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面来衡量比较适中，并且接收准确响应速度快。

2.2.5测量盲区

在以传感器脉冲反射方式工作的情况下，电压很高的发射电脉冲在激励传感器的同时也进入接收部分。此时，在短时间内放大器的放大倍数会降低，甚至没有放大作用，这种现象称为阻塞。不同的检测仪阻塞程度不一样。根据阻塞区内的缺陷回波高度对缺陷进行定量评价会使结果偏低，有时甚至不能发现障碍物，这是需要注意的。由于发射声脉冲自身有一定的宽度，加上放大器有阻塞问题，在靠近发射脉冲一段时间范围内，所要求发现的缺陷往往不能被发现，这段距离，称为盲区，具体分析如下:

图2-8传感器回波测距原理分析图

如图所示，当发射超声波时，发射信号虽然只维持一个极短时间，但停止施加发射信号后，探头上还存在一定余振(由于机械惯性作用)。因此，在一段较长时间内，加在接收放大器输入端的发射信号幅值仍具一定幅值高度，可以达到限幅电路的限幅电平Vm;另一方面，接收探头上接收到的各种反射信号却远比发射信号小，即使是离探头较近的表面反射回来的信号，也达不到限幅电路的限幅电平。当反射面离探头愈来愈远，接收和发射信号相隔时间愈来愈长，其幅值也愈来愈小。在超声波检测中，接收信号的衰减总是比发射信号余振衰减慢的多。为保证一定的信噪比，接收信号幅值需达到规定的阈值Vm，亦即接收信号的幅值必须大于这一阈值才能使接受放大器有输入信号。由图2-8可见，从b点以后，接收的信号低于闽值，相当于测距的远限。另外，从图中A点以后，接收信号才比发射信号大，但还将与发射信号相迭加，难以分辨。从c点以后，发射信号低出阈值Vm，接收信号才基本摆脱发射信号干扰，而能明显的被分辨，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，根据盲区时间和声速，就可以求得盲区距离。因此，cb为可测距范围;b点就为测距远限，其外部就为测量不到的区域。

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2.3本章小结

本章首先介绍了超声波的形成、超声波在传播过程中的反射折射规律以及如何衰减;通过详细分析超声传感器的内部结构以及影响超声传感器的几个重要参数给出本系统设计中所用超声传感器的特性参数;分析了超声波测距的基本原理，并在此基础上给出了测距的几种常用方法以及传感器指向角、工作频率、环境温度、发射脉冲宽度和测量盲区对超声测距精度的影响。

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第3章 系统硬件设计

系统硬件主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路、超声波检测接收电路和温度补偿电路四部分组成。随着超声波测量技术的不断提高，用超声波测量任何目标物体，都存在着超声波的发射和接收问题。不论超声波传感器的大小、形状、灵敏度有何不同，其工作原理都有是一样的（都是利用压电晶体将电能转换为机械振动弹性能，即在媒质中产生超声波），要提高超声测量的精度或分辨力，必须从超声波的发射和接收两方面入手，这也是设计超声测量仪器的关键和难点所在。

发射电路采用单片机P1.0端口编程输出40KHz左右的方波脉冲信号，同时开启内部计数器T0。由于单片机端口输出功率很弱，在此电路上加功率放大电路使测量距离满足要求，驱动超声传感器UCM-40T1发射超声波距离足够远。

由于从接收传感器探头UCM40T传来的超声波回波很微弱（几十个mV级），又存在着较强的噪声，所以放大信号和抑制噪声是放大电路必须考虑。这里使用CX 20106A集成电路对接收探头接受到的信号进行放大、滤波，信号经过P2.7端口送入单片机中进行处理。为节省硬件考虑，显示电路采用动态扫描显示。通过单片机编程将内部计数得到的时间数据，转换为距离信息，通过三位LED数码管显示。

3.1 发射电路设计

超声波发射部分是为了让超声波发射换能器TCT40－16T能向外界发出40 kHz左右的方波脉冲信号。40 kHz左右的方波脉冲信号的产生通常有两种方法：采用硬件如由555振荡产生或软件如单片机软件编程输出，本系统采用后者。编程由单片机P1.0端口输出40 kHz左右的方波脉冲信号，由于单片机端口输出功率不够，40 kHz方波脉冲信号分成两路，送给一个由74HC04组成的推挽式电路进行功率放大以便使发射距离足够远，满足测量距离要求，最后送给超声波发射换能器TCT40－16T以声波形式发射到空气中。发射部分的电路，如图3-1所示。图中输出端上拉电阻R31，R32，一方面可以提高反向器74HC04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

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图3-1 超声波发射电路框图

3.1.1发射电路设计方案

一、发射电路输出波形分析 1.发射波形的重复性

为获得高分辨力，发射电路设计应保证发射的超声波波形有良好的重复性;此外，所发射的超声波应尽量单纯，即发射波的各个振动应近似为同一频率的振动，以便接收时可采用带通滤波器消除干扰和每次都接收到同一个振动波峰。为避免超声波在障碍物表面反射时造成的各种损失和干扰。

由于超声波是换能器压电晶片振动时推动附近的空气发出的疏密波，其“波形”应与晶片振动规律相同。发射电路设计的是否合理直接影响发射波功率和波形的重复性。

通常发射电路按发射方式分为:单脉冲发射、多脉冲发射和连续发射。测距所用超声波一般都是间断单脉冲发射，每测距一次，发送、接收一次。间断地激发换能器晶片振动。此方法测试距离太近;本系统采用间断多脉冲发射，系统自动识别被测距离远近，设置发射脉冲个数。

2.发射波形电压及功率

传感器发射电压大小主要取决于发射信号损失及接收机的灵敏度，综合各种损耗的因素，包括往返传播损失，声波传输损失，声波反射损失，环境噪声损失;另外考虑实际发射传感器的最大输入电压为20Vp-p，以及单片机正常工作输出最大电压5V，传感器发射信号的功率直接决定发射探头发出超声信号的远近，所以考虑电压的同时应该考虑如何提高其功率，才能使得发射电路更合理。

3.1.2发射电路常用方案

由上面的分析，我们知道发射电路设计的主要目的是抬高输入到发射探头的电压及

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其功率。本系统用单片机P1.0发射一组方波脉冲信号，其输出波形稳定可靠，但输出电流和输出功率很低，不能够推动发射传感器发出足够强度的超声信号，所以在此间加入一个单电源乙类互补对称功率放大电路，如图3-2所示。

-VCCQ1LS1C1P1.0Q2RFR1VCC

图3-2 超声波发射电路

3.1.3 超声波发射器的注意事项

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物反射后立即返回来，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约为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出超声波发射点距障碍物的距离(s)，即为：s=340t/2，这就是所谓的时间差测距法。

存在4个因素限制了该系统的最大可测距离：超声波的幅度、反射的质地、反射回波和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。

测距误差主要来源于以下几个方面：

（1）超声波波束对探测目标的入射角?的影响；

（2）超声波回波声强与待测距离的远近有直接关系，所以实际测量时，不一定是第一个回波的过零点触发；

（3）超声波传播速度对测距的影响。稳定准确的超声波传播速度是保证测量精度的必要条件，波的传播速度取决于传播媒质的特性。传播媒质的温度、压力、密度对声速都将产生直接的影响，因此需对声速加以修正。

（4）由于超声波利用接收发射波来进行距离的计算，因而不可避免地存在发射和反射之间的夹角，其大小为2?，当?很小的时候，可直接按式S?CVt2进行距离的计算；当夹角很大的时候，必须进行距离的修正，修正的公式为：

S?cos??c?t (3-1) 2 15