋電路。LM741功能介紹：可在+5-+8V范圍內(nèi)選用具有很高的輸入共模、差模電壓；內(nèi)含頻率補(bǔ)償和過載、短路保護(hù)電路；可通過外接電位器進(jìn)行調(diào)零特點：高輸入阻抗，很小的輸入電流和電源電流，低噪聲，內(nèi)部設(shè)失調(diào)電壓調(diào)節(jié)，具有較寬的通頻帶。可用于高速積分器，快速D/A轉(zhuǎn)換器和采樣保持電路等。主要參數(shù)：電源電壓極限：差模輸入電壓極限：共模輸入電壓極限：開環(huán)電壓增益：（在VO=，RL=2k條件下）15電源電流：3.6mA單位增益帶寬積：4MHz輸入電阻：1012共模抑制比：100Db LM741 集成運放的外引線圖，各引腳功能如下： 圖2.

34、8 LM741 引腳及外引線圖 2 反相輸入端 3-同相輸入端 7 電源電壓正端4 電源電壓負(fù)端 6 輸出端 1、5 調(diào)零端4.3.2 放大電路的參數(shù)設(shè)計放大電路設(shè)計過程為：由于要放大的倍數(shù)為400倍，所以采用兩級放大，并且采用了同相輸入法。設(shè)計第一級放大為20倍，第二級放大為20倍。電壓放大倍數(shù)的公式為：AF=1+ （1.15）其中RF為反饋電阻，R為反向輸入電阻。所以按照公式取標(biāo)準(zhǔn)電阻R11=200K，R10=10K 。這樣就實現(xiàn)了第一級的放大倍數(shù)為20倍，同理，第二級的放大倍數(shù)為20倍。R8，R9為同相端提供支流偏置電位，以穩(wěn)定運放LM741的直流工作點，避免同相輸入端出現(xiàn)浮動狀態(tài)。 圖

35、2.9 放大電路4.4 波形轉(zhuǎn)換電路由前面的分析我們知道，濾波放大之后的信號是正弦信號，但是單片機(jī)接收到的應(yīng)該是可以識別的矩形波信號。所以信號在濾波放大解調(diào)之后還應(yīng)該進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，由于經(jīng)過濾波和放大電路出來的信號是一種類似于正弦波的信號，所以此波形轉(zhuǎn)換電路的作用是將正弦波轉(zhuǎn)換為矩形波，然后送入門控電路中進(jìn)行處理。4.4.1 器件的選用及引腳分析在本設(shè)計中，使用由兩個六反相集成器CD4069構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來完成對信號的波形轉(zhuǎn)換，CC4069由六個COS/MOS反相器電路組成。此器件主要用作通用反相器，即用于不需要中功率TTL驅(qū)動和邏輯電平轉(zhuǎn)換的電路中。用雙列式塑封裝（14引腳）。內(nèi)含六個獨立

36、的反相器。每個反相器均可執(zhí)行邏輯的反相操作。用它還可構(gòu)成振蕩器、脈沖整形和小信號的電壓放大等。CD4069的外形及引腳如圖2.10： 圖2.10 CD4069 引腳圖片 引腳功能符號: 1A6A：數(shù)據(jù)輸入端；1Y6Y:數(shù)據(jù)輸出端；VCC:正電源；GND:地。邏輯表達(dá)式：Y=4.4.2 放大電路工作原理及電路圖（1）施密特觸發(fā)器的應(yīng)用 施密特觸發(fā)器的主要特性是具有滯回特性，一般分為正向輸出型 、反向輸出型。主要參數(shù)：正向閾值電壓：負(fù)向閾值電壓： 回差電壓：在實際電路使用中，施密特觸發(fā)器主要用于以下兩種方面：a.用于波形變換 利用施密觸觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋作用，可以把邊沿變化緩慢周期性信號

37、變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。 b.用于脈沖整形 在數(shù)字系統(tǒng)中，矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變，可以通過用施密特觸發(fā)器整形而獲得比較理想的矩形脈沖波形。 （2）施密特觸發(fā)器的工作特點：輸入信號從低電平上升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入信號從高電平下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同。電路有不同的閾值電壓，即具有滯后的電壓傳輸特性。在電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，通過電路內(nèi)部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。 利用這兩個特點不僅能將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖高、低電平上的噪聲有效地清除(3) 滯后的電壓傳輸特性 滯后的電壓傳輸特性，即輸入電壓上

38、升的過程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時對應(yīng)的輸入電平，與輸入電壓的下降過程中對應(yīng)的輸入轉(zhuǎn)換電平不同（閾值電平不同），這是施密特觸發(fā)器固有的特性。 上升時的閾值電壓稱為正向閾值電壓，下降時的閾值電壓稱為負(fù)向閾值電壓,它們之間的差值稱為回差電壓。(4) 用門電路組成的施密特觸發(fā)器的工作原理 將兩級CD4069反相器串接起來，同時通過分壓電阻把輸出端的電壓反饋到輸入端，就構(gòu)成了施密特觸發(fā)器電路。 初態(tài)為0分析：= =從大于處逐漸減小，當(dāng)=時：=（）回差電壓：=2輸入信號增加和減少時，電路有不同的閾值電壓，它具有如圖2.11所示的傳輸特性。 圖2.11 施密特觸發(fā)器實際電路原理圖如圖2.12所示：圖2.12 放大

39、電路原理圖第 23 頁 共 44 頁中北大學(xué)2006屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書4.5 開/關(guān)機(jī)控制電路 該電路是接收電路和單片機(jī)的一個連接電路，超聲波接收探頭接受到的第一個40kHz的脈沖信號，經(jīng)過兩極放大，帶通濾波，和信號整形，輸入此開關(guān)機(jī)電路，產(chǎn)生一個高低電平的跳變，做為中斷信號輸入單片機(jī)，由單片機(jī)識別后，軟件控制脈沖發(fā)射電路，停止發(fā)射脈沖，此時才能保證接收探頭接收發(fā)射電路發(fā)射的第一個脈沖信號時立即停止計時，這樣就保證了對時間的正確計數(shù)。開/關(guān)機(jī)電路的核心器件是一個D型觸發(fā)器，型號為CD4013。其真值表如表3.2輸   入輸 出CPDRDSDLLLLHHLLHL×

40、LL保 持××HLLH××LHHL××HHHH表3.2 CD4013真值表CC4013提供了14引線多層陶瓷雙列直插（D）、容封陶瓷雙列直插（J）、塑雙列直插（P）和陶瓷片狀載體（C）4種封裝形式。CD4013引腳功能符號：- 數(shù)據(jù)端輸入 正電源- 時鐘輸入端 地 原碼輸出端 原碼輸出端 反碼輸出端 反碼輸出端- 直接置位端- 直接置位端CD4013引腳圖如圖2.13： 圖2.13 CD4013引腳圖CD4013由兩個相同的、相互獨立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個觸發(fā)器有獨立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時鐘輸入和及輸出。此器件可用作移位寄存器，且輸

41、出連到數(shù)據(jù)輸入，可用作計數(shù)器和觸發(fā)器。在時鐘上升沿觸發(fā)時，加在輸入端的邏輯電平傳送到輸出端。置位和復(fù)位與時鐘無關(guān)，而分別由置位或復(fù)位上的高電平完成。5. 單片機(jī)軟件部分 在設(shè)計的最后就是把通過單片機(jī)測出的距離精確的顯示出來，我們采用AT89C51單片機(jī)控制3位LED數(shù)碼發(fā)光管來顯示。5.1 AT89C51單片機(jī)簡介 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的

42、MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。5.1.1 主要特性： ·與MCS-51 兼容 ·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 ·壽命：1000寫/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)器·5個中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電

43、模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路5.1.2 結(jié)構(gòu)概覽 圖2.14 AT89C51引腳圖 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。5.1.3 振蕩器的時鐘電路 單片機(jī)工作是在統(tǒng)一的時鐘脈沖控制下，一拍一拍的地進(jìn)行的，這個脈沖是單片機(jī)控制器中的時序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時序就是CPU在執(zhí)行指令時所需控制信號的時間順序。為了保證各部件間的同步工作，彈片機(jī)內(nèi)部電路應(yīng)在唯一的時鐘信號下嚴(yán)格地按時序進(jìn)行工作。下面介紹80C51時鐘電路及CPU時序的概念

44、80C51內(nèi)部有一個高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時鐘脈沖，外部還需附加電路。利用芯片內(nèi)部的振蕩器，然后在引腳XTALI和XTAL2兩端跨接晶體振蕩器，就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部時鐘電路，如圖2.15所示圖2.15 內(nèi)部時鐘電路外接晶振時，C1和C2的值通常選擇為30PF左右；C1和C2對頻率有微調(diào)作用，晶振或陶瓷諧振器的頻率范圍可在1.2MHz-12MHz之間選擇。為了減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定，可靠地工作，振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝得與單片機(jī)引腳XTAL1和XTAL2靠近。該電路利用了內(nèi)部的高增益的反相放大器，外部電路接線簡單，只需要1個晶振和2個電

45、容即可，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中大多采用此電路。該電路產(chǎn)生的時鐘信號的震蕩頻率就是晶振的固有頻率，用表示。如選擇12MHz晶振，則=5.1.4 上電按鍵復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，單片機(jī)系統(tǒng)在上電啟動運行時，都需要先復(fù)位。所起的作用是使CPU和系統(tǒng)中其他部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因而，復(fù)位是一個很重要的操作方式，但單片機(jī)本身是不可能自動進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部復(fù)位電路才能實現(xiàn)。當(dāng)80C51通電，時鐘電路開始工作，在80C51單片機(jī)的RST（DIP40封裝第9腳）引腳加上大于24個時鐘周期以上的中脈沖，80C51打扮年偏激系統(tǒng)即初始復(fù)位，初始化后，成熟計數(shù)器PC指向

46、0000H，P0-P3輸出全部為高電瓶，堆棧指針寫入07H，其他專用寄存器被清0。RST由高電平，下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序圖2.16是80C51單片機(jī)的上電+按鍵復(fù)位電路，復(fù)位按鍵按下后，復(fù)位端通過51的小電阻與Vcc電源接通，迅速放電，使RST引腳為高電平，復(fù)位按鍵彈起后，電源Vcc通過8.2k 的電阻對10uF的電容重新充電，RST引腳端出現(xiàn)復(fù)位正脈沖，持續(xù)時間取決于RC電常數(shù)圖2.16 上電按鍵復(fù)位電路5.1.4 振蕩器特性XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件，

47、XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。5.2 LED數(shù)碼管 LED由Light Emiting Dcode三個單詞的首字母組成，是半導(dǎo)體發(fā)光二極管的簡稱。七段發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管是目前最常用的數(shù)字顯示它體積小、響應(yīng)速度快、壽命長、可靠性高、功耗低。一個LED數(shù)碼管可用來顯示一位09十進(jìn)制數(shù)和一個小數(shù)點。小型數(shù)碼管（0.5吋和0.36吋）每段發(fā)光二極管的正向壓降， UCCabcdefg UCCabcdefg       &#

48、160;             abcdefg+UCC-UCCgfbaedc(a)                                  

49、;  (b)圖2.17 共陰管和共陽管的電路以及共陽LED七段數(shù)碼管外引線排列(a) 共陰管和共陽管的電路      (b)  共陽LED七段數(shù)碼管外引線排列表3.3 74LS273 BCD七段顯示譯碼器功能表十進(jìn)制功  能輸      入      端輸   出   端字形A3 A2 A1 A0a  b  c  d  e

50、60; f  g滅燈××0× × × ×1  1  1  1  1  1  1全滅試燈××1× × × ×0  0  0  0  0  0  0801110  0  0  00  0  0  0  0  0  1011×10  0 

51、; 0  11  0  0  1  1  1  1121×10  0  1  00  0  1  0  0  1  0231×10  0  1  10  0  0  0  1  1  0341×10  1  0  01  0  0  1  1

52、0; 0  0451×10  1  0  10  1  0  0  1  0  0561×10  1  1  00  1  0  0  0  0  0671×10  1  1  10  0  0  1  1  1  1781×11  0  0  00

53、  0  0  0  0  0  0891×11  0  0  10  0  0  0  1  0  09隨顯示光（通常為紅、綠、黃、橙色）顏色不同略有差別，通常約為2-2.5V，每個發(fā)光二極管的點亮電流在5-10mA。LED數(shù)碼管要顯示BCD碼所表示的十進(jìn)制數(shù)字就需要有一個專門的譯碼器，有些譯碼器不但要完成譯碼功能，還帶有驅(qū)動電路以驅(qū)動數(shù)碼管工作。數(shù)碼管正常工作時每段電流約為8mA，所以數(shù)碼管與顯示譯碼器配套使用時，在兩者之間應(yīng)串入1

54、K左右的限流電阻。圖2.17為共陰管和共陽管的電路以及共陽LED七段數(shù)碼管外引線排列。BCD碼七段譯碼驅(qū)動器有共陽和共陰兩類。型號有74LS273（共陽）、74LS48（共陰）、CC4511（共陰）等。本實驗采用共陽接法的74LS273 BCD七段顯示譯碼器。5.3 掃描顯示原理 用單片機(jī)用軟件掃描方法來實現(xiàn)數(shù)碼顯示。本設(shè)計采用共陽接法，要顯示地位三數(shù),所以只需3個LED管,3個LED通道發(fā)出3個位掃描代碼，其中一個通道作為位控制端，當(dāng)控制端輸出的控制碼位某一位的低電平時，此位對應(yīng)的LED便顯示數(shù)據(jù)。另一個通道輸出七段譯碼值，通過一個3位驅(qū)動器組將譯碼值同時送到各顯示管，此通道和3位驅(qū)動器組成是有三個譯碼管分時使用的，當(dāng)單片機(jī)送出一個代碼時，盡管每個顯示管