东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 7 页 2.2.2 压电陶瓷超声波传感器
图2.2 压电陶瓷超声传感器
1、适用范围
家用电器及其它电子设备的超声波遥控装置;超声测距及汽车倒车防撞装置;液面探测;超声波近接开关及其它应用的超声波发射与接收。
2、命名方法 TCF40—18TR1
TC—压电陶瓷超声传感器;F—类别;T—通用性;F—防水性;40—中心频率kHz;18—外径Φ(mm);TR—使用方式;T—发射;R—接受;TR—收发兼用;1—产品序列号：1、2、3···
3、产品性能
(1)标称频率(kHz)：40kHz;
(2)发射声压10V(0dB＝0.02mPa)：≥95dB; (3)接收灵敏度40kHz(0dB＝V／ubar)：≥-65dB; (4)静电容量1kHz，＜1V(pF)：1260pF～2340pF; (5)探测距离(m)：0.2～3; (6)－6dB指向角：60度; (7)外壳材料：铝; (8)外壳颜色：黑。 2.2.3 超声波传感器原理
当电压作用于压电陶瓷时，其就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生一个电荷。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器(所谓叫双压电晶片元件)施加一个电信号时，就会因
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 8 页 弯曲振动发射出超声波。相反，当向双压电晶片元件施加超声振动时，就会产生一个电信号。基于以上作用，便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。 2.2.4 超声波传感器系统构成及工作过程
由超声波发送传感器、超声波接收传感器和电路控制等部分组成。发送器传感器由发送器与陶瓷振子换能器组成，换能器作用是将陶瓷振子的电振动能量转换成超声波能量并向空中辐射;而接收传感器由陶瓷振子换能器与放大电路组成，换能器接收超声波波产生机械振动，将其变换成电能量，作为传感器接收器的输出，从而对发送的超进行检测。而实际使用中，用发送传感器的陶瓷振子的也可以用做接收器传感器社的陶瓷振子。控制部分主要对发送器发出的脉冲链频率、占空比及稀疏调制和计数及探测距离等进行控制。
若对发送传感器内谐振频率为40kHz的压电陶瓷片(双晶振子)施加40kHz高频电压，则压电陶瓷片就根据所加高频电压极性伸长与缩短，于是发送40kHz频率的超声波，其超声波以疏密形式传播(疏密程度可由控制电路调制)，并传给超声波接收器。接收器是利用压力传感器所采用的压电效应的原理，即在压电元件上施加压力，使压电元件发生应变，则产生一面为“+”极，另一面为“-”极的40kHz正弦电压。因该高频电压幅值较小，故必须进行放大。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 9 页 3 系统硬件设计
硬件部分主要由单片机系统电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路以及声音和显示报警电路组成。单片机采用AT89S52实现对CX20106A红外接收芯片和TC/R系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1.0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后单片机不停地检测INT0引脚，当INT0引脚的电平由高电平变为低电平时表示超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波从发出到回收到所经历的时间，通过换算就可以得到汽车尾部与障碍物之间的距离。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP三级管8550驱动。下面分步介绍各硬件部分的具体设计分析。 3.1 超声波发射电路
超声波的发射整个过程分为三部分：
产生调制信号、放大调制信号、发送超声波信号：
1、产生调制信号：脉冲调制信号由单片机产生，经I/O口输出，AT89S52通过控制P1.0端口发送一组频率约40kHz的PWM波，脉冲发射同时把计数器T0打开进行计时，等待回波反射到接收探头。
2、放大调制信号：由于单片机I/O口输出高电平仅为5V，而为使发射传感器能够工作，发射端工作电压就不低于15V，且工作电压越大，超声波的发射距离也越远，因此，在此电路上加功率放大电路，把调制信号放大。
3、发送超声波信号：将放大后的调制信号加载于超声波传感器上。
超声波发射电路包括超声波产生电路和超声波发射电路两个部分，产生电路由超声波探头(又称“超声波换能器”)选用压电式，发射电路利用软件产生40kHz的超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动探头产生超声波。
在本设计中，脉冲发射采用软件方式，利用AT89S52的P1.0口发射40kHz的方波信号，经过放大后输出到超声波换能器，产生超声波。74LS04是一个高速CMOS六反相器，具有放大作用，具有对称的传输延迟和转换时间。本系统将40KHz方波信号分成两路，分别由74LS04经两次和一次反向放大，从而构成推拉式反向放大。电路图如图3.1所示。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0端口输
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 10 页 出40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力，上拉电阻R12、R13一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
12R1210kLS11P1.0fashe1SPEAKER12212fashe0R1310k12 图3.1 超声波发射电路
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。
东北大学秦皇岛分校毕业设计(论文) 第 11 页 3.2 超声波检测接收电路 3.2.1 集成电路CX20106A
集成电路CX20106A是一款红外接收的专用芯片，常用于电视红外遥控器。常用的载波频率38kHz与测距的40kHz较为相近，可以利用它来做接收电路。
CX20106A(国内同类产品型号为D20106A)是日本索尼公司生产的在红外遥控系统中作接收预放用的双极型集成电路。它还可广泛用于视频系统、家用电器遥控电路以及通信系统等。这种IC性能优越，封装形式及体积与许多遥控信号接收器IC相同或相似，故可用来代换多种型号的遥控信号接收集成电路。CX20106A可用来完成遥控信号，CX20106A是日本索尼公司生产的红外解调集成电路，采用8脚单列直插式塑料超小型封装，+5V供电，内部含可前置放大、自动偏置、限幅放大、通带摅波、峰值检波、积分比较及施密特整形输出等电路。其主要功能是从38kHz红外载波信号中，将编码信号解调出来，并加以放大和整形，然后再送到微处理器进行处理，以实现遥控操作功能，其具体引脚图如图3.2所示。
前置放大+-ABLCIN1C123限幅放大宽频带滤波器检波器及比较器整形滞后比较器C2GND4F056C3OUT7VCC8红外信号增益输入端调节器检测端地带通滤波器积分端调整端信号输出端电源端图3.2 集成电路CX20106A内部结构图
CX20106A的引脚注释：
(1)l 脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
(2)2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但C的改变会影响到频率特