【正文】 3 系統(tǒng)的 PCB 制作 1) PCB 布局布線； 2) PCB 實驗板的焊接。 4 系統(tǒng)軟件的編寫 1) 軟件的編寫和編譯檢查； 2) 基于 Proteus 的軟件仿真。 5 實驗測試 1) 實驗檢查； 2) 測試數(shù)據(jù)。 6 誤差分析 1）誤差的分析； 2）改進。 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 8 第二章 超聲波測距的原理 超聲波的基本理論 超聲波是一門以物理、電子、機械、以及材料科學為基礎(chǔ)的、各行各業(yè)都要使用的通用技術(shù)之一。該技術(shù)在國民經(jīng)濟中，對提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障生產(chǎn)安全和設(shè)備安全運作，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率特別具有潛在能力。因此，我國對超聲波的研究特別活躍。 超聲技術(shù)是通過超聲波的產(chǎn)生、傳播以及接收的物理過程完成的。超聲波具有聚束、定向及反射、投射等特性。按超聲波振動輻射大小不同大致可以分為：用超聲波使物體或物性變化的功率應(yīng)用，稱之為功率超聲；用超聲波獲取信息， 稱為檢測超聲。 超聲波是聽覺閾值之外的振動，其頻率范圍在 104 —— 1012 Hz，其中通常的頻率大約在 104 —— 3 10? 6 之間。超聲波在超聲場（被超聲波充滿的范圍）傳播時，如果超聲波的波長與超聲場相比，超聲場很大，超聲波就像處在一種無限的介質(zhì)中，超聲波自由地向外擴散；反之，如果超聲波的波長與相鄰介質(zhì) 的尺寸相近，則超聲波受到界面限制不能自由的向外擴散。于是超聲波在傳播過程中有如下的特性和作用： 1 超聲波的傳播速度 超聲波在介質(zhì)中可以產(chǎn)生三中形式的振蕩波：橫波 —— 質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波；縱波 —— 質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波；表面波 —— 質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，沿表面?zhèn)鞑サ牟āM波只能在固體中傳播，縱波能在固體液體中和氣體中傳播，表面波隨深度的增加其衰減很快。為了測量各種狀態(tài)下的物理量多采用縱波形式的超聲波。超聲波的頻率越高，越與光波某些特性相似。 超聲波與氣其他聲波一樣，其傳播速度與 介質(zhì)密度和彈性特性有關(guān)。 超聲波在氣體和液體中，其傳播速度 CgL =（aB?1 ） 21 式中 ? —— 介質(zhì)的密度； aB —— 絕對壓縮系數(shù)。 可以推導出超聲波在空氣種傳播速度 TC G ??? 3 1 。（ T 為環(huán)境溫度）。 超聲波在固體中的傳播速度分兩種情況： (1)縱波在固體介質(zhì)中的傳播速度 其傳播與介質(zhì)的形狀有關(guān)。 21)(?ECq? （細棒） 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 9 212 ])1([ ?? ?? ECq （薄板） 2121 )34(])21)(1( )1([ ???? ? GKECq?????? （無限介質(zhì)） 式中 E—— 楊氏模具； ?—— 泊松系數(shù)； K—— 體積彈性模具； G—— 剪片彈性模。 (2)橫波聲速公式為 2121 )(])1(2[ ??? GEC q ???? （無限介質(zhì)） 在固體中， ? 介于 0—— 5 之間，因此一般可視為橫波聲速為縱波的一半。 2 超聲波的物理性質(zhì) 當超聲波傳播到兩種特性不同的介質(zhì)的平面上時，一部分被反射；另一部分透射過界面，在相鄰的介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖 所示： (1) 超聲波的反射和折射 當超聲波傳播到兩種特性阻抗不同介質(zhì)的平面分界面上時，一部分超聲波被反 射；另一部分透射過界面，在相鄰介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播；這樣的兩種情況稱之為超聲波的反射和折射，如圖 所示。聲波的反射系數(shù)和透射系數(shù)可以分別由如下兩 式求得： 圖 聲波反射 11211222coscoscoscosccccR??????????? 11221122c osc os2ccccT???????? 式中： ??, —— 分別為聲波的入射角和反射角； 2211 , cc?? —— 分別為兩介質(zhì)的特征阻抗，其中 21,cc 為反射波和折射波的速度。反射角、折射角與聲速 21,cc 滿足折射定律關(guān)系式：21sinsin cc??? 。 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 10 當超聲波垂直入射界面時，即 0???? ，則： 1122112211ccccR??????? 1122112212ccccT?????? 如果 sin? 21cc ，入射波完全被反射，在相鄰兩個介質(zhì)中沒有折射波。 如果超聲波斜入射到兩個固體介質(zhì)面或兩粘滯彈性介質(zhì)面時，一列斜入射的縱波不僅產(chǎn)生反射縱波和折射縱波，而且還產(chǎn)生反射橫波和折射橫波。 (2)超聲波的衰減 超聲波在一種介質(zhì)中傳播，其聲壓和聲強按指數(shù)函數(shù)規(guī)律衰減。 在平面波的情況下，距離聲源 x 處的聲壓 p 和聲強 I 的衰減規(guī)律如下： Axepp ?? 0 AxeII 20 ?? 式中： 00,Ip —— 距離聲源 x=0 處的聲壓和聲強； x—— 超聲波與聲波間的距離； A—— 衰減系數(shù)，單位為 cmNp/ （奈培 /厘米）。 (3)超聲波的干涉 如果在一種介質(zhì)中傳播幾個聲波，于是產(chǎn)生波的干涉現(xiàn)象。若以兩個頻率相同，振幅 1? 和 2? 不等，波程差為 d 的兩個波干涉 為例，該兩個波合成振幅為 212122211 )2c os2( ??????? d??? ，其中 ? 為波長。從上式看出，當 d=0 或 d= ?n （ n 為整數(shù)）時，合成振幅 r? 達到最大值；當 d= ,...)5,3,1(2 ?nn ? 時，合成振幅 r? 為最小值。當 ??? ?? 21 時， r? ??? dcos2? ；當 d 2?? 的奇數(shù)倍時，兩波相互抵消合成幅度為 0。 由于超聲波的干涉，在輻射器的周圍形成一個包括最大最小的揚聲場。 3 超聲波對聲場產(chǎn)生的作用 (1) 機械作用 超聲波傳播過程中，會引起介質(zhì)質(zhì)點交替的壓縮與伸張，構(gòu)成了壓力的變化，這種壓力的變化將引起機械效應(yīng)。超聲波引起質(zhì)點的運動，雖然位移和速度不大，但是與超聲波振動的頻率的平方成正比 的質(zhì)點的加速度卻很大。有時足以達到破壞介質(zhì)的程度。 (2) 空化作用 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 11 在流體動力學指出，存在于液體中的微氣泡在聲場的作用下振動，當聲壓達到一定的值時，氣泡將迅速膨脹，然后突然閉合，在氣泡閉合時產(chǎn)生沖擊波，這種膨脹、閉合、振動等一系列動力學過程稱為空化。 (3) 熱學作用 如果超聲波作用于介質(zhì)時被介質(zhì)所吸收，實際上也就是有能量吸收，同時，由于超聲波的振動，使介質(zhì)產(chǎn)生強烈的高頻振蕩介質(zhì)相互摩擦產(chǎn)生熱熱量，這種能量使介質(zhì)溫度升高。 4 超聲波傳感器 超聲波傳感器主要有電致伸縮和磁致伸縮兩類，電致伸縮采用雙 壓電陶瓷晶片制成，具有可逆特性。 壓電陶瓷片具有如下特性：當在其兩端加上大小和方向不斷變化的交流電壓時，就會產(chǎn)生“壓電效應(yīng)”，使壓電陶瓷也產(chǎn)生機械變形，這種機械變形的大小以及方向與外加電壓的大小和方向成正。也就是說，若在壓電晶片兩邊加以頻率為 0f的交流電電壓時，它就會產(chǎn)生同頻率的機械振動，這種機械振動推動空氣的張弛，當 0f 落在音頻范圍內(nèi)時便會發(fā)出聲音。反之，如果由超聲波機械振動作用于陶瓷片使其發(fā)生微小的形變時，那么壓電晶片也 會產(chǎn)生與振動頻率相同的微弱的交流信號。 超聲波傳感器結(jié)構(gòu)如下： 圖 元件內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖 超聲波外部結(jié)構(gòu) 超聲波測距系統(tǒng)原理 在超聲探測電路中，發(fā)射端得到輸出脈沖為一系列方波，其寬度為發(fā)射超聲的時間間隔，被測物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。超聲測距大致有以下方法： ① 取輸出脈沖的平均值電壓，該電壓 (其幅值基本固定 )與距離成正比，測量電壓即可測得距離； ② 測量輸出脈沖的寬度，即發(fā)射超聲波與接收超聲波 的時間間隔 t，故被測距離為 S=1／ 2vt。本測量電路采用第二種方案。由于超聲波的聲速與溫度有關(guān)，如果溫度變化不大，則可認為聲速基本不變 。如果測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒右孕Ｕ?。超聲波測距適用于高云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 12 精度的中長距離測量。因為超聲波在標準空氣中的傳播速度為 米 /秒，由單片機負責計時，單片機使用 晶振，所以此系統(tǒng)的測量精度理論上可以達到毫米級。 超聲波測距的算法設(shè)計 : 超聲波在空氣中傳播速度為每秒鐘 340米（ 15℃ 時）。X2是聲波返回的時刻， X1 是聲波發(fā)聲的時刻， X2X1 得出的 是一個時間差的絕對值，假定 X2X1=，則有 340m= 。由于在這 的時間里，超聲波發(fā)出到遇到返射物返回的距離 如下： 圖 測距原理 超聲波測距器的系統(tǒng)框圖如下圖所示： 圖 系統(tǒng)框圖 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 13 第三章 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計 方案論證與比較 單片機采用 STC 公司的 STC90C52RD+，而超聲波發(fā)射和接收電路有多種，常用的電路如下： 1 超聲波發(fā)射電路 : (1) 分立元件構(gòu)成的發(fā)射電路 圖 分立元件構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 圖 是由兩只普通低頻小功率三極管 C9013 構(gòu)成的振蕩、驅(qū)動電路，三極管 T T2 構(gòu)成兩級放大器，但是由于超聲波發(fā)射頭的正反饋作用，這個原本是放大器的電路變成了振蕩器。超聲波發(fā)射器的壓電晶片可等效于一個串聯(lián) LC 諧振電路，具有選頻作用，因此該振蕩器只能振蕩在超聲波發(fā)射頭的固有諧振頻率 0f 。第二個圖中用電感 L 替代3R這樣可以增大激勵電壓，使其具有較大的功率輸出。 (2) 由集成電路構(gòu)成的發(fā)射電路 圖 為由 555 集成芯片構(gòu)成的振蕩、調(diào)制、激勵電路。該電路應(yīng)使用雙極型 555（內(nèi)部電路由普通三極管構(gòu)成），不宜使用單極型 7555（內(nèi)部電路由 CMOS電路構(gòu)成，外部引腳與 555 相同），其原因是 7555 帶負載能力小。 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 14 圖 555 構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 圖 是由非門構(gòu)成的一個振蕩器發(fā)送電路，用非門構(gòu)成的電路簡單，調(diào)試容易。很容易通過軟件控制。圖中把兩個非門的輸出接到一起的目的是為了提高其吸入電流，電路驅(qū)動能力提高。 圖 由非門構(gòu)成的超聲波發(fā)射電路 2 超聲波接收電路： (1) 由分立元件構(gòu)成的接收電路 圖 為由三極管 T1,T2 和若干電阻電容組成的兩級阻容耦合交流放大電路。第一級中3R為集電極負載電阻 ； 2R 為偏流電阻，同時引入了交直流并聯(lián)電壓負反饋，可以較有效的穩(wěn)定靜態(tài)工作點，改善非線性失真以及增益的穩(wěn)定性；4R是發(fā)射極負反饋電阻，引入直、交流串聯(lián)電流負反饋，具有穩(wěn)定工作點、增益、改善失真、提高輸入阻抗等作用。 云南機電職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程系 —— 電氣自動 化技術(shù) 15 圖 分立元件構(gòu)成的超聲波接收電路 (2) 由運算放大器構(gòu)成的接收電路 圖 是由運放構(gòu)成的超聲波放大電路，該電路的形式在其他應(yīng)用中經(jīng)常遇到，特點如下： 1）一般式用運放組成的放大電路都要求對稱的正負電源供電，這里以單電源供電，輸出端的靜態(tài)電位必須設(shè)置在 1/2 的電源電壓，這由同相輸入端的點位來確定， 1R 和 2R 分壓取得 1/2 的電源電壓加到運放的同相輸入端，使其電位 1/2電源電壓。 2）采用同相端輸入方式其輸入阻抗高， 超聲波接收傳感器的輸出信號接到放大器的同相端，有利于超聲波傳感器充分發(fā)揮接收靈敏度和自生的選頻作用。 3）反相端對地不提供直流通路，因此通過隔直電容 2C 提供直流通路。 圖 運放構(gòu)成的超聲波