单片机超声波测距系统+原理图+电路图+汇编源程序+LED模块 第4页
双压电晶片由A，两部分构成当在 AB 间施加交流电压时，若 A 片的电场方向与极化方向相同，则下面的方向相反，因此，上下一伸一缩，形成超声波振动。双压电晶片的等效电路如图 2.1 所示， 静电电容，R 为陶瓷材料介电损耗并联电阻 Cm 和 Lm 为机械共振回路的电容和电感，Rm 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 。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，就可非常方便的改变其固有谐振频率。利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。图2.1 双压电晶片等效电路
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。金属网也是起保护作用的，但不影响发射与接收超声波。
2.3.2超声波传感器的特性
超声波传感器的基本特性有频率特性和指向特性，这里以课题中选用的SZW-S40-12M 发射型超声波传感器为例进行说明。本文来自优*文~论-文^网
.频率特性
图2.2 超声波传感器频率特性
图 2.2 是超声波发射传感器的频率特性曲线。其中， ＝40KHz 为超声发射传感器的中心频率，在 处，超声发射传感器所产生的超声机械波最强，也就是说在 处所产生的超声声压能级最高。而在 两侧，声压能级迅速衰减。因此，超声波发射传感器一定要使用非常接近中心频率 的交流电压来激励。另外，超声波接收传感器的频率特性与发射传感器的频率特性类似。曲线在 处曲线最尖锐，输出电信号的幅度最大，即在 处接收灵敏度最高。因此，超声波接收传感器具有很好的频率选择特性。超声接收传感器的频率特性曲线和输出端外接电阻R 也有很大关系，如果 R 很大，频率特性是尖锐共振的，并且在这个共振频率上灵敏度很高。如果 R 较小，频率特性变得光滑而具有较宽得带宽，同时灵敏度也随之降低。并且最大灵敏度向稍低的频率移动。因此，超声接收传感器应与输入阻抗高的前置放大器配合使用，才能有较高得接收灵敏度。
B.指向特性
实际的超声波传感器中的压电晶片是一个小圆片，可以把表面上每个点看成一个振荡源，辐射出一个半球面波（子波），这些子波没有指向性。但离开超声传感器得空间某一点的声压是这些子波迭加的结果（衍射），却有指向性。图 2.3 是电路中选用得发射传感器的指向图。
图2.3 超声波发射传感器指向图
超声传感器的指向图由一个主瓣和几个副瓣构成，其物理意义是 0°时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小。超声传感器的指向角一般为 40 ~80°，课题中超声发射传感器的指向角为 75°。
2.4 系统主要参数的确定
2.4.1 测距仪的工作频率
传感器的工作频率是测距系统的主要技术参数，它直接影响超声波的扩散和吸收损失，障碍物反射损失，背景噪声，并直接决定传感器毕业论文
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工作频率的确定主要基于以下几点考虑：
(1) 如果测距的能力要求很大，声波传播损失就相对增加，由于介质对声波的吸
收与声波频率的平方成正比，为减小声波的传播损失，就必须降低工作频率。
(2) 工作频率越高，对相同尺寸的还能器来说，传感器的方向性越尖锐，测量障
碍物复杂表面越准，而且波长短，尺寸分辨率高，“细节”容易辨识清楚，因此从测量复杂障碍物表面和测量精度来看，工作频率要求提高。
(3) 从传感器设计角度看，工作频率越低，传感器尺寸就越大，制造和安装就越困难。
综上所述，由于本测距仪最大测量量程不大，因而选择测距仪工作频率在 40KHz。这样传感器方向性尖锐，且避开了噪声，提高了信噪比；虽然传播损失相对低频有所增加，但不会给发射和接收带来困难。
2.4.2 声速本文来自优*文~论-文^网
声速的精确程度线性的决定了测距系统的测量精度。传播介质中声
波的传播速度随温度，杂质含量，和介质压力的变化而变化。
声速随温度变化公式为 V=331.4＋0.607T(mm/ms)
式中，T 是温度。由于该测距系统用于室内测量，且量程也不大，温度可以看作定值。在常温下，声音在空气中的传播速度可依据上式计算出为 340 mm/ms。
2.4.3 发射脉冲宽度
发射脉冲宽度决定了测距仪的测量盲区，也影响测量精度，同时与信号的发射能量有关。根据资料，减小发射脉冲宽度，可以提高测量精度，减小测量盲区，但同时也减小了发射能量，对接收回波不利。但是根据实际的经验，过宽的脉冲宽度会增加测量盲区，对接收回波及比较电路都造成一定困难。
在具体设计中，比较了 24μs (1 个 40KHz 脉冲方波)，48μs( 2个 40KHz 脉冲方波)，240μs (10 个 40KHz 脉冲方波)，作为发射信号后的接收信号，最终选用 48μs (2个 40KHz 脉冲方波)的发射脉冲宽度。
此时，从接收回波信号幅度和测量盲区两个方面来衡量比较适中。
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