【正文】 。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 基本發(fā)展史及原理 超聲波發(fā)展簡(jiǎn)史 意大利科學(xué)家斯帕拉捷習(xí)慣晚飯后到附近的街道上散步 。這個(gè)現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？為了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列試驗(yàn)。只有當(dāng)耳朵被堵住時(shí)，蝙蝠就不能分辨障礙物。后來(lái)人們繼續(xù)研究，終于弄清了其中的奧秘。蝙蝠用耳朵接受到這種“超聲波”，就能迅速做出判斷，靈巧的 自由飛翔，捕捉食物。真正超聲波的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。 1883年 Galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過(guò)狹縫噴嘴形成氣流，吹動(dòng)圓形刀口振動(dòng)形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。 20世紀(jì)初，電子學(xué)的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應(yīng)和 磁致伸縮效應(yīng)制成各種機(jī)電換能器。隨著軍事和國(guó)民經(jīng)濟(jì)各部門中超聲應(yīng)用的不斷發(fā)展，又出現(xiàn)更大超聲功率的磁致伸縮換能器，以及各種不同用途的電動(dòng)型、電磁力型、靜電型等多種超聲換能器。 40年代末期超聲波治療在歐美興起，直到 1949年召開(kāi)的第一次國(guó)際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會(huì)議上，才有了超聲治療方面的 論文交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。1956年第二屆國(guó)際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進(jìn)入了實(shí)用成熟階 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 段。產(chǎn)生和檢測(cè)超聲波的頻率，也由幾十千赫提高到上千兆赫。如頻率為幾十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷達(dá)、電子通信和成像技術(shù)等方面。 超聲波的應(yīng)用 由于超聲波在物理化學(xué)方面的獨(dú)特特性，所以超聲波在許多方面都有廣泛的應(yīng)用。 超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時(shí)，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來(lái)檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時(shí)就分別發(fā)生反射波來(lái)，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來(lái)判斷缺陷位置和大小。 超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知 ，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。 超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)聲透鏡聚焦在不透明試樣上，從試樣透出的超聲波攜帶了被照部位的信息（如對(duì)聲波的反射、吸收和散射的能力），經(jīng)聲透鏡匯聚在壓電接收器上，所得電信號(hào)輸入放大器， 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 利用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。超聲成像技術(shù)已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應(yīng)用，在微電子器件制造業(yè)中用來(lái)對(duì)大規(guī)模集成電路進(jìn)行檢查，在材料科學(xué)中用來(lái)顯示合金中不同組分的區(qū)域和晶粒間界等。 (2) 在超聲處理方面的應(yīng)用 利用超聲的機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、理化效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊 接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、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)部門獲得了廣泛應(yīng)用。超聲波焊接主要分超聲波塑料焊接和超聲波金屬焊接，超聲波塑料焊接具有焊接速度快，焊接強(qiáng)度高、密封性好的優(yōu)點(diǎn)；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無(wú)火花、接近冷態(tài)加工。 超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對(duì)液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。超聲波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清潔度高，不須人手接觸清洗液，安全可靠，對(duì)工件表面無(wú)損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場(chǎng)地和人工等諸多優(yōu)點(diǎn)。 超聲波技術(shù)在醫(yī)療方面的獨(dú)特療效已得到醫(yī)學(xué)界的普遍認(rèn)可，并越來(lái)越被臨床重視和采用。超聲波的機(jī)械作用可軟化組織，增強(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨(dú)特的治療意義。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織 為顯著，脂肪與血液為最少。 (3) 在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用 超聲學(xué)是研究超聲的科學(xué)，它是聲學(xué)的一個(gè)重要分支。機(jī)械運(yùn)動(dòng)是最簡(jiǎn)單、也最普通的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)，它和其他形式的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。 20 世紀(jì) 40 年代起，人們?cè)谘芯棵劫|(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時(shí)，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過(guò)程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過(guò)程）及微觀諧振過(guò)程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，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)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。通過(guò)對(duì)甚高頻超聲聲速和衰減的測(cè)定，可以了解聲波與點(diǎn)陣振動(dòng)的相互關(guān)系及點(diǎn)陣振動(dòng)各模式之間的耦合情況，還可以用來(lái)研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。與之有關(guān)的一門新分支學(xué)科──量子聲學(xué)也正在形成。它不斷借鑒電子學(xué)、超 聲學(xué)材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問(wèn)題，對(duì)許多超聲波應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實(shí)踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問(wèn)題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學(xué)是在不斷地向前發(fā)展著。相位檢測(cè)法檢測(cè)精度高 ， 但是檢測(cè)距離有限，達(dá)不到本課題 設(shè)計(jì)的要求。 而 渡越時(shí)間法工作原理簡(jiǎn)單，電路容易實(shí)現(xiàn)。另一方 便面超聲波的最大檢測(cè)距離與傳感器的發(fā)射功率和電路的放大倍數(shù)有關(guān)， 發(fā)射功率越大，電路的放大倍數(shù)越大，接收電路的靈敏度越好，檢測(cè)距離就越遠(yuǎn)。此外 超 聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關(guān)系，因此需對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償， 而溫度補(bǔ)償在軟件 和硬件上也很容易實(shí)現(xiàn)。具體測(cè)距原理闡述如下。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，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： s=340t/2 最常用的超聲測(cè)距的方法是回聲探測(cè)法 ， 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)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來(lái)，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計(jì)時(shí)。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V與溫度有關(guān)。如果對(duì)測(cè)距精度要求很高，則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)測(cè)量結(jié)果加以數(shù)值校正。這就是超聲波測(cè)距儀的基本原理。 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 (23) 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度； t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)為核心， 通過(guò)掃描按鍵的狀態(tài)，由 聲波 換能器 TCT4016TR1 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 發(fā)出 40KHz的超聲波方波信號(hào)， 有定時(shí)器 T0 產(chǎn)生方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)，啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T1，用來(lái)計(jì)數(shù)，也就是測(cè)算方波發(fā)射到接收所需要的時(shí)間。 整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2所示： 圖 2 系統(tǒng)框圖 硬件選型 超聲波探頭的中心頻率及主要參數(shù) 一、主要參數(shù) （ 1） 中心頻率 中心頻率，即壓電晶片的諧振頻率。中心頻率最高，測(cè)距越 短，而分辨力越高。 本設(shè)計(jì)采用 40KHZ的探頭 TCT4016TR1 （ 2） 靈敏度 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數(shù)值為負(fù)，它主要取決于晶片材料及制造工藝。一般為幾度至幾十度。以單片機(jī) AT89C51 電源電路 鍵盤電路 復(fù)位電路 報(bào)警電路 超聲波發(fā)射電路 數(shù)碼管顯示電路 超聲波接收電路 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè) 石英晶片為例，當(dāng) 溫度達(dá)至 +290C? 時(shí)靈敏度可降低 6％。供診斷用的超聲波傳感器的功率較小，工作溫度不高， 在20 70CC? ? ? ?溫度范圍內(nèi)可以長(zhǎng)期工作。 TCT4016T/R的性能指標(biāo)如下表所示： 型號(hào) T4016T T4016R 功能 發(fā)射 接收 中心頻率 40khz（ %誤差） 40khz（ %） 聲壓 114dBmin 靈敏度 68dBmin 電容 2500pf（ 20%） 2500pf（ 20%） 最大電壓 20v 20v 指向性 60 （ 25%） 60 （ 25%） 工作溫度 零下 20 至 70 零下 20 至 70 表 1 TCT4016T/R的指向特性如圖 3所示： 圖 3 單片機(jī)的選擇 單片機(jī)是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。選擇好的單片機(jī)不僅關(guān)系到系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。 本設(shè)計(jì)由于超聲波采用 軟件驅(qū)動(dòng) ，僅需要一個(gè) 定時(shí)器，一個(gè) 計(jì)數(shù)器 ，常用的 51系列單片機(jī)滿足需要。 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè) 其他元器件的選擇 顯示 部分是采用七段四位數(shù)碼管，選用共陰極接法， CD4511 控制段選碼， 74LS138控制位選信號(hào)。超聲波的接收信號(hào)選用 CX20226 芯片處理。 單片機(jī)外圍電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)外圍電路主要有鍵盤電路、電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、串口電路，對(duì)于本設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，鍵盤電路相當(dāng)于倒車擋，主要控制單片機(jī)執(zhí)行指令的狀態(tài)，時(shí)鐘電路、電源電路、復(fù)位電路構(gòu)成單片機(jī)的最小系統(tǒng)。另外，為了更便于觀測(cè)本設(shè)計(jì)調(diào)試中的現(xiàn)象，用三個(gè)發(fā)光二級(jí)管來(lái)觀察調(diào)試結(jié)果，以本設(shè)計(jì)的程序來(lái)說(shuō)明，當(dāng)大 于 2m 時(shí)是安全距離，綠燈亮，當(dāng)在 到 2m 之間時(shí)，黃燈亮， 當(dāng)在 1m 到 之間時(shí)，危險(xiǎn)距離，開(kāi)繼電器，紅燈亮，啟動(dòng)報(bào)警電路。 本設(shè)計(jì)采用軟件產(chǎn)生，由定時(shí)器 T0 產(chǎn)生 40KHz的方波信號(hào)。 本 具體電路如圖 5 所示。 圖 6 為 CX20226A 內(nèi)部電路原理框圖及引腳圖。該引腳和地之間連接 光電二極管，輸入阻抗約 40kΩ。該引腳與地之間連接 RC 串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，它們是負(fù)反饋串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)組成部分，改變它們的數(shù)值能改變前置放大器的增益和頻率特性。但 C1 的改變會(huì)影響到頻率特性，一般在實(shí)際使用中不必改動(dòng)，推 薦選用參數(shù)為 R1=， C1=1μ F。該引腳與地之間連接檢波電容，電容量大為平均值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應(yīng)靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動(dòng)大，易造成誤動(dòng)作，推薦參數(shù)為 f。 5 腳：為帶通濾波器調(diào)整端。例如，取 R=200kΩ時(shí)， f0≈ 42kHz，若取R=220kΩ，則芯片中心頻率 f0≈ 38kHz。該引腳與地之間接一個(gè)積分電 容，標(biāo)準(zhǔn)值為 330pF，如果該電容取得太大，會(huì)使探測(cè)距離變短。 8 腳：為電源端。 超聲波接收電路 超聲波換能器接收到反射回來(lái)的超聲波信號(hào)后，會(huì)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，此時(shí)的信號(hào)比較弱，需要放大整形等一系列處理才能輸入單片機(jī)完成相應(yīng)的信息處理。發(fā)射電路發(fā)出的脈沖信號(hào)，在碰到障礙物后，經(jīng)反射后的超聲波脈沖變成微弱的交流信號(hào)，接收電路接收后送到CX20226A 的 1 腳，為信號(hào)的輸入端，經(jīng)過(guò)前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自動(dòng)增益控制功能，可以保證超聲傳感器接收較遠(yuǎn)反射信號(hào)輸出微弱電壓時(shí)，放大器具有較高的增益，而在近距離輸入信號(hào)強(qiáng)時(shí)放大器不會(huì)過(guò)載，其