【正文】 法。四、電子實習內容：超聲波是由機械振動產(chǎn)生的，可以在不同介質中以不同的速度傳播。由于超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量儀等都可以通過超聲波來實現(xiàn)。超聲波測距是一種非接觸式的檢測方式。與其它方法相比，如電磁的或光學的方法，它不受光線、被測對象顏色等影響。對于被測物處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、有毒等惡劣的環(huán)境下有一定的適應能力。因此在液位測量、機械手控制、車輛自動導航、物體識別等方面有廣泛的應用。特別是應用于空氣測距，由于空氣中波速較慢，其回波信號中包含的沿傳播方向上的結構信息很容易檢測出來，具有很高的分辨力，因而其準確度也較其它方法高；而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。利用超聲波傳感器檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制，并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設計和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w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、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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部結構如圖所示。超聲波內部結構圖超聲波傳感器外形及符號由圖可見，超聲波傳感器是由壓電陶瓷晶片、錐形輻射喇叭、金屬網(wǎng)絡等構成。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，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。當所用壓電材料不變時，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工作的，即陶瓷的壓電效應。超聲波傳感器有兩塊壓電晶片和一塊共振板。當它的兩電極加脈沖信號(觸發(fā)脈沖)，若其頻率等于晶片的固有頻率時，壓電晶片就會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，從而產(chǎn)生超聲波。相反，電極間未加電壓，則當共振板接收到回波信號時，將壓迫兩片電晶片振動，從而將機械能轉換為電信號，此時的傳感器就成了超聲波接收器。超聲波測距儀結構框圖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發(fā)生器，工作周期計算公式如下，實際電路中由于元器件等誤差，會有一些差別。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發(fā)生器。由IC1輸出的脈沖信號控制，輸出1ms頻率40kHz，占空比50％的脈沖，停止64ms。計算公式如下：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)射頭驅動電路。IC1（555）超聲波脈沖信號發(fā)生器out輸出同時做為51單片機中斷控制信號輸入。2）超聲波接收電路 超聲波接收頭和IC4組成超聲波信號的檢測和放大。反射回來的超聲波信號經(jīng)IC4的2級放大1000倍（60dB），第1級放大100倍（40dB），第2級放大10倍（20dB）。 由于一般的運算放大器需要正、負對稱電源，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進行分壓，這樣可以保證放大的交流信號的質量，不至于產(chǎn)生信號失真。CDDC10組成的倍壓檢波電路取出反射回來的檢測脈沖信號送至IC5進行處理。ICICICICIC9組成信號比較、測量、計數(shù)和顯示電路，即比較和測量從發(fā)出的檢測脈沖和該脈沖被反射回來的時間差。它是超聲波測距電路的核心，下面分析其工作原理。由Ra、Rb、IC5組成信號比較器。其中Vrf = (Rb x Vcc)/(Ra + Rb)=(47KΩ x 9V)/(1MΩ + 47KΩ)= 所以當A點（IC5的反相端），B點電壓將由高電平1到低電平0。同時注意到在IC5的同相端接有電容C11和二極管D3，這是用來防止誤檢測而設置的。在實際測量時，在測距儀的周圍會有部分發(fā)出的超聲波直接進入接收頭而形成誤檢測。為避免這種情況發(fā)生，這里用D3直接引入檢測脈沖來適當提高IC5比較器的門限轉換電壓，并且這個電壓由C11保持一段時間，這樣在超聲波發(fā)射器發(fā)出檢測脈沖時，由于D3的作用使IC5的門限轉換電壓也隨之被提高，并且由于C11的放電保持作用，可防止這時由于檢測脈沖自身的干擾而形成的誤檢測。由以上可知，當測量距離小到一定程度時，由于D3及C11的防誤檢測作用，其近距離測量會受到影響。圖示參數(shù)的最小測量距離在40cm左右。減小C11的容量，在環(huán)境溫度為20 時可做到30cm測量最短距離。將此時的脈沖輸出做為單片機的中斷控制信號輸入，與IC1輸出同步進行，通過程序計算就可計算出實際探測距離，經(jīng)7279顯示模塊給出距離值。另，如不通過單片機控制也可用計數(shù)器來實現(xiàn)。五、電子實習步驟：1. 查閱和學習相關科技文獻，熟悉用555定時器構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)計算；2. 運用數(shù)字電子技術課程中學習的脈沖波形的產(chǎn)生與整形的知識，并且依據(jù)產(chǎn)品的設計思想，設計出可靠性高，性價比高的超聲波發(fā)送、接收器；3. 查元器件手冊，設計超聲波發(fā)送、接收器電路原理圖；4. 焊接電路板，進行電路調試。5．電子實習總結，完成電子實習報告。六、電子實習總結：33 / 3