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1、-毕业设计_基于AT89S51单片机超声波测距系统的设计-第 28 页毕业设计(论文)正文题 目 基于AT89S51单片机超声波测距系统的设计专 业机械设计制造及其自动化班 级姓 名学 号指导教师职 称 基于AT89S51单片机超声波测距系统的设计摘要：本文主要研究开发了一种基于单片机微处理器的超声波测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。在介绍超声传感器原理与特性和超声测距系统功能的基础上，提出了系统的总体构成。介绍了具体的软硬件设计以及相关的实验情况,针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证，对测距系统的一些主要参数进行了讨论。
2、关键字:超声波，测距，测量精度THE STUDY AND APPLICATION OFDISTANCE-MEASUREMENT SYSTEM BASED ON ULTRASONIC WAVEABSTRACT: This paper primarily investigates a kind of ultrasonic distance measurement device based on microprocessor. This device can measure certain distance with reflected wave on condition that the spee
3、d of transmitting wave is fixed. It generally specifies the theoretical foundation of the device, introduces the software and hardware design of the device and correlative experiments. The design of the distance measurement is targeted on high precision and little blind area. Then it proposes the wh
4、ole structure of the system by introducing the function of ultrasonic distance meter and presenting the theory and characters of ultrasonic sensor. And then the transmission, receiver, detection, display scheme of this distance meter system is brought out. At the same time, a number of main technica
5、l parameters are discussed.Key Words: ultrasonic,measuring distance, measurement accuracy目 录第一章 绪论11.1.引言11.2.超声波检测技术的发展11.3.超声波技术的广泛应用2第二章 超声波测距技术综述32.1.引言32.2.超声波介绍32.2.1.超声波的基本性质42.3.超声波传感器介绍42.3.1.超声波传感器的原理及结构42.4.超声检测概述7第三章 超声波测距系统的原理与设计93.1.引言93.2.超声波测距的原理及实现93.3.超声波测距系统的总体方案103.4.超声波测距系统硬件电路设
6、计123.4.1.超声波发射电路设计123.4.2.超声波接收电路设计193.4.3.比较电路213.4.4.电源电路223.4.5.显示电路233.4.6. AT89S52单片机最小系统243.5.超声波测距系统软件设计273.5.1.系统软件设计总体框图273.5.2.软件程序模块化设计28第四章 结论及展望32参考文献33致 谢34第一章 绪论 1.1.引言 高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现和评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业
7、人员的艰辛努力是分不开的，由于他们的努力使无损检测技术在这方面已具有一定的水平，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用。无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。1.2.超声波检测技术的发展 一般认为，关于超声波的研究最初起始于1876年F.Galton的气哨实验。当时Galton哨在空气中产生的频率达3 X 100Hz，这是人类首次有效产生的高频声波。这些年来，随着超声波技术研究的不断深入，在加上其具有的高精度、无损、非接触等优点，超声波的应用变得越来越普及。目前已经广泛地应用在机械制造、电子冶金、航海、宇航、石油化工、交通
8、等工业领域。此外在材料科学、医学、生物科学等领域中也占据重要地位。 五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重的电子管式仪器。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。1976年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国6个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术的推广普及。1978年10月，中国建筑科学院研制出JC-2型便携式超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广无损检测技术
9、奠定了良好的基础。目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户的要求1。1.3.超声波技术的广泛应用 超声的研究和发展，与媒质中超声波的产生和接收的研究密切相关。1883年Galton首次制成超声气哨，其原理是将压缩气体经过狭缝喷嘴形成气流，吹动圆形刀口振动形成共振腔，从而产生超声波。此后又出现了各种形式的汽笛和液哨等
10、机械型超声换能器。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今仍广泛地用于超声处理技术中。利用超声波作为定位技术是蝙蝠等一些无目视能力的生物作为防御及捕捉猎物生存的手段，也就是由生物体发射不被人们听到的超声波(20kHz以上的机械波)，借助空气媒质传播由被待捕捉的猎物或障碍物反射回来的时间间隔长短与被反射的超声波的强弱判断猎物性质或障碍位置的方法。由于超声波的速度相对于光速要小的多，其传播时间就比较容易检测，并且易于定向发射，方向性好，强度好控制，因而人类采用仿真技能利用超声波测距。超声波测距是一种利用声波特性、电子计数、光电开关相结合来实现非接触式距离测量的方法。它在很多距离探测应用中有很重
11、要的用途，包括非损害测量、过程检测、机器人检测和定位、以及流体液面高度测量等。 超声波方法在某些方面具有突出的优点2:(1)超声波对色彩、光照度不敏感，可用于识别透明及漫反射性差的物体(如玻璃、抛光体);(2)对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中;(3)超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。因此超声检测法己经越来越多地引起人们的重视，并且被广泛应用在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面。特别是在空气测距中，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，
12、因而其准确度也较其它方法高。第二章 超声波测距技术综述2.1.引言 这一章首先从超声波的基本性质对超声波做了介绍，随后又对超声波传感器的原理、结构、种类及特性做了介绍，为本论文后面章节的系统设计提供理论基础。尤其是超声波传感器是超声波测距系统的重要部件，用于超声波的发射和接收，所以超声传感器的工作原理也是整个测距系统设计的关键，这些将是本章讨论的重点。2.2.超声波介绍 超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。一般而言是指声音超过了20kHz以上时称之为超声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。超声波在相同的传播媒体里(如大气条件)传播速度相同，
13、即在相当大的频率范围内声速不随频率变化，波动的传播方向与振动方向一致，是纵向振动的弹性机械波，它是借助于传播介质的分子运动而传播的，波动方程描述方法与电磁波是类似的: (2-1) (2-2)式中，A(x)为振幅，A0为常数，w为圆频率，t为时间，x为传播距离，为波数，A为波长，a为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为: (2-3)式中a为介质常数，f为振动频率。在空气里，a = 2x10-13s2 /cm，当振动的声波频率f=40kHz(超声波)代入式(2-3)可得, =3.2x10-4/cm，即1/=3lm;若f=30kHz，则1/=56m。它的物理意义是:在1/长度上，平面声波的
14、振幅衰减为原来的e分之一，由此可以看出，频率越高，衰减得越厉害，传播的距离也越短。声波在空气媒质里传播，因空气分子运动摩擦等原因，能量被吸收损耗。超声波除了具有与电磁波相似的一面外，同时还具有其自身的一些特点:1)能以各式各样的传播模式(纵波、横波、表面波、薄板波)在气体、液体、固体或它们的混合物等各种媒质中传播，也可在光不能通过的金属、生物体中传播，是探测物质内部的有效手段。2)由于超声波与电磁波相比速度慢，对于相同的频率波长短，容易提高测量的分辨率。3)由于传播时受介质声速、声阻抗和衰减常数的影响大，所以，反过来可由超声波传播的情况测量物质的状态3。2.2.1.超声波的基本性质 声波是一种
15、传递信息的媒体，它与机械振动密切相关，可以由物体的撞击、运动所产生的机械振动以波的形式向外传播。根据振动所产生波的频率高低分为可闻声波、次声波和超声波，高于20kHz的声波称为超声波。波长这样短的超声波具有类似光线的一些物理性质4:(1)、超声波的传播类似于光线，遵循几何光学的规律，具有反射、折射现象，也能聚焦，因此可以利用这些性质进行测量、定位、探伤和加工处理等。在传播中，超声波的速度与声波相同;(2)、超声波的波长很短，与发射器、接收器的几何尺寸相当，由发射器发射出来的超声波不向四面八方发散，而成为方向性很强的波束，波长愈短方向性愈强，因此超声用于探伤、水下探测，有很高的分辨能力，能分辨出
16、非常微小的缺陷或物体;(3)、能够产生窄的脉冲，为了提高探测精度和分辨率，要求探测信号的脉冲极窄，但是一般脉冲宽度是波长的几倍(如要产生更窄的脉冲在技术上是有困难的)，超声波波长短，因此可以作为窄脉冲的信号发生器;(4)、功率大，超声波能够产生并传递强大的能量。声波作用于物体时，物体的分子也要随着运动，其振动频率和作用的声波频率一样，频率越高，分子运动速度越快，物体获得的能量正比于分子运动速度的平方。超声频率高，故可以给出大的功率。声波在真空中不能进行传播，必须通过气体、液体、固体或者三者的组合体作为介质才能传播。通常情况下，声波在空气中的传播速度约为344m/s。2.3.超声波传感器介绍2.
17、3.1.超声波传感器的原理及结构 超声波传感器(也称作超声波换能器)是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。目前常用的超声波传感器有两大类，即电声型与流体动力型。电声型主要有:压电传感器、磁致伸缩传感器、静电传感器。流体动力型中包括有气体与液体两种类型的哨笛。由于工作频率与应用目的不同，超声波传感器的结构形式是多种多样的，并且名称也有不同，例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声波传感器称作探头，而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”或“笛”5。压电传感器属于超声波传感器中电声型的一种。探头由压电晶片、楔块、接头等组成，是超声检测中最常用的实现电能
18、和声能相互转换的一种传感器件，是超声波检测装置的重要组成部分6。压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。属于晶体的如石英，妮酸铿等，属于压电陶瓷的有错钦酸铅，钦酸钡等。其具有下列的特性:把这种材料置于电场之中，它就产生一定的应变;相反，对这种材料施以外力，则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。所以，只要对这种材料加以交变电场，它就会产生交变的应变，从而产生超声波振动。因此，用这种材料可以制成超声波传感器。压电效应有两种类型7:(1)逆压电效应将具有逆压电效应的介质置于电场中，由于电场作用介质内部正负电荷中心发生位置变化，这种位置变化在宏观上表现为产生了形变，形变与电场强度成正比。如电场反向，
19、则形变亦相反。这一现象称为逆压电效应。利用逆压电效应能产生超声波。将适当的交变电信号施加到晶体上，晶体将发生交替的压缩和拉伸，因而产生振动，振动频率与交变电压的频率相同，若把晶体藕合到弹性介质中，晶体将充当一个超声源的作用，超声波将被辐射到那种介质中。(2)正压电效应当对某电介质施加应力时，产生的变形将引起内部正负电荷中心发生相对位移而产生极化，在介质两端面上出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成正比，这种效应称为正压电效应。利用正压电效应将机械能(即声能)转换成电能，并用来接受超声波的装置，称为接收换能器。传感器的主要组成部分是压电晶片。当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动，即可发射声脉
20、冲，是逆压电效应。当超声波作用于晶片时，晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号，是正压电效应。前者用于超声波的发射，后者即为超声波的接收。超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。这种超声波传感器需要的压电材料较少，价格低廉，且非常适用于气体和液体介质中。在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时，根据压电效应，就会使压电陶瓷晶片产生机械变形，这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。也就是说，在压电陶瓷晶片上加有频率为D交流电压，它就会产生同频率的机械振动，这种机械振动推动空气等媒介，便会发出超声波。如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用，这将会使其产生机械变
21、形，这种机械变形是与超声机械波一致的，机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号8。图2.1双压电晶片示意图双压电晶片如图2.1所示，当在AB间施加交流电压时，与极化方向相同，则下面的方向相反，双压电晶片的等效电路如图2-3所示，因此，上下一伸一缩，若A片的电场方向形成超声波振动。C0静电电容，R联电阻，Cm和Lm为机械共振回路的电容和电感，Rm为陶瓷材料介电损耗并为损耗串联电阻。 压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率，即中心频率句。发射超声波时，加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。这样，超声波传感器才有较高的灵敏度。当所用压电材料不变时，改变压电陶瓷晶片的几何尺寸，就
22、可非常方便的改变其固有谐振频率9。利用这一特性可制成各种频率的超声波传感器。图2.2双压电品片等效电路超声波传感器的机械能用Qm表示，电能用Qe表示。由图2.2分析可知，Q恰好是电路的串联支路的Q值。设换能器在空载(Rm=0)和有载(Rm=Rl)时的Q值分别为Qm0 、Qm 则 (2-12) (2-13) (2-14) (2-15)超声波换能器的工作效率为: (2-16) 可见，在有负载时，负载的阻值关系到超声波换能器的工作效率，阻值越大，工作效率越高，反之，越低。 超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成，其中，压电陶瓷晶片是传感器的核心，锥形辐射喇
23、叭使发射和接收超声波能量集中，并使传感器有一定的指向角，金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏10。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。2.4.超声检测概述 超声波是一种频率超过20kHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性一反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面，超声波的大部分能量会反射。利用超声波检测往往比较迅速，方便，易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如:液位、井深、管道长度等场合
24、。 超声波在介质(固体、液体、气体)中传播时，利用不同介质的不同声学特性对超声波传播的影响来探查物体和进行测量的技术称为超声检测。当超声波以脉冲形式在介质中传播时，利用反射这一性质，在金属、非金属中用来探测缺陷的位置和性质，从而对钢板、锻件、焊缝、混凝土、人造石磨等进行探伤检验;在水中，根据反射波可以探测潜水艇和鱼群，测量海底深度以及探查海底底层等;在人体中则可以协助临床诊断疾病(如肝脓肿、肿瘤、胆结石等)和探测胎儿等。利用超声连续波的共振性质，可以测量高压容器，锅炉，轮船甲板等的厚度或腐蚀程度，也可制成机械滤波器。利用超声波的衰减特性，可以研究或测量材料的物理性质。当超声波射到运动体时，利用
25、多普勒效应，可以测量流速流量，探测心脏血管搏动等。若将超声波作为载波传送某些信号，则可制成水中电话，水中遥测仪等，以进行水中通信。利用超声波在固体，液体中传播的速度远小于电磁波这一特性，可制成超声延迟线和存储装置以及进行电视制式的转换。还可利用超声波检漏、测量液位、粘度、硬度和温度等。除此之外、声发射、声成像技术 (包括声全息成像技术)的发展也大大丰富了超声检测的内容。 超声波测量在国防、航空航天、电力、石油化工、机械、材料等众多领域具有广泛的作用，它不但可以保证产品质量、保障安全，还可起到节约能源、降低成本的作用。超声波与光波、电磁波、射线等检测相比，其最大特点是穿透力强，几乎可以在任何物体
26、中传播，了解被测物体内部情况。超声检测设备还具有结构简单，成本低廉的优点，有利于工程实际使用。近十几年来，由于微机技术、现代电子技术、信号处理技术以及超声波产生和接收新技术的发展，突破了常规超声检测的限制，进一步开拓了其适用范围。利用超声波除了可以测量距离、液位高度以外，还可以用于超声探伤。超声波在被检材料(金属、非金属)中传播时，利用材料本身或内部缺陷所示的声学性质对超声波传播的影响来检测材料的组织和内部缺陷的方法，称为超声探伤。它是一种非破坏性的材料实验方法，即不需破坏被检材料或工件就能探测其内部的各种缺陷(如裂纹、气泡、夹杂物等)的大小、形状和分布状况以及测定材料性质。超声探伤具有灵敏度
27、高、快速方便、易实现自动化等优点，因此广泛应用于机器制造、冶金、化工设备、国防建设等部门，已成为保证产品质量、确保安全的一种重要手段11。第三章 超声波测距系统的原理与设计3.1.引言 在上一章中，我们己经知道超声波的基本特性和超声波传感器的工作原理。在这一章中，将对超声波测距系统的原理进行分析，并在此基础上详细说明了基于单片机的超声波测距系统的总体方案。本章将介绍超声波测距系统的硬件设计及软件设计，并对整个超声波测距系统的各个功能部分给出了具体的设计和说明。3.2.超声波测距的原理及实现 超声测距原理很简单，一般采用渡越时间法12。图3.1波测距原理图超声波测距原理如图3.1，图中被测距离为
28、H，两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L表示，由图中关系可得: (3-1) (3-2)将（3-2）式代入（3-1）式可得： （3-3）在整个传播过程中，超声波所走过的距离为: （3-4）式中V为超声波的传播速度，t为传播时间，即为超声波从发射到接收的时间。 将(3-4)式代入(3-3)式可得: （3-5）式中，超声波的传播速度v在一定温度下是一常数。如:在温度T=0时，v=331.45m/s。当被测距离H远远大于M时，于是(3-5)式变为: （3-6）由此可见，要想测得距离H，只要测得超声波的传播时间t即可。3.3.超声波测距系统的总体方案 系统的设计及器件的选择也正是在这
29、个基础上进行的，系统结构如图3.2所示f1f7门限电路选频放大器f6单片机f6选频放大器门限电路f5选频放大器门限电路激发电路f1f5超声波信号f2f3f4门限电路脉冲放大器脉冲发生器RT选频放大器超声波接收换能器超声波发射换能器图3.2超声波测距硬件电路图超声波测距系统的具体工作过程计划如下:1、由单片机发出40kHz的脉冲串; 2、脉冲发生器的输出信号fl通过脉冲放大器后，其输出信号为f2。 f2被施加于超声波发射换能器T上，这时超声波发射换能器T发出超声波信号;3、单片机在超声波发射传感器发出超声波脉冲的时刻开始计时;4、超声波信号被超声波接收换能器R收到，并超声波接收换能器R的输出信号
30、为f3, f3通过4级选频放大器和4级门限电路后，其输出信号为f7。当单片机接收到f7时，单片机立即停止计数; 5、单片机读得时间值; 6、单片机计算数据 7、显示电子市场上常见的超声探头是收发分体式，一般频率为40kHz。如果需要更高频率的超声探头，比如几百赫兹或者几兆赫兹的频率，就需要到专业经营超声产品的厂商去购买或者定制。鉴于有限的条件，本文中选用的探头是40kHz的超声传感器，有一支接收传感器SZW-R40-1 OP和一支发射传感器SZW-S40-12M,其特性参数如表3-1所示。中心频率灵敏度声压指向性容量最低使用温度最高使用温度最小探测距离0.2m0.2m最大探测距离10m10m分
31、辨率9mm9mm最大输入电压20Vp-p连续信号表3-1传感器特性参数发射电路通常有调谐式和非调谐式。在调谐式电路中有调谐线圈(有时装在探头内)，谐振频率由调谐电路的电感、电容决定，发射出的超声脉冲频带较窄。在非调谐式电路中没有调谐元件，发射出的超声频率主要由压电晶片的固有参数决定，频带较宽。为了将一定频率、幅度的交流电压加到发射传感器的两端，使其振动发出超声波。电路频率的选择应该满足发射传感器的固有频率40kHz，这样才能使其工作在谐振频率，达到最优的特性。发射电压从理论上说是越高越好，因为对同一支发射传感器而言，电压越高，发射的超声功率就越大，这样能够在接收传感器上接收的回波功率就比较大，
32、对于接收电路的设计就相对简单一些。但是，每一支实际的发射传感器有其工作电压的极限值，即当工作电压超过了这个极限值之后，会对传感器的内部电路造成不可恢复的损害。因此，工作电压不能超过这个极限值。同时，发射电路中的阻尼电阻决定了电路的阻尼情况。通常采用改变阻尼电阻的方法来改变发射强度。电阻大时阻尼小，发射强度大，仪器分辨率低，适宜于探测厚度大，对分辨力要求不高的试件。电阻小时阻尼大，分辨率高，在探测近表面缺陷时或对分辨力有较高要求时应予采用。发射部分的点脉冲电压很高，但是由障碍物回波引起的压电晶片产生的射频电压不过几十毫伏，要对这样小的信号进行处理就必须放大到一定的幅度。接收部分就是由四级放大电路
33、构成，最终达到对回波进行放大检测，产生一个单片机能够识别的中断信号作为回波到达的标志。3.4.超声波测距系统硬件电路设计3.4.1.超声波发射电路设计 1、超声波发射电路要电路能正常工作，就要求在没有加任何外加信号时，触发器截止的晶体管能可靠地截止，导通的晶体管能可靠的饱和13。(1截止条件图3.3截止晶体管的基极部分等效电路图 当一个晶体管截止时，另一个饱和。由于导通晶体管饱和，导通管集、射极之间的管压降可以用电压Uces(三极管的集电极饱和电压降)来等效。因此截止晶体管的基极部分等效电路图如图3.3所示。设晶体管临界截止的基极电压为Uboc，则保证晶体管截比的基极电压Ubo Uboc，则
34、(3-7) (3-8) 从式3-8可以看出:Rb 、 |Uces|越小，|Eb| R越大，基极和发射极之间反向偏电压降越大，三极管截止越深;反之，截止较浅，当三极管截止时，使三极管的反向偏置电压降在0-1伏之间，式3-8可简化为: (3-9)这是选择Rb的条件。对硅管而言，Icbo很小( O.1A)可以忽略不计。(2)导通条件 图3.4 等效电路图 对导通三极管而言，要求基极电流大到保证使集电极电流饱和。而另一个三极管是工作在截止状态，但集电极仍有一小电流Icbo，因此导通三极管基极部分的电流如图3.4所示。这时，基极电压为Ubs，基极电流为Ibs、集电极电压为Uces。因此 (3-10) (
35、3-11)从上式可知，Rb 、|Ec|越大，|Eb|、 R越小，三极管饱和较深。式3-11可简化为: (3-12)对硅管而言，Icbo很小可以忽略不计。当，时，则上式可近似为: (3-13)这是选择Rb的另一个条件。根据以上理论依据设计超声波测距系统发射电路如下:图3.5超声波发射电路(1)、三极管Q1 1、当Q1截止时 此时A点电压为零可将根据所设计的参数，三极管Q1可以可靠截止。2、当Q1导通时a、 E1单独作用时 b、A点电压单独作用时由上面两式可得，于是所以，根据所选参数，三极管的Q1可以深度饱和导通。 (2)、三极管Q2 1、当Q2截止时a、E2单独作用时 b、单独作用时可将根据所设
36、计的参数，三极管Q2可以可靠截止。2、当Q2导通时a、E3单独作用时b、E2单独作用时由上面两式可得: 于是所以，根据所选参数，三极管Q2可以处于深度饱和导通。(3)、三极管Q3 1、当Q3截止时a、E5单独作用时b、单独作用时可将根据所设计的参数，三极管Q3可以可靠截止。2、当Q3导通时a, E4单独作用时b. E5单独作用时由上面两式可得：于是所以，根据所选参数，三极管Q3可以处于深度饱和导通。 2、振荡电路 振荡电路目的是提供40kHz的脉冲。当加载在超声波传感器的两端的信号频率与其固有频率为同一频率时，发生共振，电能可以高效率的转化为机械机械能。一般厂家生产的超声波传感器标识的固有频率
37、是40kHz，实际有偏差，如400.5kHz。故可设计可调频率振荡电路，以便将信号频率调到超声波传感器的固有频率上。在超声测距中，一般采用40kHz的信号。振荡电路可以通过硬件来产生，有多种设计方案比如555 , CMOS电路CD4046等。由555芯片组成的振荡电路外围元件少，电路简单，振荡频率可调，占空比可调，采用555构成的振荡电路原理图如图3.614。 图3.6 NE555构成的振荡电路原理图 当555定时器输出高电平时，放电管T截止。电源编对电容充电，充电回路为:地。充电时间常数。当电容充电电压时，定时器输出变为低电平，放电管T导通，电容C1开始放电，放电回路为:放电管地，放电时间常
38、数。当电容放电电压时，定时器输出变为高电平，放电管T截止，电容C又开始充电，如此循环下去，便可稳定地输出矩形波。 两个暂稳态的持续时间分别为: (3-14) (3-15) 振荡周期T为: （3-16） 占空比为: （3-17）其中 该电路通过调节可变电阻Rw，可实现调节占空比的大小。 同时也可以采用一个更加简便的方法，直接通过软件编程方式使得单片机发送40kHz的超声波脉冲信号15。本方案就是采用单片机软件产生。关于40kHz脉冲信号的产生，如果用单片机定时器中断产生，要特别注意中断服务程序的编写。中断服务不能过长，如果过长，单片机在前一个中断服务程序还没执行完之前，又会有下一个中断产生。所以
39、，单片机将会产生一个错误频率的信号。往往这个错误的频率会比预期的值偏低，比如:程序原本要产生一个40kHz的信号，实际单片机只能产生一个20kHz左右的信号。 40kHz的信号可以用一个汇编语言子程序来产生。程序如下: NAME CS_T?PR? CS_T? CS_T SEGMENT CODE PUBLIC CS_T RSEG ?PR?CS_T?CS_TCS_T: PUSH ACC MOV THO,#00H MOV TL0,#OOH MOV A, #4D SETB TR0CST_1: CPL P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ ACC,C
40、S_T1 POP ACC RET END3.4.2.超声波接收电路设计 根据电路需求，需要接收放大电路满足以下要求: (1)将微弱信号放大; (2)波形整形。 当超声波接收器将接收到的回波信号转换成电压信号，信号经过放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入INTO中断口，该电信号作为AT89S52外部中断的中断信号使AT89S52产生中断，在中断服务程序中停止计数器TO的计时，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的放大和整形以及产生中断信号等功能。 在电子电路控制系统中，积分电路与微分电路常用作调节电路，此外也广泛应用于波形的产生和变换之中，以集
41、成运放作为放大电路，利用电阻电容作为反馈网络，可以实现此两种运算电路16。 1、带通滤波器设计 由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点，因此，本系统采用RC有源滤波方式，用于微弱回波信号的放大。有源滤波器是由有源器件(例如晶体管、集成运算放大器等)和阻容等元件组成的一类滤波器。由于集成运放技术已十分成熟，应用已经十分普及，所以有源滤波器中的有源器件，几乎都是采用集成运放。与无源滤波器相比，有源滤波器一般具有下列特点17。 (1)由于使用了有源器件，信号在无源器件(例如电阻)上的损失可以在有源器件中得到补充。因而，可以在电路中优先采用损耗较大而体积较小的电阻来代替无源滤波器中的电感
42、器件，这样不仅可以使滤波器的重量和体积大大缩小，而且可以避免由电感所带来的非线性、参数调整困难以及制造成本高等缺点。另外从抑制干扰的角度考虑，这样就从根本上排除了电感所具有的对电磁场敏感、易检取外界噪声和本身易向外界施放电磁干扰噪声的弊端。 （2)由于运算放大器具有输入阻抗高、输出阻抗低以及高增益、高稳定性和高闭环增益等参数调整灵活的一系列优点，从而为有源滤波器的设计提供了很大的方便。 (3)有源滤波器频率精度高，一般可达到;频率稳定性好，通常可做到;低频滤波特性好，例如用集成运放和阻容元件组成的有源滤波器可使滤波频率范围低达10-3 Hz，并且具有较好的频率稳定性，这些指标，都是无源滤波器难以达到的。 (4)有源滤波器的上限频率由于受有源器件(主要是集成运放)本身带宽的限制，一般只用在几十千赫以下的频率范围内，其最高频率也只接近1 MHz.因而在更高的频率范围内一般均采用无源滤波器。这是有源滤波器的最大缺点。带通滤波器的滤波性能主要取决于Q(品质因素)和w0(截止角频率)。通常Q值越高，通