远距离超声测距研究大功率气介超声波发生器驱动电路
目录
1 绪论 1
1.1超声波简介 1
1.2超声波的产生 1
1.3 超声波驱动电路发展趋势 2
1.4 课题的研究背景及研究意义 3
1.5 课题的主要研究任务 4
2 超声换能器电路设计 4
2.1 振子 5
2.2 前后金属盖板 5
2.3 驱动电路 6
2.4 电路的工作原理 7
3 大功率超声波功率放大电路的设计 8
3.1 基本设计思路 8
3.2 放大器件的选择 9
3.3 放大电路形式确定 9
3.4 主电路设计 9
4 超声波接收电路 11
5 单片机系统 12
5.1 SCT89C51控制器单元 13
5.2 单片机外围电路 13
5.3 显示电路 14
5.4 软件设计 15
结论 17
致谢 18
参考文献 19
附录 20
1 绪论
1.1超声波简介
众所周知，所有的声音都是通过物体的振动产生的。专家们把物体一秒产生振动的次数叫作它发声的频率，并用赫兹来作为它的单位。频率为二十到两千赫兹的声波能被我们人耳所听见，但对于那些频率大于两千赫兹或者小于二十赫兹的声波，我们就不能听见了。所以，我们把频率高于两千赫兹的声波称为"超声波”。医疗诊断超声频率通常是1到5兆赫兹的。超声波传播时方向很稳定，而且它的渗透性还有它采集声能比较集中的声音能力都特别好，而且在水中传播的距离非常远[1]。可以用在检测速度、检测距离 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
、超声清洗、超声焊接、超声碎石及超声消毒等各个方面。而且有许多应用在医学、工业、军事和农业的。
经研究表明，当物体振幅不变时，这个物体振动的能量和它的振动频率是成正比关系的。当超声波在介质中传播时，粒子具有很高的振动频率，因此产生的能量是特别大的。冬天在干燥的地区，我们通常把超声波通入水槽里，剧烈的振动会把槽里的水震成很多粉碎的小水滴，只须要再通过小电扇将水滴吹到屋内，就能够提高屋内空气里面的湿度了，超声波加湿器的工作用的就是这个原理。再比如咽喉炎、气管炎这些症状，很难通过血液流通使药物到达患处，而采用加湿器的原理，将药也碎成小雾滴，再让病人吸收，就可以提高药效。除此之外，合理的使用超声波强大的能量还能够让人身体里面的结石做激烈的振动而碎裂，来缓解痛苦，从而真正治愈。超声波在医学方面的应用十分广泛，还可以对物品进行消毒杀菌。
另一类应用则是利用超声波的机械能使介质通过高频振荡摩擦来改变介质的一些特性，比如超声清洗、超声雾化等，通常被称作功率超声。
1.2超声波的产生
超声波是由超声波换能器产生的。超声波换能器可以把电信号转变为超声波信号，这是一种能量转换装置。换能器根据它使用的材料不同，相应的种类也有很多，常用的超声波换能器有压电陶瓷式，磁致伸缩式等。压电陶瓷式是当下应用最多的一类超声波换能器，也是超声波换能器研究的重点类型。压电陶瓷换能器是凭借压电陶瓷的压电效应和它的逆压电效应从而实现能量的转变的。
压电陶瓷材料的特性表现为压电效应和逆压电效应。压电效应是当对它材料的一个方向施加一个外力的时候，在材料的表面则会形成反极性并且大小与所加外力成正比的感应电荷，这一现象我们称作压电材料的压电效应[2]。逆压电效应则和正压电效应是完全相反的，在压电材料外施加一电场时，因为内部电极分布的变化，所以在某一方向上会产生一个与外加电场的强度成正比的机械形变，这一现象称为逆压电效应。
正是因为压电材料的这一个特性，检测超声技术才得以蓬勃发展。人们利用电路产生特定频率信号驱动超声波换能器，当这一电信号频率接近超声波换能器串联谐振频率时，便可产生超声波。当电信号频率与串联谐振频率相同时，超声波换能器产生的超声波得到较大的电功率输出。超声波驱动电路是基于该理论设计频率信号的。
1.3 超声波驱动电路发展趋势
超声技术在多年的理论探究和应用实践之后，设备和工艺都获得了突飞猛进的发展。超声换能器对发生器来说，我们能等效的视作阻容感变量负载，经过实际应用的发展，负载强度的改变还有实际环境的改变，与之类似的阻容感全部都因为这些外部因素的不同而发生变化，使超声设备的最大输出功率以及它的机械共振频率都发生了变化。所以作为超声设备的核心部分，优良的控制系统是超声发生器所必要的部分，这样才能保证换能器的工作始终保持最高的效率。
结合超声换能器的特点与超声设备工作时的特征，换能器需要以下功能：
l、匹配电路要优秀。这样才能保证发生器提供充足的电功率给换能器，提高电功率转换为声能的效率。
2、频率自适应功能。由于换能器本身的振荡频率会因为负载发生变化，对温度增高和别的因素干扰都比较敏感，这些因素的改变会导致换能器的振荡频率产生变化，从而致使系统振幅减小，振动失谐。
3、功率自适应功能。在电路工作的时候，如果希望输出功率可以随负载的改变来自动发生改变，具有稳定输出电压的发生器会成为成为一个更理想的状态，在空载时有最小输出，当负载增加时输出的功率也会相应增加。这能给超声设备提供一个很好的帮助，我们可以将超声波换能器的负载特性拿来解析，以采用最恰当的振荡频率点来完成。除此之外斩波电路也是很好的选择，对于输入至逆变电路中的电压我们可以通过改变开关管的占空比来调节，负载变大占空比也变大，还能使输出功率不变，当发生故障时还可将开关管关闭。
超声发生器的发展有如下趋势：
1、强化对超声测距和焊接等应用对象数学模型的开发，来成为设计闭环控制方案的理论依据。
2、增强对闭环控制的研究，联合当代的控制理论，采用自适应模糊控制，自寻最优控制等方案，来使控制方式更便捷，更有效，也让发生器的稳定性、可靠性以及自动化的程度大大提高。
3、使用现代的工具手段，开发通过单片机、DSP作为中心控制的频率自动跟踪系统。
1.4 课题的研究背景及研究意义
本课题最主要的任务，就是设计一个大功率的超声波驱动电路，同也要排除以前放大电路的输出功率与效率低下这些问题，从而提高超声波的真正使用率,也要给换能器提供能量。因为超声波测距方式是属于非接触式的，所以不会被光线以及所测量的对象有不同颜色这些问题的干扰，与别的仪器相比它更卫生，它可以处理灰尘、潮湿、高温等恶劣环境，还具备少维修、无污染、可靠性高、寿命长等这些优点。所以可以广泛应用在造纸业、矿工业、电厂、化工业、水处理厂、环保检测、空间定位、公路限高等各个行业中。可以在不同环境里在线标定距离的精确度，也能用来检测水、酒、糖、饮料的水位，能够自己定差值，把多种液位罐的水位与料位显示出来。所以，超声波在特别氛围的空气中检测距离应用的更广泛[3]。使用超声检测有快速、方便、计算简单、易于实时控制这些优点，而且在测量的精确度上可以达到工业实用的指标，如果希望移动机器人让它能自己躲避障碍物移动，就需要安装测距系统，来让它可以及时获得障碍物的定位信息。超声波测距也正因如此广泛应用在了移动机器人上。也正是因为超声波测距系统的这些优点，才会再次广泛应用在远距离超声测距的研究方面。
1 绪论 1
1.1超声波简介 1
1.2超声波的产生 1
1.3 超声波驱动电路发展趋势 2
1.4 课题的研究背景及研究意义 3
1.5 课题的主要研究任务 4
2 超声换能器电路设计 4
2.1 振子 5
2.2 前后金属盖板 5
2.3 驱动电路 6
2.4 电路的工作原理 7
3 大功率超声波功率放大电路的设计 8
3.1 基本设计思路 8
3.2 放大器件的选择 9
3.3 放大电路形式确定 9
3.4 主电路设计 9
4 超声波接收电路 11
5 单片机系统 12
5.1 SCT89C51控制器单元 13
5.2 单片机外围电路 13
5.3 显示电路 14
5.4 软件设计 15
结论 17
致谢 18
参考文献 19
附录 20
1 绪论
1.1超声波简介
众所周知，所有的声音都是通过物体的振动产生的。专家们把物体一秒产生振动的次数叫作它发声的频率，并用赫兹来作为它的单位。频率为二十到两千赫兹的声波能被我们人耳所听见，但对于那些频率大于两千赫兹或者小于二十赫兹的声波，我们就不能听见了。所以，我们把频率高于两千赫兹的声波称为"超声波”。医疗诊断超声频率通常是1到5兆赫兹的。超声波传播时方向很稳定，而且它的渗透性还有它采集声能比较集中的声音能力都特别好，而且在水中传播的距离非常远[1]。可以用在检测速度、检测距离 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
、超声清洗、超声焊接、超声碎石及超声消毒等各个方面。而且有许多应用在医学、工业、军事和农业的。
经研究表明，当物体振幅不变时，这个物体振动的能量和它的振动频率是成正比关系的。当超声波在介质中传播时，粒子具有很高的振动频率，因此产生的能量是特别大的。冬天在干燥的地区，我们通常把超声波通入水槽里，剧烈的振动会把槽里的水震成很多粉碎的小水滴，只须要再通过小电扇将水滴吹到屋内，就能够提高屋内空气里面的湿度了，超声波加湿器的工作用的就是这个原理。再比如咽喉炎、气管炎这些症状，很难通过血液流通使药物到达患处，而采用加湿器的原理，将药也碎成小雾滴，再让病人吸收，就可以提高药效。除此之外，合理的使用超声波强大的能量还能够让人身体里面的结石做激烈的振动而碎裂，来缓解痛苦，从而真正治愈。超声波在医学方面的应用十分广泛，还可以对物品进行消毒杀菌。
另一类应用则是利用超声波的机械能使介质通过高频振荡摩擦来改变介质的一些特性，比如超声清洗、超声雾化等，通常被称作功率超声。
1.2超声波的产生
超声波是由超声波换能器产生的。超声波换能器可以把电信号转变为超声波信号，这是一种能量转换装置。换能器根据它使用的材料不同，相应的种类也有很多，常用的超声波换能器有压电陶瓷式，磁致伸缩式等。压电陶瓷式是当下应用最多的一类超声波换能器，也是超声波换能器研究的重点类型。压电陶瓷换能器是凭借压电陶瓷的压电效应和它的逆压电效应从而实现能量的转变的。
压电陶瓷材料的特性表现为压电效应和逆压电效应。压电效应是当对它材料的一个方向施加一个外力的时候，在材料的表面则会形成反极性并且大小与所加外力成正比的感应电荷，这一现象我们称作压电材料的压电效应[2]。逆压电效应则和正压电效应是完全相反的，在压电材料外施加一电场时，因为内部电极分布的变化，所以在某一方向上会产生一个与外加电场的强度成正比的机械形变，这一现象称为逆压电效应。
正是因为压电材料的这一个特性，检测超声技术才得以蓬勃发展。人们利用电路产生特定频率信号驱动超声波换能器，当这一电信号频率接近超声波换能器串联谐振频率时，便可产生超声波。当电信号频率与串联谐振频率相同时，超声波换能器产生的超声波得到较大的电功率输出。超声波驱动电路是基于该理论设计频率信号的。
1.3 超声波驱动电路发展趋势
超声技术在多年的理论探究和应用实践之后，设备和工艺都获得了突飞猛进的发展。超声换能器对发生器来说，我们能等效的视作阻容感变量负载，经过实际应用的发展，负载强度的改变还有实际环境的改变，与之类似的阻容感全部都因为这些外部因素的不同而发生变化，使超声设备的最大输出功率以及它的机械共振频率都发生了变化。所以作为超声设备的核心部分，优良的控制系统是超声发生器所必要的部分，这样才能保证换能器的工作始终保持最高的效率。
结合超声换能器的特点与超声设备工作时的特征，换能器需要以下功能：
l、匹配电路要优秀。这样才能保证发生器提供充足的电功率给换能器，提高电功率转换为声能的效率。
2、频率自适应功能。由于换能器本身的振荡频率会因为负载发生变化，对温度增高和别的因素干扰都比较敏感，这些因素的改变会导致换能器的振荡频率产生变化，从而致使系统振幅减小，振动失谐。
3、功率自适应功能。在电路工作的时候，如果希望输出功率可以随负载的改变来自动发生改变，具有稳定输出电压的发生器会成为成为一个更理想的状态，在空载时有最小输出，当负载增加时输出的功率也会相应增加。这能给超声设备提供一个很好的帮助，我们可以将超声波换能器的负载特性拿来解析，以采用最恰当的振荡频率点来完成。除此之外斩波电路也是很好的选择，对于输入至逆变电路中的电压我们可以通过改变开关管的占空比来调节，负载变大占空比也变大，还能使输出功率不变，当发生故障时还可将开关管关闭。
超声发生器的发展有如下趋势：
1、强化对超声测距和焊接等应用对象数学模型的开发，来成为设计闭环控制方案的理论依据。
2、增强对闭环控制的研究，联合当代的控制理论，采用自适应模糊控制，自寻最优控制等方案，来使控制方式更便捷，更有效，也让发生器的稳定性、可靠性以及自动化的程度大大提高。
3、使用现代的工具手段，开发通过单片机、DSP作为中心控制的频率自动跟踪系统。
1.4 课题的研究背景及研究意义
本课题最主要的任务，就是设计一个大功率的超声波驱动电路，同也要排除以前放大电路的输出功率与效率低下这些问题，从而提高超声波的真正使用率,也要给换能器提供能量。因为超声波测距方式是属于非接触式的，所以不会被光线以及所测量的对象有不同颜色这些问题的干扰，与别的仪器相比它更卫生，它可以处理灰尘、潮湿、高温等恶劣环境，还具备少维修、无污染、可靠性高、寿命长等这些优点。所以可以广泛应用在造纸业、矿工业、电厂、化工业、水处理厂、环保检测、空间定位、公路限高等各个行业中。可以在不同环境里在线标定距离的精确度，也能用来检测水、酒、糖、饮料的水位，能够自己定差值，把多种液位罐的水位与料位显示出来。所以，超声波在特别氛围的空气中检测距离应用的更广泛[3]。使用超声检测有快速、方便、计算简单、易于实时控制这些优点，而且在测量的精确度上可以达到工业实用的指标，如果希望移动机器人让它能自己躲避障碍物移动，就需要安装测距系统，来让它可以及时获得障碍物的定位信息。超声波测距也正因如此广泛应用在了移动机器人上。也正是因为超声波测距系统的这些优点，才会再次广泛应用在远距离超声测距的研究方面。
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