傳感器課程設(shè)計--超聲波測液位電路設(shè)計

1、<p>　　課 程 設(shè) 計</p><p>　　2013年7 月 16日</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p>　　課程 傳感器課程設(shè)計</p><p>　　題目 超聲波測液位電路設(shè)計</p>

2、<p>　　專業(yè) 姓名 學(xué)號 </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　本文主要是針對類似油罐等封閉式液體的液位的測量，采用超聲波作為主要手段。此次設(shè)計采用反射波方式,超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用A

3、T89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。顯示電路采用簡單實用的LED數(shù)碼管。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　通過傳感器原理及相關(guān)電路知道設(shè)計超聲波測液位電路。</p><p>　　設(shè)計電路，并用相關(guān)的軟硬件測出液位。</p><p>

4、　　掌握相關(guān)的傳感器原理及應(yīng)用。</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1]胡平．超聲波測距儀的研制[J].計算機與現(xiàn)代化．2003，10．</p><p>　　[2]時德剛，劉嘩．超聲波測距的研制[J]．計算機測量與控制．2002，10．</p><p>　　[3]華兵．MCS-51

5、單片機原理應(yīng)用[M]．武漢：武漢華中科技大學(xué)出版社．2002，5．</p><p>　　[4]李華．MCU-51系列單片機實用接口技術(shù)[M]．北京：北京航天大學(xué)出版社．1993．</p><p>　　[5]郁有文．傳感器原理及工程應(yīng)用[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社．2000．</p><p>　　完成期限 2013.7.13—2013.7.16 &l

6、t;/p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　專業(yè)負責(zé)人 </p><p>　　2013年 7 月 16 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　超聲波液位測量是一種非接觸式的測量

7、方式,它是利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度相對恒定以及碰到障礙物能反射的原理研制而成的。與其它方法相比(如電磁的或光學(xué)的方法),它不受光線、被測對象顏色的影響，對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此，研究超聲波在高精度測距系統(tǒng)中的應(yīng)用具有重要的現(xiàn)實意義。 </p><p>　　本設(shè)計基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由硬件與軟件兩部分組成，硬件是基于AT89C51芯片為

8、核心的超聲波液位測量，采用AT89C51單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，給出了超聲波發(fā)射和接收電路，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，設(shè)計出了能精確測量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。 并有超聲波處理模塊CX20106A、CD4069組成的超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、單片機復(fù)位電路、LED顯示電路、報警電路等。軟件部分由主程

9、序、預(yù)置子程序、發(fā)射子程序、接收子程序、顯示子程序組成。各探頭的信號經(jīng)單片機綜合分析處理。</p><p>　　最后通過實物的調(diào)試，各項參數(shù)及功能符合設(shè)計要求，能達到預(yù)期的目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機；超聲波；溫度控制；高精度測距</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>

10、;　　一、設(shè)計要求1</b></p><p>　　1、超聲波傳感器的功能與用途1</p><p>　　2、課題研究的背景及意義1</p><p>　　3、國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀1</p><p><b>　　二、方案設(shè)計2</b></p><p><b>　　1、方案說明

11、2</b></p><p>　　2、方案比較及論證3</p><p>　　三、傳感器工作原理4</p><p>　　1、超聲波傳感器的性能指標4</p><p>　　2、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)4</p><p>　　四、電路的工作原理6</p><p>　　五、單元電路設(shè)計、

12、參數(shù)計算和器件選擇8</p><p>　　1、單元電路設(shè)計8</p><p><b>　　2、參數(shù)計算12</b></p><p><b>　　3、器件選擇12</b></p><p><b>　　六、總結(jié)15</b></p><p><

13、b>　　參考文獻16</b></p><p>　　超聲波測液位電路設(shè)計</p><p><b>　　一 、設(shè)計要求</b></p><p>　　1、超聲波傳感器的功能與用途</p><p>　　本設(shè)計中采用反射式的方式，超聲波傳感器發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間

14、通過單片機的控制，I/O口輸出控制信號從NE555振蕩器輸入到CD4069驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。輸出由LED數(shù)碼管顯示，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用AT89C51單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出了能精確測量兩點間距離的超聲波液

15、位檢測系統(tǒng)。利用所設(shè)計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試，采集當時的環(huán)境溫度獲得精確的速度，計算出液面距離。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。</p><p>　　2、課題研究的背景及意義 </p><p>　　目前，液位測量技術(shù)已經(jīng)廣泛的運用在工業(yè)部門和日常檢測部門中。例如：液位測量技術(shù)在石油、化工、氣象等部門的應(yīng)用。在測量條件和環(huán)境來說，有的測量系統(tǒng)被

16、運用在十分復(fù)雜的條件與環(huán)境中。例如:有的是高溫高壓，有的是低溫或真空，有的需要防腐蝕、防輻射，有的從安裝上提出苛刻的限制，有的從維護上提出嚴格的要求等。這些都大大的提高了對測量技術(shù)的要求。所以能實現(xiàn)測量的無接觸與智能化是液位測量計現(xiàn)在的主要發(fā)展方向[1]。</p><p>　　近年來，隨著工業(yè)的發(fā)展，計算機、微電子、傳感器等高新技術(shù)的應(yīng)用和研究，液位儀表的研制得到了長足的發(fā)展，以適應(yīng)越來越高的應(yīng)用要求。</

17、p><p>　　3、國內(nèi)外發(fā)展的現(xiàn)狀 </p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展出現(xiàn)了微波雷達測距、激光測距及超聲波測距。前2種方法由于技術(shù)難度大成本高一般僅用于軍事工業(yè)而超聲波測距則由于其技術(shù)難度相對較低且成本低廉適于民用推廣。這項技術(shù)也可用于工業(yè)測量領(lǐng)域。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波常常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。利用

18、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到工業(yè)實用的要求，因此在移動機器人的研制上也得到了廣泛的應(yīng)用。隨著自動測量和微機技術(shù)的發(fā)展，超聲波測距的理論已經(jīng)成熟，超聲波測距的應(yīng)用也非常廣泛。超聲測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光芒、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測量、機單片機畢業(yè)論

19、文械手控制、車輛自動導(dǎo)航、物體識別等方面有廣泛應(yīng)用。特殊是應(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)信息很輕易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其正確度也較其它方法為高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡</p><p><b>　　二、方案設(shè)計</b></p><p>　　由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用

20、于距離的測量。利用超聲波檢測距離，設(shè)計比較方便，計算處理也較簡單，并且在測量精度方面也能達到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等自動化的使用要求。</p><p>　　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，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、電動型等；機械方式有加爾統(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、和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距離測量方面常用的是壓電式超聲波換能器。根

21、據(jù)設(shè)計要求并綜合各方面因素，本文采用AT89S51單片機作為控制器，用動態(tài)掃描法實現(xiàn)LED數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動信號用單片機的定時器。 </p><p><b>　　1、方案說明</b></p><p>　　本設(shè)計基于單片機的超聲波液位測量系統(tǒng)主要由單片機、溫度檢測電路、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路、LED顯示電路、報警電路等組成。</p><p

22、>　　本設(shè)計采用模塊化設(shè)計思想，以單片機AT89C51為核心，將其他模塊有機的整合在一起，形成一個統(tǒng)一的系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)的框圖如圖1所示。</p><p>　　圖2.1 超聲波液位測量系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　方案一：</b></p><p>　?。òl(fā)射部分）通過NE555振蕩器設(shè)計出振蕩電路，產(chǎn)生40KH的脈沖在通過CD406

23、9的驅(qū)動作用于超聲波發(fā)射探頭上。</p><p>　　（接收部分）將超聲波接受探頭接收到的信號通過CX20106整形和濾波以后再CX20106的7腳輸出一個40KH的脈沖，在單片機的P3.2處產(chǎn)生一個下降沿。</p><p><b>　　方案二：</b></p><p>　?。òl(fā)射部分）通過單片機發(fā)射40KH的脈沖，再經(jīng)過4069非門，再經(jīng)過4

24、011與非門的驅(qū)動作用于超聲波發(fā)射探頭上。</p><p>　?。ń邮詹糠郑⒊暡ㄌ筋^接收到的正弦40KH超聲波信號（其VPP為50mV）通過LM324運放三級放大以及整形以后產(chǎn)生VPP為3.5V的梯形波信號，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序。</p><p><b>　　2、方案比較及論證</b></p><p>　　通過方案

25、一和方案二的比較我們可以發(fā)現(xiàn)，在方案一中的發(fā)射電路中，我們可以用NE555振蕩產(chǎn)生40KH的方波信號，它是基于硬件的基礎(chǔ)上，便于我們可以通過示波器觀察到40KH的方波，具有直觀且易于觀察的特點，有利于電路的檢測。在方案二中，我們可以通過單片機產(chǎn)生40KH的脈沖信號，在通過CD4069（或者74LS04）驅(qū)動，將40KH的脈沖信號發(fā)射出去，由于是軟件控制，準確度比較高。經(jīng)過比較我們發(fā)現(xiàn)，在發(fā)射電路中方案一的設(shè)計比較經(jīng)濟實惠而且比較方便，所

26、以我們選擇方案一來產(chǎn)生超聲波。</p><p>　　在接收電路中我們發(fā)現(xiàn)，在方案一中我們通過采用CX20106可以將信號進行放大和整形處理，在CX20106的5腳和7腳串聯(lián)一個200K的電阻可以將頻率穩(wěn)定在40KH。在方案二中我們通過LM324三級放大，再通過LM567檢波電路，此電路調(diào)試比較復(fù)雜，在做三級放大時，放大倍數(shù)不容易控制，在輸出波形上會發(fā)生小幅度的偏移。</p><p>　　因

27、此在本次設(shè)計中，我們選用的是方案一，以提高測量結(jié)果的準確度，并且在整個系統(tǒng)中我們都會采用單片機做計算和顯示。</p><p><b>　　三、傳感器工作原理</b></p><p>　　超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為

28、射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。 </p><p>　　以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習(xí)慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。</p><

29、;p>　　1、超聲波傳感器的性能指標</p><p>　　超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括： </p><p>　?。?）工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率

30、相等時，輸出的能量最大，靈敏度也最高。 </p><p>　?。?）工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別是診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不會失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。 </p><p>　?。?）靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。</p><p>　

31、　2、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)</p><p>　　超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發(fā)射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結(jié)構(gòu)，直探頭、斜探頭、表面波探頭、蘭姆波探頭、雙探頭等。</p><p>　　當電壓作用于壓電陶瓷時，就會隨電壓和頻率的變化產(chǎn)生機械變形。另一方面，當振動壓電陶瓷時，則會產(chǎn)生一個電荷。利用這一原理，當給由兩片壓電陶瓷或一片壓電陶瓷和一個金

32、屬片構(gòu)成的振動器，所謂叫雙壓電晶片元件，施加一個電信號時，就會因彎曲振動發(fā)射出超聲波。相反，當向雙壓電晶片元件施加超聲振動時，就會產(chǎn)生一個電信號。基于以上作用，便可以將壓電陶瓷用作超聲波傳感器[5]。</p><p>　　如超聲波傳感器，一個復(fù)合式振動器被靈活地固定在底座上。該復(fù)合式振動器是諧振器以及，由一個金屬片和一個壓電陶瓷片組成的雙壓電晶片元件振動器的一個結(jié)合體。諧振器呈喇叭形，目的是能有效地輻射由于振動而

33、產(chǎn)生的超聲波，并且可以有效地使超聲波聚集在振動器的中央部位。</p><p>　　超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，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立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離(s)，即：</p><p>　　s=340t/2

34、 (1)</p><p>　　這就是所謂的時間差測距法。 </p><p>　　圖3.1 超聲波液位測量示意圖</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。由此可見，超聲波測距原理與雷達原理是一樣的。</p&

35、gt;<p>　　測距的公式表示為：L=C×T (2)式中L為測量的距離長度；C為超聲波在空氣中的傳播速度；T為測量距離傳播的時間差(T為發(fā)射到接收時間數(shù)值的一半)。</p><p><b>　　四、電路的工作原理</b></p><p>　　本設(shè)計中采用反射式的方式，超聲波傳感器

36、發(fā)射超聲波，遇到液面后超聲波被反射回來，超聲波接收探頭接收超聲波。其間通過單片機的控制，I/O口輸出控制信號從NE555振蕩器輸入到CD4069驅(qū)動電路驅(qū)動超聲波發(fā)射電路，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。經(jīng)過液面反射后超聲波接收探頭將接收到的超聲波送到單片機進行處理。輸出由LED數(shù)碼管顯示，通過盲區(qū)的消除以及環(huán)境溫度的采樣，提高了測距的精確度。利用超聲波傳輸中距離與時間的關(guān)系，采用AT89

37、C51單片機進行控制及數(shù)據(jù)處理，設(shè)計出了能精確測量兩點間距離的超聲波液位檢測系統(tǒng)。利用所設(shè)計出的超聲波液位檢測系統(tǒng)，對液面進行了測試，采集當時的環(huán)境溫度獲得精確的速度，計算出液面距離。此系統(tǒng)具有易控制、工作可靠、測量精度高的優(yōu)點，可實時檢測液位。</p><p>　　AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有4K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。使用某公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C

38、51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU 和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89C51為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。AT89C51具有以下標準功能：4k字節(jié)Flash，128字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89C5

39、1可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止[4]。</p><p>　　五、單元電路設(shè)計、參數(shù)計算和器件選擇</p><p><b>　　1、單元電路設(shè)計</b></p>

40、<p><b>　　(1)電源電路設(shè)計</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用市電220V，50Hz供電，而單片機以及其它芯片均采用直流5V和12V電壓供電。故需要設(shè)計降壓電路。本電路使用了由LM7805和LM7812構(gòu)成的橋式穩(wěn)壓整流電路。電路如圖4所示。</p><p><b>　　圖4 電源電路</b></p>&

41、lt;p>　　經(jīng)過降壓、橋式整流、濾波后通過LM7805穩(wěn)壓并直接為單片機和其它器件供電，作為齊納二極管/電阻組合的替換方案時，LM7805和LM7812通常可以改善有效輸出阻抗達兩個數(shù)量級，并降低靜態(tài)電流。LM7805和LM7812可提供本地卡上穩(wěn)壓，結(jié)合單點調(diào)節(jié)，解決分配問題。由于足夠的散熱設(shè)置，LM7805和LM7812穩(wěn)壓器可提供100mA的輸出電流，同時還包含限流功能，以限制峰值輸出在安全值的范圍內(nèi)。LM7805和LM7

42、812為輸出晶體管提供了安全區(qū)域保護，限制內(nèi)部功耗。假如內(nèi)部功耗超出了散熱范圍，熱關(guān)斷電路將會啟動，防止芯片過熱。</p><p>　　(2) 顯示電路設(shè)計</p><p>　　在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，LED數(shù)碼管的顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的I/O接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就

43、不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時,再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法較為簡單與便利。在顯示電路的設(shè)計上，利用單片機的P0～P2口來控制數(shù)碼管顯示，這種接法雖然比較浪費管腳資源，但是對單片機的理論知識要求相對比較低，而且超聲波發(fā)射和接收電路并不需要很多的管腳來支持，所以我選擇這種方案。數(shù)碼管的選擇上，為了使數(shù)碼管亮度大，本人選擇了共陰極的數(shù)碼管，數(shù)碼管管腳接到高電平發(fā)亮。顯示及其驅(qū)動電路的原理圖見圖5。</p><p

44、>　　(3)溫度補償電路設(shè)計</p><p>　　DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的一種改進型智能溫度傳感器，測溫范圍為-55～125℃，最大分辨率可達0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測溫度值，而且采用了一線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有低成本和易使用的特點。測溫電路圖6所示。</p><p>　　(4)超聲波發(fā)射電路設(shè)計</p&

45、gt;<p>　　壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波換能器內(nèi)部有兩個壓電晶片和一個換能板。當它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片會發(fā)生共振，并帶動共振板振動產(chǎn)生超聲波，這時它就是一個超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極問未外加電壓，當共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收換能器。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時

46、應(yīng)分清器件上的標志[6]。</p><p>　　圖7 超聲波發(fā)射電路</p><p><b>　　電路的設(shè)計思想</b></p><p>　　超聲波發(fā)射電路由超聲波換能器（或稱超聲波振頭）和超聲波發(fā)生器兩部分組成， 40KHz的超聲波信號是利用NE555時基電路振蕩產(chǎn)生的，振蕩頻率，通過調(diào)節(jié)信號頻率，使之與換能器的40KHz固有頻率一致，為保證

47、555時基具有足夠的驅(qū)動能力，宜采用+12V電源。工作時，單片機通過P1.0口向超聲波發(fā)生電路發(fā)出控制信號從555振蕩電路的3腳輸入到CD4069驅(qū)動器，經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動后推動探頭產(chǎn)生超聲波，超聲波發(fā)生電路產(chǎn)生40KHz的調(diào)制脈沖，經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換為超聲波信號向前方空間發(fā)射。</p><p>　　(5)超聲波接收電路設(shè)計</p><p>　　超聲波接收電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用

48、芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。其電路由圖8所示。</p><p>　　圖8 超聲波接收電路</p><p>　　CX2010

49、6A的引腳注釋：</p><p>　　1腳IN：超聲波信號輸入端，該腳的輸入阻抗約為40kΩ。</p><p>　　2腳C1：該腳與GND之間連接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻R或減小C，將使負反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但C的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，推薦選用參數(shù)為R=4.

50、7Ω，C=3.3μF。</p><p>　　3腳C2：該腳與GND之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為3.3μF。</p><p>　　4腳GND：接地端。</p><p>　　5腳f0：該腳與電源端VCC接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率f0

51、，</p><p>　　阻值越大，中心頻率越低。例如，取R=200kΩ時，fn≈42kHz，若取R=220kΩ，則中心頻率f0≈38kHz。</p><p>　　6腳C3：該腳與GND之間接入一個積分電容，標準值為330pF，如果該電容取得</p><p>　　太大，會使探測距離變短。</p><p>　　7腳OUT：遙控命令輸出端，它是集電

52、極開路的輸出方式，因此該引腳必須接上</p><p>　　一個上拉電阻到電源端，該電阻推薦阻值為22kΩ，沒有接收信號時該端輸出為高電平，有信號時則會下降。</p><p>　　8腳VCC：電源正極，4.5V～5V。</p><p><b>　　2、參數(shù)計算</b></p><p>　　超聲波測距的原理為超聲波發(fā)生器T在

53、某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。距離的計算公式為：</p><p><b>　　(3)</b></p><p>　　其中，d為被測物與測距儀的距離，s為聲波的來回的路程，c為聲速，t為聲波來回所用的時間。在啟動發(fā)射

54、電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0或INT1端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離[6]。</p><p><b>　　3、器件選擇</b></p><p><b>　　超聲波發(fā)生

55、器選擇</b></p><p>　　超聲波發(fā)生器可以分為兩類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。本課題屬于近距離測量，可以采用常用的壓電式超聲波換能器來實現(xiàn)。</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種

56、是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。</p><p>　　測距儀的分辨率取決于對超聲波傳感器的選擇。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器，常用材料是壓電式陶瓷。由于超聲波在空氣傳播時會有相當?shù)乃p，衰減的程度與頻率的高低成正比；而頻率高分辨率也高，故短距離測量時應(yīng)選擇高頻率的傳感器，而長距離測量時應(yīng)用低頻率的傳感器。</p><p>　　一 、

57、超聲波接收傳感器及處理芯片CX20106A</p><p>　　超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構(gòu)成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預(yù)先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標包括：</p><p>　　工作頻率。工作頻率就是壓電晶片的共振頻率。當加到它兩端的交流電壓的頻率和晶片的共振頻率相等時，

58、輸出的能量最大，靈敏度也最高。</p><p>　　工作溫度。由于壓電材料的居里點一般比較高，特別時診斷用超聲波探頭使用功率較小，所以工作溫度比較低，可以長時間地工作而不失效。醫(yī)療用的超聲探頭的溫度比較高，需要單獨的制冷設(shè)備。</p><p>　　靈敏度。主要取決于制造晶片本身。機電耦合系數(shù)大，靈敏度高；反之，靈敏度低。</p><p>　　因此超聲波接受傳感器應(yīng)該

59、應(yīng)用集成電路CX20106A，CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率38kHz與測距的超聲波頻率40kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路。實驗證明用CX20106A接收超聲波(無信號時輸出高電平)，具有很好的靈敏度和較強的抗干擾能力。適當更改電容的大小，可以改變接收電路的靈敏度和抗干擾能力。此部分電路在集成芯片上</p><p>　　二

60、 、溫度傳感器的選擇</p><p>　　大家知道，聲音在不同溫度的空氣中傳播速度是不同的，所以這里要考慮到溫度補償?shù)膯栴}。</p><p>　　溫度傳感器有很多種，例如溫度傳感器AD590。AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃。AD590的電源電壓范圍為4V～

61、30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流變化1mA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線性誤差為±0.3℃。</p><p>　　但是考慮到成本問題我選用TS-18B20數(shù)字溫度傳感器。該產(chǎn)品采用美國DALLAS公司生

62、產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成，具有耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。</p><p>　　獨特的一線接口，只需要一條口線通信多點能力，簡化了分布式溫度傳感應(yīng)用無需外部元件可用數(shù)據(jù)總線供電，電壓范圍為3.0V至5.5V無需備用電源測量。溫度范圍為-55°C至+125℃ 。-10°C至+85°C范圍內(nèi)精度為±

63、;0.5°C 溫度傳感器可編程的分辨率為9~12位溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費電子產(chǎn)品溫度計，或任何熱敏感系統(tǒng)[7]。</p><p>　　系統(tǒng)需要的元器件清單</p><p><b>　　表1 元器件清單</b></p><p><b&

64、gt;　　六、總結(jié)</b></p><p>　　由于時間和其它客觀上的原因，此次設(shè)計沒有成功做出實物。但是對設(shè)計有一個很好的理論基礎(chǔ)。設(shè)計的最終結(jié)果是使超聲波測距儀能夠產(chǎn)生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。以數(shù)字的形式顯示測量距離。</p><p>　　超聲波測距的原理是利用超聲波的發(fā)射和接受，根據(jù)超聲波傳播的時間來計算出傳播距離。實用的測

65、距方法有兩種，一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射，另一端接收的直接波方式，適用于身高計；一種是發(fā)射波被物體反射回來后接收的反射波方式，適用于測距儀。此次設(shè)計采用反射波方式。</p><p>　　超聲波測距儀硬件電路的設(shè)計主要包括單片機系統(tǒng)及顯示電路、超聲波發(fā)射電路和超聲波檢測接收電路三部分。單片機采用AT89C51或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以獲得較穩(wěn)定時鐘頻率，減小測量誤差。單片機用P1.0端口輸出

66、超聲波換能器所需的40kHz的方波信號，利用外中斷0口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號。顯示電路采用簡單實用的LED數(shù)碼管。</p><p>　　超聲波測距的算法設(shè)計原理為超聲波發(fā)生器T在某一時刻發(fā)出一個超聲波信號，當這個超聲波遇到被測物體后反射回來，就被超聲波接收器R所接收到。這樣只要計算出從發(fā)出超聲波信號到接收到返回信號所用的時間，就可算出超聲波發(fā)生器與反射物體的距離。在啟動發(fā)射電路的同時啟動單片機內(nèi)部的定時

67、器T0，利用定時器的計數(shù)功能記錄超聲波發(fā)射的時間和收到反射波的時間。當收到超聲波反射波時，接收電路輸出端產(chǎn)生一個負跳變，在INT0端產(chǎn)生一個中斷請求信號，單片機響應(yīng)外部中斷請求，執(zhí)行外部中斷服務(wù)子程序，讀取時間差，計算距離。</p><p>　　在元件及調(diào)制方面，由于采用的電路使用了很多集成電路。外圍元件不是很多，所以調(diào)試不會太難。一般只要電路焊接無誤，稍加調(diào)試應(yīng)該會正常工作。電路中除集成電路外，對各電子元件也無

68、特別要求。根據(jù)測量范圍要求不同，可適當調(diào)整與接收換能器并接的濾波電容C16的大小，以獲得合適的接受靈敏度和抗干擾能力。若能將超聲波接收電路用金屬殼屏蔽起來，則可提高抗干擾能力。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 劉國鈞，陳紹業(yè)，王鳳翥.圖書館目錄[M].北京：高等教育出版社，1957.15-18.</p><

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70、武漢華中科技大學(xué)出版社．2002，5．</p><p>　　[6]李華．MCU-51系列單片機實用接口技術(shù)[M]．北京：北京航天大學(xué)出版社．1993．</p><p>　　[7]郁有文．傳感器原理及工程應(yīng)用[M]．西安:西安電子科技大學(xué)出版社．2000．</p><p>　　東北石油大學(xué)課程設(shè)計成績評價表</p><p>　　指導(dǎo)教師：