【正文】 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 。 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 。 多 諧 振 蕩 器 由 晶 體 管 或 集 成 電 路 構(gòu) 成 ， 當(dāng) 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 。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 。 蜂 鳴 器 主 要 分 為 電 磁 式 蜂 鳴 器 和 壓 電 式 蜂鳴 器 兩 種 類 型 。 會 在 附 錄 B 中 給 出具 體 的 波 形 圖 。 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(jìn) 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 。 電 壓 的 峰 峰 值 時 。 將 最 后得 到 的 信 號 輸 入 到 芯 片 中 就 可 以 對 信 號 進(jìn) 行 處 理 和 分 析 了 。 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 。每 級 放 大 器 的 放 大 倍 數(shù) 為 50 倍 。 接 收 電路 如 圖 34 所 示 。 關(guān) 于 分 頻 的 部 分會 在 軟 件 部 分 具 體 的 介 紹 。 本 設(shè) 計 在 編 程 時 選 用 了 后 者 ，讓 芯 片 EPM240T100C5 產(chǎn) 生 約 的 方 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(jìn) 行 分 頻 ， 分 頻 是 用 軟 件 編 程 來 產(chǎn) 生 我 們 所 用 到 的頻 率 的 。 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(jìn) 行 分 析 和 處 理 。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 。 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 。 而 實 際 使電子信息與電氣工程學(xué)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 。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 。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。 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(jī) 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 。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 。工 作 頻 率 就 是 壓 電 晶 片 的 共 振 頻 率 。 構(gòu) 成 晶 片 的 材 料可 以 有 許 多 種 。 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 。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 。 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 。以 超 聲 波 作 為 檢 測 手 段 ， 必 須 產(chǎn) 生 超 聲 波 和 接 收 超 聲 波 。 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) 。 超 聲 波 是 一 種 振 動 頻 率 高于 聲 波 的 機(jī) 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 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 。通 過 超 聲 波 發(fā) 射 裝 置 發(fā) 出 超 聲 波 ， 根 據(jù) 接 收 器 接 到 超 聲 波 時 的 時 間 差 就 可 以 知 道距 離 了 。 產(chǎn) 生 超 聲 波 的 裝 置 有 機(jī) 械 型 超 聲 發(fā) 生 器 （ 例 如 氣 哨 、 汽 笛 和 液 哨 等 ）、 利 用 電 磁 感 應(yīng) 和 電 磁 作 用 原 理 制 成 的 電 動 超 聲 發(fā) 生 器 、 以 及 利 用 壓 電 晶 體 的 電 致 伸縮 效 應(yīng) 和 鐵 磁 物 質(zhì) 的 磁 致 伸 縮 效 應(yīng) 制 成 的 電 聲 換 能 器 等 。 這 種 由 超 聲 波 作 用 在 液 體 中 所 引 起 的 各 種 效 應(yīng) 稱 為 超 聲 波 的 空 化 作 用 。 這 些 小 空 洞 迅 速脹 大 和 閉 合 ， 會 使 液 體 微 粒 之 間 發(fā) 生 猛 烈 的 撞 擊 作 用 ， 從 而 產(chǎn) 生 幾 千 到 上 萬 個 大 氣 壓的 壓 強 。 由 于 超 聲 波 頻 率很 高 ， 所 以 超 聲 波 與 一 般 聲 波 相 比 ， 它 的 功 率 是 非 常 大 的 。 聲 波 功 率 就 是 表 示 聲 波 做 功 快 慢 的物 理 量 。 與 可 聽 聲波 比 較 ， 超 聲 波 具 有 許 多 奇 異 特 性 ： 傳 播 特 性 ： 超 聲 波 的 波 長 很 短 ， 通 常 的 障 礙 物 的尺 寸 要 比 超 聲 波 的 波 長 大 好 多 倍 ， 因 此 超 聲 波 的 衍 射 本 領(lǐng) 很 差 ， 它 在 均 勻 介 質(zhì) 中 能 夠電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書13定 向 直 線 傳 播 ， 超 聲 波 的 波 長 越 短 ， 該 特 性 就 越 顯 著 。超 聲 波 在 媒 質(zhì) 中 的 反 射 、 折 射 、 衍 射 、 散 射 等 傳 播 規(guī) 律 ， 與 可 聽 聲 波 的 規(guī) 律 沒 有本 質(zhì) 上 的 區(qū) 別 。 超 聲 波 是 指 振 動 頻 率 大 于 20220HZ以 上 的 ， 其 每 秒 的 振 動 次 數(shù) （ 頻 率 ） 很 高 ， 超 出 了 人 耳 聽 覺 的 一 般 上 限 （ 20220HZ） ，人 們 將 這 種 聽 不 見 的 聲 波 叫 做 超 聲 波 。 所 謂 振 動 是 指 物 質(zhì) 的 質(zhì) 點 在 其平 衡 位 置 附 近 進(jìn) 行 的 往 返 運 動 形 式 。 超 聲 波 在 醫(yī) 學(xué) 方 面 應(yīng)用 非 常 廣 泛 ， 像 現(xiàn) 在 的 彩 超 、 B 超 、 碎 石 （ 例 如 膽 結(jié) 石 、 腎 結(jié) 石 、 祛 眼 袋 之 類 的 ） ，還 能 破 壞 細(xì) 菌 結(jié) 構(gòu) ， 對 物 品 進(jìn) 行 殺 菌 消 毒 。理 論 研 究 表 明 ， 在 振 幅 相 同 的 條 件 下 ， 一 個 物 體 振 動 的 能 量 與 振 動 頻 率 成 正 比 ，超 聲 波 在 介 質(zhì) 中 傳 播 時 ， 介 質(zhì) 質(zhì) 點 振 動 的 頻 率 很 高 ， 因 而 能 量 很 大 。 當(dāng) 聲 波 的 振 動 頻 率 大 于 20KHZ 或 小 于20HZ 時 ,我 們 便 聽 不 見 了 ?？?學(xué) 家 們 將 每 秒 鐘 振 動 的 次 數(shù) 稱 為 聲 音 的 頻 率 ， 它 的 單 位 是 赫 磁 (HZ)。 在 醫(yī)學(xué) 、 軍 事 、 工 業(yè) 、 農(nóng) 業(yè) 上 有 很 多 的 應(yīng) 用 。 II 器 件 含 有 JTAG 模 塊 ， 可 以 利 用 并 行 Flash 加 載 宏 功 能 來 配 置 非 JTAG第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計12兼 容 器 件 ， 例 如 分 立 閃 存 器 件 等 。 II 器 件 支 持 用 戶 在 器 件 工 作 時 對 閃 存 配 置 進(jìn) 行 更 新 。 II CPLD 具 有 CPLD 業(yè) 界 最 低 的 動 態(tài) 功 耗 ， 只 有 以 前 MAX CPLD 的 十 分 之一 。 具 體 的 控 制 芯 片 的 程 序 會 在 軟 件 部 分 詳 細(xì) 介 紹 。CPLD 核心部分超聲波發(fā)送模塊超聲波接收模塊 放大 比較顯示模塊報警模塊電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書11 MAXII 系列芯片 EPM240T100C5 芯片 EPM240T100C5 的管腳圖圖 32 EPM240T100C5 的管腳圖芯 片 EPM240T100C5 的 原 理 圖 如 上 圖 32 所 示 ， 芯 片 有 100 個 引 腳 ， 芯 片 的 管 腳分 配 具 體 分 配 情 況 請 看 附 錄 。 由于 所 買 的 開 發(fā) 板 上 有 數(shù) 碼 管 和 蜂 鳴 器 所 以 不 需 要 自 己 買 材 料 焊 接 ， 超 聲 波 發(fā) 送 和 接 收模 塊 開 發(fā) 板 上 沒 有 附 帶 需 要 自 己 設(shè) 計 ， 買 材 料 來 焊 接 測 試 。 其 中 顯 示 模 塊 和 報 警 模 塊 ， 由 于 開 發(fā) 板 上 有 數(shù) 碼 管 和 蜂 鳴 器 所 以 不 需 要 自己 焊 接 ， 超 聲 波 發(fā) 送 模 塊 和 超 聲 波 接 收 模 塊 自 己 找 資 料 ， 設(shè) 計 出 可 行 的 電 路 圖 ， 購 買元 器 件 ， 進(jìn) 行 焊 接 和 測 試 。第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計10第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 硬件的總體設(shè)計圖 31 超聲波倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計結(jié)構(gòu)從 圖 31 中 可 以 看 出 超 聲 波 倒 車 雷 達(dá) 的 設(shè) 計 被 劃 分 為 了 幾 個 小 塊 ， 超 聲 波 的 發(fā) 射模 塊 是 負(fù) 責(zé) 發(fā) 射 出 超 聲 波 的 ， 超 聲 波 接 收 模 塊 是 負(fù) 責(zé) 接 收 超 聲 波 的 ， 接 收 到 的 回 波 強度 有 所 衰 減 ， 需 要 進(jìn) 行 放 大 和 比 較 后 才 能 被 CPLD 核 心 板 識 別 ， 顯 示 模 塊 是 用 來 顯 示 出計 算 出 來 的 距 離 的 ， CPLD 核 心 部 分 是 用 來 進(jìn) 行 控 制 的 。 本章 還 介 紹 了 設(shè) 計 所 用 到 的 開 發(fā) 板 的 型 號 ， 開 發(fā) 板 的 具 體 配 置 ， 以 及 一 些 優(yōu) 點 。電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書9 本章小結(jié)本 章 介 紹 了 CPLD 是 什 么 ， CPLD 和 FPGA 的 區(qū) 別 和 特 點 。 我 們 將 該 板 的 插 槽 與 核 心 板 的 插 槽連 接 起 來 ， 就 做 好 了 電 路 的 控 制 部 分 和 顯 示 ， 報 警 模 塊 的 硬 件 部 分 的 設(shè) 計 ， 下 面 只 需要 焊 接 一 個 超 聲 波 的 發(fā) 射 和 接 收 板 就