超声波测距仪的设计与制作

　　1　压电式超声波传感器测距原理

　　当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形;另一方面,当振动作用于压电陶瓷时,则会产生电荷。利用这一原理,由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成振动器,称为双压电晶片元件,当向双压电晶片元件施加一个电信号时,就会因弯曲振动发射出超声波。相反,当向双压电晶片元件施加超声振动时,就会产生电信号。基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的,它由两个压电晶片和一个共振板组成。

　　当两极外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板振动,便产生超声波。反之,如果两电极间未外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转换为电信号,这时它就成为超声波接收器了。

　　利用常规双压电晶片元件振动器的弯曲振动,在频率高于70kHz的情况下,是不可能达到此目的的。所以,在高频率探测中,必须使用垂直厚度振动模式的压电陶瓷。在这种情况下,压电陶瓷的声阻抗与空气的匹配就变得十分重要。压电陶瓷的声阻抗为2.6×107kg/m2s,而空气的声阻抗为4.3×102kg/m2s。5个幂的差异会导致在压电陶瓷振动辐射表面上的大量损失。一种特殊材料粘附在压电陶瓷上,作为声匹配层,可实现与空气的声阻抗相匹配。这种结构可以使超声波传感器在高达数百kHz频率的情况下,仍然能够正常工作。超声波发射接收头(UCM-40KT、UCM-40KR)。UCM-40K型压电陶瓷超声波换能器体积小,灵敏度高、性能可靠、价格低廉,是遥控、遥测、报警等电子装置最理想的电子器件。

　　发射距离: 8~10m;发射角度: 30~60;灵敏度:≥-70dB/V/ubar;谐振频率: 40kHz±1kHz(UCM -T40K1发射用); 40kHz±1kHz(UCM -R40K1接收用);频带宽: 2kHz±0.5kHz;外形尺寸:Φ16mm×22.5mm;使用环境温度: -20℃~+60℃;相对湿度:20±5℃时达98%;使用注意事项:两接线脚焊接时间不宜过长,以免器件内部焊点溶化脱焊或造成底座与接线脚之间松动,且不宜与腐蚀性物质接触。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,即:D=340t/2。

　　2　超声波测距仪硬件电路设计

　　超声波测距仪硬件设计以AT89S52单片机和UCM-40K系列超声波传感器为核心元件,外加驱动74LS04、红外检波接收芯片CX20106A以及显示电路和相关外围器件组成。整体硬件系统电路原理框图如图1所示。