基于單片機(jī)的超聲測距儀設(shè)計(jì)通信工程畢業(yè)論文

1、中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書基于單片機(jī)的超聲測距儀設(shè)計(jì)學(xué)院.信息與通信工程學(xué)院專業(yè)：通信工程指導(dǎo)教師：丁永紅學(xué)生姓名:學(xué)號:2012年6月基于單片機(jī)的超聲測距儀設(shè)計(jì)摘要隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在測距儀中的應(yīng)用越來越廣。超聲測距 儀作為一種新型的非常重要有用的工具在各方面都將有很大的發(fā)展空間，它將朝 著更加高定位高精度的方向發(fā)展，以滿足日益發(fā)展的社會需求。查閱大量資料了解了超聲測距儀研究的目的和意義及國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，通 過對超聲傳感器的工作原理及特性的研究，以空氣中超聲波的傳播速度為確定條 件，利用發(fā)射超聲波與反射回波時(shí)間差來測量待測距

2、離，完成了超聲測距儀的硬 件和軟件的設(shè)計(jì)，硬件電路主要包括發(fā)射電路、接收電路、前置放大電路、比較 檢測電路，實(shí)現(xiàn)了短距離的超聲波測距。關(guān)鍵詞：超聲波，單片機(jī)，超聲傳感器Microcontroller-based design of the ultrasonic range finderAbstractWith the rapid developme nt of scie nee and tech no logy, ultraso und will be more widely applied in the range fin der. Ultras on ic range fin der as

3、 a n ew, very importa nt and useful tool in every respect, there will be much room for developme nt, it will be the direct ion of more high positi oning precisi on to meet the grow ing n eeds of the com mun ity.Lot of information to understand the purpose and significance of the ultrasonic range fin

4、 der research and developme nt at home and abroad, the work ing prin ciple and characteristics of the ultrasonic sensor, ultrasonic propagation velocity of the air to determine the conditions for use of transmission ultrasound and is reflected backwave time to measure the test dista nce to complete

5、the ultras onic range fin der hardware and software design, hardware circuit includes a transmitter circuit and receiver circuit, the preamplifier circuit, comparison detection circuit, a short distance of the ultrasonic ranging.Keywords : Ultrasound,MCU,Ultrasonic sensors中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第II頁，共H頁中北大

6、學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第II頁，共H頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第I頁，共H頁目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1 緒論 1課題研究目的意義 1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 1課題內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo) 5論文結(jié)構(gòu)安排 5 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 2超聲波測距簡介 6超聲波和超聲波傳感器 6超聲波 6超聲波傳感器結(jié)構(gòu) 8超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇 10超聲測距儀原理及測量方法 11超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)論述 12工作頻率 12指向角介紹 13溫度介紹 13發(fā)射

7、脈沖寬度介紹 13 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3超聲測距儀硬件設(shè)計(jì) 14總體設(shè)計(jì) 14發(fā)射電路設(shè)計(jì) 14發(fā)射電路的方案論述 14發(fā)射電路 15分析計(jì)算 16接收電路設(shè)計(jì) 17前置放大電路 17比較檢測電路 21顯示電路 21超聲波距離探測器總體電路 21超聲測距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié) 22總體電路設(shè)計(jì) 23 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 4超聲測距儀軟件設(shè)計(jì) 24軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì) 24軟件設(shè)計(jì)原理 24軟件總體設(shè)計(jì) 25測距儀單片機(jī)主程序 25測距儀子程序 27超聲波發(fā)射子程序 27距

8、離計(jì)算 28比較程序 30乘法計(jì)算程序 30外部中斷子程序 31定時(shí)器中斷子程序 32 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 附錄超聲測距儀設(shè)計(jì)電路圖 33 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 總結(jié) 34 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 參考文獻(xiàn) 35 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 致謝 37中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁1緒論課題

9、研究目的意義隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，超聲波將在傳感器中的應(yīng)用越來越廣。在人類文 明的歷次產(chǎn)業(yè)革命中，傳感技術(shù)一直扮演著先行官的重要角色，它是貫穿各個(gè)技 術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，在人們可以想象的所有領(lǐng)域中，它幾乎無所不在。傳 感器是世界各國發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)之一，在各國有關(guān)研究、生產(chǎn)、應(yīng)用部門的共同 努力下，傳感器技術(shù)得到了飛速的發(fā)展和進(jìn)步。但就目前技術(shù)水平來說，人們可 以具體利用的傳感技術(shù)還十分有限，因此，這是一個(gè)正在蓬勃發(fā)展而又有無限前 景的技術(shù)及產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。超聲波測距與其它非接觸式的檢測方式方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法它 不受光線，被測對象顏色，電磁干擾等影響。超聲波對于被測物體處于黑暗，有

10、灰塵，煙霧，電磁干擾，有毒等惡劣的環(huán)境有一定的適應(yīng)能力2。因此在液位測量，機(jī)械手控制，車輛自動(dòng)導(dǎo)航，物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特別是應(yīng)用于空 氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結(jié)構(gòu)信息很 容易檢測出來，具有很高的分辯力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法高，而且超聲波 傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單，體積小，信號處理可靠等特點(diǎn) 。超聲波是一種指向性強(qiáng)，能量消耗慢的波。它在介質(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，可解決超長度的測量。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?、反射、?射、干涉、衍射、散射與物理緊密聯(lián)系，應(yīng)用靈活。并且更適合與高溫、高粉塵、 高濕度

11、和高強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下工作。超聲波可用于非接觸測量，具有不受光、電磁波以及粉塵等外界因素的干擾 的優(yōu)點(diǎn)，是利用計(jì)算超聲波在被測物體和超聲波探頭之間的傳輸來測量距離的， 對被測目標(biāo)無損害。而且超聲波傳播速度在相當(dāng)大范圍內(nèi)與頻率無關(guān)。超聲波 的這些獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視。國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀社會在進(jìn)步，隨著經(jīng)濟(jì)生活的發(fā)展，隨著人們生活水平的提高，在當(dāng)今社會, 車輛已經(jīng)逐漸成為了人們?nèi)粘Ｉ钪兄陵P(guān)重要的一部分，我們知道我們越來越離 不開汽車了，以車代步已經(jīng)成為生活的一部分。關(guān)于汽車的各種新技術(shù)也層出不 窮，但是放眼望去，絕大多數(shù)的廠家和研究機(jī)構(gòu)的研究方向過多的集中在了設(shè)備 本來已經(jīng)相當(dāng)高級的車上

12、。而在平日的生活當(dāng)中我經(jīng)常會遇到這樣的問題，如來 到一個(gè)大型的停車場，要來購物或者有非常著急的事情，但是卻往往找不到要停 車的位置。然而現(xiàn)在通常在有的有顯示空車位停車場當(dāng)中又不能智能引導(dǎo)汽車 走到空著的車位。在這種特殊的情況下，有通常會發(fā)生各種各樣棘手問題而束手 無策，譬如：有很多車會堵在停車場門口處，又譬如浪費(fèi)了很長時(shí)間找到車位又 被其他車輛所占據(jù)，會導(dǎo)致打架的事情，直接導(dǎo)致家用車貨車的擱淺，引起極大 的不便。再如長時(shí)間駕駛后在沒有需要的停車位置的情況下停車休息，由于極度 疲勞導(dǎo)致的貴重錢物丟失現(xiàn)象以及大型長途貨車在停車場門口馬路很窄的情況下 由于很多待于停車的車輛堵車引起的倒車不便等等。針

13、對這些具體而實(shí)際的問題 提出解決方案，節(jié)約資源時(shí)間，所以我們做一個(gè)智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)更具有現(xiàn)實(shí)意 義。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展，測距與識別問題在工業(yè)中變得十分重要。 例如，傳統(tǒng)的如鋼卷尺接觸式測量儀器在測量一定距離時(shí)，這種儀器對高于3m的頂板安設(shè)困難，且測量不準(zhǔn)確；對于橫向變形量的測量，若安設(shè)于兩側(cè)之間， 則妨礙人、車來往，如果不固定安設(shè)裝，則測量精度很低，難以監(jiān)測微小變形。 在自動(dòng)化裝配、檢測、分類、加工與運(yùn)輸?shù)冗^程中，要對隨意放置的工件進(jìn)行作 業(yè)，這就必須對工件的位置、形狀、姿勢、種類自動(dòng)地進(jìn)行判別，尤其在在工件 運(yùn)輸過程中進(jìn)行識別，則問題更為復(fù)雜與困難，因此人們急切需要各種非接觸式

14、的測距儀。我們目前的非接觸式測距儀常采用超聲波、激光和雷達(dá)，紅外線等。但激光 和雷達(dá)測距儀造價(jià)偏高，紅外線測量距離又太短，不利于廣泛的普及應(yīng)用，在某 些應(yīng)用領(lǐng)域有其局限性，相比之下，超聲波方法具有明顯突出的優(yōu)點(diǎn)：對于設(shè)計(jì)停車場來說，超聲波的傳播速度僅為光波的百萬分之一，并且指 向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，因此可以直接測量較近目標(biāo)的距離，很合適；針對停車場停車當(dāng)中有的車有天窗，是玻璃或其他透明物質(zhì)制的。超聲波對色彩、光照度不敏感，可適用于識別透明、半透明及漫反射差的物體（如玻璃、拋光體）；3停車場應(yīng)該是日夜工作的，超聲波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

15、；4超聲波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、費(fèi)用低、信息處理簡單可靠，易于小型 化與集成化，并且可以進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。因此，超聲波方法作為非接觸檢測和識別的手段， 已越來越引起人們的重視 在機(jī)器人避障、導(dǎo)航系統(tǒng)、機(jī)械加工自動(dòng)化裝配及檢測、自動(dòng)測距、無損檢測、 超聲定位、汽車倒車、工業(yè)測井、水庫液位測量等方面已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)是近年來隨著汽車在生活中的普及而發(fā)展起來的一個(gè)研究 熱點(diǎn)。有效的車輛探測裝置對智能車輛引導(dǎo)系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)計(jì)起著至關(guān)重要的作用。超聲傳感器是一種將其他形式的能轉(zhuǎn)變?yōu)樗桀l率的超聲能或是把超聲能轉(zhuǎn)變同 頻率的其他形式的能的器件9 0超聲檢測的原理主要是利用超聲波作為載體，即通過

16、超聲在媒質(zhì)中的傳播、 散射、吸收、波形轉(zhuǎn)換等，提取反映媒質(zhì)木身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，達(dá)到檢測 媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。我國無損檢測技術(shù)是 從無到有，從低級階段逐漸發(fā)展到應(yīng)用普及的現(xiàn)階段水平。超聲波檢測儀器的研 制生產(chǎn)，也大致按此規(guī)律發(fā)展變化10 0五十年代，我國開始從國外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。如 英國的UCT-2超聲波檢測儀，重達(dá)24Kg，各單位積極開展試驗(yàn)研究工作，在一 些工程檢測中取得了較好的效果。五十年代末六十年代初，國內(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型非金屬超聲檢測儀，也是電子管式， 儀

17、器重約20Kg，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，因無損檢測技術(shù)仍處于試驗(yàn)階段， 未推廣普及，所以儀器沒有多大發(fā)展，仍使用電子管式的UCT-2, CTS-10型儀器。1976年，國家建委科技司主持召開全國建筑工程檢測技術(shù)交流會后，國家建委將混凝土無損檢測技術(shù)列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目，組織全國6個(gè)單位協(xié)作攻關(guān)。從此,無損檢測技術(shù)開始進(jìn)入有計(jì)劃，有目的的研究階段。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展， 半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術(shù)的推廣普及。如羅馬 尼亞N2701型超聲波測試儀，是由晶體管分立元件組成，具有波形和數(shù)碼顯示， 儀器重

18、量10Kg。七十年代，英國 CN.S公司推出僅有 3.5Kg重的PLJNDIT便攜 式超聲儀11。1978年10月，中國建筑科學(xué)院研制出JC-2型便攜式超聲波檢測儀。該儀器 采用TTL線路，數(shù)碼顯示，儀器重量為 5Kg。同期研制出的超聲檢測儀器還有 SC-2型，CTS-25型，SYC-2型超聲波檢測儀。從此，我國有了自己生產(chǎn)的超聲 波儀器，為推廣一應(yīng)用無損檢測技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。隨著檢測技術(shù)研究的不 斷深入，對超聲檢測儀器的功能要求越來越高，單數(shù)碼顯示的超聲檢測儀測讀會 帶來較大的測試誤差。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、記錄、存儲、數(shù)據(jù)處理

19、與分析等多項(xiàng)功能的智 能化檢測分析儀相繼研制成功。超聲儀研制呈現(xiàn)一派繁榮景象12。其數(shù)字和波形都比較清晰穩(wěn)定，操作簡單，可靠性高，具有斷電存儲功能， 其串口可以方便用戶對儀器的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理及有關(guān)程序的開發(fā)。與國內(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，達(dá)到 了國際先進(jìn)水平。目前，計(jì)算機(jī)市場價(jià)格大幅度下降，采用非一體化超聲波檢測儀器，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)。高智能化檢測儀器只能 滿足檢測條件，使用環(huán)境，重復(fù)性測試內(nèi)容等基木情況一樣，才可充分發(fā)揮其特 有功能

20、。儀器設(shè)計(jì)也應(yīng)從實(shí)際情況出發(fā)，才能滿足用戶的要求13。綜上所述，我國超聲波儀器的研制與生產(chǎn)，有較大發(fā)展，有的型號已超過國外同類儀器水平目 前常用的超聲傳感器有兩大類，即電聲型與流體力型。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)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，例如在超聲檢測和診斷中習(xí)慣上都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”14。電子測距儀要求測量范圍在0.105.00m，測量精度1cm,測量時(shí)與被測物體無直接接觸，能夠清晰穩(wěn)定地 顯示測量結(jié)果。由于超

21、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)， 公式L=( t/2)*C簡單易算，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位 測量儀等都可以通過超聲波來實(shí)現(xiàn)。超聲波測距器，可以應(yīng)用于汽車倒車、建筑 施工工地以及一些工業(yè)現(xiàn)場的位置監(jiān)控，也可用于液位、井深、管道長度的測量 等場合15 o利用超聲波檢測往往比較迅速、 方便、計(jì)算簡單、易于做到實(shí)時(shí)控制, 并且在測量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。所以就順其自然的選擇用超聲波探 測儀來進(jìn)行探測停車位是否有車了。課題內(nèi)容及預(yù)期目標(biāo)本文在理論方面對超聲測距實(shí)際方案做了深入研究，在此基礎(chǔ)上，以Atmel89C51單片機(jī)為核心，采用40KHz壓電超聲傳感

22、器完成超聲測距儀的設(shè)計(jì)。 在軟件上，獨(dú)特的采用了每次開機(jī)時(shí)進(jìn)行初始化，將第一次的測量距離放入單片 機(jī)內(nèi)的某個(gè)單元。在以后的測量中，始終以初始化后存于內(nèi)存中的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)來 進(jìn)行比較，判斷車位是否有車。若相差較大則有車，否則無車。論文結(jié)構(gòu)安排第一章，緒論。介紹課題研究的意義及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀等內(nèi)容。第二章，超聲波測距簡介。介紹超聲波測距儀的原理綜述及傳感器的參數(shù)選 擇。第三章，超聲測距儀硬件設(shè)計(jì)。介紹超聲波測距儀的總體硬件設(shè)計(jì)，和各部 分電路的組成。第四章，超聲測距儀軟件設(shè)計(jì)。介紹超聲波測距儀的軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè) 計(jì)、單片機(jī)主程序及各子程序代碼。2超聲波測距簡介超聲波和超聲波傳感器超聲波超聲波及超

23、聲波波形的介紹在科學(xué)史上，人們很久以前對聲音信號就有了認(rèn)識，我們生活的世界充滿了 各種可聽的聲信號。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(shí)期， 在樂律和樂器的研究方面，對聲學(xué)的發(fā)展作出了重要的貢獻(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。然而超聲波人們發(fā)現(xiàn)的就相對晚一點(diǎn)了。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(dòng)物時(shí)，才推測自然界中存在超聲。我們知道以前在物理課中學(xué)過，人們可聽到的聲音頻率為20HZ-20KHz即為可聽聲波，超出頻率范圍的聲音，即20Hz以下的聲音稱為低頻聲波，頻率高于人 類聽覺上限頻率（約20KHz）的聲波，稱為

24、超聲波，或稱超聲。聲波的速度越高， 越與光學(xué)的某些特性如發(fā)射定律、折射定律相似。由于聲源在介質(zhì)中施力方向與 波在介質(zhì)中傳播方向不同，聲波的波形也不同。一般有以下幾種：（1）縱波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與傳播方向一致的波，稱為縱波。它能在固體、液體和氣體中 傳播。（2）橫波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與傳播方向相垂直的波，稱為橫波。它只能在固體中傳播。（3）表面波質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨著深度的增加而迅速地衰減，稱為表面波。表面波只在固體地表面?zhèn)鞑?。反射與折射當(dāng)聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)時(shí)，在兩介質(zhì)的分界面上，一部分能量 反射回原介質(zhì)的波稱為反射波；另一部分則透過分界面，在另一介質(zhì)能繼續(xù)傳播

25、的 波稱為折射波，如圖2.1所示。圖2.1波的反射與折射原理圖其反射與折射滿足如下規(guī)律：反射定律入射角a的正弦與反射角a 的正弦之比，等于波束之比。當(dāng)入射波和反射波的波形一樣時(shí)，波速一樣，入射角a即等于反射角a o折射定律入射角a的正弦與折射角B的正弦之比，等于入射波中介質(zhì)的波速V,與折射波中介質(zhì)的波速V2之比，即sin a Visin B v2(2 i)反射系數(shù)當(dāng)聲波從一種介質(zhì)向另一種介質(zhì)傳播時(shí)，因?yàn)閮煞N介質(zhì)的密度不同和聲速在其 中傳播的速度不同，在分界面上聲波會產(chǎn)生反射和折射，反射聲強(qiáng)IR與入射聲強(qiáng)I0之比，稱為反射系數(shù)，反射系數(shù)R的大小為(2.2)I IRZ2 COSa - Z!COSB

26、 2R ()IoZ2 COS a +ZQOSB式中:IR為反射聲強(qiáng);I0為射聲強(qiáng);Z1為第一介質(zhì)的聲阻抗;Z2為第二介質(zhì)的聲 阻抗。在聲波垂直入射時(shí)，a =B =0,上式可化簡為：(2.3)若聲波從水中傳播到空氣，在常溫下它們的聲阻抗約為Z1=1.44*106， 中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁Z2=4*102,，代入上式則得 R=0.999。這說明當(dāng)聲波從液體或固體傳播到氣體， 或相反得情況下，由于兩種介質(zhì)得聲阻抗相差懸殊，聲波幾乎全部被反射。聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)會被吸收而衰減，氣體吸收最強(qiáng)而衰減最大，液體其次，固體吸收

27、最小而衰減最小，因此對于一給定強(qiáng)度的聲波，在氣體中傳播的距 離會明顯比在液體和固體中傳播的距離短。另外聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度 還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大，因此超聲波比其他聲波在 傳播時(shí)的衰減更明顯。衰減的大小用衰減系數(shù)a表示，其單位為dB/m,通常用10-3dB/mm表示。在一般探測頻率上，材料的衰減系數(shù)在一到幾百之間，如水及 其他衰減材料a為(1-4)*l03dB/mm。假如a為1dB/mm,則聲波穿透Imm距離時(shí)， 衰減為10%穿透20mm距離時(shí)，衰減為90%超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波為直線傳播方式，頻率越高，繞射能力越弱，但反射能力越強(qiáng)，為此，利用超聲波的這種性質(zhì)就

28、可制成超聲波傳感器。它是一種將其他形式的能轉(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。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 聲波檢測裝置的重要組成部分。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。屬于晶體的 如石英，妮酸鏗等，屬于壓電陶瓷的有錯(cuò)欽酸鉛，欽酸鋇等。其具有下列的特 性：把這種材料置于電場之中，它就產(chǎn)生一定

29、的應(yīng)變；相反，對這種材料施以外力，則由于產(chǎn)生了應(yīng)變就會在其內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電場。所以，只要對這種材 料加以交變電場，它就會產(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。傳感器的主要組成部分是壓電晶片，當(dāng)壓電晶片受發(fā)射電脈沖激勵(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，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

30、應(yīng)，就會使壓電陶瓷晶 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兒交流電壓，它就會 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。圖2.2雙壓電晶片示意圖雙壓電晶片如圖2.2所示，當(dāng)在AB間施加交流電壓時(shí)，若A片的電場方向與極化方向相同，則下面的方向相反，因此，上下一伸一縮，形成超聲波振動(dòng)。圖2.3雙壓電晶片的等效電路雙壓電晶片的等效電路

31、如圖2.3所示，C0為靜電電容，R為陶瓷材料介電損 耗并聯(lián)電阻0和Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感，Rm為損耗串聯(lián)電阻。壓電陶 瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率兒。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。中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁屏験柵圖2.4超聲波傳感器結(jié)構(gòu)超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)如圖2.4所示，它采用雙晶振子，即把雙壓電陶瓷片以 相反極

32、化方向粘在一起，在長度方向上，一片伸長另一片就縮短。在雙晶振子的 兩面涂敷薄膜電極，其上面用引線通過金屬板 （振動(dòng)板）接到一個(gè)電極端，下面用 引線直接接到另一個(gè)電極端。雙晶振子為正方形，正方形的左右兩邊由圓弧形凸 起部分支撐著。這兩處的支點(diǎn)就成為振子振動(dòng)的節(jié)點(diǎn)。金屬板的中心有圓錐形振 子，發(fā)送超聲波時(shí)，圓錐形振子有較強(qiáng)的方向性，因而能高效率地發(fā)送超聲波 接收超聲波時(shí)，超聲波的振動(dòng)集中于振子的中心，所以能產(chǎn)生高效率的高頻電 壓。2.1.3超聲波傳感器的主要參數(shù)介紹及選擇主要參數(shù)（1）中心頻率中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶 片的中心頻率時(shí)，輸出能量最大，傳感器的

33、靈敏度最高。中心頻率最高，測距越 短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有有30KHz 40KHz 75KHz200KHz 400KHZ等。（2）靈敏度靈敏度的單位是分貝（dB），數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。（3）指向角指向角是超聲波傳感器方向性的一個(gè)參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。（4）工作溫度工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫 度。以石英晶片為例，當(dāng)溫度達(dá)到 +290C時(shí)靈敏度可降低 6% 一旦達(dá)到居里溫 度點(diǎn)（-573 C ），就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工 作溫度不高，在-20 C一 +70

34、C溫度范圍內(nèi)可以長期工作。治療用的超聲波傳感器 溫度較高，必須采取冷卻降溫措施9。超聲傳感器的選擇超聲波傳感器有多種結(jié)構(gòu)形式，可分成直探頭（接收縱波）、斜探頭（接收橫波）、表面波探頭（接收表面波）、收發(fā)一體式探頭、收發(fā)分體式雙探頭等。超聲 波傳感器分通用型、寬頻帶型、耐高溫型、密封放水型等多種產(chǎn)品。一般電子市 場上出售的超聲波傳感器常見的有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種。其中收發(fā)一體 式就是發(fā)送器和接受器為一體的傳感器，即可發(fā)送超聲波，又可接受超聲波；收發(fā)分體式是發(fā)送器用作發(fā)送超聲波，接受器用作接受超聲波。在超聲波測量系統(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，

35、檢測距離越短，分辨力也變高。木文中選用的探 頭是4OKHZI勺收發(fā)分體式超聲傳感器，由一支發(fā)射傳感器UCM-T4C和一支接收傳感器UCM-R4組成，其特性參數(shù)如表2.1所示。表2.1傳感器特性參數(shù)表型號UCM-t40UCM-r40使用方式發(fā)射接收中心頻率401kHz381kHz頻帶寬2 0.5kHz2 0.5kHz聲壓115dBmi n( 0dB=0.02mPa)70dBmi n(0dB=1v/ubar)指向角7580容量2500 25%pf2500 25%pf最大輸入電壓20Vp-p20Vp-p超聲測距儀原理及測量方法超聲測距方法有脈沖回波法、共振法和頻差法。其中脈沖回波法測距最為常中北大學(xué)

36、2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁用，它主要基于超聲測距回波信號的識別，多采用模擬方法，用電路來實(shí)現(xiàn)。TLTL圖2.5超聲測距原理圖如圖2.5所示，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，在空氣中傳播至被測物， 經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時(shí)間，在 己知超聲波聲速獷的前提下，利用：S JvT(2.4)2即可計(jì)算得傳感器與反射點(diǎn)之間的距離 S,測量距離(2.5 )ds2(h)2當(dāng)Sh時(shí)，則dS,即:1d VT2 (2.6 )2.3超聲波測距系統(tǒng)主要參數(shù)論述2.3.1工作頻率空氣中超聲波的衰減對頻率f很敏感，要求合理選擇

37、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。傳感器的上作頻率 是測距系統(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：如果測距的能力要求很大，聲波傳播損失就相對增加，由于介質(zhì)對聲波的 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。工作頻率越高，對相同尺寸的還能器來說，傳感器的方向性越尖銳，測量 障礙物復(fù)雜表面越準(zhǔn)，而且波長短，尺寸分辨率高，“細(xì)節(jié)”容易辨識清楚，因 此從測量復(fù)雜障礙物表面和測量精度來看，工作頻率要求提高。從傳感器設(shè)計(jì)角度看，工作頻

38、率越低，傳感器尺寸就越大，制造和安裝就 越困難。綜上所述，由于木測距儀最大測量量程不大，因而選擇測距儀工作頻率 在40KHN這樣傳感器方I句性尖銳，且避開了噪聲，提高了信噪比，雖然傳播 損失相對低頻有所增加，但不會給發(fā)射和接收帶來困難。2.3.2指向角介紹傳感器的指向角是聲束半功率點(diǎn)的夾角，是影響測距的一個(gè)重要技術(shù)參數(shù)， 記為9，它直接影響測量的分辨率。對圓片傳感器來說，它的大小與工作波長 入，傳感器半徑r有關(guān)。233溫度介紹由2.2可知，聲速的大小線性的決定了測距系統(tǒng)的測量精度?？諝庵袀鞑サ?超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的縱波，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，氣 體反抗壓縮變化力的作用，實(shí)現(xiàn)

39、超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度 受氣體的密度、溫度及氣體分子成份的影響，由于該測距系統(tǒng)用于室內(nèi)測量，且 量程也不大，溫度可以看作定值。在常溫20 C下，聲音在空氣中的傳播速度可依據(jù)上式計(jì)算出為 344m/s。但當(dāng)需要精確確定超聲波傳播速度時(shí)，必須考慮溫 度的影響。2.3.4發(fā)射脈沖寬度介紹發(fā)射脈沖寬度決定了測距儀的測量盲區(qū)，也影響測量精度，同時(shí)與信號的發(fā) 射能量有關(guān)。根據(jù)資料，減小發(fā)射脈沖寬度，可以提高測量精度，減小測量盲 區(qū)，但同時(shí)也減小了發(fā)射能量，對接收回波不利。最終采用短距離（2m內(nèi)）發(fā)射200us（8個(gè)40KHz方波脈沖）發(fā)射脈沖寬度；長距離（2m外）發(fā)射800us（32個(gè)

40、40KHz 脈沖方波）的發(fā)射脈沖寬度，同時(shí)單片機(jī)編程避開盲區(qū)。此時(shí)，從接收回波信號 幅度和測量盲區(qū)兩個(gè)方面來衡量比較適中，并且接收準(zhǔn)確響應(yīng)速度快。然而，在 智能停車場當(dāng)中則選擇800us的脈沖寬度。中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁3超聲測距儀硬件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)計(jì)劃在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)小范圍測距，測試距離約在4米以內(nèi)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。顯 示 電 路圖3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案圖發(fā)射探頭接收探頭由單片機(jī)發(fā)出40KHz的方波信號進(jìn)入超聲波發(fā)射電路，經(jīng)功率放大器放大后 進(jìn)入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭發(fā)射的超聲波在空氣中傳播一段時(shí)間后經(jīng)前方

41、被檢測物體反射回來，由超聲波接收頭接收，超聲波電路中的接收芯片對信號放 大整形，超聲波接收電路接收回波后發(fā)出一個(gè)下拉電平使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序， 在中斷程序中，單片機(jī)從檢測電路讀取數(shù)值并換算成當(dāng)前聲速，應(yīng)用時(shí)差法計(jì)算 所檢測的距離，最后所有的數(shù)據(jù)都在 LED顯示電路上顯示。發(fā)射電路設(shè)計(jì)發(fā)射電路的方案論述為獲得較高的分辨力，發(fā)射電路的設(shè)計(jì)應(yīng)保證發(fā)射的超聲波形有良好的重復(fù) 性。此外，發(fā)射波形應(yīng)盡量單純，即發(fā)射波的發(fā)射頻率應(yīng)近似為統(tǒng)一頻率的振動(dòng) 波，以便于接受時(shí)可以采用濾波器進(jìn)行濾波消除干擾，和每次都接受同樣的振動(dòng) 波峰。以避免超聲波在障礙物表面反射時(shí)造成的各種干擾和損失。由于超聲波是 換能器壓電晶片

42、振動(dòng)附近空氣產(chǎn)生的疏密波，其波形與晶片振動(dòng)規(guī)律相同。發(fā)射 電路的設(shè)計(jì)是否合理直接影響發(fā)射波的功率和重復(fù)性。通常發(fā)射電路按發(fā)射方式 分為：單脈沖發(fā)射、多脈沖發(fā)射和連續(xù)發(fā)射。測距所用超聲波一般都是間斷單脈 沖發(fā)射，每測距一次，發(fā)送、接收一次。間斷地激發(fā)換能器晶片振動(dòng)。此方法測 試距離太近；本系統(tǒng)采用間斷多脈沖發(fā)射，系統(tǒng)自動(dòng)識別被測距離遠(yuǎn)近，設(shè)置發(fā) 射脈沖個(gè)數(shù)。發(fā)射電路發(fā)射電路采用功率放大電路。如圖 3.2功率放大電路的特點(diǎn)功率放大電路的主要任務(wù)是向負(fù)載提供一定的不失真 （或失真較?。┑妮敵龉?率，即不僅要輸出大幅度的信號電壓，同時(shí)還要輸出大幅度的信號電流，通常是 在大信號狀態(tài)下工作，因此，功率放大

43、電路包括著一系列在電壓放大電路上沒有 出現(xiàn)過的特殊問題，這些問題是：（1）要求輸出功率盡可能大為獲得大的功率輸出，要求功放管的電壓和電流都有足夠大的輸出幅度，因 此管子往往在接近極限運(yùn)用狀態(tài)下工作。（2）效率n由于輸出功率大，因此直流電源消耗的功率也大，這就存在一個(gè)效率問題。所謂效率就是負(fù)載得到的有用功率 Po與電源供給晶體管功率Pe的比值，用n表 示。=PE 100%(3.1 )直流電源供給的功率除了一部分變成有用的信號功率以外，剩余部分變成晶 體管的管耗Pc(Pc=Pe-Po)。如果放大器的效率較低，不僅使直流電源的供給功 率增加，而且使晶體管的管耗增大，使功率管發(fā)熱損壞。所以，對于功率放

44、大 器，提高效率也是一個(gè)重要問題。3.2.3分析計(jì)算功率放大電路不可避免會出現(xiàn)交越失真的問題，但是交越失真在本設(shè)計(jì)中不 會產(chǎn)生很大的影響，所以不予考慮。對于這部分電路的分析計(jì)算基本如下：首先計(jì)算輸出功率Po,對于整個(gè)功率放大電路可知：RUI2(3.2)輸出功率Po與輸入電壓U和輸入電流I有關(guān)，就是與激勵(lì)信號有關(guān)系 我們知道最大不失真輸出電壓的有效值為：Vcc-Uces(3.3)最大輸出功率則為:r ( Vcc-Uces)2 Vcc2Po瓦2Rl(3.4)功放管的耐壓降為：Ucemx=2Vcc( 3.5)最大集電極功率損耗為：(3.6)Pt : 0.2R集電極效率:(3.7)JT78.5%4Vc

45、c最大集電極允許電流:(3.8)采用一個(gè)電源的互補(bǔ)對稱電路，由于每個(gè)管子的工作電壓不是原來的Vcc，而是Vcc/2(輸出電壓最大也只能達(dá)到約 Vcc/2)，所有前面導(dǎo)出的計(jì)算公式，只 要用Vcc/2代替其中的Vcc即可。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用實(shí)驗(yàn)室穩(wěn)壓電源12V供電,也可采用獨(dú)立5v電源。選用100uF最大耐壓值為5OV的電解電容，負(fù)載電阻為 45 Q，功放管選用2SC1815 2SA1015兩匹配三極管，其耐壓為50v，大于每管電 源電壓的兩倍即2 X (5/2)=5v ;根據(jù)公式 3-8，管的集電極最大允許電流為150mA大于Vcc = 5/2 =55 mA符合設(shè)計(jì)要求。Rl452 2最大輸出

46、功率為Po=P=密竺1壯70mV所以符合設(shè)計(jì)要求。2R 2漢45概括起來說，功率放大電路就是要在保證晶體管安全運(yùn)用的情況下，獲得盡 可能大的輸出功率、盡可能高的效率和盡可能小的非線性失真。3.3接收電路設(shè)計(jì)接收換能器晶片接收到超聲波垂直作用后，因諧振而形成逐步加強(qiáng)的機(jī)械振 動(dòng)。因壓電效應(yīng)晶片兩面出現(xiàn)交變的等量異號電荷，電荷量很少，只能提供微小 交變電壓信號，而不能提供電流信號。接收換接收電路的任務(wù)是將這一微小交變 電壓信號充分放大，同時(shí)考慮可能出現(xiàn)干擾信號，放大同時(shí)加入濾波電路，驅(qū)動(dòng) 后面的比較器輸出電位跳變，作為確定接收到的時(shí)刻。前置放大電路前置放大電路單元的作用是對有用的信號進(jìn)行放大，并抑

47、制其它的噪聲和干擾，從而達(dá)到最大信噪比，以利于后續(xù)電路的設(shè)計(jì)圖3.3前置放大電路圖考慮到超聲換能器的輸出電阻比較大，因此前置放大器必須有足夠大的輸入 阻抗；同時(shí)，換能器的輸出電壓很小，數(shù)十毫伏，這就要求前置放大電路有很高 的精度、很小的輸入偏置電壓。前置放大電路是由一個(gè)高精度、高輸入阻抗放大 器TL082及電阻U13 U15和U14構(gòu)成，組成一反向比例放大電路，這樣可以減小 地線噪聲的影響。由電路的基本知識，可列出：Uf -U Ii -( 3.9)R2(3.10),u_-u。-_ R3根據(jù)放大器理想化的兩個(gè)重要概念：U=U_-U+ 0,若集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端之間的靜輸入電壓通常接近于零即把它理想

48、化，則有u=o,當(dāng)不是短路，故常稱為虛短。集成運(yùn)方兩輸入端幾乎不取用電流，即凈輸入電流，如把它理想化，則有1=0，但不是斷開，故常稱為虛斷。故可知本電路中：U+=0，U-=U+=0，且IiI-，所以有Uo 3Ui(3.11)R2上式表明，輸出電壓與輸入電壓成比例運(yùn)算關(guān)系，式中的負(fù)號表示U0與Ui反相。電路的電壓放大倍數(shù)為：UoUiR3R(3.12)利用反相比例放大器可實(shí)現(xiàn)對交直流輸入信號的放大，且電路結(jié)構(gòu)簡單，只 需要調(diào)節(jié)U13和U15阻值即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓放大倍數(shù)。圖中運(yùn)放的同相輸入端接 有電阻U14,參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)使兩輸入端外接直流通路等效電阻平衡，即 Rp = &/R3靜態(tài)時(shí)使輸入級偏置電流

49、平衡并讓輸入級的偏置電流在運(yùn)算放大器 兩個(gè)輸入端的外接電阻上產(chǎn)生相等的壓降，以便消除放大器的偏置電流及漂移的 對輸出端的影響，故U14又稱為平衡電阻。根據(jù)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)需要，接收傳感器輸出電壓很小，數(shù)十毫伏，故分別取F2=IK;R3=20OK;R=IK Q,即放大電路將輸入信號放大 200倍。3.3.2帶通濾波電路超聲波接受電路接收的信號中，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，而前端放大電路在放大有用信號的同時(shí)，會將一部分的噪聲 信號同時(shí)放大。于是設(shè)計(jì)出一高品質(zhì)因素的濾波器對于整個(gè)系統(tǒng)十分重要。集成運(yùn)放非常流 行，由它和R、C組成的有源濾波電路，具有不用電感、體積小、重量輕等

50、優(yōu) 點(diǎn)。所以采用有源濾波電路濾除無用的干擾雜波信號。有源濾波電路通?？梢苑譃橐韵聨最悾旱屯V波電路它的功能是通過從零到某一截止角頻率 W的低通信號，而對于大于W的所有 頻率則完成衰減。高通濾波電路它的功能是通過從高于某一角頻率 W的高通信號，而對于低于W的所有頻率 則完成衰減。帶阻濾波電路它的功能是通過從零到某一截止角頻率 Wh的低通信號，和大于WI的所有頻 率信號，其他的完成衰減。帶通濾波電路它的功能是低邊截止角頻率 WI和高邊截止角頻率 Wh之間所有頻率信號通過，其它頻率信號則完成衰減。在本設(shè)計(jì)中我們需要采用帶通濾波濾除除40kHz意外的其他雜波。所以我們采用如下面圖示的有源帶通濾波電路濾

51、除雜波。圖3.4帶通濾波電路為了計(jì)算簡便，設(shè)U12=U8=R U11=2R,C5=C6=J可由KCL列出方程，導(dǎo)出帶通濾波電路的傳遞函數(shù)為：A(s)二AsCR21 (3 -A)sCR (sCR)(3.13)設(shè)A為所要的波，波動(dòng)范圍為3KHz左右。令A(yù)3 A1RC(3.14)本電路要求帶通濾波器的中心頻率 f0=40KHz,設(shè)計(jì)其品質(zhì)因數(shù)Q為3,選用電容為I000PF。根據(jù)(3.23)可得:1w C=4K 11 12二 f0C 2二 40 103 1000 1042帶寬為Bw=3.3KHz根據(jù)(3.13 ) A=8/3,則 A0=8,所以 U9=5/3U10.又因?yàn)?U11=U9/U10=8KD

52、 ,所以可以得出 U10=12.8kQ ,U9=21.3k Q .所以 U12=U8=4灼,U11=8kQ .333 比較檢測電路當(dāng)接收電路經(jīng)過放大濾波后，就需要進(jìn)行檢測，這就需要一個(gè)檢測電路。這 個(gè)部分非常關(guān)鍵，關(guān)系到以后電路是否能正常工作，還決定系統(tǒng)的精度問題。檢 測電路設(shè)計(jì)的要求是保證每次接收信號都能被準(zhǔn)確的鑒別出來，通常利用比較器 將輸入信號與某一固定電平進(jìn)行比較，輸出不同的電平來產(chǎn)生上升或下降沿觸 發(fā)，轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖去觸發(fā)單片機(jī)的外中斷引腳。圖3.5 比較檢測電路由于LM393具有集電極開路輸出的結(jié)構(gòu)，所以在電源與輸出之間，加一上拉 電阻，電容C4起簡單濾波作用。具體設(shè)計(jì)時(shí)考慮到前級

53、放大濾波電路輸出是峰 峰值為5V左右的連續(xù)正弦波信號的疊加，所以分別取U7=20K和U6=1K則參考電壓為 V=VccX U7/(U6+U7)=5X 1/21=238mV;上拉電阻 U4=1K，電容 C=1000pF 當(dāng) 進(jìn)入比較器的輸入信號高于238mv時(shí)，比較器輸出電壓為5V;輸入信號低于238mV 時(shí)，比較器輸出電壓為0V,利用此邊沿跳變來控制單片機(jī)中斷INTO，停止計(jì)時(shí)。3.4 顯示電路本設(shè)計(jì)中的顯示電路以74HC373故驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的接口夠用所以不 必考慮接口問題。竿 毎DpyGreairCA辛 SN4FMD:T5JLEW帶站盅1T 臨 5 4 3I o qqqq-qqqq*

54、1 3MX17 P5J/J13 ayr POP圖3.6顯示模塊本顯示部分的電路設(shè)計(jì)是為了更人性化，例如這個(gè)系統(tǒng)除了為智能停車場服 務(wù)以后,還可將此系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為普通的超聲波距離探測器時(shí)作為測量顯示，只需要 將軟件進(jìn)行重新的編輯即可。3.5超聲波距離探測器總體電路3.5.1超聲測距儀設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)在硬件電路設(shè)計(jì)當(dāng)中我們所用到的元器件如下表3.1所示：表3.1元器件清單元件名稱元件值個(gè)數(shù)電阻1k5三極管2SA10152電阻4k2電阻8k1電解電容10uf/25v1晶振12MHz1瓷片電容30pf2電阻45 Q1-H- UL心片74HC3731單片機(jī)89C511電解電容100uf/50v3瓷片電容1000

55、pf1發(fā)光二極管BT2011接口CON33共陰七段發(fā)光二極管DPY_7-SEG_1-H- UL心片LM393 DP2按鍵開關(guān)SN74061集成運(yùn)放SW-PB2超聲波發(fā)射探頭TL082CP(8)1超聲波接受探頭UCM40-R13.5.2總體電路設(shè)計(jì)通過我們在以上部分中對于超聲波距離探測器的各部分電路設(shè)計(jì)敘述，我們 得到總體電路圖?？傠娐分邪ㄇ爸梅糯箅娐?，帶通濾波電路，比較檢測電路， 發(fā)射電路，必要時(shí)可以加入顯示電路。設(shè)計(jì)詳細(xì)總體電路圖見附錄。4超聲測距儀軟件設(shè)計(jì)4.1軟件設(shè)計(jì)原理及總體設(shè)計(jì)4.1.1軟件設(shè)計(jì)原理在系統(tǒng)硬件構(gòu)架了超聲測距的基本功能之后，系統(tǒng)軟件所實(shí)現(xiàn)的功能主要是 針對系統(tǒng)功能的實(shí)

56、現(xiàn)及數(shù)據(jù)的處理和應(yīng)用。根據(jù)第三章所述系統(tǒng)硬總體設(shè)計(jì)方案 和所完成的功能，系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)以下功能：信號發(fā)射控制在系統(tǒng)硬件中，已經(jīng)完成了發(fā)射電路、接收放大電路、濾波及門限檢測的設(shè) 計(jì)。在系統(tǒng)軟件中，要完成脈沖串的輸出。數(shù)據(jù)存儲處理為了得到發(fā)射信號與接收回波間的時(shí)間差，要讀出此時(shí)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，但 不能作為距離值直接顯示輸出，因?yàn)橛?jì)數(shù)值與實(shí)際的距離值之間轉(zhuǎn)換公式為：S=0.5*V*T=0.5*344*T=172*T，其中，T為發(fā)射信號到接收之間經(jīng)歷的時(shí)間。由于單片機(jī)是按照16進(jìn)制進(jìn)行運(yùn)算，所以得出的S并不能直接顯示，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這個(gè)部分中，信號處理 主要包括計(jì)數(shù)值與距離值換算，以及二進(jìn)制與十進(jìn)

57、制轉(zhuǎn)換。顯示輸出數(shù)據(jù)傳輸與顯示經(jīng)軟件處理得到的距離， 送到與單片機(jī)P0 口用三位LED顯示 輸出。將是否有車的數(shù)據(jù)傳輸出去，給上位機(jī)。在這個(gè)實(shí)物電路中，采用一個(gè)發(fā) 光二極管來代替。中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書ORG 0003H第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書ORG 0003H第 頁，共37頁4.1.2軟件總體設(shè)計(jì)圖4.1主程序流程圖測距儀單片機(jī)主程序本測距儀采用了單片機(jī)89C51來設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，用單片機(jī)匯編語言實(shí)現(xiàn)軟件編 程。整個(gè)系統(tǒng)軟件功能的實(shí)現(xiàn)可以分為主程序、子程序、中斷子程序等幾個(gè)主要 部分組成。整個(gè)系統(tǒng)的控制流程如圖 4-1所示，在初始化以及調(diào)用測距發(fā)射子程 序后打開

58、定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，程序進(jìn)入中斷響應(yīng)的等待。程序初始化過程，主要是定時(shí)器計(jì)數(shù)器工作方式以及初值進(jìn)行設(shè)置，程序如下：VOUT EQU P1.0; 脈沖輸出端口ORG 0000HLJMP START中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書MOV P1, #OFFH第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書MOV P1, #OFFH第 頁，共37頁LJMP PINTOORG OOOBHLJMP INTTOORG OO13HRETIORG OO1BHLJMP INTT1ORG OO23HRETIORG OO2BHRETISTART: MOV SP, #4FHMOV RO, #40H ;4043H為顯示數(shù)據(jù)存

59、放單元（40為最高位）MOV R7,#0BHCLEARDISP:MOV R0, #00HINC RODJNZ R7, CLEARDISPMOV 20H, #00HMOV TMOD, #21H ;T1為8位自動(dòng)重裝模式，TO為16位定時(shí)器MOV THO, #00HMOV TLO, #00H ;40KHz初值MOV TH1, #0F2HMOV TL1, #0F2HMOV P0, #OFFHMOV P2, #OFFH中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁中北大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書第 頁，共37頁MOV P3, #OFFHMOV R4, #04H;超聲波脈沖個(gè)數(shù)控制SETB PX0SE

60、TB ET0STEB EACLR 00HSETB TR0；開啟測距定時(shí)器START1: LCALL DISPLAY1JNB00H, START1 ;收到反射信號時(shí)標(biāo)志位為1CLRELCALLWORK;計(jì)算距離子程序SETBEACLR00HSETBTR0;重新開啟測距定時(shí)器MOV R2, #64H；測量間隔控制（約 4*100=400m9LOOP:LCALL DISPLAY； 可用來顯示DJNZ R2, LOOP；判斷是否顯示完畢SJMP START 1LCALL REMEM;保存第一次的測距數(shù)據(jù)4.3測距儀子程序4.3.1超聲波發(fā)射子程序INTT1:CPL VOUTDJNZ R4,RETIOU