【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，它們分別金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 單片機(jī) 6 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。物波和參考波在液面上相干疊加形成聲全息圖，用激光束照 射聲全息圖，利用激光在聲全息圖上反射時(shí)產(chǎn)生的衍射效應(yīng)而獲得物的 重現(xiàn)現(xiàn)象 ，通常用攝像機(jī)和電視機(jī)作實(shí)時(shí)觀察。 超聲處理。利用超聲的機(jī)械作用、空化作用、熱效應(yīng)和化學(xué)效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化、脫氣、除塵、去鍋垢、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個(gè)部門(mén)獲得了廣泛應(yīng)用。 基礎(chǔ)研究。超聲波作用于介質(zhì)后，在介質(zhì)中產(chǎn)生聲弛豫過(guò)程，聲弛豫過(guò)程伴隨著能量在分子各自電度間的輸運(yùn)過(guò)程，并在宏觀上表現(xiàn)出對(duì)聲波的吸收（見(jiàn)聲波）。通過(guò)物質(zhì)對(duì)超聲的吸收規(guī)律可探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。普通聲波的波長(zhǎng)遠(yuǎn)大于固體中的原子間距，在此條件下固體可當(dāng)作連續(xù)介質(zhì)。但對(duì) 頻率在1012 赫以上的特超聲波，波長(zhǎng)可與固體中的原子間距相比擬，此時(shí)必須把固體當(dāng)作是具有空間周期性的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)。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)）。特超聲對(duì)固體的作用可歸結(jié)為特超聲與熱聲子、電子、光子和各種準(zhǔn)粒子的相互作用。對(duì)固體中特超聲的產(chǎn)生、檢測(cè)和傳播規(guī)律的研究，以及量子液體 —— 液態(tài)氦中聲現(xiàn)象的研究構(gòu)成了近代聲學(xué)的新領(lǐng)域 。 超聲波測(cè)距原理 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)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)。 超聲波在空氣中的傳播速度為 v，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： 2tvs ?? (32) 這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。 采用超聲波測(cè)量大氣中的地面距離，是近代電子技術(shù)發(fā)展才獲得正式應(yīng)用的技術(shù)，由于超聲測(cè)距是一種非接觸檢測(cè)技術(shù)，不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等的影響，在較惡劣的環(huán)境 (如含粉塵 )具有一定的適應(yīng)能力。因此，用途極度廣泛。例如 :測(cè)繪 地形圖，建造房屋、橋梁、道路、開(kāi)挖礦山、油井等，利用超聲波測(cè)量地面距離的方法，是利用光電技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，超聲測(cè)距儀的優(yōu)點(diǎn)是 :儀器造價(jià)比光波測(cè)距儀低，省力、操作方便。 由于是利用超聲波測(cè)距，要測(cè)量預(yù)期的距離，所以產(chǎn)生的超聲波要有一定的功率和合金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 第 2 章 單片機(jī) 7 理的頻率才能達(dá)到預(yù) 定的傳播距離，同時(shí)這是得到足夠的回波功率的必要條件，只有的得到足夠的回波頻率，接收電路才能檢測(cè)到回波信號(hào)和防止外界干擾信號(hào)的干擾。經(jīng)分析和大量實(shí)驗(yàn)表明，頻率為 40KHz 左右的超聲波在空氣中傳播效果最佳，同時(shí)為了處理方便，發(fā)射的超聲 波被調(diào)制成具有一定間隔的調(diào)制 脈沖波信號(hào)。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 8 第 4 章 測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成與誤差分析 單片機(jī)控制器 單片機(jī)又稱(chēng)單片微控制器 ,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片 ,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上 ,大大縮短了系統(tǒng)內(nèi)信號(hào)傳送距離，從而提高了系統(tǒng)的可靠性及運(yùn)行速度。因而在工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域中，單片機(jī)系統(tǒng)是最理想的控制系統(tǒng)。所以，單片機(jī)是典型的嵌人式系統(tǒng)，是嵌入式系統(tǒng)低端應(yīng)用的最佳選擇 ， 本課題選 用 STC89C51， 89C51的極限工作頻率是 24M。 傳感器 超聲波傳感器原理與選型 超聲波傳感器主要材料有壓電晶體（電致伸縮）及鎳鐵鋁合金 （磁致伸縮）兩類(lèi)。電致伸縮的材料有鋯鈦酸鉛（ PZT）等。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，所以它可以分成發(fā)送器或接收器。小型超聲波傳感器，發(fā)送與接收略有差別，它適用于在空氣中傳播，工作頻率一般為 2325kHz 及 4045kHz。這類(lèi)傳感器適用于測(cè)距、遙控、防盜等用途。若對(duì)發(fā)送傳感器內(nèi)諧振頻率為 40kHz 的壓電陶瓷片 (雙晶振子 )施加 40kHz 高頻電壓，則壓電陶瓷片就根據(jù)所加高頻電壓極性伸長(zhǎng)與縮短，于是發(fā)送 40kHz 頻率的 超聲波，其超聲波以疏密形式傳播 ( 疏密程度可由控制電路調(diào)制 )，并傳給波接收器。接收器是利用壓力傳感器所采用的壓電效應(yīng)的原理，即在壓電元件上施加壓力，使壓電元件發(fā)生應(yīng)變，則產(chǎn)生一面為 “+”極，另一面為 “”極的 40kHz 正弦電壓。因該高頻電壓幅值較小，還必須進(jìn)行放大。 常用的超聲波傳感器有 T/R4060， T/R4012等（其中 T 表示發(fā)送， R 表示接收， 40表示頻率為 40kHZ， 16及 12表示其外徑尺寸，以毫米計(jì)）。本設(shè)計(jì)選用 T/R4012 超聲波傳感器。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 9 顯示屏 本電路板 給測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì) 了兩種顯示電路，一種是數(shù)碼管顯示的人機(jī)接口；另一種是LCD1602 字符型液晶屏顯示接口，可以根據(jù)自己的需求來(lái)修改程序，以使其通過(guò)不同的媒介顯示相關(guān)信息。 本課程 是用 4 位數(shù)碼管顯示的， 段碼用 74LS245 驅(qū)動(dòng)，位碼用 PNP 三極管 Q Q Q Q4 驅(qū)動(dòng)，電路圖中標(biāo)號(hào) LCD1 為 1602 液晶顯示屏接口，電位器 RP2 用來(lái)調(diào)節(jié)液晶顯示對(duì)比度。單片機(jī)系統(tǒng)及顯示電路如下圖所示 . ABCDEFGDP123456789R P 15 1 4 4 1 0 9 9 31234567891011121314151617181920J410051922 201 0 E L FA02B018A13B117A24B216A35B315A46B414A57B513A68B612A79B711CE19A B / B A1U57 4 L S 2 4 5R 1 43 3 0R 1 5 3 3 0R 1 6 3 3 0R 1 7 3 3 0R 1 8 3 3 0R 1 9 3 3 0R 2 0 3 3 0R 1 33 3 0A14B16C20D23E21F15G17DP22DI G 02DI G 111DI G 26DI G 37DI G 43DI G 510DI G 65DI G 78DI N1L O A D12CL K13I S E T18DO UT24L E D 1M A X 7 2 1 9 P24DIG3P25P26P27DIG0DIG1DIG2Q2P N PQ3P N PQ4P N PQ1P N PR81 0 kR91 0 kR 1 11 0 kR 1 21 0 k 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 10 系統(tǒng)誤差 系統(tǒng)誤差分析 超聲波是以聲波的形式所進(jìn)行的能量傳播。一般來(lái)說(shuō)，超聲波傳播的距離大或是速度慢，能量消耗就大， 倘若超聲波的能量全部消耗在傳播途中或是聲波改變方向，就接收不到回波信號(hào)。而超聲波傳播的速度與彈性介質(zhì)的種類(lèi)和狀況關(guān)系極大，通常說(shuō)的聲速每秒340米，其傳播介質(zhì)是 15℃的標(biāo)準(zhǔn)空氣。研究表明，聲波的傳播速度與溫度是成正比的，在近地層中，當(dāng)氣溫隨高度增加而降低時(shí)，聲音的傳播速度隨高度增加而減小，聲波的射線就會(huì)向上彎曲（俗稱(chēng)聲音起飛了 )；反之，當(dāng)氣溫隨高度增加而升高，聲波的傳播速度就會(huì)隨高度增加而增加，聲波射線呈向下彎曲狀，給人的聽(tīng)覺(jué)就是‘聲音在下沉’。 在相同的間隔測(cè)量距離，由于波的傳播時(shí)間是相同的，但不同溫度下 到聲速不同，所以最終造成測(cè)量出來(lái)的距離不相等，即如果不是在標(biāo)準(zhǔn)溫度下進(jìn)行測(cè)量，將存在系統(tǒng)誤差。在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，影響測(cè)量精度的因素很多，包括現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境干擾、時(shí)基脈沖頻率等；但環(huán)境溫度對(duì)聲速的影響最大，從超聲波聲速經(jīng)驗(yàn)公式 Tv ?? 可以看出，在040℃時(shí)，聲速變化范圍為 ~。以超聲波在 20℃的室溫條件下的聲速，其變化率為 %。所以溫度的影響不能忽略不計(jì)。所以在基于單片機(jī) AT89C52 的超聲波測(cè)距系統(tǒng)中，必須要 對(duì)溫度進(jìn)行測(cè)量和補(bǔ)償，以避免溫度對(duì)測(cè)量精度的影響。 系統(tǒng)誤差補(bǔ)償 本系統(tǒng)選用 DS18B20 溫度傳感器作為誤差補(bǔ)償裝置。采用到聲速不是標(biāo)準(zhǔn)室溫下到 344m/s,而是通過(guò)溫度傳感器測(cè)得外界到溫度，再根據(jù)公式（ 2）換算出此溫度下的聲速，這樣可以有效到控制系統(tǒng)誤差。 不同溫度下超聲波在空氣中傳播速度隨溫度變化的關(guān)系 如下。 Tv ?? (42) 式中， T 為實(shí)際溫度 (℃ )， v 為當(dāng)前環(huán)境下聲速， 單位為 m/s。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 11 第 5 章系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 圖 51 系統(tǒng)整體框架 由單片機(jī)發(fā)出 40kHz 的方波信號(hào)進(jìn)入超聲波發(fā)射電路， 經(jīng) LM386 功率放大芯片放大后進(jìn)入超聲波發(fā)射頭。超聲波發(fā)射頭 發(fā)射 的 超聲波 在空氣中傳播一段時(shí)間后經(jīng)前方被檢測(cè)物體反射回來(lái)， 由超聲波接收 頭接收，超聲波 電路 中的 20206 接收芯片對(duì)信號(hào)放大整形 ，超聲波接收電路接收 回波 后 發(fā)出一個(gè)下拉電平 使單片機(jī)進(jìn)入中斷程序，在中斷程序中，單片機(jī)從溫度檢測(cè)電路讀取數(shù)值并 換算成當(dāng)前溫度下的聲速， 應(yīng)用時(shí)差法計(jì)算所檢測(cè)的距離， 最后所有的數(shù)據(jù)都在 LCD 顯示電路上顯示。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 12 硬件 發(fā)射電路 1 2U 1 : A7 4 L S 0 43 4U 1 : B7 4 L S 0 45 6U 1 : C7 4 L S 0 411 10U 1 : E7 4 L S 0 4L S 2S P E A K E RR21 0 kR31 0 k13 12U 1 : D7 4 L S 0 4 圖 52 超聲波發(fā)射電路 由于從單片 里發(fā)出的 40KHz 脈沖信號(hào)的功率較低，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)射換能器，因而需要一個(gè)放大電路將脈沖信號(hào)放大后再送至發(fā)射換能器，驅(qū)動(dòng)其發(fā)出與驅(qū)動(dòng)信號(hào)同頻率的超聲波，所以發(fā)射電路的主要功能就是放大，發(fā)射電路如圖 52 所示。為增大超聲波的發(fā)射頻率，本設(shè)計(jì)利用了單運(yùn)放 LM386， LM386 是專(zhuān)為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器集成電路。它的內(nèi)建增益為 20，透過(guò) pin 1 和 pin8 腳位間電容的搭配，增益最高可達(dá) 200。 LM386可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍可由 4V~12V，無(wú)作動(dòng)時(shí)僅消耗 4mA 電流，且失真小。 發(fā)射距離可達(dá) 3m。 利用 LM386 的驅(qū)動(dòng)放大功能將單片機(jī)產(chǎn)生的 40kHz 方波放大輸出。驅(qū)動(dòng)壓電式超聲波發(fā)射頭發(fā)射超聲波。 金陵科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文 參考文獻(xiàn) 13 接收電路 接收電路中的 CX20206A 芯片是一款紅外線檢波接收的專(zhuān)用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器。 考慮到紅外遙控常用的載波頻率 38kHz 與測(cè)距超聲波頻率 40kHz 較為接近，可以利用它作為超聲波檢測(cè)電路，超聲波接收頭將機(jī)械 能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。但這個(gè)電信號(hào)非常微弱，必須經(jīng)過(guò)放大， CX20206A 芯片完成放大調(diào)制的功能。 如圖 3 所示。 1 2 3 4 5 6 7 8J3 5 2 7 4 6 0 8 1 9R547R62 2 0 kR72 2 0 kC 1 53 .3 u FC 1 63 .3 u FC 1 44 7 u FL S 2S P E A K E RC91nF