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2^传咸^器6

3超声波传感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,8

4EDA勺设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,10

4.1EDA设计思路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,10

4.2超声波测量仪原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,10

4.3EP2C5Q208C8芯片的介绍,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,12

4.4传感器和其外围以及放大电路的设计,,,,,,,,,,,,,,,,,,,15

4.5VHDL顶层文件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,15

4.6传感器产生信号,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,17

4.7A/D转换,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,18

4.8计时模块,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,18

4.93/8译码器部分,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,18

4.10显示模块,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,21

结束语30

参考文献,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,31

致谢32

本次设计电路米用超声波在空气中运行原理设计的一种光机电一体化的身高测量仪，该测量仪是由EP2C5Q208C作为中央控制系统，超声波发射电路由发射驱动电

路和设于该驱动电路输出端的超声波换能器构成，超声波接收电路由超声波接收换能

器、限位电路和超声波接收集成块电路构成，能测量的最大距离为10m，测试分辨

力为1cm，距离显示用三位数的发光二极管，最大显示距离为99cm。

要求传感器要

有较好的方向性，并对脉冲响应、发送和接收的频带范围要宽。

因此，本课题的研究是非常有实用和商业价值。

1超声波

1.1超声波的介绍

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20000Hz

以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们

将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是

一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，

其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方

向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2s5兆Hz之间，常用为3s3.5兆Hz

（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10WHz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16

—20，000HZ之间）。

超声波是声波大家族中的一员。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声

波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把

雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理，把药液雾化，让病

人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。

超声波在医学方面应用非常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋之类的）等。

超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与可听声波的规律并没

有本质上的区别。

但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。

与可听

声波比较，超声波具有许多奇异特性：

传播特性一声波的波长很短，通常的障碍

物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的衍射本领很差，它在均匀介质中

能够定向直线传播，超声波的波长越短，这一特性就越显著。

功率特性声音在

空气中传播时，推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。

声波功率就是表示声波做

功快慢的物理量。

在相同强度下，声波的频率越高，它所具有的功率就越大。

由于超声波频率很高，所以超声波与一般声波相比，它的功率是非常大的。

空化作用一当

超声波在液体中传播时，由于液体微粒的剧烈振动，会在液体内部产生小空洞。

这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上

万个大气压的压强。

微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体的温度骤然升高，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，并且加速溶质的溶解，加速化学反应。

这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

频率高于2X104赫的声波。

研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。

产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、汽笛和液哨等）、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成

的电声换能器等。

超声波的两个主要参数主要有频率与功率密度。

频率：

FA20KHZ（在实际应声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所

谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。

譬如，鼓面经敲击后，

它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波

是指振动频率大于20000Hz以上的，其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动模式，通常以纵波的方式在弹性介质内会

传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声波频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2s5兆

Hz之间，常用为3s3.5兆Hz（每秒振动1次为1Hz，1兆Hz=10A6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16-20,000HZ之间）。

理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超

声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在我国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风

扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.如咽喉

炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位.利用加湿器的原理，把药液

雾化,让病人吸入，能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧

烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。

超声波在医学方面应用非

常广泛，像现在的彩超、B超、碎石（例如胆结石、肾结石祛眼袋之类的）等。

与可听声波比较，超声波具有许多奇异特性：

研究超声波的产生、传播、接收，以及各种超声效

应和应用的声学分支叫超声学。

产生超声波的装置有机械型超声发生器（例如气哨、

汽笛和液哨等）、禾I」用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压

电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。

FA20KHZ（在实际应用中因为效果相似，通常把FA15K的声波也称为超声波）；

功率密度：

卩=发射功率（W）/发射面积（cm2）;

通常pA0.3w/cm2;

在液体中传播的超声波能对物体表面的污物进行清洗，其原理可用空化”现象来解释：

超声波振动在液体中传播

的音波压强达到一个大气压时，其功率密度为0.35w/cm2,这时超声波的音波压强峰值就

可达到真空或负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力，将液体分子拉裂成空洞一空化核。

此空洞非常接近真空，它在超声波压强反向达到最大时破裂，由于破裂而产生的强烈冲击将物体表面的污垢撞击下来。

这种由无数细小的空化气泡破裂而产生的冲击波现象称为空化”现象。

太小的声强无法产生空化效应。

超声波具有如下特性：

1）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。

2）超声波可传递很强的能量。

3）超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。

4）超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。

超声波治疗的概念：

超声治疗学是超声医学的重要组成部分。

超声治疗时将超声波能量作用于人体病

变部位，以达到治疗疾患和促进机体康复的目的。

在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。

赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。

1）工程学方面的应用：

水下定位与通讯、地下资源勘查等。

2）生物学方面的应用：

剪切大分子、生物工程及处理种子等。

3）诊断学方面的应用：

A型、B型、M型、D型、双功及彩超等。

4）治疗学方面的应用：

理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等。

超声波的特点有

1）超声波在传播时，方向性强，能量易于集中。

2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。

3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应）。

（治疗）

超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如B超等

用作诊断）；

超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用

作治疗）。

1.2超声波发生器

为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。

总体上讲，

超声波发生器可以分为两大类：

一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产

生超声波。

电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；

机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。

它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。

目前较为常用的是压电式超声波发生器。

1.3压电式超声波发生器原理

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。

超声波发生器内部

结构由两个压电晶片和一个共振板构成。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电

晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，

将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。

2传感器

传感器通常指光电传感器，它是采用光电元件作为检测元件的传感器。

它首先把被测量的变化转

换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。

光电传感器一般由光源、光学通

路和光电元件三部分组成。

光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多

样，因此，光电式传感器技术实验台在检测和控制中应用非常广泛

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光

辐射）转变成为电信号的器件。

光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。

它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；

也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。

光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。

近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

由光通量对光电元件的作用原理理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电

元件（光学测控系统）输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器.模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系•模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法可分为透射（吸收）式，漫反射式,遮光式（光束阻档）三大类.所谓透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；

所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；

所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关.

光敏二极管是最常见的光传感器。

家电实训设备光敏二极管的外型与一般二极管一

样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结

的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜卩A）,称为光敏二极管的暗电流；

当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。

在外电场的作用下，光电载

流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。

光电流的大小

与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。

光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。

光敏三级管的外型与一般三极管相差不大，一般光敏三极管只引出两个极一一发射极和集电极，基极不引出，管壳同样开窗口，以便光线射入。

为增大光照，基区面积做得很大，发射区较小，入射光主要被基区吸收。

工作时集电结反偏，发射结正偏。

在无光照时管子流过的电流为暗电流lceo=（1+B）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；

当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流lb增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流lc=（1+B）lb，可见光电三极管要比光电二极管家电实验台具有更高的灵敏度。

3超声波传感器

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

超声波是一种振动频率高于

声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、

绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。

超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。

以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就

是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

超声波探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。

小功率超声探头多作探测作用。

它有许多不同的结构，可分直探头（纵波）、斜探头（横

波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材料可以有许多种。

晶

片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。

组成部分

性能指标

超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

构成晶片的材

料可以有许多种。

晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，我们使用前必须预先了解它的性能。

超声波传感器的主要性能指标包括：

1）工作频率。

工作频率就是压电晶片的共振频率。

当加到它两端的交流电压的

频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。

2）工作温度。

由于压电材料的居里点一般比较高，特别是诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不失效。

医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

⑴

3）灵敏度。

主要取决于制造晶片本身。

机电耦合系数大，灵敏度高；

反之，灵

敏度低。

超声波传感技术应用在生产实践的不同方面，而医学应用是其最主要