【文章內(nèi)容簡介】 ，長期治療無毒副作用的安全特性見長，在肢體運(yùn)動康復(fù)、心腦血管疾病治療方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，其體外無創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運(yùn)用。 (3) 在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用 超聲學(xué)是研究超聲的科學(xué)，它是聲學(xué)的一個重要分支。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。機(jī)械運(yùn)動是最簡單、也最普通的物質(zhì)運(yùn)動，它和其他形式的物質(zhì)運(yùn)動以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動本身就是一種機(jī)械運(yùn)動 ，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。 20 世紀(jì) 40 年代起，人們在研究媒質(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過程）及微觀諧振過程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來研究原子間的相互 作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點(diǎn)陣振動的相互關(guān)系及點(diǎn)陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門新分支學(xué)科──量子聲學(xué)也正在形成。超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、超 聲學(xué)材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲學(xué)的發(fā)展又為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲波應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷地向前發(fā)展著。 畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 超生波測距 方法 超聲波測距的方法主要有三種，為相位檢測法、幅值檢測法和渡越時間法。相位檢測法檢測精度高 ， 但是檢測距離有限，達(dá)不到本課題 設(shè)計的要求。由 于超 聲波在傳播過程中，由于空氣雜質(zhì)含量不同，衰減系數(shù)也不一樣，聲波幅值檢測法的檢測精度和穩(wěn)定性受到很大的限制， 所以此種方法不適合本 課題 的應(yīng)用。 而 渡越時間法工作原理簡單，電路容易實(shí)現(xiàn)。但是由于氣體介質(zhì)對 超聲波存在反射和散射，使得超聲波在傳播過程中有很大的衰減， 超聲波的最大檢測距離因此受到一定程度的限制。另一方 便面超聲波的最大檢測距離與傳感器的發(fā)射功率和電路的放大倍數(shù)有關(guān)， 發(fā)射功率越大，電路的放大倍數(shù)越大，接收電路的靈敏度越好，檢測距離就越遠(yuǎn)。因此可以通過提高放大倍數(shù)和采用發(fā)射功率較大的超聲波探頭來解決此問題。此外 超 聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關(guān)系，因此需對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償， 而溫度補(bǔ)償在軟件 和硬件上也很容易實(shí)現(xiàn)。 綜上，本設(shè)計的測距方法采用渡越時間法。具體測距原理闡述如下。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(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(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 最常用的超聲測距的方法是回聲探測法 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波， 在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。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(diǎn)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后，只要測得超聲波往返的時間，即可求 得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖 23所示： t 超聲波發(fā)射 障礙物 S 畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 H θ 超聲波接收 圖 1 ?cosSH? （ 21） )(HLarctg?? （ 22） 式中 :L兩探頭之間中心距離的一半。 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 (23) 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度； t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。 將（ 2— 2）、（ 2— 3）代入（ 21）中得： ]c os [21 HLar ctgvtH ? (24) 其中 ,超聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個常數(shù) (例如在溫度 T=20 度時 ,V=344m/s)；當(dāng)需要測 量的距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L時 ,則 (2— 4)變?yōu)?: vtH 21? (25) 所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H。 系統(tǒng)整體設(shè)計框圖 本設(shè)計以 AT89C51 單片機(jī)為核心， 通過掃描按鍵的狀態(tài)，由 聲波 換能器 TCT4016TR1 畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 發(fā)出 40KHz的超聲波方波信號， 有定時器 T0 產(chǎn)生方波驅(qū)動信號，同時，啟動計數(shù)器 T1，用來計數(shù)，也就是測算方波發(fā)射到接收所需要的時間。 經(jīng)障礙物反射后由超聲波接收 換能器接收反射信號，經(jīng)放大電路放大后，由 來接收超聲波反射信號 ， 當(dāng)接收到該信號后，關(guān)閉計數(shù)器 T1，記下此時的時間，轉(zhuǎn)入執(zhí)行計算距離子程序 ，由 子 程序計算距離，并啟動 LED 顯示其數(shù)值， 同時，當(dāng)?shù)竭_(dá)危險距離時 發(fā)出滴答滴答的響聲。 整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示： 圖 2 系統(tǒng)框圖 硬件選型 超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù) 一、主要參數(shù) （ 1） 中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。當(dāng)施加于它兩端的交變電壓頻率等于晶片的中心 頻率時，輸出能量最大，傳感器的靈敏度最高。中心頻率最高，測距越 短，而分辨力越高。常見超聲波傳感器的中心頻率有 30KHz、 40KHz、 75KHz、 200KHz、 400KHz等。 本設(shè)計采用 40KHZ的探頭 TCT4016TR1 （ 2） 靈敏度 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。 （ 3） 指向角 指向角是超聲波傳感器方向性的一個參數(shù)，指向角越小，方向性越強(qiáng)。一般為幾度至幾十度。 （ 4） 工作溫度 工作溫度是指能使傳感器正常工作的溫度范圍，其溫度上限應(yīng)遠(yuǎn)于居里點(diǎn)溫度。以單片機(jī) AT89C51 電源電路 鍵盤電路 復(fù)位電路 報警電路 超聲波發(fā)射電路 數(shù)碼管顯示電路 超聲波接收電路 畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 石英晶片為例，當(dāng) 溫度達(dá)至 +290C? 時靈敏度可降低 6％。一旦達(dá)到居里溫度點(diǎn) ( 573C??),就完全喪失壓電性能。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高， 在20 70CC? ? ? ?溫度范圍內(nèi)可以長期工作。治療用的超聲波傳 感器溫度較高，必須采取冷卻降溫措施 。 TCT4016T/R的性能指標(biāo)如下表所示： 型號 T4016T T4016R 功能 發(fā)射 接收 中心頻率 40khz（ %誤差） 40khz（ %） 聲壓 114dBmin 靈敏度 68dBmin 電容 2500pf（ 20%） 2500pf（ 20%） 最大電壓 20v 20v 指向性 60 （ 25%） 60 （ 25%） 工作溫度 零下 20 至 70 零下 20 至 70 表 1 TCT4016T/R的指向特性如圖 3所示： 圖 3 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。因此其性能將直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。選擇好的單片機(jī)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的要求以 及總體設(shè)計思路對所選擇的單片機(jī)要求進(jìn)行進(jìn)一步的概括。 本設(shè)計由于超聲波采用 軟件驅(qū)動 ，僅需要一個 定時器，一個 計數(shù)器 ，常用的 51系列單片機(jī)滿足需要。因此，選用 AT89C51單片機(jī)。 畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 其他元器件的選擇 顯示 部分是采用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法， CD4511 控制段選碼， 74LS138控制位選信號。發(fā)射部分超聲波探頭的選用 TCT4016TR1，相應(yīng)的信號處理元件選用TC406 74LS138。超聲波的接收信號選用 CX20226 芯片處理。單片機(jī)的外圍電路元件選用 ，報警 電路選用蜂鳴器。 單片機(jī)外圍電路設(shè)計 單片機(jī)外圍電路主要有鍵盤電路、電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、串口電路，對于本設(shè)計來說，鍵盤電路相當(dāng)于倒車擋，主要控制單片機(jī)執(zhí)行指令的狀態(tài)，時鐘電路、電源電路、復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。 由于本設(shè)計本生是為了做出汽車倒車防撞報警器的實(shí)體，并 著重 闡述汽車倒車防撞報警器的原理，因此， 相當(dāng)于倒車檔的 鍵盤電路 不再做詳細(xì)的敘述 。另外，為了更便于觀測本設(shè)計調(diào)試中的現(xiàn)象，用三個發(fā)光二級管來觀察調(diào)試結(jié)果，以本設(shè)計的程序來說明，當(dāng)大 于 2m 時是安全距離，綠燈亮，當(dāng)在 到 2m 之間時，黃燈亮， 當(dāng)在 1m 到 之間時，危險距離，開繼電器，紅燈亮，啟動報警電路。其外圍電路 如圖 4 所示： 畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 圖 4 單片機(jī)外圍電路 超聲波發(fā)射電路設(shè)計 超聲波換能器 TCT4016RT 發(fā)出超聲波需要 40KHz 的方波信號驅(qū)動 ， 產(chǎn)生 40KHz的方波主要有軟件發(fā)生法和硬件發(fā)生法。 本設(shè)計采用軟件產(chǎn)生，由定時器 T0 產(chǎn)生 40KHz的方波信號。由 TC4069 驅(qū)動 超聲波換能器。 本 具體電路如圖 5 所示。 圖 5 畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 超聲波接收電路 設(shè) 簡介 CX2O106A 是日本索尼公司生產(chǎn)的紅外遙控信號接收集成電路，廣泛應(yīng)用于視頻、音頻、空調(diào)、風(fēng)扇等各種遙控系統(tǒng)中作遙控信號接收電路。 圖 6 為 CX20226A 內(nèi)部電路原理框圖及引腳圖。 圖 6 CX20226A的引腳圖 圖 7 為 CX20226A 的典型應(yīng)用電路 圖 7 各引腳介紹： 1 腳：為紅外信號輸入端。該引腳和地之間連接 光電二極管，輸入阻抗約 40kΩ。 2 腳：為增益調(diào)節(jié)端。該引腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。增大電阻 R1 畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 或減小 C1,將使負(fù)反饋量增大，放大倍數(shù)下降，反之則放大倍數(shù)增大。但 C1 的改變會影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動，推 薦選用參數(shù)為 R1=， C1=1μ F。 3 腳：為檢測端。該引腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 f。 4 腳：接地端。 5 腳：為帶通濾波器調(diào)整端。該引腳與電源間接入一個電阻，用以設(shè)置帶通濾波器的中心頻率 f0，阻值越大，中心頻率越低。例如，取 R=200kΩ時， f0≈ 42kHz，若取R=220kΩ，則芯片中心頻率 f0≈ 38kHz。 6 腳：為積分端。該引腳與地之間接一個積分電 容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 7 腳：為信號輸出端，它是集電極開路輸出方式，因此該引腳必須接上一個上拉電阻到電源端，推薦阻值為 22kΩ，沒有接受信號是該端輸出為高電平，有信號時則產(chǎn)生下降。 8 腳：為電源端。該引腳接電源正極，電壓為 ～ 5V。