波的特性而研制的传感器。 2、超声波换能器的组成
超声波换能器主要是由压电晶体片(陶瓷片)组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声波探头多作探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头(纵波)、斜探头(横波)、表面波探头(表面波)、兰姆波探头(兰姆波)、双探头(一个探头反射、一个探头接收)等，本系统选用直探头式超声波。
超声波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。 3、超声波的发射原理
超声波发送装置有超声波产生电路和超声波发射控制电路两部分组成，超声波探头在现有的市场中有两种备选产品：压电陶瓷产品和换能器，本系统选用换能器形式，其型号选用CSB40T，可以选用软件发生法和硬件发生法两种产生超声波的方法。第一种方法是先利用软件驱动的形式产生PWM脉冲信号，脉冲信号通过输出引脚输入至驱动器，脉冲信号经驱动器驱动后推动超声波探头产生40KHz的超声波。这种方法的特点是充分的利用软件产生可调节的PWM脉冲，具有极强的灵活性。在使用该方法时，我们需要设计一个驱动电流在100mA以上的驱动电路。第二种产生超声波的方法是利用超声波专用或通用发生电路产生超声波信号，并用它直接驱动换能器产生超声波。这种方法的优点是无须驱动电路，但在产生超声波的过程中缺乏灵活性。
基于嵌入式的倒车雷达设计采用第一种方法产生超声波，利用LM555H时基电路振荡产生40kHz的超声波，电路原理及连接设计如图3-9所示。振荡频率的计算公式：f?1.43((R9?2?R10)?C5。电路中将R10设计为可调电阻的目的是为
了调节信号频率，使之与换能器40KHz的固有频率保持一致。系统采用+12V电源供电保证555振荡器具有足够的驱动能力。CNT为超声波发射控制输入信号，由嵌入式主控芯片进行控制。 4、超声波发射电路的硬件介绍
(1)该模块中用到的LM555H震荡器是美国国家半导体公司生产的时基电路。在我国和世界各大集成电路的生产商中均有同类产品供选用，是使用极为广泛的一种通用型集成电路。LM555H振荡器系列可用来产生时间延迟和多种脉冲信号，具有功能强大、使用灵活、适用范围宽等特点，被广泛应用于各类电子产品中。
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图3-9超声波产生电路
555时基震荡电路有CMOS型和双极型两种。LM555H系列属于双极型的，优点是输出功率大，驱动电流可达200mA。CMOS型振荡电路的优点是功耗低、输入阻抗高、输出功率小、电源供电电压低、输出驱动电流小等优点。LM555H特性有如下几个方面：占空比可调节；输出端可接收和提供200mA电流；定时时间从微秒级到小时级；可工作于单稳态和无稳态两种方式；TTL电平与输出电压兼容；
温度稳定性好于0.005%/℃。
我们完全可以在：精确定时、频率变换、连续定时脉冲宽度调制、脉冲发生、脉冲相位调制时使用LM555H型的振荡器。
封装形式为TO-5金属封装DIP8双列直插封装
各个引脚编号及符号和功能说明：1 GND地线； 2 TR触发； 3 OUT输出；4 RES复位； 5 CV控制电压； 6 TH阀值； 7 DIS放电：8 VCC电源
(2)超声波发生电路中选用的超声波发生器为CSB40T换能器，该换能器有如下特点：
换能器的灵敏度：换能器在发射/接收超声波的过程中，实现了电一声和声一电转换效能。换能器的灵敏度越高，它的探测深度越大。另外晶片的机电性能和换能器声、电匹配层的匹配状况决定了超声波换能器的灵敏度。
发射功率：提高换能器的辐射功率、超声波的发射功率可提高其探测深度。通过增大电路发射电压的方式提高超声声功率。我们在设计驱动电路的时，要将驱动功率设置在安全剂量阈值内，表示安全剂量阈值的技术指标通常是声强，一般情况下声强应不大于10mW/cm2。
接收放大器增益：接收放大器增益的高低决定了探测的深度的深浅。当我们提高了放大器的增益时，也放大了系统噪声信号，从而淹没了噪声中的有用信号，
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所以我们所调节的放大器增益必须适中。
工作频率：振荡器的工作频率和超声波的衰减系数成直线性关系。工作频率越低，波长越长，其震荡幅值衰减越小，探测深度越大，但此时的分辨力会逐渐变差。相反，振荡器的震荡频率越高，超声波的探测深度越小，但此时的分辨力变高。因此在该系统中采取动态频率扫描和动态跟踪滤波技术，提高整机的工作性能，兼顾高分辨力和深探测度两个方面。
3.2.5 超声波接收电路
1、超声波接收电路原理
超声波接收器由超声波接收、信号放大、波形变换三部分电路组成。超声波接收探头必须具备同超声波发射探头一直的型号，相同的震荡频率是它们型号一直的关键。本系统设计使用的超声波接收探头型号CSB40R，它的震荡频率同超声波发射探头的震荡频率一致，这便可保证它们产生共振，顺利接收反射回波。CSB40R所接收反射回波电信号非常弱，因此在接收电路中我们必须放大信号。正弦波信号又不能直接被ARM接收，在ARM处理前必须进行波形变换，变成ARM可直接接收的数字波形。按照上面所讨论的原理，ARM只需接收第一个回波的时刻。在本设计中我们采用专用接收电路接收反射回波，超声波在空气传播过程中，超声波能量的衰减与超声波的传输距离成正比，即距离越近信号越强，距离越远信号越弱，信号强弱差异通常在1mV~1V之间。不同接收探头的输出信号强度存在差异。输入信号的范围变化较大，我们对放大电路的增益提出两个要求：一是放大增益要大，适应对小信号放大的要求；二是放大增益要能变化，适应大范围变化信号的需要。本系统的输入信号由于是正弦波，就必须将放大电路设计成交流放大电路。为了减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电。信号放大和变换采用LM324通用运算放大器，LM324运算放大器分四级设计，该放大器的前三级为放大器设计，后一级为比较器设计如图3-12。超声波接收电路图如图3-10如下所示：
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图3-10超声波接收电路图
本系统的超声波接收装置采用的是芯片CSB40R，LM324中的每级放大器均采用阻容电路的形式进行电平偏移，这样很好的满足了接收交流信号的需要。图3-10中的C7、C21、C22和C24等电容，容量均为10uF，该电路可在单电源条件下对交流信号进行放大。对交流信号而言，电容为短路，前三级放大电路的增益均为10。距离较近时，超声波反射回波的强度比较强，此时两级放大的增益已能够输出足够强度的信号，第三级放大电路有可能出现信号饱和；而距离较远时，超声波的信号强度较弱，此时必须采用三级放大。在本系统的原理设计中，我们可以通过合理调节电位器R27，选择比较基准电压，使测量更加准确、稳定。我们采用LM324单电源工作方式。
(1)、运放器LM324是由4个独立的高增益、内部频率补偿的运放组成，不但能在双电源下工作，也可在宽电压范围的单电源下工作，它具有输出电压振幅大、电源功耗小等优点，它的主要技术指标如下：
输入失调电压： 2mV 输入失调电流： 5nA 输入偏置电流： 45nA 差模电压增益： 100dB 温度漂移：
7?V/℃
单电源工作电压： 3-30V 静态电流：
500?A
双电源工作电压：?1.5 ~?15V
(2)、LM324的管脚排列如下图3-11所示。
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图3-11LM324引脚图
各引脚的定义如下：
1、out A 2、in A- 3、in A+ 4、电源正 5、in B+ 6、in B- 7、out B 8、out C 9、in C- 10、in C+ 11、电源地或负电源 12、in D+ 13、in D- 14、out D
LM324器件是一种价格便宜，带有真差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该运算放大器可以工作在低至30伏或者32伏的电源下，静态电流大致为MCl741的静态电流的五分之一(对每一个放大器而言)。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。输入电压范围也包含负电源电压。
LM324各引脚的意义：LM324内部有四个运算放大器，A,B,C,D 。 (3)、其三级放大电路图图如图3-12所示。
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