【正文】 就 可 以 知 道距 離 了 。 這 與 雷 達 測 距 原 理 相 似 。 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 距 障 礙 物 的 距 離 s， 即 ： s=340t/2 超聲波傳感器超 聲 波 傳 感 器 是 利 用 超 聲 波 的 特 性 研 制 而 成 的 傳 感 器 。 超 聲 波 是 一 種 振 動 頻 率 高于 聲 波 的 機 械 波 ， 由 晶 片 在 電 壓 的 激 勵 下 發(fā) 生 振 動 產(chǎn) 生 的 ， 它 具 有 頻 率 高 、 波 長 短 、繞 射 現(xiàn) 象 小 ， 特 別 是 方 向 性 好 、 能 夠 成 為 射 線 而 定 向 傳 播 等 特 點 。 超 聲 波 對 液 體 、 固體 的 穿 透 本 領(lǐng) 很 大 ， 尤 其 是 在 陽 光 不 透 明 的 固 體 中 ， 它 可 穿 透 幾 十 米 的 深 度 。 超 聲 波碰 到 雜 質(zhì) 或 分 界 面 會 產(chǎn) 生 顯 著 反 射 形 成 反 射 成 回 波 ， 碰 到 活 動 物 體 能 產(chǎn) 生 多 普 勒 效 應(yīng) 。因 此 超 聲 波 檢 測 廣 泛 應(yīng) 用 在 工 業(yè) 、 國 防 、 生 物 醫(yī) 學 等 方 面 。以 超 聲 波 作 為 檢 測 手 段 ， 必 須 產(chǎn) 生 超 聲 波 和 接 收 超 聲 波 。 完 成 這 種 功 能 的 裝 置 就是 超 聲 波 傳 感 器 ， 習 慣 上 稱 為 超 聲 換 能 器 ， 或 者 超 聲 探 頭 。 下 圖 所 展 示 的 是 一 對 普 通的 探 頭 ， 其 中 一 個 為 發(fā) 射 超 聲 波 的 探 頭 ， 一 個 為 接 收 超 聲 波 的 探 頭 ， 這 兩 個 探 頭 所 持有 的 固 有 頻 率 是 一 樣 的 ， 只 有 這 樣 才 能 在 發(fā) 射 出 一 定 頻 率 的 超 聲 波 之 后 還 能 接 受 到 相同 頻 率 的 超 聲 波 的 回 波 信 號 。 本 次 設(shè) 計 中 所 用 的 探 頭 是 和 下 圖 33 所 示 一 樣 的 探 頭 。第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計14圖 33 探 頭超 聲 波 探 頭 主 要 由 壓 電 晶 片 組 成 ， 既 可 以 發(fā) 射 超 聲 波 ， 也 可 以 接 收 超 聲 波 。 小 功率 超 聲 探 頭 多 作 探 測 作 用 。 它 有 許 多 不 同 的 結(jié) 構(gòu) ， 可 分 直 探 頭 、 斜 探 頭 、 表 面 波 探 頭 、蘭 姆 波 、 雙 探 頭 等 。超 聲 探 頭 的 核 心 是 其 塑 料 外 套 或 者 金 屬 外 套 中 的 一 塊 壓 電 晶 片 。 構(gòu) 成 晶 片 的 材 料可 以 有 許 多 種 。 晶 片 的 大 小 ， 如 直 徑 和 厚 度 也 各 不 相 同 ， 因 此 每 個 探 頭 的 性 能 是 不 同的 。工 作 頻 率 就 是 壓 電 晶 片 的 共 振 頻 率 。 當 加 到 它 兩 端 的 交 流 電 壓 的 頻 率 和 晶 片 的 共振 頻 率 相 等 時 ， 輸 出 的 能 量 最 大 ， 靈 敏 度 也 最 高 。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 。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 傳 感器 ， 它 可 以 將 電 能 轉(zhuǎn) 變 成 機 械 振 蕩 而 產(chǎn) 生 超 聲 波 ， 同 時 它 接 收 到 超 聲 波 時 ， 也 能 轉(zhuǎn) 變成 電 能 ， 所 以 它 可 以 分 成 發(fā) 送 器 或 接 收 器 。 有 的 超 聲 波 傳 感 器 既 作 發(fā) 送 ， 也 能 作 接 收 。這 里 僅 介 紹 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 23~25KHZ 及 40~45KHZ。 這 類 傳 感 器 適 用 于 測 距 、 遙 控 、 防 盜 等 用 途 。超 聲 波 傳 感 器 由 發(fā) 送 傳 感 器 (或 稱 波 發(fā) 送 器 )、 接 收 傳 感 器 (或 稱 波 接 收 器 )、 控 制部 分 與 電 源 部 分 組 成 。 發(fā) 送 器 傳 感 器 由 發(fā) 送 器 與 使 用 直 徑 為 15mm 左 右 的 陶 瓷 振 子 換能 器 組 成 ， 換 能 器 作 用 是 將 陶 瓷 振 子 的 電 振 動 能 量 轉(zhuǎn) 換 成 超 聲 波 能 量 并 向 空 中 輻 射 ；而 接 收 傳 感 器 由 陶 瓷 振 子 換 能 器 與 放 大 電 路 組 成 ， 換 能 器 接 收 波 產(chǎn) 生 機 械 振 動 ， 將 其變 換 成 電 能 量 ， 作 為 傳 感 器 接 收 器 的 輸 出 ， 從 而 對 發(fā) 送 的 超 聲 波 進 行 檢 測 。 而 實 際 使電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書15用 中 ， 用 發(fā) 送 傳 感 器 的 陶 瓷 振 子 的 也 可 以 用 做 接 收 器 傳 感 器 社 的 陶 瓷 振 子 。 控 制 部 分主 要 對 發(fā) 送 器 發(fā) 出 的 脈 沖 鏈 頻 率 、 占 空 比 及 稀 疏 調(diào) 制 和 計 數(shù) 及 探 測 距 離 等 進 行 控 制 。 超聲波發(fā)射和接收電路超 聲 波 發(fā) 射 和 接 收 電 路 如 下 圖 34 所 示 。 超 聲 波 發(fā) 射 部 份 由 電 阻 R 超 聲 波 發(fā) 送探 頭 T 組 成 ； 接 收 電 路 由 BG BG2 和 BG3 組 成 的 三 級 放 大 器 組 成 ； 檢 波 電 路 、 比 較整 形 電 路 由 C D D2 及 BG4 組 成 。40KHZ 的 方 波 由 芯 片 EPM240T100C5 的 管 腳 82 發(fā) 出 ， 加 載 到 發(fā) 送 超 聲 波 的 探 頭 上 ，驅(qū) 動 超 聲 波 發(fā) 射 頭 發(fā) 射 超 聲 波 。 發(fā) 送 出 的 超 聲 波 ， 遇 到 障 礙 物 后 ， 產(chǎn) 生 回 波 ， 反 射 回來 的 回 波 被 超 聲 波 接 收 探 頭 接 收 到 。 由 于 聲 波 在 空 氣 中 傳 播 時 衰 減 ， 所 以 接 收 到 的 波形 幅 值 較 低 ， 經(jīng) 接 收 電 路 放 大 ， 整 形 ， 最 后 輸 入 到 芯 片 EPM240T100C5 的 管 腳 42， 只有 這 樣 芯 片 才 能 對 信 號 進 行 分 析 和 處 理 。該 測 距 電 路 的 40KHZ 方 波 信 號 由 芯 片 EPM240T100C5 的 管 腳 82 發(fā) 出 ， 連 接 到 超 聲波 發(fā) 射 的 探 頭 上 ， 發(fā) 射 出 40KHZ 的 超 聲 波 。 由 于 開 發(fā) 板 所 提 供 的 是 50MHZ 的 晶 振 ， 并不 能 滿 足 使 用 的 要 求 ， 需 要 對 晶 振 進 行 分 頻 ， 分 頻 是 用 軟 件 編 程 來 產(chǎn) 生 我 們 所 用 到 的頻 率 的 。 經(jīng) 過 分 頻 后 產(chǎn) 生 了 和 的 方 波 。 本 設(shè) 計 在 編 程 時 選 用 了 后 者 ，讓 芯 片 EPM240T100C5 產(chǎn) 生 約 的 方 波 。 具 體 的 原 因 是 探 頭 在 下 不 能工 作 ， 經(jīng) 過 調(diào) 試 在 下 能 正 常 工 作 所 以 選 擇 的 方 波 。 關(guān) 于 分 頻 的 部 分會 在 軟 件 部 分 具 體 的 介 紹 。 下 圖 34 為 所 要 焊 接 的 超 聲 波 測 距 發(fā) 送 和 接 收 電 路 圖C1104VCCBG29013R6150KC2104BG19013R5150KIN 4148D1IN 4148D2BG39013BG49013R7150KC3104T RINOUT2圖 34 超聲波測距發(fā)送和接收電路圖由 于 反 射 回 來 的 超 聲 波 信 號 非 常 微 弱 ， 所 以 接 收 電 路 需 要 將 其 進 行 放 大 。 接 收 電路 如 圖 34 所 示 。 接 收 到 的 信 號 加 到 BG BG2 和 BG3 組 成 的 三 級 放 大 器 上 進 行 放 大 。每 級 放 大 器 的 放 大 倍 數(shù) 為 50 倍 。 放 大 的 信 號 通 過 檢 波 電 路 得 到 解 調(diào) 后 的 信 號 ， 即 把 多個 脈 沖 波 解 調(diào) 成 多 個 大 脈 沖 波 。 這 里 使 用 的 是 IN4148 檢 波 二 極 管 ， 輸 出 的 直 流 信 號即 兩 二 極 管 之 間 電 容 電 壓 。 該 接 收 電 路 結(jié) 構(gòu) 簡 單 ， 性 能 較 好 ， 制 作 難 度 較 低 。 將 最 后得 到 的 信 號 輸 入 到 芯 片 中 就 可 以 對 信 號 進 行 處 理 和 分 析 了 。第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計16 實驗過程中發(fā)射和接收到的波形圖 35 發(fā)射出的波形上 圖 為 IN 點 測 得 的 波 形 ， 從 圖 中 可 以 看 出 ， 超 聲 波 發(fā) 射 器 發(fā) 射 出 的 是 的 方 波 。 電 壓 的 峰 峰 值 時 。圖 36 接收到的波形上 圖 36 為 BG1 點 測 得 的 波 形 ， 從 圖 中 可 以 看 出 接 收 到 的 是 的 正 弦 波 ，電 壓 的 峰 峰 值 時 。 和 上 圖 對 比 可 以 看 出 波 形 的 頻 率 沒 有 變 化 ， 但 是 波 形 的 形 狀 ，電 壓 都 有 了 變 化 ， 此 時 的 波 形 不 能 被 芯 片 識 別 需 要 進 行 放 大 ， 再 將 波 形 經(jīng) 過 后 面 三 極管 的 放 大 ， 得 到 電 壓 的 峰 峰 值 大 于 5V 的 正 弦 波 或 方 波 ， 這 樣 才 能 被 開 發(fā) 板 芯 片 所 識 別 。經(jīng) 過 最 后 的 測 試 得 到 了 輸 入 芯 片 的 電 壓 的 峰 峰 值 為 的 方 波 。 會 在 附 錄 B 中 給 出具 體 的 波 形 圖 。電子信息與電氣工程學院畢業(yè)設(shè)計說明書17 報警模塊蜂 鳴 器 是 一 種 一 體 化 結(jié) 構(gòu) 的 電 子 訊 響 器 ， 它 廣 泛 應(yīng) 用 于 計 算 機 、 打 印 機 、 復(fù) 印 機 、報 警 器 、 電 話 機 等 電 子 產(chǎn) 品 中 作 發(fā) 聲 器 件 。 蜂 鳴 器 主 要 分 為 電 磁 式 蜂 鳴 器 和 壓 電 式 蜂鳴 器 兩 種 類 型 。電 磁 式 蜂 鳴 器 （ 圖 37） 由 振 蕩 器 、 電 磁 線 圈 、 磁 鐵 、 振 動 膜 片 及 外 殼 等 組 成 。接 通 電 源 后 ， 振 蕩 器 產(chǎn) 生 的 音 頻 信 號 電 流 通 過 電 磁 線 圈 ， 使 電 磁 線 圈 產(chǎn) 生 磁 場 ， 振 動膜 片 在 電 磁 線 圈 和 磁 鐵 的 相 互 作 用 下 ， 周 期 性 振 動 發(fā) 聲 。圖 37 電磁式蜂鳴器壓 電 式 蜂 鳴 器 （ 圖 38） 主 要 由 多 諧 振 蕩 器 、 壓 電 蜂 鳴 片 、 阻 抗 匹 配 器 及 共 鳴 箱 、外 殼 等 組 成 。 多 諧 振 蕩 器 由 晶 體 管 或 集 成 電 路 構(gòu) 成 ， 當 接 通 電 源 后 (~15V 直 流 工 作電 壓 )， 多 諧 振 蕩 器 起 振 ， 輸 出 ~ 的 音 頻 信 號 ， 阻 抗 匹 配 器 推 動 壓 電 蜂 鳴 片發(fā) 聲 。圖 38 壓 電 式 蜂 鳴 器本 開 發(fā) 板 采 用 的 是 電 磁 式 蜂 鳴 器 。 上 面 已 經(jīng) 介 紹 了 ， 蜂 鳴 器 發(fā) 聲 原 理 是 電 流通 過 電 磁 線 圈 ， 使 電 磁 線 圈 產(chǎn) 生 磁 場 來 驅(qū) 動 振 動 膜 發(fā) 聲 的 ， 因 此 需 要 一 定 的 電 流 才 能驅(qū) 動 它 。 一 般 的 電 磁 式 蜂 鳴 器 的 驅(qū) 動 電 流 為 30~100mA， 直 接 使 用 CPLD 的 IO 引 腳 驅(qū) 動的 話 ， 聲 音 會 不 夠 響 亮 ， 因 此 需 要 增 加 一 個 電 流 放 大 的 電 路 。 本 外 設(shè) 板 通 過 一 個 三 極管 8550 來 驅(qū) 動 蜂 鳴 器 ， 具 體 的 原 理 圖 如 下 所 示 ：第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計18R11KSPEAKER2P8550BEEPQ1FM1GND圖 39 蜂鳴器電路如 上 圖 39 所 示 ， 三 極 管 的 發(fā) 射 極 接 到 VCC(+)電 源 上 面 ， 蜂 鳴 器 的 正 極 接 到三 極 管 的 集 電 極 ， 三 極 管 的 基 級 B 經(jīng) 過 限 流 電 阻 R1 后 由 CPLD 的 I/O(BEEP)控 制 。 當輸 出 高 電 平 時 ， 三 極 管 Q1 截 止 ， 沒 有 電 流 流 過 線 圈 ， 蜂 鳴 器 不 發(fā) 聲 ； 當 BEEP 為 低 電平 時 ， 三 極 管 導 通 ， 這 樣 蜂 鳴 器 的 電 流 形 成