超聲波測(cè)距儀原理與實(shí)驗(yàn)分析畢業(yè)論文

1、. . . . 撰寫(xiě)人：碩1 引言我們生活的世界充滿(mǎn)了各種可聽(tīng)的聲信號(hào)。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)，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)展做出了重要的貢獻(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。然而由于超聲是人耳聽(tīng)不到的信號(hào)，直到18世紀(jì)，人們?cè)谘芯框稹⒑ｋ嗟葎?dòng)物時(shí)，才推測(cè)自然界中存在超聲。 現(xiàn)代聲學(xué)已經(jīng)涵蓋了從10-4Hz1014Hz的頻率圍，相當(dāng)于從大約3小時(shí)振動(dòng)一次的次聲到波長(zhǎng)短于固體中原子間距的分子熱振動(dòng)，即跨越了1018量級(jí)的寬廣頻段。頻率高于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)上限頻率(約20000Hz)的聲波，

2、稱(chēng)為超聲波,或稱(chēng)超聲?，F(xiàn)代科技的迅速發(fā)展對(duì)檢測(cè)技術(shù)提出了更高的要求，各種計(jì)量檢測(cè)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(cè)量。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。不僅在工業(yè)中，在日常生活中超聲測(cè)距也有著廣泛的應(yīng)用。本設(shè)計(jì)就是一種利用超聲波作為媒介的測(cè)距裝置，它能夠通過(guò)單片機(jī)的控制來(lái)進(jìn)行測(cè)距并可以數(shù)碼顯示。其優(yōu)點(diǎn)是使用方便，精度高，可編程控制，可用于危險(xiǎn)場(chǎng)地等的非接觸式測(cè)距。2 超聲技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用2.1 超聲技術(shù)的發(fā)展利用超聲波測(cè)量己知基

3、準(zhǔn)位置和目標(biāo)物體表面之間距離的方法，稱(chēng)為超聲波測(cè)距法。利用超聲波作為定位技術(shù)是蝙蝠等一些無(wú)目視能力的生物作為防御與捕捉獵物生存的手段，也就是由生物體發(fā)射不被人們聽(tīng)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(lái)的時(shí)間間隔長(zhǎng)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(duì)于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測(cè)，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類(lèi)采用仿真技能利用超聲波測(cè)距。超聲波測(cè)距是一種利用聲波特性、電子計(jì)數(shù)、光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)非接觸式距離測(cè)量的方法。它在很多距離探測(cè)應(yīng)用中有很重要的用途，包括非損害測(cè)量、過(guò)程檢側(cè)、

4、機(jī)器人檢測(cè)和定位、以與流體液面高度測(cè)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(jià)格低廉、性能良好的壓電瓷、人工壓電單晶、壓電半導(dǎo)體以與塑料壓電薄膜等。近年來(lái)，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?yàn)R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(wàn)兆赫的超聲；利用凹型的微波諧振腔，可在石英棒獲得幾萬(wàn)兆赫的

5、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(mén)應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，可以超聲為工具，來(lái)檢驗(yàn)、測(cè)量或控制各種非聲學(xué)量與其變化的。從它一百多年來(lái)的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國(guó)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)科的容，而使自己更加豐富。近些年來(lái),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(wú)損、非接觸等優(yōu)點(diǎn),超聲的應(yīng)用變得越來(lái)越普與。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、石油化工、交通等工業(yè)領(lǐng)域。此外在

6、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(cè)對(duì)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(cè)與水下目標(biāo)識(shí)別為目的的水聲應(yīng)用等，也歸于此類(lèi)。而我國(guó)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(gè)領(lǐng)域都開(kāi)展了研究和應(yīng)用，其中有少數(shù)項(xiàng)目已接近或達(dá)到了國(guó)際水平。 超聲在測(cè)量領(lǐng)域中的各種應(yīng)用從被測(cè)對(duì)象來(lái)分,目前超聲在測(cè)量中的應(yīng)用主要由以下幾個(gè)方面:厚度的超聲測(cè)量:目前超聲測(cè)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(cè)量:超聲測(cè)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(guò)程中流體流量的控制和監(jiān)督,在水力電力部門(mén)對(duì)流

7、量的連續(xù)測(cè)定以與醫(yī)學(xué)上血流的測(cè)量等。溫度的超聲測(cè)量:超聲測(cè)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(lái)確定介質(zhì)溫度。超聲測(cè)溫法可以用來(lái)測(cè)量超低溫和超高溫。距離的超聲測(cè)量:超聲測(cè)距是目前超聲在測(cè)量領(lǐng)域中的一個(gè)廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)所研究的也正是如何利用超聲波進(jìn)行距離的測(cè)量。粘度的超聲測(cè)量:在一般情況下,超聲波粘度計(jì)是利用粘性液體對(duì)振子的切變阻抗來(lái)測(cè)量粘度的,粘度測(cè)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(lái)測(cè)量濃度、密度、硬度等。2.3 超聲測(cè)距的優(yōu)點(diǎn)與其他測(cè)距方法目前常用的測(cè)距方式主要有

8、雷達(dá)測(cè)距、紅外測(cè)距、激光測(cè)距和超聲測(cè)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(diǎn)：a).超聲波對(duì)色彩、光照度不敏感，可用于識(shí)別透明與漫反射性差的物體（如玻璃，拋光體b). 對(duì)外界光線(xiàn)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c). 超聲波的傳播速度僅為光波的百萬(wàn)分之一，因此可以直接測(cè)量較近目標(biāo)的距離?？v向分辨率高d). 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，易于小型化和集成化e).超聲波因其波長(zhǎng)短，束射性強(qiáng)而易于控制f).超聲波具有波動(dòng)性和能量二重性通過(guò)與紅外線(xiàn)技術(shù)與光電技術(shù)和激光技術(shù)等測(cè)量方法的比較可見(jiàn)，超聲波技術(shù)在測(cè)量領(lǐng)域具有相對(duì)的優(yōu)勢(shì)

9、。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(cè)量與定位。由于超聲測(cè)距的是一種非接觸的測(cè)量方式，和紅外、激光與無(wú)線(xiàn)電測(cè)距相比，超聲測(cè)距有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低、不易受光線(xiàn)、煙霧、電磁影響等優(yōu)點(diǎn)，而且紅外線(xiàn)、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(wàn)分之一，所以超聲波技術(shù)更適合直接測(cè)量較近距離的物體。綜上所述，在某些特殊情況下超聲測(cè)距是其他測(cè)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(cè)、海洋探查與開(kāi)發(fā)、無(wú)損評(píng)價(jià)與檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)與微電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的獨(dú)特的作用。與此同時(shí)，超聲波作為一種能量形式，通過(guò)

10、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)、生物與醫(yī)學(xué)等基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)開(kāi)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(shí)現(xiàn)原理 3.1 超聲數(shù)字電子尺的設(shè)計(jì)思想與超聲的傳輸特性經(jīng)過(guò)上述分析，可見(jiàn)超聲波在測(cè)距方面有著很大的優(yōu)勢(shì)，所以本測(cè)試儀選擇超聲波做測(cè)距媒介。本設(shè)計(jì)構(gòu)思利用脈沖回波法測(cè)量距離的原理來(lái)設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距裝置。當(dāng)發(fā)射的超聲波遇到障礙物時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，接收探頭就會(huì)接收到反射回的超聲波。所以只要測(cè)定超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間t，那么超聲波從探頭發(fā)射到達(dá)反射面的時(shí)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(jì)算：S=Ct/2 (1.1)具體如下所

11、示：超 聲 波探 頭 S t 圖2.1 超聲測(cè)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(shí)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(xiàn)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(jì)算和測(cè)量等，在一般的工程問(wèn)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(duì)溫度M 氣體的分子量r 氣體的定壓比熱Cp與定容比熱Cv之比

12、 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(wú)水分時(shí)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(shí)，氣體的聲速隨溫度的變化為正溫度系數(shù)。計(jì)算不同溫度時(shí)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(jì)中相當(dāng)于是已知的，所以只要測(cè)出傳輸?shù)臅r(shí)間就可以算出距離來(lái)。而測(cè)量時(shí)間是很容易實(shí)現(xiàn)的，本方案以單片機(jī)ATMEL 89C2051為核心，通過(guò)對(duì)其進(jìn)行軟件編程，實(shí)現(xiàn)該單片機(jī)對(duì)其外圍電路的適時(shí)控制，并提供給外圍電路各種所需的信號(hào)，包括頻率振蕩信號(hào)、數(shù)據(jù)處理信號(hào)

13、和譯碼顯示信號(hào)等等，大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì)難度，同時(shí)更重要的是該種設(shè)計(jì)方案大大節(jié)省了設(shè)計(jì)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(jì)電路時(shí)可以將其他更多的功能設(shè)計(jì)進(jìn)去，而我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路板時(shí)就可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)目的焊接元件。該方案的整個(gè)硬件電路可用圖2.2表示 超聲波 接 收門(mén)控電路施密特 整 形 信號(hào) 放大 40K振蕩頻率門(mén)控頻率超聲波發(fā) 射AT89C51信號(hào)整形數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)頻率、溫度補(bǔ)償圖2.2 硬件電路方框圖本設(shè)計(jì)中用到三種頻率。是超聲波的中心頻率(40kHz)。二是門(mén)控信號(hào)頻率， 經(jīng)驗(yàn)設(shè)為2kHz。這樣從單片機(jī)Pl_3端輸出的時(shí)鐘脈沖頻率f=2kHz， 周期T=1/f=5

14、0ms， 經(jīng)微分和限幅二極管的限幅后，變?yōu)檎蚣饷}沖， 再由兩個(gè)LM741整形，便得到高電平寬度為0.25ms的脈沖信號(hào)，該脈沖控制與非門(mén)的開(kāi)啟。經(jīng)U1驅(qū)動(dòng)超聲發(fā)射器MA40LIS發(fā)出0.25ms/0.025ms10個(gè)脈沖， 即從Pl_3輸出時(shí)鐘脈沖的每一個(gè)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(lái)的計(jì)數(shù)頻率，根據(jù)超聲波測(cè)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(cè)量距離的計(jì)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(jì)一個(gè)時(shí)鐘周期超聲波傳播距離為0.002mm，3410.002

15、m=17O.5×10kHz，故一個(gè)時(shí)鐘周期所測(cè)距離便為0.001m，N個(gè)周期所測(cè)的距離為N×0.001m。若軟件編程能保證單片機(jī)在啟停時(shí)三個(gè)頻率信號(hào)同步，就具備了精確計(jì)數(shù)的最基本條件。用單片機(jī)來(lái)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(gè)問(wèn)題，就是超聲波不能一直發(fā)射，而只是發(fā)射一串，因?yàn)橐R(shí)別接收回來(lái)的超聲波信號(hào)，就必須在接收時(shí)保證探頭此時(shí)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(shí)間太長(zhǎng)不行，否則會(huì)在這段時(shí)間不能接收；時(shí)間太短也不行，會(huì)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(shí)間發(fā)射一次。本設(shè)計(jì)設(shè)定的發(fā)射時(shí)間為1ms，則可知

16、其在1ms，超聲波走過(guò)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(cè)距精度要求很高的情況下，應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳播速度加以校正。當(dāng)已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為T(mén)時(shí)，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(duì)聲速的影響較大,會(huì)帶來(lái)測(cè)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(shí)，在它們的界面上，一部分能量反射回介質(zhì)，另一部分透射過(guò)界面，繼續(xù)傳播，均

17、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(shí)，其強(qiáng)度隨傳播距離的增加而逐漸減弱的現(xiàn)象，統(tǒng)稱(chēng)為聲衰減。聲波的衰減主要分為以下三種主要類(lèi)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)與各種弛豫過(guò)程引起的;散射衰減是由于聲波在遇到媒質(zhì)界面時(shí)，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?yàn)槁暡▊鞑ミ^(guò)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(lèi)似的: A(t)=A(x)cos(wt+kx) (1.6)上式中，A(x)

18、為振幅,為傳播角頻率,t為傳播時(shí)間,x為傳播距離,k=2/為波數(shù)，為聲波波長(zhǎng)。 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(duì)沿X方向傳播的平面波而言，由于不需要計(jì)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)與頻率的關(guān)系為：=(1.8)其中，為介質(zhì)常數(shù)，f為振動(dòng)頻率。在空氣中=2×10-13S2/cm當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40KHz時(shí)，可得=3.2x10-13cm-1，即1/=31.25m。它的物理意義在于:超聲波在空氣媒介中傳

19、播，因空氣分子運(yùn)動(dòng)摩擦等原因，能量被吸收損耗，在1/長(zhǎng)度上，平面聲波的振幅衰減為原來(lái)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(shí)際的應(yīng)用中，一般選用30-100KHz的超聲波進(jìn)行距離測(cè)量，比較的典型的頻率為40KHz.3.2 超聲波的產(chǎn)生與發(fā)射裝置的選擇 超聲波為直線(xiàn)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(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類(lèi)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(dòng)型等；機(jī)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

20、一樣，因而用途也各不一樣。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(shí)，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(chǎng)時(shí)，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(chǎng)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(cè)距換能器實(shí)際上是一種極近距離的雷達(dá)，其工作機(jī)理是依據(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

21、上某種頻率的交變信號(hào)，材料就會(huì)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(dòng)周?chē)橘|(zhì)振動(dòng)，產(chǎn)生疏密相間的機(jī)械波，如果其振動(dòng)頻率在超聲圍，這種機(jī)械波就是超聲波。發(fā)射的超聲波遇到探測(cè)物返回到換能器上，接收時(shí)，利用正壓電效應(yīng)把來(lái)自探測(cè)物的聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的輸出。3.2.2 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(gè)超聲換能器，具有重量輕、體積小、能量大的特點(diǎn)。相鄰兩片的壓電瓷片極化方向相反，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(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)不必要的增大

22、。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(xiàn)用，芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠(例如環(huán)氧樹(shù)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(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開(kāi)口,使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。通過(guò)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(cè)距的目的。外引線(xiàn)底座內(nèi)引線(xiàn)結(jié)合軸吸聲片減振器壓電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

23、類(lèi)型經(jīng)過(guò)調(diào)研得出：市場(chǎng)上常見(jiàn)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(kāi)使用的，如MA40A3R、MA40A3S。b）寬頻帶型傳感器：在工作帶寬具有兩個(gè)諧振頻率，因而加寬了頻帶。寬帶傳感器具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性就相當(dāng)于兩種傳感器的組合。因此，在很寬的頻帶圍具有較高的靈敏度，如MA23L3。c）密封型傳感器：用于室外，耐風(fēng)雨性能好，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可用于汽車(chē)后方檢測(cè)物體的裝置，如MA40E1R、MA40E1S。d）高頻型傳感器：是指中心頻率高于100kHz

24、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(cè)量。但是測(cè)量距離不大，一般為20100cm之間。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)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(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。4 超聲波電子尺系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì) 4.1 發(fā)射部分電路4.1.1 門(mén)控電路為實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波發(fā)射和接收的自動(dòng)控制，須在電路中加入門(mén)控電路。本設(shè)計(jì)中是用單片機(jī)來(lái)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(gè)脈沖串，因?yàn)橐R(shí)別接收回來(lái)的超聲波信號(hào)，就必須在接收時(shí)保證探頭此時(shí)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(shí)間太長(zhǎng)不

25、行，否則會(huì)在這段時(shí)間不能接收；時(shí)間太短也不行，會(huì)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(shí)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(jì)設(shè)定的發(fā)射門(mén)控時(shí)間為1ms，足以保證在下一個(gè)脈沖序列到來(lái)時(shí)，前一個(gè)脈沖序列已經(jīng)被接收完，這樣就避免了前個(gè)脈沖接受是被后個(gè)脈沖所干擾，同時(shí)也提高了測(cè)量的精度。門(mén)控電路由RS觸發(fā)器完成，RS觸發(fā)器用CD4013中的一個(gè)D觸發(fā)器完成。當(dāng)R=1(S=O)時(shí)復(fù)位，即Q=O；s=1(R=0)時(shí)置位，即Q=1。當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)，非門(mén)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

26、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(jiàn)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(mén)U2A、集成功率管LM386與超聲波發(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(hào)，并將一門(mén)控信號(hào)(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(guò)兩級(jí)非門(mén)送入與非門(mén)的另一輸入端。由于平時(shí)非門(mén)的3腳由下拉電阻R3將其3腳的電位拉為低電平，經(jīng)過(guò)兩級(jí)非門(mén)后輸入與非門(mén)另外一端子的信號(hào)仍為低電平，這時(shí)40kHz的超聲波振蕩信號(hào)無(wú)法通過(guò)與非門(mén)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

27、動(dòng)按鈕啟動(dòng)單片機(jī)部的定時(shí)器TO，將產(chǎn)生一門(mén)控(閘門(mén))信號(hào)。此門(mén)控(閘門(mén))脈沖信號(hào)窄了會(huì)降低測(cè)量精度，寬了會(huì)增加測(cè)量延遲時(shí)間，同樣也會(huì)降低測(cè)量精度，所以設(shè)計(jì)時(shí)將此門(mén)控（閥門(mén)）信號(hào)設(shè)計(jì)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(dòng)電流要60mA，所以在與非門(mén)U1ACD4011的后級(jí)加入一級(jí)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(huì)對(duì)實(shí)際的反射波形成影響，從而會(huì)影響到測(cè)量的準(zhǔn)確性，所以要把干擾波濾去，也就是只讓接收到的反射波通過(guò)，而不允許其它頻率的波形通過(guò)。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

28、發(fā)射頻率40kHz，這樣其他頻率的波就不會(huì)通過(guò),探頭接收到的波形就比較理想。4.2.1 濾波電路的選擇與參數(shù)介紹本設(shè)計(jì)二階帶通濾波器的設(shè)計(jì)思想是使用一個(gè)高通濾波器串聯(lián)一個(gè)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 在一定頻率圍，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能有波動(dòng)，d值為幅頻特性的最大波動(dòng)值。一個(gè)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(duì)應(yīng)的頻率稱(chēng)為濾波器的截止頻率，記作。帶寬和中心頻率帶通濾波器上、下兩截止頻率之間的頻率圍稱(chēng)為通頻帶帶寬，或-3dB帶寬，記作B=,帶寬決定濾波器分離信號(hào)相鄰頻率成分的能力

29、，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(lái)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(chēng)為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，又稱(chēng)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(jì)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(duì)于壓控電壓源型的二價(jià)帶通濾波器，已經(jīng)有公式如下： （1.11） （1.12） （1.13）由于f0=40KHz, 0=2f0 :為計(jì)算方便取R1=R2=R3，C1=C2 ，可得R1C1=5.63 &#

30、181;s 故取R1=R2=R3=1.2K ，C1=C2=4.7µF Q值被稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù)。它的大小決定了通頻帶的寬度，由于本實(shí)驗(yàn)也不是嚴(yán)格的40kHz波形，故Q值不宜取得很大，本設(shè)計(jì)取,Kf=3.5 因?yàn)镽4和R5組成的是簡(jiǎn)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(jì)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，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(jì)所要求的濾波的目的。表3.1 濾波效果對(duì)照表頻率20kHz3

31、0kHz35kHz38kHz40kHz42kHz45kHz50kHz60kHz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與功能介紹由于超聲波在傳輸過(guò)程中要逐漸衰減，播的距離越長(zhǎng)，衰減的越厲害。所以要對(duì)收到的信號(hào)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(hào)實(shí)際在傳輸過(guò)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(hào)經(jīng)過(guò)濾波器過(guò)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(guò)整形電路的整形之后才能傳輸?shù)介T(mén)控電路之中，使門(mén)控電路識(shí)別到經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換得到的矩形脈沖信號(hào)，從而最終象單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，使單片機(jī)控制外圍發(fā)射電

32、路停止發(fā)送脈沖，達(dá)到較為準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)效果。以本設(shè)計(jì)的最遠(yuǎn)測(cè)距（10米）來(lái)說(shuō)，超聲波衰減到了1mV左右，所以可以說(shuō)換能器接收到的有用信號(hào)是1mV左右的，經(jīng)過(guò)濾波器之后，因?yàn)橛杏眯盘?hào)即反射回來(lái)的超聲波信號(hào)是40KHZ的，也就是濾波器的中心頻率，所以從濾波器出來(lái)的有用信號(hào)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(hào)均能被波形轉(zhuǎn)換電路識(shí)別，可以得出放大器的最小增益為4000/10=400倍。考慮到實(shí)驗(yàn)室的條件和為了盡可能的降低設(shè)計(jì)費(fèi)用，接收放大電路采用通用型運(yùn)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圍選用具有很高的輸入共模、

33、差模電壓；含頻率補(bǔ)償和過(guò)載、短路保護(hù)電路；可通過(guò)外接電位器進(jìn)行調(diào)零特點(diǎn)：高輸入阻抗，很小的輸入電流和電源電流，低噪聲，部設(shè)失調(diào)電壓調(diào)節(jié)，具有較寬的通頻帶?？捎糜诟咚俜e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(kāi)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：100DbLM741 集成運(yùn)放的外引線(xiàn)圖，各引腳功能如下： 圖2.8 LM741 引腳與外引線(xiàn)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)

34、設(shè)計(jì)放大電路設(shè)計(jì)過(guò)程為：由于要放大的倍數(shù)為400倍，所以采用兩級(jí)放大，并且采用了同相輸入法。設(shè)計(jì)第一級(jí)放大為20倍，第二級(jí)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(shí)現(xiàn)了第一級(jí)的放大倍數(shù)為20倍，同理，第二級(jí)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(yùn)放LM741的直流工作點(diǎn)，避免同相輸入端出現(xiàn)浮動(dòng)狀態(tài)。 圖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(hào)是正弦信號(hào)，但是單片機(jī)接收到的應(yīng)該是可以識(shí)別的矩形波信號(hào)。所以信號(hào)在濾波放大

35、解調(diào)之后還應(yīng)該進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，由于經(jīng)過(guò)濾波和放大電路出來(lái)的信號(hào)是一種類(lèi)似于正弦波的信號(hào)，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(mén)控電路中進(jìn)行處理。4.4.1 器件的選用與引腳分析在本設(shè)計(jì)中，使用由兩個(gè)六反相集成器CD4069構(gòu)成的施密特觸發(fā)器來(lái)完成對(duì)信號(hào)的波形轉(zhuǎn)換，CC4069由六個(gè)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(dòng)和邏輯電平轉(zhuǎn)換的電路中。用雙列式塑封裝（14引腳）。含六個(gè)獨(dú)立的反相器。每個(gè)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(hào)的電壓放大等。CD4069的外形與引腳如圖2.10：圖2.10 CD406

36、9 引腳圖片 引腳功能符號(hào):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 放大電路工作原理與電路圖（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(shí)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(guò)程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢周期性信?hào)變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號(hào)。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(guò)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)

37、器的工作特點(diǎn)：輸入信號(hào)從低電平上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入信號(hào)從高電平下降過(guò)程中對(duì)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(shí)，通過(guò)電路部的正反饋過(guò)程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡。利用這兩個(gè)特點(diǎn)不僅能將邊沿變化緩慢的信號(hào)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，即輸入電壓上升的過(guò)程中，電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)對(duì)應(yīng)的輸入電平，與輸入電壓的下降過(guò)程中對(duì)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(shí)的閾值電壓稱(chēng)為正向閾值電壓，下降時(shí)的閾值

38、電壓稱(chēng)為負(fù)向閾值電壓,它們之間的差值稱(chēng)為回差電壓。(4) 用門(mén)電路組成的施密特觸發(fā)器的工作原理將兩級(jí)CD4069反相器串接起來(lái)，同時(shí)通過(guò)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(shí)：=（）回差電壓：=2輸入信號(hào)增加和減少時(shí)，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(shí)際電路原理圖如圖2.12所示：圖2.12 放大電路原理圖44 / 444.5開(kāi)/關(guān)機(jī)控制電路該電路是接收電路和單片機(jī)的一個(gè)連接電路，超聲波接收探頭接受到的第一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)兩極放大，帶通濾波，和信號(hào)整形，輸入此開(kāi)關(guān)機(jī)電路，

39、產(chǎn)生一個(gè)高低電平的跳變，做為中斷信號(hào)輸入單片機(jī)，由單片機(jī)識(shí)別后，軟件控制脈沖發(fā)射電路，停止發(fā)射脈沖，此時(shí)才能保證接收探頭接收發(fā)射電路發(fā)射的第一個(gè)脈沖信號(hào)時(shí)立即停止計(jì)時(shí)，這樣就保證了對(duì)時(shí)間的正確計(jì)數(shù)。開(kāi)/關(guān)機(jī)電路的核心器件是一個(gè)D型觸發(fā)器，型號(hào)為CD4013。其真值表如表3.2輸   入輸 出CPDRDSDLLLLHHLLHL×LL保 持××HLLH××LHHL××HHHH表3.2 CD4013真值表CC4013提供了14引線(xiàn)多層瓷雙列直插（D）、容封瓷雙列直插（J）、塑雙列直插（P）和瓷片狀載體（C）4種

40、封裝形式。CD4013引腳功能符號(hào)：- 數(shù)據(jù)端輸入 正電源- 時(shí)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(gè)一樣的、相互獨(dú)立的數(shù)據(jù)型觸發(fā)器構(gòu)成。每個(gè)觸發(fā)器有獨(dú)立的數(shù)據(jù)、置位、復(fù)位、時(shí)鐘輸入和與輸出。此器件可用作移位寄存器，且輸出連到數(shù)據(jù)輸入，可用作計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器。在時(shí)鐘上升沿觸發(fā)時(shí)，加在輸入端的邏輯電平傳送到輸出端。置位和復(fù)位與時(shí)鐘無(wú)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(jì)的最后就是把通過(guò)單片機(jī)測(cè)出的距離精確的顯示出來(lái)，我們采用AT89C51單片

41、機(jī)控制3位LED數(shù)碼發(fā)光管來(lái)顯示。5.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱(chēng)單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的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(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案。5.1.1主要特性：·與MCS-51 兼容 ·

42、;4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 ·壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán)·數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定·128*8位部RAM·32可編程I/O線(xiàn)·兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器·5個(gè)中斷源 ·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片振蕩器和時(shí)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(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入。 XTAL

43、2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。5.1.3振蕩器的時(shí)鐘電路 單片機(jī)工作是在統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖控制下，一拍一拍的地進(jìn)行的，這個(gè)脈沖是單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的。單片機(jī)的時(shí)序就是CPU在執(zhí)行指令時(shí)所需控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了保證各部件間的同步工作，彈片機(jī)部電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。下面介紹80C51時(shí)鐘電路與CPU時(shí)序的概念80C51部有一個(gè)高增益反相放大器，用于構(gòu)成振蕩器，但要形成時(shí)鐘脈沖，外部還需附加電路。利用芯片部的振蕩器，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)出的脈沖直接送入部時(shí)鐘電路，如圖2.15所示圖2.15 部時(shí)鐘電路外接晶振時(shí)

44、，C1和C2的值通常選擇為30PF左右；C1和C2對(duì)頻率有微調(diào)作用，晶振或瓷諧振器的頻率圍可在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。該電路利用了部的高增益的反相放大器，外部電路接線(xiàn)簡(jiǎn)單，只需要1個(gè)晶振和2個(gè)電容即可，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)多采用此電路。該電路產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)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(dòng)運(yùn)行時(shí)，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(gè)確定的初始狀態(tài)，

45、并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作，因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式，但單片機(jī)本身是不可能自動(dòng)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(shí)現(xiàn)。當(dāng)80C51通電，時(shí)鐘電路開(kāi)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(gè)時(shí)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(jì)數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出全部為高電瓶，堆棧指針寫(xiě)入07H，其他專(zhuān)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(kāi)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(guò)51的小電阻與Vcc電源接通，迅速放電，使RST引腳為高電

46、平，復(fù)位按鍵彈起后，電源Vcc通過(guò)8.2k 的電阻對(duì)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(shí)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振蕩器。石晶振蕩和瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)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(gè)單詞的首字母組成，是半導(dǎo)體發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱(chēng)。七段發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼管是目前最常

47、用的數(shù)字顯示它體積小、響應(yīng)速度快、壽命長(zhǎng)、可靠性高、功耗低。一個(gè)LED數(shù)碼管可用來(lái)顯示一位09十進(jìn)制數(shù)和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。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                     abcdefg+UCC-UCCgfbaedc(a)       &#

48、160;                            (b)圖2.17 共陰管和共陽(yáng)管的電路以與共陽(yáng)LED七段數(shù)碼管外引線(xiàn)排列(a) 共陰管和共陽(yáng)管的電路      (b)  共陽(yáng)LED七段數(shù)碼管外引線(xiàn)排列表3.374LS273 BCD七段顯示譯碼器功能表十進(jìn)

49、制功  能輸      入      端輸   出   端字形A3 A2 A1 A0a  b  c  d  e  f  g滅燈××0××××1  1  1  1  1  1  1全滅試燈××1××××0

50、0; 0  0  0  0  0  0801110  0  0  00  0  0  0  0  0  1011×10  0  0  11  0  0  1  1  1  1121×10  0  1  00  0  1  0  0  1  0231×

51、10  0  1  10  0  0  0  1  1  0341×10  1  0  01  0  0  1  1  0  0451×10  1  0  10  1  0  0  1  0  0561×10  1  1  00  1  0 

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

53、同略有差別，通常約為2-2.5V，每個(gè)發(fā)光二極管的點(diǎn)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(gè)專(zhuān)門(mén)的譯碼器，有些譯碼器不但要完成譯碼功能，還帶有驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管工作。數(shù)碼管正常工作時(shí)每段電流約為8mA，所以數(shù)碼管與顯示譯碼器配套使用時(shí)，在兩者之間應(yīng)串入1K左右的限流電阻。圖2.17為共陰管和共陽(yáng)管的電路以與共陽(yáng)LED七段數(shù)碼管外引線(xiàn)排列。BCD碼七段譯碼驅(qū)動(dòng)器有共陽(yáng)和共陰兩類(lèi)。型號(hào)有74LS273（共陽(yáng)）、74LS48（共陰）、CC4511（共陰）等。本實(shí)驗(yàn)采用共陽(yáng)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(lái)

54、實(shí)現(xiàn)數(shù)碼顯示。本設(shè)計(jì)采用共陽(yáng)接法，要顯示地位三數(shù),所以只需3個(gè)LED管,3個(gè)LED通道發(fā)出3個(gè)位掃描代碼，其中一個(gè)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(shí)，此位對(duì)應(yīng)的LED便顯示數(shù)據(jù)。另一個(gè)通道輸出七段譯碼值，通過(guò)一個(gè)3位驅(qū)動(dòng)器組將譯碼值同時(shí)送到各顯示管，此通道和3位驅(qū)動(dòng)器組成是有三個(gè)譯碼管分時(shí)使用的，當(dāng)單片機(jī)送出一個(gè)代碼時(shí)，盡管每個(gè)顯示管的陰極都收到了此代碼，但是位碼中只有一位為低電平，所以只有一個(gè)管子的相應(yīng)段得到導(dǎo)通而顯示數(shù)字，其他管子并不發(fā)光。此通道和3位驅(qū)動(dòng)器稱(chēng)為段控制通道。，如果單片機(jī)往控制通道連續(xù)送3個(gè)數(shù)字，并且依次往位控制通道發(fā)出3個(gè)位掃描代碼，每個(gè)掃描中，對(duì)應(yīng)于

55、要顯示的位0其余為一，這樣便可以在3個(gè)LED上顯示出3位十六進(jìn)制數(shù)字。利用眼睛的視覺(jué)慣性，當(dāng)采用一定的頻率不斷地往3個(gè)LED輸送顯示碼和掃描代碼時(shí)，從顯示管上便可以見(jiàn)到相當(dāng)穩(wěn)定地?cái)?shù)字顯示。5.4 顯示電路圖圖2.18 顯示電路圖 5.5單片機(jī)軟件流程上電初始化CPU開(kāi)中斷INT1開(kāi)中斷P1.3置位P1.3清零等待INT1中斷將07H送P1口延時(shí)1ms將01H送P1口INT0開(kāi)中斷等待INT0中斷INTO關(guān)中斷讀取U2、U3所記數(shù)據(jù)，計(jì)算時(shí)間t計(jì)算s=1/2vt顯示s數(shù)值圖2.19 超聲波測(cè)距裝置軟件流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化控制鍵按下？調(diào)測(cè)溫子程序調(diào)測(cè)距子程序YN圖2.20 主程序軟件流程圖測(cè)量子程

56、序開(kāi)始調(diào)用發(fā)射超聲波子程序觀察接受輸入，并進(jìn)行時(shí)間測(cè)量接受脈沖到來(lái)，測(cè)量結(jié)束返回圖2.21 測(cè)量子程序軟件流程圖提高部分在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，由于反射超聲波接收時(shí)的信號(hào)幅度與反射物體離接收傳感器的距離遠(yuǎn)近有關(guān)，一般相差幾十分貝。為了提高超聲波測(cè)距圍，需要對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行變?cè)鲆娣糯?，以滿(mǎn)足后續(xù)信號(hào)處理的需要。本部分作為論文的提高部分，在已有的理論基礎(chǔ)上對(duì)接收電路添加了由AD603可變?cè)鲆娣糯笃鹘Y(jié)合簡(jiǎn)單的AGC控制電路，AGC電路是一種在輸入信號(hào)幅度變化很大的情況下，使輸出信號(hào)幅度保持恒定或僅在較小圍變化的自動(dòng)控制電路。AGC的基本原理是產(chǎn)生一個(gè)隨輸入電平而變化的直流AGC電壓，利用AGC電壓去控制某些放大部件(如中放)的增益，使接收機(jī)總增益按照一定規(guī)律而變化。AGC電路主要由控制電路和被控電路兩部分組成?？刂齐娐肪褪茿GC直流電壓的產(chǎn)生部分，被控電路的功能是按照控制電路所產(chǎn)生的變化著的控制電壓來(lái)改變接收機(jī)的增益。從而達(dá)到對(duì)