【正文】 ........................ 29 PCB 板的層 ................................................................................................... 31 IV PCB 板的布局 ............................................................................................... 32 PCB 板布線 ................................................................................................... 32 6 電路調試 .................................................................................................................. 33 元件的焊接要點 ........................................................................................... 33 外圍按鍵電路焊接與測試 ........................................................................... 34 7 系統(tǒng)測試結果及誤差分析 ...................................................................................... 34 謝 辭 .......................................................................................................................... 37 附 錄 .......................................................................................................................... 39 1 1 引 言 超聲波是指頻率在 20kHz 以上的聲波，它屬于機械波的范疇。超聲波也遵循一般機械波在彈性介質中的傳播規(guī)律，如在介質的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進入介質后被介質吸收而發(fā)生衰減。它也有自已的特性，如它的頻率可以非常高，達到兆赫級，因此，它在介質中傳播時能量可以集中在很小的范圍內，具有良好的成束性，也就是方向性好。 有關于超聲波的簡單介紹 超聲波研究的發(fā)展 超聲波的研究歷史可以追溯到上個世紀。 1883 年， Galton 首先發(fā)現(xiàn)了超聲波的存在，他當時的研究目的主要是探索人類所能感知的聲譜范圍。在 Galton之后的三十年中，超聲波仍然是一個鮮為人知的東西，由于當時電子技術發(fā)展緩慢，對超聲波的研究造成了一定程度的影響。因此，當壓電效應和磁致現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后并沒有應用于制造有效的超聲設備。在第一次世界大戰(zhàn)中，對超聲的研究逐步受到重視。由于戰(zhàn)爭的需要，法國人 Langevin 使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測水中是否存在潛艇并可以進行水下的通信聯(lián)絡。 在我國，超聲學的研 究開始于二十世紀五十年代， 1959 年至 1964 年間我國建立了分子聲學實驗室，對馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問題進行了深入的研究，設計生產了固體中超聲衰減的測量設備，對粘彈性和可壓縮流體的聲速和衰 2 i減的研究取得了令人興奮的成果。同時在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、醫(yī)療等應用領域取得了可喜的成績。表面波換能器的研究我國開始于 1965 年，于 1970 年開始了高頻表面波的研究， 1977 年，我國研制成表面脈沖壓縮濾波器。在 80 年代以后，我國的超聲研究進入了一個全新的階斷，取得了一系列標志性成果，壓電復合材料研制成功 ，窄脈沖短余振探頭問世， PVDF 高分子壓電薄膜材料趕上并超過國際水平，高分子壓電 PVDF 型換能器和超聲顯微鏡的研究獲得了實用，高頻壓電材料 LiNb03 研制成功。在應用方面， 8 超和 A 超醫(yī)療探頭開始投入生產和醫(yī)療應用。超聲顯微鏡投入應用?？偟膩碚f，我國在超聲方面的研究在某些方面己走在了世界的前列。 近年來超聲測試技術已明顯表現(xiàn)出下列趨向 : 由定性的判斷缺陷的有無而發(fā)展為對缺陷的位置、大小、形狀、性質進行定量判斷，并且利用各種成像技術直接顯示缺陷的二維、三維圖像 。 向在線自動 檢測和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測試技術取得突破進展 。 超聲測試技術和材料的物性評價相結合，材料的設計、加工和工程應用迅速發(fā)展 超聲波的應用領域 超聲在許多領域內比可聽聲的用途更加廣泛，是基于以下兒個原因 : 具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強。在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)中方向性是一個重要的考慮因素。 超聲波的頻率越高，則波長越短，波長可以小到與超聲傳播媒介材料尺寸相比更小的程度。在高分辨率探傷、微小厚度測量、高精度 Mail 距中，這一點 相當重要。 超聲是不可聽聲，這樣就避免產生噪聲，因而超聲具有綠色特性。 在工業(yè)生產中，超聲波被應用在金屬材料和部分非金屬材料探傷，鋇口厚，以及超聲振動切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進行物位、濃度、硬度、溫度等檢測 ； 超聲波被廣泛應用于醫(yī)學領域，在診斷顯像技術，血流測量計，胎兒檢 3 查儀，超聲波潔牙器等醫(yī)療器械都是利用了超聲波的特性 ； 在軍事領域中，超聲波用于雷達目標定位，武器制導等方面。 幾種測距方法介紹 除超聲波測距外，目前被廣泛使用的還有核輻射測距、微波測距、光學測距等，下 面對這幾種測距方法進行介紹。 A. 核輻射法 不同物質對同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強，液體次之，氣體最差。 輻射式物位計既可進行連續(xù)測量，也可進行定點發(fā)送信號和進行控制。射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場的影響，而且可以穿透各種介質，包括固體，因此能實現(xiàn)完全非接觸測量。這些特點使得輻射式測距計適合于特殊場合或惡劣環(huán)境下的液位測量，如高溫、高壓、強腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結晶、沸騰狀態(tài)介質、高溫熔融體等的液位測量。但在使用時仍要注意控制劑量，作好防護，以防射線泄漏對人體造成傷害。 B. 微波測距 法 在電磁波譜中將波長為 1~ l000mm 的電磁波稱為微波。微波的特點是在各種障礙物上都能產生良好的反射，具有良好的定向輻射性能 。在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強光的影響小，具有很強的環(huán)境適應能力。 隨著大規(guī)模集成電路技術和微處理技術的迅速發(fā)展，微波檢測技術從長期停滯不前的原理性、實驗性研究階段，迅速進入工程實用和產業(yè)化階段。有關廠商不斷推出各種高性能的微波固體器件以及微波集成電路，不但使微波發(fā)射接受電路實現(xiàn)小型化，而且性能指標也有很大的提高，價格也有很大的下降。利用介質對微波的反射或吸收特性 ，微波檢測技術在運動目標檢測，目標物含水率檢測，液位、料位檢測等方面的應用愈來愈廣泛。 C. 光學測量法 激光用于液位測量，克服了普通光亮度差、方向性差、傳輸距離近、單色性差、易受干擾等缺點，使測量精度大為提高。 4 激光式液位檢測儀由激光發(fā)射器、接收器及測量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在物位測量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點檢測控制，不易進行連續(xù)測量。 D. 超聲波測量法 超聲波測距的基本原理是，由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號，在空氣中傳播，遇到空氣與物體的界面后被反射，接收到回波信 號后能得到超聲波傳播時間。根據(jù)其傳播速度和傳播時間計算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。 超聲波測距的優(yōu)越性 超聲波測距屬于非接觸檢測的范疇 ,它在許多場合有接觸測量不可比擬的優(yōu)越性 ,同時與激光、紅外、無線電等其它非接觸性檢測相比 ,超聲檢測在一定距離范圍內不受光線影響、結構簡單、成本低等特點 課題設計的任務和要求 設計一超聲波測距儀，任務： (1).了解超聲波測距原理。 (2).根據(jù)超聲波測距原理，設計超聲波測距器的硬件結構電路。 設計一超聲波測距儀，要求： (1).設計出超聲波測距儀的 硬件結構電路。 (2).對設計的電路進行分析能夠產生超聲波，實現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收 ，從而實現(xiàn)利用超聲波方法測量物體間的距離。 (3).對設計的電路進行分析。 (4).以數(shù)字的形式顯示測量距離。 2 方案選擇的論證和選擇 設計方案一：采用單片機來控制的超聲波測距儀 采用單片機來控制的超聲波測距儀是先 由單片機產生一個信號，經過信號線，把信號引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號引腳上，再由超聲波發(fā)射器向某一 5 方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反 射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： 2/CTD? 原理框圖如 21 所示： 圖 21 采用單片機來控制的超聲波測距儀 Fig21 Singlechip to control the ultrasonic range finder 設計方案二： 采用 CPLD 來控制的超聲波測距儀 采用 CPLD 來控制的超聲波測距儀 ，主要是在軟件 上 運用 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫程序使用 MAX+plus II 軟件進行軟硬件設計的仿真和調試，最終實現(xiàn)測距功能。 使用本方案的優(yōu)點在于在 超聲波測距儀設計中采用的是 MAX7000s系列中的 EPM7128SLC8415 的 CPLD 器件 ， 其最高頻率可達 ，可用于組合邏輯電路、時序邏輯電路、算法、雙端口 RAM 等的設計。充分利用了其多達 128 個宏單元、 68pin 可編程 I/O 口，使該器件可以 將分頻功能、計數(shù)功能、顯示編碼功能、振蕩功能全部集于一體。又因其延時平均的特點，保證了測距結果精度高、響應速度快。開始測量 超聲波信號 開定時器 關定時器 數(shù)據(jù)運算 顯示器 接收檢測 電聲換能器 電聲換能器 驅動電路 6 缺點是 方案中需要一塊 FPGA,一塊雙口 RAM,還需要一塊用來存儲波形數(shù)據(jù)的 EEPROM，那么設計的成本較高。同時在 FPGA 中還要用硬件描述語言 (VHDL 語言 )編寫程序來實現(xiàn)硬件電路功能。 由于 EPM7128SLC8415 的算法復雜，所以在軟件實現(xiàn)起來編程也復雜。 方案設計三：采用鎖相環(huán)頻率合成技術 采用鎖相環(huán)頻率合成技術 ，也可以實現(xiàn)我們所需要的超聲波測距儀。具體方案如下：首先通過頻率合成 技術產生超聲波所需要的頻率，在通過信號線將采用鎖頻率相合成技術得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實現(xiàn)超聲波測距。它的優(yōu)點就是工作頻率可調，也可以達到很高的頻率分辨率；缺點是要求使用的濾波器通帶可變，實現(xiàn)很困難。 它的原理如圖 22 所示： 晶 振整 形電 路R 分 頻鑒 相 器F D環(huán) 路 濾 波 器L F可 變 分 頻 器N壓 控 振 蕩 器V C Of vf Rf i n 圖 22 原理圖 Fig22 Schematic 與第二種方案相比，第一種使用的是單片機，編譯語言可以用 C 語言來實現(xiàn)，所以比較簡單，而第三種方法使用的濾波器通帶容易變化，實現(xiàn)起來就相對比較的困難，綜上所述 ， 因此選擇第一種設計方案。 測距儀的設計思路 超聲波測距原理 發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 υ 在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v 與溫度有關，下表列出了幾種不同溫度 7 下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 21 超聲波波速與溫度的關系表 From 21Ultrasonic velocity with temperature table 溫度（℃） 30 20 10 0 10 20 30 100 聲速（ m／ s） 313 319 325 323 338 344 349 386 超聲波測距儀原理框圖 單片機發(fā)出 40kHZ 的信號，經放大后通過超聲波發(fā)射器輸出；超聲波接收器將接收到的超聲波信號經放大器放大，用鎖相環(huán)電路進行檢波處理后，啟動單片機中斷程序，測得時間為 t，再由軟件進行判別、計算，得出距離數(shù)并送 LE