超声波发生及控制电路设计
摘 要近年来，随着科技的进步和新理论、新材料的发现，催生了材料、技术、理论的长足发展和进步。单片机及微控制器价格的降低和厂家的积极推广，越来越多的人加入到使用微控制器的行列。在单片机作为控制器普遍使用的今天，系统控制的设计基本采用为控制器加电子电路和传感器的模式。数年以前，在传感器领域里面使用超声波传感器作为测量和检测模块一直是备用的选择，设计人员唯有在无法使用其他替代技术的前提下才会选用超声波作为测量和检测模块，因为当时的技术条件限制了超声波传感器的精度和使用寿命等一系列因素。近年来，科技的进步促进了超声波传感器无论在坚硬程度、使用寿命还是测量精度上都取得了很大的进步，这些新出现的技术也使得超声波传感器可以更加灵活、方便地使用到其他的测量领域，比如：海洋探查与开发、检测、医学诊断、导航、地形地貌测绘等领域。随着超声波传感器的兴起和广泛使用，如何在设计的电路中精准地控制超声波传感器的工作状态成为控制的难点。本文研究的内容立足于超声波传感器的控制电路进行研究，论证系统的可行性并进行实际电路的设计，以最终实现能对超声波发生和精准控制为目的，实现对超声波的周次检测及发射周次控制。
目 录
第一章 绪论 1
1.1超声波发展的历史 1
1.2超声波当前应用现状 1
1.3超声波发展趋势 2
1.4超声波发生和控制电路设计的意义 2
第二章 超声波发生和控制的原理研究 3
2.1超声波发生器原理 3
2.2超声波接收器原理 3
2.3系统设计拟采用的方法 4
第三章 硬件实现与软件 7
3.1系统组成 7
3.1.1系统供电电路 7
3.1.2文氏电桥振荡器电路 8
3.1.3带通滤波电路 9
3.1.4模拟开关电路 10
3.1.5功率放大电路 11
3.1.6超声波起始和结束检测电路 12
3.1.7换能器信号调理电路 12
3.1.8系统显示电路 13
3.1.9单片机最小系统电路 14
3.1.10系统实物图 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.2单片机软件设计 15
3.3 上位机操作介绍 16
第四章 系统测试 18
4.1电路硬件的测试方法 18
4.2测试所遇问题及解决办法 20
4.3电路功能实现及分析 21
第五章 总结与展望 25
5.1项目总结 25
5.2展望未来 25
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1超声波发展的历史
在19世纪末到20世纪初期，物理中的压电效应被发现之后，人们掌握了通过电子学技术激发压电体产生超声波的方法，从此揭开了超声波的发展和推广的新的篇章，此后的时间里，超声波得到了迅速的推广和应用。
20世纪20年代左右，超声波在医学上得到了应用，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。30年代，前苏联应用超声波进行金属物体的探测，且在同意时间段里发表了有关超声波在临床上表现出具有治疗效果的报道。40年代开始了超声波在医学诊断方面的研究，并且在欧美等国家迅速兴起。1949年召开的第一届国际医学超声波学术会议，促进了超声波医学的发展和交流，为超声波的发展奠定了坚实的基础。到了1956年的第二届国际医学超声波学术会议时，已经有很多相关的论文发表，超声波的应用进入到了广泛的实用环节和成熟阶段。
1.2超声波当前应用现状
近年来，随着半导体技术的进步和电子器件的发展，测量系统逐渐向着机电一体化的方向发展，在传统原理的基础上渗透了大量的电子技术，从而在很大程度上改善了系统结构单一，功能不完善的现状。同时，超声波又是一门以物理、材料、机械等技术为一体的综合性技术。从当前的超声波应用现状来看，超声波在众多的方面均得到了广泛的使用，例如：超声波技术可以用在废水处理中、超声波技术可以用在造纸工业中、超声波技术可以用在防除结垢中、超声波使用在医学诊断中、电镀工业、纳米材料制备、军事应用以及生活及服务行业等方方面面。使用超声技术处理废水，能加速里面有机物质的分解和发生化学反应从而降解。超声波在医学成像的方面也发挥着至关重要的作用。
纵观当前超声波在各行各业使用中的形式，由于集成电路技术的发展和材料以及制造技术的发展，超声传感器价格的下降和使用寿命的提高，测量技术的发展和理论的普及，使得一大波超声应用的技术和行业正在兴起，超声波的刚发使用必将带来更多的社会效益和经济效益。掌握和理解超声波相关的内容，对于工科的学生来讲是一件非常有价值的事情。
1.3超声波发展趋势
当今世界科学技术迅速发展，超声波的应用也越来越广泛。展望未来，超声波必将作为一种新型且十分有用的工具在生活的方方面面发挥巨大的作用，使用超声波的设备也必将朝着更高精度和更高稳定性、准确性的方向发展，器件的体积不断减小、功耗不断减少、便携性增加的前提下，测量精度得到提高，以满足社会发展的需要。例如在在潜艇使用的声纳中，发展趋势基本为：研制具有更高定位精度和被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽的攻击需要；在前面的基础上，继续研发采用低频线谱检测的潜艇拖拽线阵列声纳，实现潜水艇的超远程目标探测和识别；在实现前者的基础上，研制适用于浅海工作的潜艇声纳，以此来解决浅海中潜艇声纳所存在的种种问题；降低超声波系统所受到的潜艇噪声的影响，改善潜艇上声纳的抗干扰型和信噪比等。可以肯定的是，未来超声波应用中，必将与自动化和智能化接轨，与其他的传感器测量系统相结合，形成组合式的测量系统。超声波的应用范围也将扩大，设计和开发的技术人员需求量也将扩大。
1.4超声波发生和控制电路设计的意义
当前阶段，超声波的使用范围正在不断地扩大、使用的领域也在不断地加深，技术的进步和理论的开拓加速了超声波的使用进展，高精度、高稳定性、可靠型、便携性等社会发展的需要，必将对设计人员提出更高的要求。系统最终将发展到具有一定的智能程度，必将在进一步开拓使用的领域和范围。
掌握和理解超声波产生和控制电路，有助于我们在以后的应用中能结合现实的环境选择测量的方法。通过对此电路的研究和设计，有助于我们对电路原理设计、所使用的器件的选择、原理图绘制、电路板打样、电路板焊接和调试、软件程序开发和调试等开发流程有一个更加直观清晰的认识，在锻炼自己能力的同时也掌握了一门技能，这对于一个理工科的学生是十分重要的事情。同时，在超声波大应用的背景下，掌握和理解超声波发生和控制的电路有助于我们投身相关领域的开发工作，创造社会效益，为社会的进步和发展贡献自己的一份力量。
第二章 超声波发生和控制的原理研究
2.1超声波发生器原理
超声波发生器的原理一般是先由一个信号发生器产生一个特定频率的信号，由该信号驱动后级功率放大电路来工作。该信号可以为正弦信号也可以为脉冲信号，取决于设计者的选择和外界环境的限制。通常在干扰比较大的环境中，选择脉冲式的信号发生器，可以提高系统的抗干扰性能。在需要使用超声波相位的应用中，需要选择正弦形式的信号发生器，通过检测相位的变化来获得所需的信号量。超声波电路所使用的频率为换能器决定的最佳响应频率，一般在超声波设备中超声波的频率选择为20KHz，25KHz，28KHz，33KHz，40KHz，60KHz中的一种。100KHz及以上目前较少使用。随着技术的进步和相关领域的拓展，高频段的超声波以后应该会大量使用并发挥巨大的作用。
超声波发生器的设计中，通常还会引入两个反馈信号环节。一个是输出功率的信号；另外一个是频率跟踪信号。众所周知，超声波发生电路中，由于供电电压的变化会导致输出功率的变化，反应在超声波接收器上表现出接受到的信号忽大忽小，导致电路效果不稳定。为了使电路工作信号稳定，可以通过引入功率反馈信号来稳定放大器的功率。另外，当信号的频率偏移了接收器的谐振频率时，接收器的灵敏度将会受到影响。引入频率跟踪反馈能在一定范围内跟踪接收器的谐振点，使得接收器工作在最佳的状态。
目 录
第一章 绪论 1
1.1超声波发展的历史 1
1.2超声波当前应用现状 1
1.3超声波发展趋势 2
1.4超声波发生和控制电路设计的意义 2
第二章 超声波发生和控制的原理研究 3
2.1超声波发生器原理 3
2.2超声波接收器原理 3
2.3系统设计拟采用的方法 4
第三章 硬件实现与软件 7
3.1系统组成 7
3.1.1系统供电电路 7
3.1.2文氏电桥振荡器电路 8
3.1.3带通滤波电路 9
3.1.4模拟开关电路 10
3.1.5功率放大电路 11
3.1.6超声波起始和结束检测电路 12
3.1.7换能器信号调理电路 12
3.1.8系统显示电路 13
3.1.9单片机最小系统电路 14
3.1.10系统实物图 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
3.2单片机软件设计 15
3.3 上位机操作介绍 16
第四章 系统测试 18
4.1电路硬件的测试方法 18
4.2测试所遇问题及解决办法 20
4.3电路功能实现及分析 21
第五章 总结与展望 25
5.1项目总结 25
5.2展望未来 25
致 谢 27
参考文献 28
第一章 绪论
1.1超声波发展的历史
在19世纪末到20世纪初期，物理中的压电效应被发现之后，人们掌握了通过电子学技术激发压电体产生超声波的方法，从此揭开了超声波的发展和推广的新的篇章，此后的时间里，超声波得到了迅速的推广和应用。
20世纪20年代左右，超声波在医学上得到了应用，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。30年代，前苏联应用超声波进行金属物体的探测，且在同意时间段里发表了有关超声波在临床上表现出具有治疗效果的报道。40年代开始了超声波在医学诊断方面的研究，并且在欧美等国家迅速兴起。1949年召开的第一届国际医学超声波学术会议，促进了超声波医学的发展和交流，为超声波的发展奠定了坚实的基础。到了1956年的第二届国际医学超声波学术会议时，已经有很多相关的论文发表，超声波的应用进入到了广泛的实用环节和成熟阶段。
1.2超声波当前应用现状
近年来，随着半导体技术的进步和电子器件的发展，测量系统逐渐向着机电一体化的方向发展，在传统原理的基础上渗透了大量的电子技术，从而在很大程度上改善了系统结构单一，功能不完善的现状。同时，超声波又是一门以物理、材料、机械等技术为一体的综合性技术。从当前的超声波应用现状来看，超声波在众多的方面均得到了广泛的使用，例如：超声波技术可以用在废水处理中、超声波技术可以用在造纸工业中、超声波技术可以用在防除结垢中、超声波使用在医学诊断中、电镀工业、纳米材料制备、军事应用以及生活及服务行业等方方面面。使用超声技术处理废水，能加速里面有机物质的分解和发生化学反应从而降解。超声波在医学成像的方面也发挥着至关重要的作用。
纵观当前超声波在各行各业使用中的形式，由于集成电路技术的发展和材料以及制造技术的发展，超声传感器价格的下降和使用寿命的提高，测量技术的发展和理论的普及，使得一大波超声应用的技术和行业正在兴起，超声波的刚发使用必将带来更多的社会效益和经济效益。掌握和理解超声波相关的内容，对于工科的学生来讲是一件非常有价值的事情。
1.3超声波发展趋势
当今世界科学技术迅速发展，超声波的应用也越来越广泛。展望未来，超声波必将作为一种新型且十分有用的工具在生活的方方面面发挥巨大的作用，使用超声波的设备也必将朝着更高精度和更高稳定性、准确性的方向发展，器件的体积不断减小、功耗不断减少、便携性增加的前提下，测量精度得到提高，以满足社会发展的需要。例如在在潜艇使用的声纳中，发展趋势基本为：研制具有更高定位精度和被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽的攻击需要；在前面的基础上，继续研发采用低频线谱检测的潜艇拖拽线阵列声纳，实现潜水艇的超远程目标探测和识别；在实现前者的基础上，研制适用于浅海工作的潜艇声纳，以此来解决浅海中潜艇声纳所存在的种种问题；降低超声波系统所受到的潜艇噪声的影响，改善潜艇上声纳的抗干扰型和信噪比等。可以肯定的是，未来超声波应用中，必将与自动化和智能化接轨，与其他的传感器测量系统相结合，形成组合式的测量系统。超声波的应用范围也将扩大，设计和开发的技术人员需求量也将扩大。
1.4超声波发生和控制电路设计的意义
当前阶段，超声波的使用范围正在不断地扩大、使用的领域也在不断地加深，技术的进步和理论的开拓加速了超声波的使用进展，高精度、高稳定性、可靠型、便携性等社会发展的需要，必将对设计人员提出更高的要求。系统最终将发展到具有一定的智能程度，必将在进一步开拓使用的领域和范围。
掌握和理解超声波产生和控制电路，有助于我们在以后的应用中能结合现实的环境选择测量的方法。通过对此电路的研究和设计，有助于我们对电路原理设计、所使用的器件的选择、原理图绘制、电路板打样、电路板焊接和调试、软件程序开发和调试等开发流程有一个更加直观清晰的认识，在锻炼自己能力的同时也掌握了一门技能，这对于一个理工科的学生是十分重要的事情。同时，在超声波大应用的背景下，掌握和理解超声波发生和控制的电路有助于我们投身相关领域的开发工作，创造社会效益，为社会的进步和发展贡献自己的一份力量。
第二章 超声波发生和控制的原理研究
2.1超声波发生器原理
超声波发生器的原理一般是先由一个信号发生器产生一个特定频率的信号，由该信号驱动后级功率放大电路来工作。该信号可以为正弦信号也可以为脉冲信号，取决于设计者的选择和外界环境的限制。通常在干扰比较大的环境中，选择脉冲式的信号发生器，可以提高系统的抗干扰性能。在需要使用超声波相位的应用中，需要选择正弦形式的信号发生器，通过检测相位的变化来获得所需的信号量。超声波电路所使用的频率为换能器决定的最佳响应频率，一般在超声波设备中超声波的频率选择为20KHz，25KHz，28KHz，33KHz，40KHz，60KHz中的一种。100KHz及以上目前较少使用。随着技术的进步和相关领域的拓展，高频段的超声波以后应该会大量使用并发挥巨大的作用。
超声波发生器的设计中，通常还会引入两个反馈信号环节。一个是输出功率的信号；另外一个是频率跟踪信号。众所周知，超声波发生电路中，由于供电电压的变化会导致输出功率的变化，反应在超声波接收器上表现出接受到的信号忽大忽小，导致电路效果不稳定。为了使电路工作信号稳定，可以通过引入功率反馈信号来稳定放大器的功率。另外，当信号的频率偏移了接收器的谐振频率时，接收器的灵敏度将会受到影响。引入频率跟踪反馈能在一定范围内跟踪接收器的谐振点，使得接收器工作在最佳的状态。
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