【正文】 檢測儀。五十年代末六十年代初，國內(nèi)科研單位進(jìn)口了波蘭產(chǎn)超聲儀，并進(jìn)行仿制生產(chǎn)。這些年來，隨著超聲波技術(shù)研究的不斷深入，在加上其具有的高精度、無損、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，超聲波的應(yīng)用變得越來越普及。當(dāng)然，這與數(shù)十年來多方的重視和廣大從業(yè)人員的艱辛努力是分不開的，由于他們的努力使無損檢測技術(shù)在這方面已具有一定的水平，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家，無損檢測在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，研制，使用部門已被卓有成效的運(yùn)用。在介紹超聲傳感器原理與特性和超聲測距系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體構(gòu)成。該系統(tǒng)以空氣中超聲波的傳播速度為確定條件，利用反射超聲波測量待測距離。設(shè)計(jì)和工藝人員理應(yīng)了解非均一的組織結(jié)構(gòu)，隨機(jī)出現(xiàn)的微觀，宏觀缺陷，常常可以有時(shí)甚至是只能依靠無損檢測技術(shù)的運(yùn)用方可予以發(fā)現(xiàn)和評價(jià)。當(dāng)時(shí)Galton哨在空氣中產(chǎn)生的頻率達(dá)3 X 100Hz，這是人類首次有效產(chǎn)生的高頻聲波。 五十年代，我國開始從國外引進(jìn)超聲波儀器，多是笨重的電子管式儀器。隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體元件逐漸代替了電子管器件，更有利于無損檢測技術(shù)的推廣普及。過去那種全功能的儀器設(shè)置，還不如單獨(dú)的超聲儀，計(jì)算機(jī)可充分發(fā)揮各自特點(diǎn)。1883年Galton首次制成超聲氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。由于超聲波的速度相對于光速要小的多，其傳播時(shí)間就比較容易檢測，并且易于定向發(fā)射，方向性好，強(qiáng)度好控制，因而人類采用仿真技能利用超聲波測距。(2)對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強(qiáng)、有毒等惡劣環(huán)境中。第二章 超聲波測距技術(shù)綜述 這一章首先從超聲波的基本性質(zhì)對超聲波做了介紹，隨后又對超聲波傳感器的原理、結(jié)構(gòu)、種類及特性做了介紹，為本論文后面章節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。與光波不同，超聲波是一種彈性機(jī)械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播。若f=30kHz，則1/α=56m。2)由于超聲波與電磁波相比速度慢，對于相同的頻率波長短，容易提高測量的分辨率。波長這樣短的超聲波具有類似光線的一些物理性質(zhì)[4]:(1)、超聲波的傳播類似于光線，遵循幾何光學(xué)的規(guī)律，具有反射、折射現(xiàn)象，也能聚焦，因此可以利用這些性質(zhì)進(jìn)行測量、定位、探傷和加工處理等。(4)、功率大，超聲波能夠產(chǎn)生并傳遞強(qiáng)大的能量。通常情況下，聲波在空氣中的傳播速度約為344m/s。流體動(dòng)力型中包括有氣體與液體兩種類型的哨笛。壓電材料分為晶體和壓電陶瓷兩類。所以，只要對這種材料加以交變電場，它就會(huì)產(chǎn)生交變的應(yīng)變，從而產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。這一現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。利用正壓電效應(yīng)將機(jī)械能(即聲能)轉(zhuǎn)換成電能，并用來接受超聲波的裝置，稱為接收換能器。前者用于超聲波的發(fā)射，后者即為超聲波的接收。也就是說，在壓電陶瓷晶片上加有頻率為}D交流電壓，它就會(huì)產(chǎn)生同頻率的機(jī)械振動(dòng)，這種機(jī)械振動(dòng)推動(dòng)空氣等媒介，便會(huì)發(fā)出超聲波。 壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率句。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。 超聲波傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、底座、引線、金屬殼及金屬網(wǎng)構(gòu)成，其中，壓電陶瓷晶片是傳感器的核心，錐形輻射喇叭使發(fā)射和接收超聲波能量集中，并使傳感器有一定的指向角，金屬殼可防止外界力量對壓電陶瓷晶片及錐形輻射喇叭的損壞[10]。超聲波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特點(diǎn)，可產(chǎn)生較大力量，并且在不同的媒質(zhì)介面，超聲波的大部分能量會(huì)反射。在水中，根據(jù)反射波可以探測潛水艇和魚群，測量海底深度以及探查海底底層等。當(dāng)超聲波射到運(yùn)動(dòng)體時(shí)，利用多普勒效應(yīng)，可以測量流速流量，探測心臟血管搏動(dòng)等。除此之外、聲發(fā)射、聲成像技術(shù) (包括聲全息成像技術(shù))的發(fā)展也大大豐富了超聲檢測的內(nèi)容。近十幾年來，由于微機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)以及超聲波產(chǎn)生和接收新技術(shù)的發(fā)展，突破了常規(guī)超聲檢測的限制，進(jìn)一步開拓了其適用范圍。超聲探傷具有靈敏度高、快速方便、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因此廣泛應(yīng)用于機(jī)器制造、冶金、化工設(shè)備、國防建設(shè)等部門，已成為保證產(chǎn)品質(zhì)量、確保安全的一種重要手段[11]。 超聲測距原理很簡單，一般采用渡越時(shí)間法[12]。當(dāng)被測距離H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于M時(shí)，于是(35)式變?yōu)? （36）由此可見，要想測得距離H，只要測得超聲波的傳播時(shí)間t即可。單片機(jī)在超聲波發(fā)射傳感器發(fā)出超聲波脈沖的時(shí)刻開始計(jì)時(shí)。 單片機(jī)計(jì)算數(shù)據(jù) 顯示電子市場上常見的超聲探頭是收發(fā)分體式，一般頻率為40kHz。在調(diào)諧式電路中有調(diào)諧線圈(有時(shí)裝在探頭內(nèi))，諧振頻率由調(diào)諧電路的電感、電容決定，發(fā)射出的超聲脈沖頻帶較窄。發(fā)射電壓從理論上說是越高越好，因?yàn)閷ν恢Оl(fā)射傳感器而言，電壓越高，發(fā)射的超聲功率就越大，這樣能夠在接收傳感器上接收的回波功率就比較大，對于接收電路的設(shè)計(jì)就相對簡單一些。通常采用改變阻尼電阻的方法來改變發(fā)射強(qiáng)度。接收部分就是由四級(jí)放大電路構(gòu)成，最終達(dá)到對回波進(jìn)行放大檢測，產(chǎn)生一個(gè)單片機(jī)能夠識(shí)別的中斷信號(hào)作為回波到達(dá)的標(biāo)志。設(shè)晶體管臨界截止的基極電壓為Uboc，則保證晶體管截比的基極電壓Ubo≤ Uboc，則 (37) (38) 從式38可以看出:Rb 、 |Uces|越小，|Eb| R越大，基極和發(fā)射極之間反向偏電壓降越大，三極管截止越深。而另一個(gè)三極管是工作在截止?fàn)顟B(tài)，但集電極仍有一小電流Icbo。當(dāng)，時(shí)，則上式可近似為: (313)這是選擇Rb的另一個(gè)條件。當(dāng)Q2導(dǎo)通時(shí)a、E3單獨(dú)作用時(shí) b、E2單獨(dú)作用時(shí) 由上面兩式可得: 于是所以，根據(jù)所選參數(shù)，三極管Q2可以處于深度飽和導(dǎo)通。當(dāng)加載在超聲波傳感器的兩端的信號(hào)頻率與其固有頻率為同一頻率時(shí)，發(fā)生共振，電能可以高效率的轉(zhuǎn)化為機(jī)械機(jī)械能。振蕩電路可以通過硬件來產(chǎn)生，有多種設(shè)計(jì)方案比如555 , CMOS電路CD4046等。充電時(shí)間常數(shù)。 同時(shí)也可以采用一個(gè)更加簡便的方法，直接通過軟件編程方式使得單片機(jī)發(fā)送40kHz的超聲波脈沖信號(hào)[15]。所以，單片機(jī)將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)錯(cuò)誤頻率的信號(hào)。 (2)波形整形。 帶通濾波器設(shè)計(jì) 由于超聲波回波信號(hào)具有頻率低、幅度小、易受干擾等特點(diǎn)，因此，本系統(tǒng)采用RC有源濾波方式，用于微弱回波信號(hào)的放大。 (1)由于使用了有源器件，信號(hào)在無源器件(例如電阻)上的損失可以在有源器件中得到補(bǔ)充。 (3)有源濾波器頻率精度高，一般可達(dá)到。這是有源濾波器的最大缺點(diǎn)。w1,w2分別為帶通濾波的高，低截止角頻率，中心角頻率為: （323）且通帶中心角頻率。按照電路設(shè)計(jì)要求需要一個(gè)+5V電壓，士15V電壓，還需一個(gè)25V電壓。 +5 V電壓也是利用三端穩(wěn)壓集成電路7805芯片得到的，士15V電壓是利用7815得到。由于本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)在顯示部分的要求并不是很高，從實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)方面來考慮，完全可以采用LED 來實(shí)現(xiàn)，這樣在程序設(shè)計(jì)與電路設(shè)計(jì)方面來說，都是更加方便的。G MOV R5,0F7H。本系統(tǒng)中最小系統(tǒng)由復(fù)位電路和時(shí)鐘電路組成。除ROM和RAM外，芯片內(nèi)部還有三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。引腳XTAL 1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。因此，此系統(tǒng)電路的晶體振蕩器的值為12MHz，電容應(yīng)盡可能的選擇陶瓷電容，電容值約為20pF。 MAX5045引腳X5045最主要特點(diǎn)有[10] (1) 512字節(jié)串行EEPROM。 (4)編程的復(fù)位門限。 (7)功耗低，通信速度快(, X25045/3為IM Hz)已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用 這種設(shè)計(jì)降低了系統(tǒng)成本，簡化了設(shè)計(jì)，減少了對電路板空間的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性。 運(yùn)算模塊 顯示模塊 單片機(jī)接收模塊初始化模塊 測距系統(tǒng)各模塊聯(lián)系圖按照測距儀的需要:根據(jù)時(shí)間t、速度v進(jìn)行L=vxt運(yùn)算得到距離L 時(shí)間t:用單片機(jī)產(chǎn)生40kHz的脈沖串，再經(jīng)過驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)射超聲波，同時(shí)觸發(fā)計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波接收探頭接收到回波信號(hào)時(shí)中斷計(jì)時(shí)器，由此得出超聲波的傳輸時(shí)間T。聲波在空氣中傳播，超聲波所傳播距離為發(fā)射處到被測物面加被測面到接收處距離，實(shí)際為2倍測量距離，故當(dāng)傳播2cm的距離，在最后計(jì)算時(shí)應(yīng)該折算成測量距離，即lcm 。由此10 X 1/40000=250us，即需要250 us的一個(gè)脈沖，250 us的脈沖是利用延時(shí)程序得到，延時(shí)脈沖控制振蕩電路，振蕩電路振蕩10個(gè)250us (40kHz)的脈沖串經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波器。 (4)置ETO(開TO中斷)、TR 1(開串口通訊)、ITO(外部中斷0下降沿觸發(fā))、EA(開總中斷)。(3)復(fù)位寫使能寄存器。（1）初值THOTLO分別是0，直到1NT0中斷，讀出時(shí)間值，最長時(shí)間是65536 us，直到中斷INTO發(fā)生中斷停止。 外部中斷0處理子程序的主要工作過程是: ①關(guān)總中斷EA。 延時(shí)模塊2(延時(shí)250us): 延時(shí)目的:依據(jù)原理，需要一個(gè)250us (4kHz)的脈沖控制發(fā)射，而這脈沖即可以用延時(shí)模塊得到。本文處理方式:時(shí)間: //轉(zhuǎn)換后的速度擬存放在R4R5，小數(shù)位忽略，R4RSR6R7擬放距離值//距離： 其中。 顯示模塊本課題中用LED與單片機(jī)共同構(gòu)成顯示模塊。本課題是在孫艷玲老師的悉心指導(dǎo)下完成的，在此，我致以最衷心的感謝！孫老師教學(xué)嚴(yán)禁，平易近人，敢于創(chuàng)新，給我留下了深刻的影響；同時(shí)，我還要感謝其他幾位同學(xué)，他們給我提供了大量的參考資料，也給予了我很