【正文】 載體，它已在工業(yè)檢測(cè)、海洋探查與開發(fā)、無損評(píng)價(jià)與檢測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷、地質(zhì)結(jié)構(gòu)探測(cè)及微電子學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著不可取代的獨(dú)特的作用。3 超聲波數(shù)字電子尺裝置的實(shí)現(xiàn)原理本設(shè)計(jì)構(gòu)思利用脈沖回波法測(cè)量距離的原理來設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距裝置。所以只要測(cè)定超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間t，那么超聲波從探頭發(fā)射到達(dá)反射面的時(shí)間就是t/2, 從超聲波探頭到反射面之間的距離S就可由下式計(jì)算：S=Ct/2 () 具體如下所示：超 聲 波探 頭 S t 超聲測(cè)距示意圖在上圖中：S — 超聲波探頭與反射面之間的距離。t — 超聲波從探頭發(fā)射到探頭接收到超聲波所用的時(shí)間。在任意情況下的一般氣體，即使在線性聲學(xué)條件下，其聲速表達(dá)式也頗為復(fù)雜，它與氣體的分子量，比熱和物態(tài)方程等多因素有關(guān)。計(jì)算不同溫度時(shí)空氣中的聲速可用下式： （）式中：C0= m/s ；T0= K所以波速在本設(shè)計(jì)中相當(dāng)于是已知的，所以只要測(cè)出傳輸?shù)臅r(shí)間就可以算出距離來。 超聲波 接 收門控電路施密特 整 形 信號(hào) 放大 40K振蕩頻率門控頻率超聲波發(fā) 射AT89C51信號(hào)整形 數(shù)碼顯示計(jì)數(shù)頻率、溫度補(bǔ)償 硬件電路方框圖本設(shè)計(jì)中用到三種頻率。二是門控信號(hào)頻率， 經(jīng)驗(yàn)設(shè)為2kHz。 即從Pl_3輸出時(shí)鐘脈沖的每一個(gè)周期，超聲發(fā)射器便發(fā)射出脈沖數(shù)為1O的脈沖串(1/40kHz=)。聲波在標(biāo)準(zhǔn)氣壓下15℃ 的傳播速度為34lm/s，341／=10kHz，N個(gè)周期所測(cè)的距離為N。 用單片機(jī)來控制發(fā)射電路的輸出頻率，產(chǎn)生40kHz的超聲波。因此發(fā)射脈沖的時(shí)間太長不行，否則會(huì)在這段時(shí)間內(nèi)不能接收；時(shí)間太短也不行，會(huì)使發(fā)射的超聲波能量不夠。本設(shè)計(jì)設(shè)定的發(fā)射時(shí)間為1ms，則可知其在1ms內(nèi)，超聲波走過的距離為：S== 　由于超聲波的傳播速度v受到空氣中溫度、濕度、壓強(qiáng)等因素的影響，其中受溫度的影響較大，如果溫度每升高l℃，／s。當(dāng)已知現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度為T時(shí)，用公式()即可確定超聲波的傳播速度v： v＝ 十 （）由式()可看出,溫度對(duì)聲速的影響較大,會(huì)帶來測(cè)量誤差。 超聲波的反射和折射 當(dāng)超聲波在兩種介質(zhì)之間傳播時(shí)，在它們的界面上，一部分能量反射回介質(zhì)，另一部分透射過界面，繼續(xù)傳播，均遵從反射定律和折射定律。聲波的衰減主要分為以下三種主要類型:吸收衰減、散射衰減和擴(kuò)散衰減。散射衰減是由于聲波在遇到媒質(zhì)界面時(shí)，向不同的方向產(chǎn)生散射，從而導(dǎo)致聲波減弱。 聲波的描述方程與電磁波是類似的: A(t)=A(x)cos(wt+kx) ()上式中，A(x)為振幅,ω為傳播角頻率,t為傳播時(shí)間,x為傳播距離,k=2π/λ為波數(shù)，λ為聲波波長。聲學(xué)理論證明，吸收衰減和散射衰減都遵從指數(shù)衰減規(guī)律。為衰減系數(shù)。在空氣中=21013S2/cm當(dāng)振動(dòng)的聲波頻率f=40KHz時(shí)，可得=，即1/=。而且，頻率越高，衰減系數(shù)越大，傳播的距離也越短。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。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同，因而用途也各不相同。 超聲波換能器的工作機(jī)理超聲波換能器，即壓電式傳感器，它是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)制作的傳感器。本文所研究的超聲測(cè)距換能器實(shí)際上是一種極近距離內(nèi)的雷達(dá)，其工作機(jī)理是依據(jù)壓電材料的正逆壓電效應(yīng)。發(fā)射的超聲波遇到探測(cè)物返回到換能器上，接收時(shí)，利用正壓電效應(yīng)把來自探測(cè)物的聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的輸出。是一個(gè)超聲換能器，具有重量輕、體積小、能量大的特點(diǎn) 。以使前后金屬蓋板或殼體與同—極性的電極相連。兩芯片之間，芯片與金屬蓋板之間通常夾以薄黃銅片()，作為焊接電極引線用，芯片，電極銅片用強(qiáng)力膠(例如環(huán)氧樹脂)膠合。在電—聲變換部分的前面的超聲波束整形板，是對(duì)應(yīng)圓錐狀諧振子的振動(dòng)模式設(shè)置的幾個(gè)開口,使超聲波波束指向尖銳，吸聲片吸收多余反射聲波。外引線底座內(nèi)引線結(jié)合軸吸聲片減振器壓電組件錐狀諧振子波速整形板 超聲換能器結(jié)構(gòu)原理圖 超聲波換能器的類型經(jīng)過調(diào)研得出：市場(chǎng)上常見超聲波傳感器可分為通用型、寬頻帶型、密封型、高頻型四種。通用型接收傳感器與發(fā)送傳感器是分開使用的，如MA40A3R、MA40A3S。寬帶傳感器具有兩個(gè)諧振頻率，其頻率特性就相當(dāng)于兩種傳感器的組合。c）密封型傳感器：用于室外，耐風(fēng)雨性能好，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性較強(qiáng)，可用于汽車后方檢測(cè)物體的裝置，如MA40E1R、MA40E1S。如MA200AI，中心頻率高達(dá)200kHz，其方向性強(qiáng)，可進(jìn)行高分辨率測(cè)量。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)MA40LIR型的小型傳感器件，分別承擔(dān)發(fā)射和接收功能，可以滿足本設(shè)計(jì)的要求。本設(shè)計(jì)中是用單片機(jī)來控制發(fā)射電路的輸出頻率，產(chǎn)生40kHz的超聲波，而單片機(jī)產(chǎn)生的超聲波不能一直發(fā)射，一次只發(fā)射10個(gè)脈沖串，因?yàn)橐R(shí)別接收回來的超聲波信號(hào)，就必須在接收時(shí)保證探頭此時(shí)不在發(fā)射狀態(tài)，而是處在等待狀態(tài)。所以必須控制超聲波的發(fā)射周期，使其隔一段時(shí)間發(fā)射一次。門控電路由RS觸發(fā)器完成，RS觸發(fā)器用CD4013中的一個(gè)D觸發(fā)器完成。當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位時(shí)，非門CD4069的3腳為高電平，于是其2腳輸出為高電平。由于平時(shí)非門的3腳由下拉電阻R3將其3腳的電位拉為低電平，經(jīng)過兩級(jí)非門后輸入與非門另外一端子的信號(hào)仍為低電平，這時(shí)40kHz的超聲波振蕩信號(hào)無法通過與非門使超聲波發(fā)生器LABAL起振，設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)。此門控(閘門)脈沖信號(hào)窄了會(huì)降低測(cè)量精度，寬了會(huì)增加測(cè)量延遲時(shí)間，同樣也會(huì)降低測(cè)量精度，所以設(shè)計(jì)時(shí)將此門控（閥門）信號(hào)設(shè)計(jì)成4kHz。這里采用壓控電壓源型的帶通濾波器，把中心頻率定為超聲波的發(fā)射頻率40kHz，這樣其他頻率的波就不會(huì)通過,探頭接收到的波形就比較理想。一個(gè)優(yōu)良的濾波器，d與Ａ０相比,應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于3dB，即d ⑵截止頻率 幅頻特性值等于所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率，記作 。 ⑷品質(zhì)因數(shù) 值 帶通濾波器中心頻率 與帶寬 之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，又稱 值，即 Q = ()值越高，濾波器的頻率選擇性越好。s 故取R1=R2=R3= ，C1=C2= Q值被稱為品質(zhì)因數(shù)。再將所求得的這些參數(shù)代入式（）可得Kp=2Kf=8。 濾波效果對(duì)照表頻率20kHz30kHz35kHz38kHz40kHz42kHz45kHz50kHz60kHz放大倍數(shù)147821 接收放大電路 放大電路器件的選擇及功能介紹由于超聲波在傳輸過程中要逐漸衰減，播的距離越長，衰減的越厲害。超聲接收探頭接收到由發(fā)射端發(fā)射出的40KHz的脈沖信號(hào)實(shí)際在傳輸過程中已經(jīng)發(fā)生了大幅度的衰減，所以接受端接收到的脈沖信號(hào)經(jīng)過濾波器過濾之后都要進(jìn)行放大，從而到達(dá)到波形轉(zhuǎn)換電路所設(shè)定的閾值電壓，經(jīng)過整形電路的整形之后才能傳輸?shù)介T控電路之中，使門控電路識(shí)別到經(jīng)過轉(zhuǎn)換得到的矩形脈沖信號(hào)，從而最終象單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)，使單片機(jī)控制外圍發(fā)射電路停止發(fā)送脈沖，達(dá)到較為準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)效果。放大器后面的波形轉(zhuǎn)換電路設(shè)定的閾值為4V，所以為了保證有用信號(hào)均能被波形轉(zhuǎn)換電路識(shí)別，可以得出放大器的最小增益為4000/10=400倍。LM741功能介紹：可在+5+8V范圍內(nèi)選用具有很高的輸入共模、差模電壓；內(nèi)含頻率補(bǔ)償和過載、短路保護(hù)電路；可通過外接電位器進(jìn)行調(diào)零特點(diǎn)：高輸入阻抗，很小的輸入電流和電源電流，低噪聲，內(nèi)部設(shè)失調(diào)電壓調(diào)節(jié)，具有較寬的通頻帶。主要參數(shù)：電源電壓極限：差模輸入電壓極限：共模輸入電壓極限：開環(huán)電壓增益：（在VO=，RL=2kΩ條件下）15電源電流：?jiǎn)挝辉鲆鎺挿e：4MHz輸入電阻：1012Ω 共模抑制比：100Db LM741 集成運(yùn)放的外引線圖，各引腳功能如下： LM741 引腳及外引線圖 2— 反相輸入端 3同相輸入端 7— 電源電壓正端4— 電源電壓負(fù)端 6— 輸出端 5— 調(diào)零端 放大電路的參數(shù)設(shè)計(jì)放大電路設(shè)計(jì)過程為：由于要放大的倍數(shù)為400倍，所以采用兩級(jí)放大，并且采用了同相輸入法。電壓放大倍數(shù)的公式為：AF=1+