基單片機(jī)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、【精品】基單片機(jī)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 摘 要隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開展交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可防止的人身傷亡和經(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)的汽車防撞預(yù)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見的一種距離測(cè)距方法，本文介紹的就是利用超聲波測(cè)距法設(shè)計(jì)的一種倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)。論文的內(nèi)容是基于AT89C51單片機(jī)倒車防撞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要是利用超聲波的特點(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)出一種基于AT89C51單片機(jī)的倒車防撞報(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

2、述了超聲波檢測(cè)的開展及根本原理，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)功能的根底上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。通過多種發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)方案比擬，得出了最正確設(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)，通過編程來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。最后，通過對(duì)系統(tǒng)的誤差分析，給出了系統(tǒng)的改良方案。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī) 超聲波 AT89C51AbstractIs day by day prosperous along with the social economy development t

3、ransportation shipping industry, the automobile quantity climbs in the first mate. Traffic congestion condition also day by day serious, the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of this kind of situation, designed one kind to

4、 respond quickly, the reliability was high also a more economical automobile guards against hits the early warning system imperative, the ultrasonic wave range finding was the most common one distance range finder method, this article introduces is guards against using the ultrasonic wave range find

5、ing design one kind of back-draft hits the alarm system.The paper is based on the contents of the AT89C51 monolithic integrated circuit reverse collision avoidance system design, mainly using ultrasound features and advantages, ultrasound ranging system and the integration with the integration AT89C

6、51 monolithic integrated circuit, AT89C51 monolithic integrated circuit based on the design of a reverse collision avoidance warning systems. The system used software and hardware integrated approach of a modular and multi-use characteristics. The paper outlines the development and the basic princip

7、les of ultrasound tests on the principles and characteristics of ultrasound sensors. Some of the main parameters for the system were discussed, and introducing ultrasonic ranging system functions basis, the overall composition of the system. Through multiple launch reception circuit design compariso

8、n, the best designed programme drawn, and various system design modules principles introduced. On the composition of the system circuit chip introduced and elaborated the principles of their work. Papers introduced system software architecture, through programming to achieve system function. Finally

9、, through the analysis of system error, giving the system improvement programme. Key word：monolithic integrated circuit；ultrasonic wave；AT89C51目 錄第1章 緒論11.1 超聲檢測(cè)開展綜述11.2 論文主要內(nèi)容和章節(jié)安排31.3 本設(shè)計(jì)時(shí)間安排3第2章 超聲波測(cè)距原理52.1 超聲波傳感器介紹52.1.1 超聲波傳感器特性62.2 超聲波檢測(cè)概述72.2.1 超聲探傷82.3 超聲測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn) 9第3章 單片機(jī)超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)想103.1 超聲波測(cè)距系

10、統(tǒng)總體方案103.2 系統(tǒng)主要參數(shù)考慮113.2.1 傳感器指向角113.2.2 測(cè)距儀的工作頻率123.2.3 聲速123.2.4 發(fā)射脈沖寬度123.2.5 測(cè)量盲區(qū)13第4章 單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì)144.1 發(fā)射接收電路方案設(shè)計(jì)144.2 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)234.3 單片機(jī)復(fù)位電路244.4 時(shí)鐘電路254.5 穩(wěn)壓電源25第5章 系統(tǒng)硬件及軟件實(shí)現(xiàn)275.1 單片機(jī)硬件介紹275.1.1 單片機(jī)AT89C51介紹275.1.2 8155芯片介紹285.1.3 74LS244芯片介紹295.1.4 7

11、4LS06芯片介紹 305.2 運(yùn)算放大器315.3 LM567芯片介紹325.4 探頭UCM介紹 335.5 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 345.5.1 主程序 345.5.2 顯示子程序和蜂鳴報(bào)警子程序 37第6章 系統(tǒng)誤差分析及改良396.1 誤差產(chǎn)生原因分析396.1.1 溫度對(duì)超聲聲速的影響396.1.2 回波檢測(cè)對(duì)時(shí)間測(cè)量的影響406.1.3 超聲傳感器所加脈沖電壓對(duì)測(cè)量范圍和精度的影響406.2 針對(duì)誤差產(chǎn)生原因的系統(tǒng)改良方案40參考文獻(xiàn)42致謝43第1章 緒 論隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的開展,交通運(yùn)輸業(yè)日益興旺，汽車的數(shù)量在大副攀升。交通擁擠狀況也日趨嚴(yán)重，撞車事件屢屢發(fā)生，造成了不可防止的人身傷亡和經(jīng)

12、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)的汽車防撞報(bào)警系統(tǒng)勢(shì)在必行，超聲波測(cè)距法是最常見的一種距離測(cè)距方法，應(yīng)用于汽車停車的前后左右防撞的近距離，低速狀況，以及在汽車倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)中，超聲波作為一種特殊的聲波，同樣具有聲波傳輸?shù)母疚锢硖匦哉凵?，反射，干預(yù)，衍射，散射。超聲波測(cè)距即是利用其反射特性，當(dāng)車輛后退時(shí)，超聲波距離傳感器利用超聲波檢測(cè)車輛前方的障礙物位置，并利用指示燈及蜂鳴器把車輛到障礙物的距離及位置通知駕駛?cè)藛T，起到平安的作用。超聲波檢測(cè)開展綜述高速度，高效率是現(xiàn)代工業(yè)的標(biāo)志，而這是建立在高質(zhì)量的根底之上的。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，

13、宏觀缺陷，常?？梢杂袝r(shí)甚至是只能依靠無損檢測(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)十年來多方的重視和廣闊從業(yè)人員的艱辛努力，使無損檢測(cè)技術(shù)在這方面已具有一定的能力有關(guān)?，F(xiàn)在，在工業(yè)興旺國(guó)家，無損檢測(cè)在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用，1981 年美國(guó)前總統(tǒng)里根在給美國(guó)無損檢測(cè)學(xué)會(huì)成立 40 周年大會(huì)的賀信中就說過：“你們能夠給飛機(jī)和空間飛行器，發(fā)電廠，船舶，汽車和建筑物等帶來更大程度的可靠性。沒有無損檢測(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)先地位。無損檢測(cè)正在以迅猛之勢(shì)向縱深開展，客觀的需要畢竟是一種專業(yè)可以開展的最大動(dòng)力。我國(guó)無損檢測(cè)技術(shù)是從無到有，從低級(jí)階段逐漸開

14、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)律開展變化。五十年代，我國(guó)開始從國(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20Hg。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，所以儀器沒有多大開展，仍使用電子管式的 UC

15、T-2，CTS-10 型儀器。1976 年，國(guó)家建委科技司主持召開全國(guó)建筑工程檢測(cè)技術(shù)交流會(huì)后，國(guó)家建委將混凝土無損檢測(cè)技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)工程，組織全國(guó) 6 個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此，無損檢測(cè)技術(shù)開始進(jìn)入有方案，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速開展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測(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) C.N.S 公司推出僅有 3.5Kg 重的 PUNDIT 便攜式超聲儀。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

16、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 SC-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，為推廣應(yīng)用無損檢測(cè)技術(shù)奠定了良好的根底。超聲波檢測(cè)技術(shù)是我國(guó)重點(diǎn)開展和推廣的新技術(shù)，其具有高精度，無損，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)間的精度影響較大，所以大局部文

17、獻(xiàn)采用降低傳播時(shí)間的不確定度來提高測(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)作為無損檢測(cè)技術(shù)的重要手段之一，在其開展過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，大局部檢測(cè)設(shè)備僅有A掃描形式，需要通過有經(jīng)驗(yàn)的無損檢測(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，不適宜完成自動(dòng)化檢測(cè)。八十年代后期，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和高速器件的不

18、斷開展，使超聲波信號(hào)的數(shù)字化采集和分析成為可能。目前國(guó)內(nèi)也相繼出現(xiàn)了各類數(shù)字化超聲波檢測(cè)設(shè)備，并已成為超聲波檢測(cè)的開展方向。廈門大學(xué)的某位學(xué)者研究了一種回波輪廓分析法。該方法在測(cè)距中通過兩次探測(cè)求取回波包絡(luò)曲線來得到回波的起點(diǎn)，通過這樣處理后超聲波傳播時(shí)間的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介紹了一種自適應(yīng)系統(tǒng)，采用特殊的發(fā)射波形來獲得好的回波包絡(luò)，同時(shí)采用對(duì)環(huán)境噪聲進(jìn)行估測(cè)，設(shè)置一定的回波開平電路，且采用自動(dòng)增益的控制放大器，通過這些措施來提高超聲波的探測(cè)精度。另外，也有大量的文獻(xiàn)研究采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)和小波變換理論來提高傳輸時(shí)間的精度。這些處理方法都取得了較好的效果。目前國(guó)

19、內(nèi)外在超聲波檢測(cè)領(lǐng)域都向著數(shù)字化方向開展，數(shù)字式超聲波檢測(cè)儀器的開展速度很快。國(guó)內(nèi)近幾年也相繼出現(xiàn)了許多數(shù)字式超聲波儀器和分析系統(tǒng)。國(guó)際上對(duì)超聲波檢測(cè)數(shù)字化技術(shù)的研究非常重視，國(guó)外生產(chǎn)類似產(chǎn)品和研究的公司有美國(guó)的泛美PANAMETRICS公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德國(guó)的K-K公司、法國(guó)的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述這些公司生產(chǎn)的超聲波檢測(cè)采集、分析和成像處理系統(tǒng)的技術(shù)水平較高，在世界上處于領(lǐng)先水平。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越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測(cè)儀測(cè)讀會(huì)帶來較大的測(cè)試誤差。進(jìn)一步要求以后生產(chǎn)的超聲儀能

20、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，并可接微型打印機(jī)打印。其數(shù)字和波形都比擬清晰穩(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，在儀器設(shè)計(jì)上有重大突破和創(chuàng)新，到達(dá)了國(guó)際先進(jìn)水平。目前，計(jì)算機(jī)市場(chǎng)價(jià)格大幅

21、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)。綜上所述，我國(guó)超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大開展，有的型號(hào)已超過國(guó)外同類儀器水平。本論文的主要內(nèi)容，章節(jié)安排本論文第一章緒論局部主要介紹了超聲波的開展?fàn)顩r，以及目前的現(xiàn)狀和前景。第二章超聲波測(cè)距原理主要介紹了超聲波傳感器，超聲波傳感器的特性，傳感器的檢測(cè)概述和超聲波測(cè)距的原理及實(shí)現(xiàn)。第三章單片機(jī)倒車防撞報(bào)警系統(tǒng)總體設(shè)想主要介紹了超聲測(cè)距系統(tǒng)的總體方案，系統(tǒng)主要參數(shù)考慮和超聲測(cè)距系統(tǒng)的總體構(gòu)成。第四章超聲波測(cè)距系統(tǒng)各組成單元方案設(shè)計(jì) 包

22、括發(fā)射接收電路設(shè)計(jì)、顯示電路設(shè)計(jì)、報(bào)警電路設(shè)計(jì)、晶振電路設(shè)計(jì)、復(fù)位電路設(shè)計(jì)等 。并詳細(xì)介紹了最終確定的各單元設(shè)計(jì)方案以及最終方案的設(shè)計(jì)原理。第五章系統(tǒng)硬件軟件實(shí)現(xiàn)局部主要介紹了各模塊中的硬件局部以及軟件的實(shí)現(xiàn)。第六章給出系統(tǒng)的誤差分析和系統(tǒng)改良。本設(shè)計(jì)時(shí)間安排第01周至第01周：熟悉設(shè)計(jì)題目，查閱中文及收集相關(guān)資料；第02周至第02周：解超聲波測(cè)距技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)；第03周至第03周：完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文開題報(bào)告，并開始進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)；第04周至第05周：完成超聲測(cè)距方案論證與比擬設(shè)計(jì)；第06周至第07周：完成控制模塊的電路設(shè)計(jì)和方案論證；第08周至第09周：完成外圍電路和電路控制模塊的硬件設(shè)計(jì)；第

23、10周至第12周：完成電路控制模塊的軟件設(shè)計(jì)；第13周至第14周：整理相關(guān)資料，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文初稿；第15周至第16周：修改、完善畢業(yè)論文，完成打印、裝訂工作；第17周至第17周：準(zhǔn)備辯論。第2章 超聲波測(cè)距原理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等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車?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)往往比擬迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)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

24、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。由于工作頻率與應(yīng)用目的不同，超聲傳感器的結(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)慣上都把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。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)裝置的重要組成局部。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩

25、類。屬于晶體的如石英，鈮酸鋰等，屬于壓電陶瓷的有鋯鈦酸鉛，鈦酸鋇等。其具有以下的特性：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，那么由于產(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。傳感器的主要組成局部是壓電晶片。當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖鼓勵(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

26、壓電材料較少，價(jià)格低廉，且非常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，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為 f0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)。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

27、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 f0。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

28、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。超聲波傳感器的根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)行說明。一、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，f040KHz 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

29、心頻率 f0的交流電壓來鼓勵(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似。曲線在 f0處曲線最鋒利，輸出電信號(hào)的幅度最大，即在 f0處接收靈敏度最高。因此，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，頻率特性是鋒利共振的，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。二、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，可以把外表上每個(gè)

30、點(diǎn)看成一個(gè)振蕩源，輻射出一個(gè)半球面波子波，這些子波沒有指向性。但離開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。2.2 超聲波檢測(cè)概述超聲波是一種頻率超過 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)母疚锢硖匦苑瓷?、折射、干預(yù)、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，超聲波的大局部能量會(huì)反射。利用超聲波檢測(cè)往往比擬迅速，方便，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能到達(dá)工業(yè)實(shí)用的要求，主要應(yīng)用于倒車?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。超聲波在介質(zhì)固體、液體、氣體

31、中傳播時(shí)，利用不同介質(zhì)的不同聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響來探查物體和進(jìn)行測(cè)量的技術(shù)稱為超聲檢測(cè)。當(dāng)超聲波以脈沖形式在介質(zhì)中傳播時(shí)，利用反射這一性質(zhì)，在金屬，非金屬中用來探測(cè)缺陷的位置和性質(zhì)，從而對(duì)鋼板、鍛件、焊縫、混凝土、人造石磨等進(jìn)行探傷檢驗(yàn)；在水中，根據(jù)反射波可以探測(cè)潛水艇和魚群，測(cè)量海底深度以及探查海底底層等；在人體中那么可以協(xié)助臨床診斷疾病如肝膿腫、腫瘤、膽結(jié)石等和探測(cè)胎兒等。利用超聲連續(xù)波的共振性質(zhì)，可以測(cè)量高壓容器，鍋爐，輪船甲板等的厚度或腐蝕程度，也可制成機(jī)械濾波器。利用超聲波的衰減特性，可以研究或測(cè)量材料的物理性質(zhì)。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動(dòng)體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測(cè)量流速流量，探測(cè)心臟

32、血管搏動(dòng)等。假設(shè)將超聲波作為載波傳送某些信號(hào)，那么可制成水中 ，水中遙測(cè)儀等，以進(jìn)行水中通信。利用超聲波在固體，液體中傳播的速度遠(yuǎn)小于電磁波這一特性，可制成超聲延遲線和存儲(chǔ)裝置以及進(jìn)行電視制式的轉(zhuǎn)換。還可利用超聲波檢漏、測(cè)量液位、粘度、硬度和溫度等。除此之外、聲發(fā)射、聲成像技術(shù)包括聲全息成像技術(shù)的開展更大大豐富了超聲檢測(cè)的內(nèi)容。超聲波測(cè)量在國(guó)防、航空航天、電力、石化、機(jī)械、材料等眾多領(lǐng)域具有廣泛的作用，它不但可以保證產(chǎn)品質(zhì)量、保障平安，還可起到節(jié)約能源、降低本錢的作用。超聲波與光波、電磁波、射線等檢測(cè)相比，其最大特點(diǎn)是穿透力強(qiáng)，幾乎可以在任何物體中傳播，了解被測(cè)物體內(nèi)部情況。超聲檢測(cè)設(shè)備還具有

33、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，本錢低廉的優(yōu)點(diǎn)，有利于工程實(shí)際使用。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的開展，突破了常規(guī)超聲檢測(cè)的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。2.2.1 超聲探傷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檢測(cè)材料的組織和內(nèi)部缺陷的方法，稱為超聲探傷。它是一種非破壞性的材料實(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，已成為保證

34、產(chǎn)品質(zhì)量、確保平安的一種重要手段。超聲探傷按其方法和目的可分為如下諸種：一、脈沖反射法把超聲脈沖發(fā)射到物體中再接收來自物體中的反射波，這種探傷方法稱為脈沖反射法。它是超聲探傷中最根本的方法。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、外表波探傷法和板波探傷法；根據(jù)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)，所以廣泛用來對(duì)金屬和非金屬材料及其制品進(jìn)行無損檢驗(yàn)。二、穿透法利用穿過被檢物體的超聲波的穿透率和有無聲影進(jìn)行探傷檢驗(yàn)的方法稱為穿透法。穿透法有連續(xù)波穿透法，脈沖穿透法和

35、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。三、共振法把頻率連續(xù)改變的超聲波射入被檢材料，根據(jù)材料的共振狀況測(cè)量其厚度或檢查有無缺陷等材料性質(zhì)的方法稱為共振法。共振法一般用來測(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。四、聲阻法聲阻法是利用被測(cè)物件的振動(dòng)特性，即被測(cè)物對(duì)探頭所呈現(xiàn)的機(jī)械阻抗的變化來進(jìn)行檢測(cè)的一種無損檢測(cè)法。它多用于檢測(cè)物體外表的成層

36、情況，例如用來檢查基體材料上附粘的膜片是否粘接上等。它的工作頻率范圍一般都較低如幾千赫茲。用這種方法工作時(shí)，把探頭和被測(cè)件直接接觸，使被測(cè)件和探頭結(jié)合在一起構(gòu)成一個(gè)共振體，探頭一方面是振動(dòng)源，同時(shí)也是檢測(cè)部件，當(dāng)被測(cè)件的有效厚度不同時(shí)例如，假設(shè)膜片未粘上，那么有效厚度僅為膜片的厚度，假設(shè)已完好的粘接上，那么有效厚度包括膜片和基體材料的厚度，該共振體頻率特性就不同，從而可根據(jù)其頻率特性來判定膜片在某個(gè)小區(qū)域的粘接情況。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)距原理是通過超聲波發(fā)射傳感器向某一

37、方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(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，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植坑校?1 供給電能的脈沖發(fā)生器發(fā)射電路； 2 使接收和發(fā)射隔離的開關(guān)局部； 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

38、，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，在傳播的過程中衰減較大。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)是分開使用的。發(fā)射電路一般由振蕩和功放兩局部組成，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

39、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)隔離那么使接收裝置避開強(qiáng)大的發(fā)射信號(hào)；記錄/控制局部啟動(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。第3章 單片機(jī)超聲波測(cè)距設(shè)想該超聲測(cè)距系統(tǒng)的應(yīng)用背景是基于 DSP 的超聲信號(hào)檢測(cè)中的先期局部。因此初步方案是在室內(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)。系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及器件的選擇也正是在這個(gè)根底上進(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

40、常見的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為 40KHz。如果需要更高頻率的超聲探頭，比方幾百赫茲或者幾兆赫茲的頻率，就需要到專業(yè)經(jīng)營(yíng)超聲產(chǎn)品的廠商去購(gòu)置或者定制。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

41、振動(dòng)發(fā)出超聲。電路頻率的選擇應(yīng)該滿足發(fā)射傳感器的固有頻率 40KHz，這樣才能使其工作在諧振頻率，到達(dá)最優(yōu)的特性。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，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擬大，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

42、要求不高的試件。電阻小時(shí)阻尼大，分辨率高，在探測(cè)近外表缺陷時(shí)或?qū)Ψ直媪τ休^高要求時(shí)應(yīng)予采用。發(fā)射局部的點(diǎn)脈沖電壓很高，但是由障礙物回波引起的壓電晶片產(chǎn)生的射頻電壓不過幾十毫伏，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。接收局部就是由三級(jí)放大電路，檢波電路及門限判別電路構(gòu)成的，其中包括雜波抑制電路。最終到達(dá)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。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 傳感器的指向角傳感器的指向

43、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)圓片傳感器來說，它的大小與工作波長(zhǎng)，傳感器半徑 r 有關(guān)。由 2/ *r*sin /2 1.615 3-1 選 f0 40KHz 時(shí)，C/f0 8.5mm。當(dāng) f0選定后，指向角近似與傳感器半徑成反比。指向角愈小，空間分辨率愈高，那么要求傳感器半徑 r 愈大。鑒于目前電子市場(chǎng)的壓電傳感片規(guī)格有限，為降低本錢，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/2*r 75°。3.2.2 測(cè)距儀的工作頻率由文獻(xiàn)5知，空氣中超聲波的衰減系數(shù)為 as Af2+Bf4。所以，空氣中超

44、聲波的衰減對(duì)頻率很敏感，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法傳播開去的。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。工作頻率確實(shí)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說，傳感器的方向性越鋒利，測(cè)量障礙物復(fù)雜外表越準(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)雜障礙物外表和測(cè)量精度來看，工作頻

45、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 40KHz，定為 44KHz。這樣傳感器方向性鋒利，且避開了噪聲，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 331.40.607T mm/ms 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。在常溫下，聲音

46、在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 340 mm/ms。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)，過寬的脈沖寬度會(huì)增加測(cè)量盲區(qū)，對(duì)接收回涉及比擬電路都造成一定困難。在具體設(shè)計(jì)中，比擬了 24s 1 個(gè) 40KHz 脈沖方波 ，120s 5 個(gè) 40KHz 脈沖方波 ，240s 10 個(gè) 40KHz 脈沖方波 ，720s 30 個(gè) 40KHz 脈沖方波 的發(fā)射脈沖寬度作為發(fā)射信號(hào)后的接收信號(hào)，最終選用 120s 5 個(gè) 40KHz 脈沖方波

47、 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)方面來衡量比擬適中。在以傳感器脈沖反射方式工作的情況下，電壓很高的發(fā)射電脈沖在鼓勵(lì)傳感器的同時(shí)也進(jìn)入接收局部。此時(shí)，在短時(shí)間內(nèi)放大器的放大倍數(shù)會(huì)降低，甚至沒有放大作用，這種現(xiàn)象稱為阻塞。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，稱為盲區(qū)，具體分析如下：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

48、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，可以到達(dá)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外表反射回來的信號(hào)，也達(dá)不到限幅電路的限幅電平。當(dāng)反射面離探頭愈來愈遠(yuǎn)，接收和發(fā)射信號(hào)相隔時(shí)間愈來愈長(zhǎng)，其幅值也愈來愈小。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)幅值需到達(dá)規(guī)定的閾值 Vm ，亦即接收信號(hào)的幅值必須大于這一閾值才能使接受放大器有輸入信號(hào)。第4章 單片機(jī)倒車防撞報(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、

49、單片機(jī)硬件接口電路、顯示報(bào)警電路組成，下面主要通過各個(gè)模塊的各種方案比擬，確定設(shè)計(jì)的最終方案。該系統(tǒng)的核心局部采用性能較好的AT89C51單片機(jī)。超聲波發(fā)射與接收電路是整個(gè)系統(tǒng)的重要局部，因此確定一種好的設(shè)計(jì)方案關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的精確性和平安可靠性。本文通過多種方案比擬，以到達(dá)最正確方案確定。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)

50、生振動(dòng)頻率為20KHz 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擬電路組成。如圖4.3所示，首先調(diào)節(jié)可調(diào)電阻使比擬器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 0， 1，Q 1， 0當(dāng)P1.0發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)如圖4.2中的1所示經(jīng)過微分電路形成的同步脈沖信號(hào)通過反相器N 的反相功能， 0，D1 箝位釋放 1，Q 0， 1正跳變，T0 計(jì)數(shù)器開始記數(shù)，脈沖經(jīng)過之后 1，Q 0， 1。 回波信號(hào)經(jīng)過放大濾波送至比擬器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所示，其前上升沿使A1輸出低電平，

51、 0， 1，Q 1， 0負(fù)跳變；即獲得負(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RAM。3、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，也稱泄漏波它是近源的波束旁瓣或通過繞射由發(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,同步脈沖加至比擬器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，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

52、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)間稱為盲區(qū)，約2毫秒。圖4.2 測(cè)距脈沖圖圖4.3 超聲波回波接收電路設(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接影響測(cè)距范圍，應(yīng)盡量提供脈沖變壓器副邊電壓幅值。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

53、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。接收局部電路由檢波電路、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，R11、R12、C13、C14、R15 和運(yùn)算放大器Amp1A 組成了一級(jí)濾波放大電路；R21、R22、C23、C24、R25 和運(yùn)算放大

54、器Amp1B 組成了二級(jí)濾波放大電路。圖4.4 發(fā)射局部電路圖4.5 一次和二次濾波放大電路發(fā)射接收電路中應(yīng)考慮的各種問題：發(fā)射波形如圖 4.6，傳感器的振蕩波形要經(jīng)過一段時(shí)間才能到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，理論上信號(hào)的幅度時(shí)指數(shù)上升的，Q 各周期后到達(dá)滿幅度的 95%，1.5Q 個(gè)周期后到達(dá) 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，發(fā)射脈寬要求不能小于 Q 個(gè)振蕩周期，才能使發(fā)射幅度根本到達(dá)最大?？紤]到測(cè)量“盲區(qū)，這里選擇脈寬為 120s，包含 5 個(gè)調(diào)制的 44KHz 的方波信號(hào)。圖 4.6 發(fā)射波形由文獻(xiàn)3知，測(cè)距儀的發(fā)射波形如圖 4.6，在規(guī)定時(shí)刻將一持續(xù)時(shí)間為的正

55、弦波加到傳感器上，然后關(guān)閉發(fā)射電路，翻開接收通道，接收來自障礙物的反射波。 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，從而到達(dá)最大信噪比，以利檢測(cè)單元的正確檢測(cè)。如何到達(dá)信號(hào)的最正確接收關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和平安性，所以也應(yīng)考慮到影響接收信號(hào)的各方面問題。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)的總噪聲系數(shù)主要有接收機(jī)的內(nèi)部噪聲決定，其

56、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局部 w 附近 濾波出來，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。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

57、噪聲與干擾，從而到達(dá)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。帶通放大器選擇最正確時(shí)間帶寬積，以到達(dá)匹配濾波的效果。模擬開關(guān)起收發(fā)隔離的作用。在測(cè)量近距離時(shí)，模擬開關(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)，模擬開關(guān)斷開，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擬，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，通過兩極放大，增強(qiáng)接收信號(hào)，比擬適合本設(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200s。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，原理和前方測(cè)距相同。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)三極管放大后來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭UCM40T，產(chǎn)生超聲