【正文】 ........................ 29 PCB 板的層 ................................................................................................... 31 IV PCB 板的布局 ............................................................................................... 32 PCB 板布線 ................................................................................................... 32 6 電路調(diào)試 .................................................................................................................. 33 元件的焊接要點(diǎn) ........................................................................................... 33 外圍按鍵電路焊接與測(cè)試 ........................................................................... 34 7 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)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(jī)械波的范疇。超聲波也遵循一般機(jī)械波在彈性介質(zhì)中的傳播規(guī)律，如在介質(zhì)的分界面處發(fā)生反射和折射現(xiàn)象，在進(jìn)入介質(zhì)后被介質(zhì)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(dá)到兆赫級(jí)，因此，它在介質(zhì)中傳播時(shí)能量可以集中在很小的范圍內(nèi)，具有良好的成束性，也就是方向性好。 有關(guān)于超聲波的簡(jiǎn)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(gè)世紀(jì)。 1883 年， Galton 首先發(fā)現(xiàn)了超聲波的存在，他當(dāng)時(shí)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(gè)鮮為人知的東西，由于當(dāng)時(shí)電子技術(shù)發(fā)展緩慢，對(duì)超聲波的研究造成了一定程度的影響。因此，當(dāng)壓電效應(yīng)和磁致現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)后并沒有應(yīng)用于制造有效的超聲設(shè)備。在第一次世界大戰(zhàn)中，對(duì)超聲的研究逐步受到重視。由于戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，法國(guó)人 Langevin 使用一種晶體傳感器在水下發(fā)射和接收相對(duì)低頻的超聲波。他提出的這種方法可以用來檢測(cè)水中是否存在潛艇并可以進(jìn)行水下的通信聯(lián)絡(luò)。 在我國(guó)，超聲學(xué)的研 究開始于二十世紀(jì)五十年代， 1959 年至 1964 年間我國(guó)建立了分子聲學(xué)實(shí)驗(yàn)室，對(duì)馳豫吸收、懸浮體的聲吸收等問題進(jìn)行了深入的研究，設(shè)計(jì)生產(chǎn)了固體中超聲衰減的測(cè)量設(shè)備，對(duì)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(shí)在超聲波探傷、加工、種子處理、顯示、醫(yī)療等應(yīng)用領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī)。表面波換能器的研究我國(guó)開始于 1965 年，于 1970 年開始了高頻表面波的研究， 1977 年，我國(guó)研制成表面脈沖壓縮濾波器。在 80 年代以后，我國(guó)的超聲研究進(jìn)入了一個(gè)全新的階斷，取得了一系列標(biāo)志性成果，壓電復(fù)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(guó)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(shí)用，高頻壓電材料 LiNb03 研制成功。在應(yīng)用方面， 8 超和 A 超醫(yī)療探頭開始投入生產(chǎn)和醫(yī)療應(yīng)用。超聲顯微鏡投入應(yīng)用?？偟膩碚f，我國(guó)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(cè)試技術(shù)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(duì)缺陷的位置、大小、形狀、性質(zhì)進(jìn)行定量判斷，并且利用各種成像技術(shù)直接顯示缺陷的二維、三維圖像 。 向在線自動(dòng) 檢測(cè)和儀器的智能化發(fā)展，其中非接觸超聲測(cè)試技術(shù)取得突破進(jìn)展 。 超聲測(cè)試技術(shù)和材料的物性評(píng)價(jià)相結(jié)合，材料的設(shè)計(jì)、加工和工程應(yīng)用迅速發(fā)展 超聲波的應(yīng)用領(lǐng)域 超聲在許多領(lǐng)域內(nèi)比可聽聲的用途更加廣泛，是基于以下兒個(gè)原因 : 具有方向性，超聲波的頻率越高，則方向性越強(qiáng)。在無損探傷、水下聲納系統(tǒng)、超聲測(cè)距系統(tǒng)中方向性是一個(gè)重要的考慮因素。 超聲波的頻率越高，則波長(zhǎng)越短，波長(zhǎng)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(cè)量、高精度 Mail 距中，這一點(diǎn) 相當(dāng)重要。 超聲是不可聽聲，這樣就避免產(chǎn)生噪聲，因而超聲具有綠色特性。 在工業(yè)生產(chǎn)中，超聲波被應(yīng)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(dòng)切削加工、清洗、焊接等行業(yè)。以及進(jìn)行物位、濃度、硬度、溫度等檢測(cè) ； 超聲波被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，在診斷顯像技術(shù)，血流測(cè)量計(jì)，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(lǐng)域中，超聲波用于雷達(dá)目標(biāo)定位，武器制導(dǎo)等方面。 幾種測(cè)距方法介紹 除超聲波測(cè)距外，目前被廣泛使用的還有核輻射測(cè)距、微波測(cè)距、光學(xué)測(cè)距等，下 面對(duì)這幾種測(cè)距方法進(jìn)行介紹。 A. 核輻射法 不同物質(zhì)對(duì)同位素射線的吸收能力不同，一般固體最強(qiáng)，液體次之，氣體最差。 輻射式物位計(jì)既可進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，也可進(jìn)行定點(diǎn)發(fā)送信號(hào)和進(jìn)行控制。射線不受溫度、壓力、濕度、電磁場(chǎng)的影響，而且可以穿透各種介質(zhì)，包括固體，因此能實(shí)現(xiàn)完全非接觸測(cè)量。這些特點(diǎn)使得輻射式測(cè)距計(jì)適合于特殊場(chǎng)合或惡劣環(huán)境下的液位測(cè)量，如高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、劇毒、有爆炸性、易結(jié)晶、沸騰狀態(tài)介質(zhì)、高溫熔融體等的液位測(cè)量。但在使用時(shí)仍要注意控制劑量，作好防護(hù)，以防射線泄漏對(duì)人體造成傷害。 B. 微波測(cè)距 法 在電磁波譜中將波長(zhǎng)為 1~ l000mm 的電磁波稱為微波。微波的特點(diǎn)是在各種障礙物上都能產(chǎn)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(qiáng)光的影響小，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。 隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理技術(shù)的迅速發(fā)展，微波檢測(cè)技術(shù)從長(zhǎng)期停滯不前的原理性、實(shí)驗(yàn)性研究階段，迅速進(jìn)入工程實(shí)用和產(chǎn)業(yè)化階段。有關(guān)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(shí)現(xiàn)小型化，而且性能指標(biāo)也有很大的提高，價(jià)格也有很大的下降。利用介質(zhì)對(duì)微波的反射或吸收特性 ，微波檢測(cè)技術(shù)在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)，目標(biāo)物含水率檢測(cè)，液位、料位檢測(cè)等方面的應(yīng)用愈來愈廣泛。 C. 光學(xué)測(cè)量法 激光用于液位測(cè)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(diǎn)，使測(cè)量精度大為提高。 4 激光式液位檢測(cè)儀由激光發(fā)射器、接收器及測(cè)量控制電路組成。工作方式有反射式和遮斷式，在物位測(cè)量中兩種方式都可使用，但一般只用作定點(diǎn)檢測(cè)控制，不易進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。 D. 超聲波測(cè)量法 超聲波測(cè)距的基本原理是，由超聲探頭發(fā)出的超聲脈沖信號(hào)，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(hào)后能得到超聲波傳播時(shí)間。根據(jù)其傳播速度和傳播時(shí)間計(jì)算出其傳播距離，得到傳感器到物體的距離。 超聲波測(cè)距的優(yōu)越性 超聲波測(cè)距屬于非接觸檢測(cè)的范疇 ,它在許多場(chǎng)合有接觸測(cè)量不可比擬的優(yōu)越性 ,同時(shí)與激光、紅外、無線電等其它非接觸性檢測(cè)相比 ,超聲檢測(cè)在一定距離范圍內(nèi)不受光線影響、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn) 課題設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，任務(wù)： (1).了解超聲波測(cè)距原理。 (2).根據(jù)超聲波測(cè)距原理，設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距器的硬件結(jié)構(gòu)電路。 設(shè)計(jì)一超聲波測(cè)距儀，要求： (1).設(shè)計(jì)出超聲波測(cè)距儀的 硬件結(jié)構(gòu)電路。 (2).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析能夠產(chǎn)生超聲波，實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)送與接收 ，從而實(shí)現(xiàn)利用超聲波方法測(cè)量物體間的距離。 (3).對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行分析。 (4).以數(shù)字的形式顯示測(cè)量距離。 2 方案選擇的論證和選擇 設(shè)計(jì)方案一：采用單片機(jī)來控制的超聲波測(cè)距儀 采用單片機(jī)來控制的超聲波測(cè)距儀是先 由單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)線，把信號(hào)引入到與超聲波發(fā)射器相連的信號(hào)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(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，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(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間 t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)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(jī)來控制的超聲波測(cè)距儀 Fig21 Singlechip to control the ultrasonic range finder 設(shè)計(jì)方案二： 采用 CPLD 來控制的超聲波測(cè)距儀 采用 CPLD 來控制的超聲波測(cè)距儀 ，主要是在軟件 上 運(yùn)用 VHDL（ Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language）編寫程序使用 MAX+plus II 軟件進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)的仿真和調(diào)試，最終實(shí)現(xiàn)測(cè)距功能。 使用本方案的優(yōu)點(diǎn)在于在 超聲波測(cè)距儀設(shè)計(jì)中采用的是 MAX7000s系列中的 EPM7128SLC8415 的 CPLD 器件 ， 其最高頻率可達(dá) ，可用于組合邏輯電路、時(shí)序邏輯電路、算法、雙端口 RAM 等的設(shè)計(jì)。充分利用了其多達(dá) 128 個(gè)宏單元、 68pin 可編程 I/O 口，使該器件可以 將分頻功能、計(jì)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(shí)平均的特點(diǎn)，保證了測(cè)距結(jié)果精度高、響應(yīng)速度快。開始測(cè)量 超聲波信號(hào) 開定時(shí)器 關(guān)定時(shí)器 數(shù)據(jù)運(yùn)算 顯示器 接收檢測(cè) 電聲換能器 電聲換能器 驅(qū)動(dòng)電路 6 缺點(diǎn)是 方案中需要一塊 FPGA,一塊雙口 RAM,還需要一塊用來存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)的 EEPROM，那么設(shè)計(jì)的成本較高。同時(shí)在 FPGA 中還要用硬件描述語言 (VHDL 語言 )編寫程序來實(shí)現(xiàn)硬件電路功能。 由于 EPM7128SLC8415 的算法復(fù)雜，所以在軟件實(shí)現(xiàn)起來編程也復(fù)雜。 方案設(shè)計(jì)三：采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù) 采用鎖相環(huán)頻率合成技術(shù) ，也可以實(shí)現(xiàn)我們所需要的超聲波測(cè)距儀。具體方案如下：首先通過頻率合成 技術(shù)產(chǎn)生超聲波所需要的頻率，在通過信號(hào)線將采用鎖頻率相合成技術(shù)得到的頻率引到超聲波的發(fā)射頭上，這樣就可以實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距。它的優(yōu)點(diǎn)就是工作頻率可調(diào)，也可以達(dá)到很高的頻率分辨率；缺點(diǎn)是要求使用的濾波器通帶可變，實(shí)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(jī)，編譯語言可以用 C 語言來實(shí)現(xiàn)，所以比較簡(jiǎn)單，而第三種方法使用的濾波器通帶容易變化，實(shí)現(xiàn)起來就相對(duì)比較的困難，綜上所述 ， 因此選擇第一種設(shè)計(jì)方案。 測(cè)距儀的設(shè)計(jì)思路 超聲波測(cè)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(dá)被測(cè)物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為 t，由 s=vt/2 即可算出被測(cè)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(guān)，下表列出了幾種不同溫度 7 下的聲速。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ? 表 21 超聲波波速與溫度的關(guān)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(cè)距儀原理框圖 單片機(jī)發(fā)出 40kHZ 的信號(hào)，經(jīng)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(hào)經(jīng)放大器放大，用鎖相環(huán)電路進(jìn)行檢波處理后，啟動(dòng)單片機(jī)中斷程序，測(cè)得時(shí)間為 t，再由軟件進(jìn)行判別、計(jì)算，得出距離數(shù)并送 LE