O 引言

　　超聲波" title="超聲波">超聲波是一種頻率在20KHz以上的機(jī)械波,，在空氣中的傳播速度約為340 m／s(20°C時(shí))。超聲波可由超聲波傳感器產(chǎn)生,，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產(chǎn)生超聲波,，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器,。由于超聲波具有易于定向發(fā)射,，方向性好，強(qiáng)度好控制,，對(duì)色彩,、光照度不敏感，反射率高等特點(diǎn),，因此被廣泛應(yīng)用于無(wú)損探傷,，距離測(cè)量、距離開(kāi)關(guān),、汽車(chē)倒車(chē)防撞,、智能機(jī)器人等領(lǐng)域。

　　1 系統(tǒng)原理框圖

　　本設(shè)計(jì)的整體框圖如圖1所示,，主要由超聲波發(fā)射,，超聲波接收與信號(hào)轉(zhuǎn)換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成,。超聲波測(cè)距" title="測(cè)距">測(cè)距是通過(guò)不斷檢測(cè)超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波,，從而測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差T，然后求出距離S=CT／2,，式中的C為超聲波波速,。在常溫下，空氣中的聲速約為340m／s,。由于超聲波也是一種聲波,，其傳播速度C與溫度有關(guān)，在使用時(shí),，如果溫度變化不大,，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。因本系統(tǒng)測(cè)距精度要求很高,，所以通過(guò)對(duì)溫度的檢測(cè)對(duì)超聲波的傳播速度加以校正,。超聲波傳播速度確定后，只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間,，如圖2所示,，即可求得距離,。這就是超聲波測(cè)距系統(tǒng)的基本原理。

　　2 超聲波信號(hào)的發(fā)射與接收電路

　　發(fā)射部分電路如圖3所示,，主要由脈沖調(diào)制" title="脈沖調(diào)制">脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路,，隔離電路以及驅(qū)動(dòng)電路組成，用來(lái)為超聲波傳感器提供發(fā)送信號(hào),。脈沖調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路中通過(guò)單片機(jī)對(duì) 555定的復(fù)位(RESET)端的控制,，使555定時(shí)器分時(shí)工作從而生產(chǎn)生脈沖頻率為40KHz，周期為30ms的脈沖調(diào)制信號(hào),，信號(hào)波形如圖2所示,，本設(shè)計(jì)中一個(gè)周期內(nèi)發(fā)送10個(gè)脈沖信號(hào)。隔離電路主要是由兩個(gè)與非門(mén)組成,，對(duì)輸出級(jí)與脈沖產(chǎn)生電路之間進(jìn)行隔離,。輸出級(jí)由兩個(gè)通用型集成運(yùn)放TL084CN 組成，由于超聲波傳感器的發(fā)射距離與其兩端所加的電壓成正比,，因此要求電路要產(chǎn)生足夠大的驅(qū)動(dòng)電壓,，其基本原理就是一個(gè)比較電路，當(dāng)輸入信號(hào) Vi>2．5V時(shí),，運(yùn)放A的輸出電壓VA=+12V,，運(yùn)放B的輸出電壓VB=-12V，當(dāng)輸入信號(hào)Vi<2．5V時(shí),，運(yùn)放A的輸出電壓 VA="-12V",，運(yùn)放B的輸出電壓VB=+12V，所以在超聲傳感器兩端得到兩個(gè)極性完全相反的對(duì)稱波形,，即VB=-VA,，所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA，其兩端的電壓可達(dá)到24V,，從而保證超聲波能夠發(fā)送較遠(yuǎn)的距離，提高了測(cè)量量程,。

　　接收部分的電路由放大電路,，帶通濾波電路以及信號(hào)變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示,。由于超聲波信號(hào)在空氣中傳播時(shí)受到很大程度的衰減,，所以反射回的超聲波信號(hào)非常的微弱，不能直接送到后級(jí)電路進(jìn)行處理,，必須將信號(hào)放大到足夠的幅度,，才能使后級(jí)電路對(duì)它進(jìn)行正確的處理。前置放大電路是由集成運(yùn)放組成的自舉式同相交流放大電路,，具有很高的輸入阻抗,，C5，C6,，C7為隔直電容,，R5，R6,，R7為偏置電阻,，用來(lái)設(shè)置放大器的靜態(tài)工作點(diǎn)。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器,，用于消除超聲波傳播過(guò)程中受到的干擾信號(hào)的影響,。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路，圖中RW,，C10組成低通濾波網(wǎng)絡(luò),，C9和R12組成高通濾波網(wǎng)絡(luò)，兩者串聯(lián)組成了帶通濾波電路,。集成運(yùn)放和電阻R9,，RlO一起組成同相比例放大器，為了使電路能夠穩(wěn)定工作,，必須保證同相比例放大器的增益AV<3,，帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz，電路參數(shù)可通過(guò)AV=1+R9／R10和ω0=1／R12C2(1／RW+1／R13)確定,。經(jīng)過(guò)帶通濾波后的信號(hào)經(jīng)專用儀表放大器AD620進(jìn)行放大,，然后送到信號(hào)變換電路，信號(hào)變換電路主要將接收到的包絡(luò)信號(hào)變換成單片機(jī)的中斷觸發(fā)信號(hào),。由包絡(luò)檢波電路,，電壓比較器和RS觸發(fā)器組成。包絡(luò)檢波電路由二極管D3,，電阻R19,，和電容C13組成。經(jīng)過(guò)包絡(luò)檢波得到的信號(hào)如圖6中的V2所示,。電壓比較器由集成運(yùn)放和電容電阻組成,，為了消除發(fā)送探頭的干擾信號(hào)，我們將單片機(jī)P1．2輸出的信號(hào)加到電壓比較器的同相端,，它的波形是250μs的高電平,，和29750μs低電平的方波，通過(guò)二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離,。當(dāng)P1．2輸出高電平時(shí),，通過(guò)二極管對(duì)電容C14充電，由于二極管是正向?qū)ǖ?，所以充電很快,，?dāng)P1．2輸出為低電平時(shí),，二極管反向截止，電容通過(guò)電阻RW和R21放電,，由于總電阻比較大,，所以放電很緩慢，波形如圖6中V3所示,，從圖中可看出,，在沒(méi)有收到返回信號(hào)時(shí)，比較器輸出高電平,，如果收到返回信號(hào),，比較器便輸出低電平，輸出波形如圖6中Vo所示,，通過(guò)這種方法就可以消除發(fā)射探頭對(duì)反射回的信號(hào)的干擾,。

 　　電壓比較器的輸出信號(hào)送到基本RS觸發(fā)器用于產(chǎn)生單片機(jī)所需的中斷信號(hào)?；綬S觸發(fā)器由與非門(mén)組成,，同時(shí)由單片機(jī)進(jìn)行控制，如圖6所示,。在發(fā)送端發(fā)送超聲波信號(hào)時(shí),，P1．2輸出高電平，經(jīng)過(guò)反相器后,，變?yōu)榈碗娖郊拥接|發(fā)器的R端,，因?yàn)闆](méi)收到反射信號(hào)之前，電壓比較器輸出為高電平,，所以基本RS觸發(fā)器的輸入分別為,，R=O，S=l,，為0態(tài),，即Q=0，Q=1,，Q的信號(hào)加到單片機(jī)的中斷輸入端,，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的中斷為下降沿觸發(fā)，輸入為高電平,，不產(chǎn)生中斷。當(dāng)發(fā)送完畢時(shí),，P1．2輸出低電平,，經(jīng)反相器，變?yōu)楦唠娖剿偷接|發(fā)器的R端,，沒(méi)有收到反射回的信號(hào)時(shí),，電壓比較器輸出仍為高電平,，所以基本RS觸發(fā)器的 R="1"，S=1,，為保持狀態(tài),，即Q=1，Q=0,，也不產(chǎn)生中斷,。當(dāng)接收到反射回的信號(hào)時(shí)，電壓比較器輸出低電平,，因此,，基本RS觸發(fā)器的輸入端 R="1"，S=0,，觸發(fā)器工作在0態(tài),，即Q=O，Q=1,。單片機(jī)的中斷輸入端的電平由高電平變?yōu)榈碗娖?，從而使單片機(jī)產(chǎn)生中斷。

　　3 單片機(jī)外圍電路原理圖

　　單片機(jī)的外圍電路圖如圖7所示,，顯示電路由單片機(jī)控制七段數(shù)碼管進(jìn)行顯示,，采用數(shù)字溫度傳感器DS18820對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，從而對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償,，提高測(cè)量精度,。兩個(gè)按鍵用于控制測(cè)量的開(kāi)始與停止以及距離與溫度顯示的切換。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分,，主程序,，定時(shí)中斷程序和外部中斷程序，流程圖如圖7所示,。

　　5 結(jié)論

　　本系統(tǒng)由于發(fā)射功率和超聲波發(fā)射探頭的原因,，測(cè)量距離在10cm到500cm之間，在近距離測(cè)量和遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)存在誤差較大,，在50cm和200cm之間測(cè)量時(shí)精度最好,，誤差不大于1cm。在本設(shè)計(jì)中由于超聲波發(fā)射周期為10個(gè)25μs 的方波,，因此發(fā)射時(shí)間為T(mén)=250μs,，已知常溫下聲速C為340m／s，可知S=CT／2=250μs／2=8．5cm,，因此確認(rèn)測(cè)距盲區(qū)為9cm,。即當(dāng)測(cè)量距離小于9cm時(shí)不能正確測(cè)量。