本科生毕业设计（论文）
2.8 超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。
图2.2 超声波液位测量示意图
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
测距的公式表示为：L=C×T
式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。
超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。
由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，是作为液体高度测量的理想手段。
2.9 超声波发生器选择
超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现。
超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接
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收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用材料是压电式陶瓷。由于超声波在空气传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择高频率的传感器，而长距离测量时应用低频率的传感器。
一 、超声波接收传感器及处理芯片CX20106A
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括：
工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
工作温度。由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。
灵敏度。主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
因此超声波接受传感器应该应用集成电路CX20106A，CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。实验证明用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C6的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。此部分电路在集成芯片上
二 、温度传感器的选择
大家知道，声音在不同温度的空气中传播速度是不同的，所以这里要考虑到温度补偿的问题。
温度传感器有很多种，例如温度传感器AD590。AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。AD590的测温范围为-55℃～+150℃。AD590的电源电压范围为4V～30V。电源电压可在4V-6V范围变化，电流变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710WM。它的精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55℃～+150℃范围内，非线性误差为±0.3℃。
但是考虑到成本问题我选用TS-18B20数字温度传感器。该产品采用美国
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DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。 独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量。温度范围为-55°C至+125℃ 。-10°C至+85°C范围内精度为±0.5°C
温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。
2.10 盲区处理
超声波是由压电晶片振动产生的，压电晶片的振动是由信号控制的，当信号停止的同时，晶片由于惯性要等一段时间才能停下来，之后才能接收回波信号，这段时间内超声波传感器仍然在发射信号，因此不能接收回波信号，故称之为盲区。 当发射超声波时，虽然发射信号只保持一个很短的时间，但停止发射信号后，超声波探头上还存在一定的余振，因此在发射信号停止后的一段时间内，加在回波检测电路输入端的发射信号幅值仍是相当强的，可以达到电路的限幅电平。另一方面超声波探头上接收到的反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近处的障碍物发射信号也达不到电路的限幅电平。当障碍物离探头越来越远时，接收信号与发射信号相隔时间越来越长，发射信号的幅值也相应地越来越小。在超声波检测中，接收信号的衰减程度设计的比发射信号余振的衰减慢得多，如图中实线所示。
放大器输入电压VMA接收信号幅值发射信号幅值Vm接收阈值Oacb
图2.3 测量盲区示意图
为了保证有一定的信噪比，接收信号的幅值规定了一个阀值Vm，也就是说接收信号的幅值必须大于这一阀值时才能使回波接收电路有输入信号。从图中可见，从b点以
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后接收信号将低于阀值，这相当于所测距离的最大值。从图中的a点以后，接收信号才开始比发射信号大，但还将与发射信号相互迭加，较难分辨，因此这段时间内不能进行测量。从图中的c点以后，发射信号己低于阀值Vm，接收信号才基本上摆脱了发射信号的影响而能明显地分辨出来。所以在要求较高时，把oc这段时间规定为盲区时间。从距离上说，可根据盲区时间和声速，求得盲区距离。因此，oc为盲区时间，cb为可测范围，b为可测距离的最远点。
对盲区问题普遍处理办法是对绕射虚假信号作屏蔽，而屏蔽办法多种多样。可以从硬件上屏蔽，也可以从软件上采用信号滤波，或者延时接收。如果从发射开始一直到―虚假反射波‖结束这段时间，采取关闭中断的方法，从而不会发生中断申请，躲避绕射干扰。这种方法优点是处理简洁，故本系统就选用这种办法。
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a第3章 各单元硬件电路设计
+5V蜂鸣器3.1 单片机最小系统电路 U1BUZZERAT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmabl
Q1e and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，
R1680NPN俗称单片机。AT89C51是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片INT1P20机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高1222INT0132123242526272812345678P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17P00P01P02P03P04P05P06P073938373635343332Va30pF密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相T11514C1Y1+5V兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT31T0a+12MHzC230pF89C5119是一种高效微控制器，AT89C51是它的一种精简版本。AT89C51单片机
+5V为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图3.1所示。
EA/VPX1X2P21P22P23P24P25P26P270uF18 9蜂鸣器RESETRDWRABT89C51UZZER10K1716RXDTXDALE/PPSEN101130291234567813121514U1P10/TP11/TP12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89C51RXDTXDALE/PPSEN10113029P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739383736353433322122232425262728Q1R1680 aNPN +5V S1C130pF12MHz20uFC230pFY1+5V 31191891716C3+SW-PBR210K 图3.1 AT89C51引脚图
a
AT89C51的主要特点： ? 与MCS-51 兼容
? 4K字节可编程闪烁存储器
a? 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年 ? 全静态工作：0Hz-24Hz
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