【正文】 聲音，科學(xué)家們將每秒振動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為聲音的頻率，他的單位是HZ。超聲波的波長(zhǎng)比一般聲波要短，具有較好的 方向性，而且能透過(guò)不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測(cè)厚、測(cè)距、遙控和超聲成像技術(shù)。 用同一超聲信號(hào)源激勵(lì)兩個(gè)放置在液體中的換能器，它們分別發(fā)射兩束相干的超聲波：一束透過(guò) 被研究的物體后成為物波，另一束作為參考波。 (3)基礎(chǔ)研究。點(diǎn)陣振動(dòng)的能量是量子化的 ，稱(chēng)為聲子（見(jiàn)固體物理學(xué)）。 1922 年，德國(guó)出現(xiàn)了首例超聲波治療的發(fā)明專(zhuān)利。 國(guó)內(nèi)方面 國(guó)內(nèi)在超聲治療領(lǐng)域起步稍晚，于 20 世紀(jì) 50 年代初才只有少數(shù)醫(yī)院開(kāi)展超聲治療工作，從 1950 年首先在北京開(kāi)始用 800KHz 頻率的超聲治療機(jī)治療多種疾病，至 50 年代開(kāi)始逐步推廣，并有了國(guó)產(chǎn)儀器。特別是20 世紀(jì) 80年代初出現(xiàn)的超聲體外機(jī)械波碎石術(shù)和超聲外科，是結(jié)石癥治療史上的重大突破。 超聲波的特點(diǎn) (1)超聲波在傳播時(shí)，方向性強(qiáng)，能量易于集中。 聲波同時(shí)又是一種能量形式，當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，它就可以通過(guò)與傳播超聲 波的媒質(zhì)的相互作用，去影響，改變以致破壞后者的狀態(tài)，性質(zhì)及結(jié)構(gòu)（用作治療）。超聲波在壓電材料和磁致伸縮材料中傳播時(shí)，由于超聲波的機(jī)械作用而引起的感生電極 化和感生磁化（見(jiàn)電介質(zhì)物理學(xué)和磁致伸縮）。另一原因是強(qiáng)大的拉應(yīng)力把液體“撕開(kāi)”成一空洞，稱(chēng)為空化。與空化作用相伴隨的內(nèi)摩擦可形成電荷，并在氣泡內(nèi)因放電而產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。 (4)化學(xué)效應(yīng)。超聲波還可加速許多化學(xué)物質(zhì)的水解、分解和聚合過(guò)程。超聲測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。特別是應(yīng)用于空氣測(cè)距，由于空氣中波速較慢，其回波信號(hào)中包含的沿傳播方向上 的結(jié)構(gòu)信息很容易檢測(cè)出來(lái)，具有很高的分辨力，因而其準(zhǔn)確度也較其它方法為高 。超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)單片機(jī)開(kāi)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(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等 。 壓電型超聲波傳感器的工作原理：它是 利用壓電效應(yīng)的原理，壓電效應(yīng)有逆效應(yīng)和順效應(yīng)，超聲波傳感器是可逆元件，超聲波發(fā)送器就是利用壓電逆效應(yīng)的原理。若外部施加的極性變反，如圖 c所示那樣，壓電陶瓷在厚度方向上伸長(zhǎng)，在長(zhǎng)度方向上縮短。 開(kāi) 始 測(cè) 量 超聲波信號(hào) 開(kāi)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 8 3 超聲波硬件 設(shè)計(jì)方案 按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能的要求，初步確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、顯示模塊、超聲波發(fā)射模塊、接收模塊共 四個(gè)模塊組成。 圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 硬件電路的設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路 、 超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路三 部分。 超聲波接收頭接收到反射的回波后，經(jīng)過(guò)接收電路處理后，向單片機(jī) 輸入一個(gè)低電平脈沖。采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行速度是 8051 的 12 倍，全指令集成運(yùn)行速度是原來(lái)的 倍。在使用 JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。 C8051F 單片機(jī)增加的功能 在 CIP51 內(nèi)核的內(nèi)部和外部有幾項(xiàng)關(guān)鍵性的改進(jìn)，提高了整體性能更易于在最終應(yīng)用中使用。在一次上電復(fù)位之后的 MCU 初始化期間， WDT 可以一直被允許。 超聲波測(cè)距可測(cè)出回波和發(fā)射脈沖之間的時(shí)間間隔，利用 S=Ct/2 就可以算出距離 , 再在 LCD 上顯示出來(lái)。 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并綜合各方面因素，采用 C8051F 單片機(jī)作為主控制器，用動(dòng)態(tài)掃描法實(shí)現(xiàn) LCD 液晶屏 數(shù)字顯示，超聲波驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以用單片機(jī)的定時(shí)器和計(jì)數(shù)器來(lái)完成。 設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是： (1)超聲波信號(hào)的接收、發(fā)射的設(shè)計(jì) (2)顯示電路設(shè)計(jì) (3)流 程圖及程序的設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)的原理圖 MCU 及其超聲波驅(qū)動(dòng)電 路 圖 MCU及其超聲波驅(qū)動(dòng)電路 圖 電路如圖 所示。 反相器的作用是防止單片機(jī)初始化時(shí)超聲波探頭瞬間動(dòng)作。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出高電平是三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出聲音；當(dāng)單片機(jī) 口發(fā)出低電平時(shí)蜂鳴器不發(fā)聲。 信號(hào)再進(jìn)入由 TL084 組成的一階濾波電路同時(shí)進(jìn)行兩倍信號(hào)放大。 信號(hào)進(jìn)入由 TL084 組成的電壓跟隨器增加抗干擾能力并且加大驅(qū)動(dòng)能力。單片機(jī)將測(cè)得 14 圖 40KHZ超聲波 接收處理 電路 的時(shí)間 與聲速相乘再除以 2即可得到測(cè)量值，最后經(jīng)液晶顯示屏將測(cè)得的結(jié)果顯示出來(lái)。開(kāi)機(jī)后先顯示“ 寧夏理工學(xué)院 ”亮燈并且蜂鳴器發(fā)聲 ，表示開(kāi)始工作。 CPU 接收回波信號(hào)后，立即產(chǎn)生中斷同時(shí)立即停止計(jì)數(shù)。定時(shí)器 T0 專(zhuān)門(mén)用于記錄 CPU 發(fā)射脈沖信號(hào)前沿至回波脈沖信號(hào)前沿之間的距離 t,由此時(shí)間可換算出障礙物的距離，并決定嘟聲間隙。 空中有各種干擾信號(hào)，如 工業(yè)粉塵，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn) 時(shí)發(fā)出的噪聲。 一般可根據(jù) 距離變化 的速度和回波信號(hào)脈寬來(lái)分析，對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行甄別，篩選出正 確信號(hào)。由于需要焊接一些 SMD器件，所以我選擇了 的細(xì)焊錫絲。全部焊好之后，可以用烙鐵尖點(diǎn) IC 引腳的端頭，再次讓焊點(diǎn)熔化一次，使焊錫更好的將引腳和 PCB連接 。 首先，在焊接完成后，調(diào)試屏幕顯示部分，發(fā)現(xiàn)顯示背光異常，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)原理圖繪制錯(cuò)誤導(dǎo)致， 在電路板后側(cè)割線，飛線完成。去掉 C2 C24 濾波電容，然后觀察波形，癥狀消失，問(wèn)題解決。得到一個(gè)比較輸出信號(hào)。在程序中的延時(shí)值為 200。將計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換為時(shí)間值，這個(gè)要根據(jù)時(shí)鐘頻率，分頻系數(shù)等決定。分析原因 如下： (1)長(zhǎng)距離的測(cè)量需要大功率的超聲波驅(qū) 動(dòng)電路， 但由于大功率的驅(qū)動(dòng)電路在制作成 21 本、產(chǎn)品體積等方面存在著諸多的制約因素， 綜合各方面的因素 本設(shè)計(jì)采用沒(méi)有采用大功率驅(qū)動(dòng)電路，所以測(cè)量距離只有 1米。 通過(guò)親手做畢業(yè)設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)了自己知識(shí)的匱乏和能力的欠缺，我覺(jué)得自己對(duì)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的認(rèn)識(shí)、理解是比較膚淺的。單片機(jī)的選用與學(xué)習(xí)增強(qiáng)了我們的實(shí)際分析解決問(wèn)題的能力。它能使我對(duì)所學(xué)的知識(shí)有一個(gè)系統(tǒng)的把握，并在此基礎(chǔ)上做到融會(huì)貫通。 24 致謝 我經(jīng)過(guò)這次系統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，熟悉了對(duì)一項(xiàng)課題進(jìn)行研究、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)過(guò)程。 在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的歷程中，自己遇到了許多想不到的困難。 在這里還要感 謝同組 同學(xué)，在最后的論文定稿期間，給了我巨大的幫助，同時(shí)也教會(huì)了我不 少的東西，在這里對(duì)他的熱心幫助表示衷心的感謝。 25 附錄 I 硬件原理圖 26 附錄 II 元器件清單 Comment Footprint Designators 0805C C25 C20 C19 C18 C17 5 0805C C9 C30 C29 C27 C26 C22 C21 C16 C15 C14 C13 C12 C3 C2 C1 C7 C4 17 0R 1206 R5 R43 R42 R4 4 100R 0805 R39 R38 R37 R8 4 100uf/50V 10K 0805 R40 R29 R28 R27 R26 R24 R23 R22 R21 R20 R16 R15 R9 13 12V 0805LED D6 1 1K 0805 R36 R33 R7 R6 R2 R35 R34 7 1N4148 LL34 D9 D8 2 1N5819 D5 1 1uf 0805C C11 C28 C24 C23 C10 C8 C6 C5 8 20K 0805 R11 R10 2 2K 0805 R17 R12 2 0805LED D7 1 330R 805 R3 1 805 R25 1 430R 805 R19 1 430R 805 R18 1 430R 805 R14 1 430R 805 R13 1 470uf/16V 47uf/25V 47UF_SMD E5 1 47uH L1 1 805 R41 1 560R 805 R1 1 5V 0805LED D4 1 74LS04 SO14 U5 1 7805 DPAK U1 1 AD620 DIP8 U7 1 AMS1117 SOT223C U3 1 BAT54SLT1_1 SOT231 D11 D10 2 BELL C8051F410/2 LQFP32 U4 1 CON10 IDE10 J2 1 CON16 LM160801 J4 1 CON3 CON3 J3 1 CON4 J1 1 27 LM358 SO8 U10 1 MAX765 DIP8 U2 1 MMBT2222 SOT231 Q1 1 POT TO220A VR1 1 RESS 805 R32 1 RESS 805 R31 1 RESS 805 R30 1 SM4007 SM1 D3 D2 D1 3 SPEAKER SWPB SW1 S3 1 TL084 SO14 U9 U8 2 28 附錄 III 程序清單 主程序 include // 包含了數(shù)據(jù)代碼定義 include // 包含了所有外設(shè)的初始化 include xdata unsigned int DISBUF[17]。 void main(void) { unsigned char xdata i,j=0。 // WDTE = 0 （清除看門(mén)狗使能） // WDTE = 0 （清除看門(mén)狗使能） PCA0MD = 0x00。 //關(guān)閉蜂鳴器 for(i = 0。 } //EA = 1。 WriteGraphic(3,24,16,8,DISP[1])。 WriteGraphic(3,88,16,8,DISP[5])。 WriteGraphic(3,120,16,8,DISP[4])。 WriteGraphic(5,56,16,8,DISP[13])。 //============一下是顯示圖標(biāo)和固定字符 END===================// while(1) //進(jìn)入循環(huán)部分，循環(huán)發(fā)送超聲波，一個(gè)很短時(shí)間的超聲波 { beep = 0。 //關(guān)閉發(fā)送 40KHZ 的方波 TH1 = 0x00。 } S = time_use * 314。 WriteGraphic(3,32,16,8,DISP[2])。 WriteGraphic(3,96,16,8,DISP[6])。 WriteGraphic(5,32,16,8,DISP[10])。 WriteGraphic(5,64,16,8,DISP[14])。 delay(50000)。 delay(50000)。 delay(50000)。 } } void PCA_ISR (void) interrupt INTERRUPT_PCA0 using 3 //收到回波信號(hào)后的中斷程序，所以在主程序里看不到時(shí)間計(jì)算程序。 } if(CCF2 == 1) //如果收到回波，那么開(kāi)始處理 { CCF2 = 0。//將高低字節(jié)連接起來(lái)，組成最終的時(shí)間 TL1 = 0。 } } ///////////////////////////////////// // Generated Initialization File // ///////////////////////////////////// 31 include // Peripheral specific initialization functions, // Called from the Init_Device() function void PCA_Init() { PCA0CN = 0x40。 PCA0CPM0 = 0x21。 } void Comparator_Init() { int i = 0。 i++)。 CPT0MD = 0x80。 P2MDOUT = 0x7F。 XBR1 = 0xC3。 OSCICN = 0x87。 } // Initialization function for device, // Call Init_Device() from your main program void Init_Device(void) { PCA_Init()。//比較器初始化，這