發布日期：2022-05-20 點擊率：47
引言
超聲波是一種頻率在20KHz以上的機械波，在空氣中的傳播速度約為340 m/s（20°C時）。超聲波可由超聲波傳感器產生，常用的超聲波傳感器兩大類：一類是采用電氣方式產生超聲波，一類是用機械方式產生超聲波，目前較為常用的是壓電式超聲波傳感器。由于超聲波具有易于定向發射，方向性好，強度好控制，對色彩、光照度不敏感，反射率高等特點，因此被廣泛應用于無損探傷，距離測量、距離開關、汽車倒車防撞、智能機器人等領域。
1 系統原理框圖
本設計的整體框圖如圖1所示，主要由超聲波發射，超聲波接收與信號轉換，按鍵顯示電路與溫度傳感器電路組成。超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發射后遇到障礙物所反射的回波，從而測出發射和接收回波的時間差T,然后求出距離S=CT/2,式中的C為超聲波波速。在常溫下，空氣中的聲速約為340m/s.由于超聲波也是一種聲波，其傳播速度C與溫度有關，在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。因本系統測距精度要求很高，所以通過對溫度的檢測對超聲波的傳播速度加以校正。超聲波傳播速度確定后，只要測得超聲波往返的時間，如圖2所示，即可求得距離。這就是超聲波測距系統的基本原理。
2 超聲波信號的發射與接收電路
發射部分電路如圖3所示，主要由脈沖調制信號產生電路，隔離電路以及驅動電路組成，用來為超聲波傳感器提供發送信號。脈沖調制信號產生電路中通過單片機對 555定的復位（RESET）端的控制，使555定時器分時工作從而生產生脈沖頻率為40KHz,周期為30ms的脈沖調制信號，信號波形如圖2所示，本設計中一個周期內發送10個脈沖信號。隔離電路主要是由兩個與非門組成，對輸出級與脈沖產生電路之間進行隔離。輸出級由兩個通用型集成運放TL084CN 組成，由于超聲波傳感器的發射距離與其兩端所加的電壓成正比，因此要求電路要產生足夠大的驅動電壓，其基本原理就是一個比較電路，當輸入信號 Vi>2.5V時，運放A的輸出電壓VA=+12V,運放B的輸出電壓VB=-12V,當輸入信號Vi<2.5V時，運放A的輸出電壓 VA=“-12V”,運放B的輸出電壓VB=+12V,所以在超聲傳感器兩端得到兩個極性完全相反的對稱波形，即VB=-VA,所以加在超聲波傳感器兩端的電壓V=VA-VB=2VA,其兩端的電壓可達到24V,從而保證超聲波能夠發送較遠的距離，提高了測量量程。
接收部分的電路由放大電路，帶通濾波電路以及信號變換電路組成。放大電路和帶通濾波電路如圖4所示。由于超聲波信號在空氣中傳播時受到很大程度的衰減，所以反射回的超聲波信號非常的微弱，不能直接送到后級電路進行處理，必須將信號放大到足夠的幅度，才能使后級電路對它進行正確的處理。前置放大電路是由集成運放組成的自舉式同相交流放大電路，具有很高的輸入阻抗，C5,C6,C7為隔直電容，R5,R6,R7為偏置電阻，用來設置放大器的靜態工作點。帶通濾波器采用二階RC有源濾波器，用于消除超聲波傳播過程中受到的干擾信號的影響。該電路為二階壓控電壓源帶通濾波電路，圖中RW,C10組成低通濾波網絡，C9和R12組成高通濾波網絡，兩者串聯組成了帶通濾波電路。集成運放和電阻R9,RlO一起組成同相比例放大器，為了使電路能夠穩定工作，必須保證同相比例放大器的增益AV<3,帶通濾波器的中心頻率ω0=40kHz,電路參數可通過AV=1+R9/R10和ω0=1/R12C2（1/RW+1/R13）確定。經過帶通濾波后的信號經專用儀表放大器AD620進行放大，然后送到信號變換電路，信號變換電路主要將接收到的包絡信號變換成單片機的中斷觸發信號。由包絡檢波電路，電壓比較器和RS觸發器組成。包絡檢波電路由二極管D3,電阻R19,和電容C13組成。經過包絡檢波得到的信號如圖6中的V2所示。電壓比較器由集成運放和電容電阻組成，為了消除發送探頭的干擾信號，我們將單片機P1.2輸出的信號加到電壓比較器的同相端，它的波形是250μs的高電平，和29750μs低電平的方波，通過二極管D3將P1.2和比較器的正向端隔離。當P1.2輸出高電平時，通過二極管對電容C14充電，由于二極管是正向導通的，所以充電很快，當P1.2輸出為低電平時，二極管反向截止，電容通過電阻RW和R21放電，由于總電阻比較大，所以放電很緩慢，波形如圖6中V3所示，從圖中可看出，在沒有收到返回信號時，比較器輸出高電平，如果收到返回信號，比較器便輸出低電平，輸出波形如圖6中Vo所示，通過這種方法就可以消除發射探頭對反射回的信號的干擾。
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