【正文】 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，與媒質中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關。 1883年 Galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。 20世紀初，電子學的發(fā)展使人們能利用某些材料的壓電效應和磁致伸縮效應制成各種機電換能器。隨著軍事和國民經(jīng)濟各部門中超聲應用的不斷發(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年召開的第一次國際醫(yī)學超聲波學術會議上，才有了超聲治療方面的論文交流，為超聲治療學的發(fā)展奠定了基礎。1956年第二屆國際超聲醫(yī)學學術會議上已有許多論文發(fā)表，超聲治療進入了實用成熟階 畢業(yè)設計 第 6 頁 段。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，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、電子通信和成像技術等方面。 超聲波的應用 由于超聲波在物理化學方面的獨特特性，所以超聲波在許多方面都有廣泛的應用。 超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法，當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物的實際距離。 超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內部形象的技術，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，所得電信號輸入放大器， 畢業(yè)設計 第 7 頁 利 用掃描系統(tǒng)可把不透明試樣的形象顯示在熒光屏上。超聲成像技術已在醫(yī)療檢查方面獲得普遍應用，在微電子器件制造業(yè)中用來對大規(guī)模集成電路進行檢查，在材料科學中用來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 用 利用超聲的機械效應、溫熱效應、理化效應，可進行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進化學反應和進行生物學研究等，在工礦業(yè)、農業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應用。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，焊接強度高、密封性好的優(yōu)點；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點在于快速、節(jié)能、熔合強度高、導電性好、無火花、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、加速度作用及直進流作用對液體和污物直接、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，對工件表面無損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等諸多優(yōu)點。 超聲波技術在醫(yī)療方面的獨特療效已得到醫(yī)學界的普遍認可，并越來越被臨床重視和采用。超聲波的機械作用可軟化組織，增強滲透，提高代謝，促進血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細胞功能，因此具有超聲波獨特的治療意義。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結締組織為顯著，脂肪與血液為最少。 (3) 在基礎研究方面的應用 超聲學是研究超聲的科學，它是聲學的一個重要分支。機械運動是最簡單、也最普通的物質運動，它和其他形式的物質運動以及 物質結構之間的關系非常密切。 20 世紀 40 年代起，人們在研究媒質中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關系時，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過程（如分子的內、外自由度之間能量轉換的熱弛豫，分子結構狀態(tài)變化的結構弛豫等過程）及微觀諧振過程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關系，通過物質對超聲的吸收規(guī)律可探索物質的特性和結構，這些方面的研究構成了分子聲學這一聲學分支。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點陣振動的相互關系及點陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導體中聲子與電子、聲子與超導結、聲子與光子的相互作用等。與之有關的一門新分支學科──量子聲學也正在形成。它不斷借鑒電子學、超聲學材料科學、光學、固體物理等其他學科的內容，而使自己更加豐富。但是，超聲學仍是一門年輕的學科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲波應用的機理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都已表明了超聲學是在不斷地向前發(fā)展著。相位檢測法檢測 精度高 ， 但是檢測距離有限，達不到本課題 設計的要求。 而 渡越時間法工作原理簡單，電路容易實現(xiàn)。另一方 便面超聲波的最大檢測距離與傳感器的發(fā)射功率和電路的放大倍數(shù)有關， 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，檢測距離就越遠。此外超 聲波在空氣中的傳播速度與溫度有很大關系，因此需對其進行溫度補償， 而溫度補償在軟件 和硬件上也很容易實現(xiàn)。具體測距原理闡述如下。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 最常用的超聲測 距的方法是回聲探測法 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，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，超聲波接收器收到反射回的超聲波就立即停止計時。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V與溫度有關。如果對測距精度要求很高，則應通過溫度補償?shù)姆椒▽y量結果加 以數(shù)值校正。這就是超聲波測距儀的基本原理。 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 (23) 式中 :v— 超聲波在介質中的傳播速度； t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。 系統(tǒng)整體設計框圖 本設計以 AT89C51 單片機為核心， 通過掃描按鍵的狀態(tài)，由 聲波 換能器 TCT4016TR1 畢業(yè)設計 第 11 頁 發(fā)出 40KHz 的超聲波方波信號， 有定時器 T0產(chǎn)生方波驅動信號，同時，啟動計數(shù)器 T1，用來計數(shù)，也就是測 算方波發(fā)射到接收所需要的時間。 整個系統(tǒng)結構框圖如圖 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，測距越 短，而分辨力越高。 本設計采用 40KHZ的探頭 TCT4016TR1 （ 2） 靈敏度 靈敏度的單位是分貝 (dB)，數(shù)值為負，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 AT89C51 電源電路 鍵盤電路 復位電路 報警電路 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)設計 第 12 頁 石英晶片為例，當溫度達至 +290C? 時靈敏度可降低 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? ? ? ? 溫度范圍內可以長期工作。 TCT4016T/R的性能指標如下表所示： 型號 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 單片機的選擇 單片機是系統(tǒng)軟件的載體，是控制系統(tǒng)的核心。選擇好的單片機不僅關系到系統(tǒng) 的精度、穩(wěn)定性，而且還有利于減少系統(tǒng)成本。 本設計由于超聲波采用 軟件驅動 ，僅需要一個 定時器，一個 計數(shù)器 ，常用的 51系列單片機滿足需要。 畢業(yè)設計 第 13 頁 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。超聲波的接收信號選用 CX20216 芯片 處理。 單片機外圍電路設計 單片機外圍電路主要有鍵盤電路、電源電路、復位電路、時鐘電路、串口電路，對于本設計來說，鍵盤電路相當于倒車擋，主要控制單片機執(zhí)行指令的狀態(tài)，時鐘電路、電源電路、復位電路構成單片機的最小系統(tǒng)。另外，為了更便于觀測本設計調試中的現(xiàn) 象，用三個發(fā)光二級管來觀察調試結果，以本設計的程序來說明，當大于 2m時是安全距離，綠燈亮，當在 到 2m之間時，黃燈亮， 當在 1m到 之間時，危險距離，開繼電器，紅燈亮，啟動報警電路。 本設計采用軟件產(chǎn)生，由定時器 T0 產(chǎn)生 40KHz的方波信號。 本 具體電路如圖 5 所示。 圖 6 為 CX20216A 內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，它們是負反饋串聯(lián)網(wǎng)絡的一個組成部分，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 的改變會影響到頻率特性，一般在實際使用中不必改動，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，瞬間相應靈敏度低；若容量小，則為峰值檢波，瞬間相應靈敏度高，但檢波輸出的脈沖寬度變動大，易造成誤動作，推薦參數(shù)為 f。 5 腳：為帶通濾波器調整端。例如，取 R=200kΩ時， 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積分電容，標準值為 330pF，如果該電容取得太大，會使探測距離變短。 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的超聲波信號后，會轉換為電信號，此時的信號比較弱，需要放大整形等一系列處理才能輸入單片機完成相應的信息處理 。發(fā)射電路發(fā)出的脈沖信號，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，接收電路接收后送到CX20216A 的 1 腳，為信號的輸入端，經(jīng)過前置放大器的放大，限幅放大器的放大，由于其有自動增益控制功能，可以保證超聲傳感器接收較遠反射信號輸出微弱電壓時，放大器具有較高的增益，而在近距離輸入信號強時放大器不會過載，其帶通濾波器中心頻率可由芯片 5 腳的外接電阻調節(jié)，取 200 kΩ ，控制在 38 kHz。 CX20216A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強的抗干擾能力，可以滿足超聲波接收電路的要求。 具體電路如圖 8所示。最簡單的顯示器可以使 LED 發(fā)光二極管，給出一個簡單的開關量信息，而復雜的較完整的顯示器應該是 CRT 監(jiān)視器或 者屏幕較大的 LCD 液晶屏。因為需要顯示的距離在 10m 以內，并且 只 需要精確到 cm,故采用 3 個 LED 數(shù)碼管顯示距離數(shù)值。所謂靜態(tài)顯示驅動，就是給要點亮的 LED通以恒定的電流，即每一位 LED 顯示器各引腳都要占用單獨的具有鎖存功能的 I/O接口，單片機只需要把要顯示數(shù)字的段碼發(fā)送到接口電路并保持不變即可。因此， 使用這種方法單片機中 CPU開銷小，但這種驅動方法需要寄存器、譯碼器等硬件設備。而動態(tài)顯示驅動就是給欲點亮的 LED通以脈沖電流，即采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 COM 端，使各 畢業(yè)設計 第 18 頁 個顯示器輪流點亮，這時 LED 的亮度就是通斷的平均亮度。 LED 數(shù)碼管采用共陰極接法，數(shù)字的段碼由譯碼器 CD4511 控制，數(shù)字的位碼由 74LS138 控制。 圖 9 報警電路設計 考慮到本設計的實際需求，系統(tǒng)只 需提供簡單的嘀嘀聲作為報警信號即可。 畢業(yè)設計 第 19 頁 圖 10 程序流程設計 主程序實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，主程序的編寫是在各個子程序的基礎上實現(xiàn)的。主程序開始時，要對系統(tǒng)進行初始化，初始化包括 I/O 端口的初始化、中斷的初始化、定時器的初始化等等。由單片機 端口輸出 40KHz 的脈沖信號，由 TC4069 驅 動超聲波換能器發(fā)射 40KHZ 的超聲波，同時定時器 T1 開始計時。單片機開始 轉入計算子 距離。主程序的工作流程圖如圖 11。 //位表 uchar char code dispbit []={0x0f,0x1f,0x2f,0x3f,0x4f,0x5f,0x6f,0x7f,0x8f,0x9f}。 sbit JDQ=P1^4。 sbit led2=P1^1。 sbit