電工電子實(shí)習(xí)指導(dǎo)書(shū)-資料下載頁(yè)
2025-08-03 06:04本頁(yè)面
【正文】 法。四、電子實(shí)習(xí)內(nèi)容：超聲波是由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的，可以在不同介質(zhì)中以不同的速度傳播。由于超聲波指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都可以通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。超聲波測(cè)距是一種非接觸式的檢測(cè)方式。與其它方法相比，如電磁的或光學(xué)的方法，它不受光線、被測(cè)對(duì)象顏色等影響。對(duì)于被測(cè)物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應(yīng)能力。因此在液位測(cè)量、機(jī)械手控制、車輛自動(dòng)導(dǎo)航、物體識(shí)別等方面有廣泛的應(yīng)用。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)確度也較其它方法高；而且超聲波傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、信號(hào)處理可靠等特點(diǎn)。利用超聲波傳感器檢測(cè)往往比較迅速、方便、計(jì)算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測(cè)量精度方面能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器。總體上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器，超聲波傳感器的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖所示。超聲波內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖超聲波傳感器外形及符號(hào)由圖可見(jiàn)，超聲波傳感器是由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、金屬網(wǎng)絡(luò)等構(gòu)成。其中，壓電陶瓷晶片是超聲波傳感器的核心，錐形發(fā)射喇叭主要是使發(fā)射與接收超聲波的能量集中，并使傳感器有一定的輻射角；金屬網(wǎng)格則起到保護(hù)作用，但不影響超聲波的發(fā)射與接收。常用的超聲波傳感器，其中心頻率約為40KHz。壓電陶瓷晶片有一個(gè)固定的諧振頻率，即中心頻率f0。為超聲波傳感器的等效電路如下圖。圖中，C 為靜電電容，R 為陶瓷材料介電損耗并聯(lián)電阻，Cm 和Lm為機(jī)械共振回路的電容和電感，Rm 為損耗串聯(lián)電阻。超聲波傳感器的中心頻率f0 由上述元器件的參數(shù)決定。發(fā)射或接收超聲波時(shí)，要使電路參數(shù)與中心頻率一致，以保證超聲波傳感器較高靈敏度。當(dāng)所用壓電材料不變時(shí)，改變壓電陶瓷芯片的幾何尺寸，就可方便地改變其固有頻率。利用這一特性可制成各種頻率的超聲波傳感器。超聲波探頭等效電路壓電式超聲波發(fā)生器工作原理是：它是借助壓電晶體的諧振來(lái)工作的，即陶瓷的壓電效應(yīng)。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當(dāng)它的兩電極加脈沖信號(hào)(觸發(fā)脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時(shí)，壓電晶片就會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當(dāng)共振板接收到回波信號(hào)時(shí)，將壓迫兩片電晶片振動(dòng)，從而將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波測(cè)距儀結(jié)構(gòu)框圖1）超聲波發(fā)射電路由兩塊555集成電路組成。IC1（555）組成超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器，工作周期計(jì)算公式如下，實(shí)際電路中由于元器件等誤差，會(huì)有一些差別。條件: RA =、 RB=150KΩ、 C=TL = x RB x C= x 150 x 103 x x 106= 1 msecTH = x (RA + RB) x C= x 9250 x 103 x x 106= 64 msecIC2組成超聲波載波信號(hào)發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號(hào)控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停止64ms。計(jì)算公式如下：條件: RA =、 RB=15KΩ、 C=1000pFTL = x RB x C= x 15 x 103 x 1000 x 1012= 10μsecTH = x (RA + RB) x C= x x 103 x 1000 x 1012= 11μsecf = 1/(TL + TH)= 1/(( + ) x 106)= KHzIC3（CD4069）組成超聲波發(fā)射頭驅(qū)動(dòng)電路。IC1（555）超聲波脈沖信號(hào)發(fā)生器out輸出同時(shí)做為51單片機(jī)中斷控制信號(hào)輸入。2）超聲波接收電路 超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號(hào)的檢測(cè)和放大。反射回來(lái)的超聲波信號(hào)經(jīng)IC4的2級(jí)放大1000倍（60dB），第1級(jí)放大100倍（40dB），第2級(jí)放大10倍（20dB）。 由于一般的運(yùn)算放大器需要正、負(fù)對(duì)稱電源，而該裝置電源用的是單電源（9V）供電，為保證其可靠工作，這里用R10和R11進(jìn)行分壓，這樣可以保證放大的交流信號(hào)的質(zhì)量，不至于產(chǎn)生信號(hào)失真。CDDC10組成的倍壓檢波電路取出反射回來(lái)的檢測(cè)脈沖信號(hào)送至IC5進(jìn)行處理。ICICICICIC9組成信號(hào)比較、測(cè)量、計(jì)數(shù)和顯示電路，即比較和測(cè)量從發(fā)出的檢測(cè)脈沖和該脈沖被反射回來(lái)的時(shí)間差。它是超聲波測(cè)距電路的核心，下面分析其工作原理。由Ra、Rb、IC5組成信號(hào)比較器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb)=(47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ)= 所以當(dāng)A點(diǎn)（IC5的反相端），B點(diǎn)電壓將由高電平1到低電平0。同時(shí)注意到在IC5的同相端接有電容C11和二極管D3，這是用來(lái)防止誤檢測(cè)而設(shè)置的。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，在測(cè)距儀的周圍會(huì)有部分發(fā)出的超聲波直接進(jìn)入接收頭而形成誤檢測(cè)。為避免這種情況發(fā)生，這里用D3直接引入檢測(cè)脈沖來(lái)適當(dāng)提高IC5比較器的門限轉(zhuǎn)換電壓，并且這個(gè)電壓由C11保持一段時(shí)間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測(cè)脈沖時(shí)，由于D3的作用使IC5的門限轉(zhuǎn)換電壓也隨之被提高，并且由于C11的放電保持作用，可防止這時(shí)由于檢測(cè)脈沖自身的干擾而形成的誤檢測(cè)。由以上可知，當(dāng)測(cè)量距離小到一定程度時(shí)，由于D3及C11的防誤檢測(cè)作用，其近距離測(cè)量會(huì)受到影響。圖示參數(shù)的最小測(cè)量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20 時(shí)可做到30cm測(cè)量最短距離。將此時(shí)的脈沖輸出做為單片機(jī)的中斷控制信號(hào)輸入，與IC1輸出同步進(jìn)行，通過(guò)程序計(jì)算就可計(jì)算出實(shí)際探測(cè)距離，經(jīng)7279顯示模塊給出距離值。另，如不通過(guò)單片機(jī)控制也可用計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。五、電子實(shí)習(xí)步驟：1. 查閱和學(xué)習(xí)相關(guān)科技文獻(xiàn)，熟悉用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器的電路組成、工作原理和振蕩波形及其參數(shù)計(jì)算；2. 運(yùn)用數(shù)字電子技術(shù)課程中學(xué)習(xí)的脈沖波形的產(chǎn)生與整形的知識(shí)，并且依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)出可靠性高，性價(jià)比高的超聲波發(fā)送、接收器；3. 查元器件手冊(cè)，設(shè)計(jì)超聲波發(fā)送、接收器電路原理圖；4. 焊接電路板，進(jìn)行電路調(diào)試。5．電子實(shí)習(xí)總結(jié)，完成電子實(shí)習(xí)報(bào)告。六、電子實(shí)習(xí)總結(jié)：33 / 3
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