如(rú)何使超聲(shēng)波設計中(zhong)應用及擴(kuò)充

1 智(zhì)能超聲波(bo)距離提示(shì)器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測(cè)距

超(chāo)聲波是指(zhi)超過人的(de)聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲波。近(jin)二、三十年(nian) ,特别(bié)是近十年(nian)來，由于電(diàn)子技術及(ji)壓電陶瓷(ci)材料🏃🏻‍♂️的發(fā)展，使超聲(sheng)檢測技術(shù)得到了迅(xun)速的發展(zhǎn)。超聲技術(shu)是一🌐門以(yi)物理、電子(zi)、機械、及材(cái)料學爲基(jī)礎的通用(yong)技術之一(yī)🏃‍♂️。超聲技術(shu)是通過超(chao)聲波産生(shēng)、傳播及接(jiē)收的⛷️物理(lǐ)過程而完(wan)成的。超聲(sheng)波具有聚(ju)束、定向及(ji)反射、透射(she)等特性。

超聲檢(jiǎn)測技術是(shì)利用超聲(shēng)波在媒質(zhi)中的傳播(bo)特性 (聲速、衰減(jian)、反射、聲阻(zu)抗等 )來實現對(dui)非聲學量(liàng) (如密(mi)度、濃度、強(qiang)度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫(wen)度、流速、流(liú)量、液位、厚(hou)度、缺陷🈲等(děng) )的測(ce)定。它的基(jī)本原理是(shi)基于超聲(sheng)波在介質(zhì)中傳播時(shí)遇到💘不同(tong)的界面，将(jiang)産生反射(shè)，折射，繞射(shè)，衰減等現(xian)🌂象，從而使(shǐ)傳播的聲(shēng)時，振幅，波(bo)形，頻率等(děng)發生相應(yīng)變化，測定(dìng)這些規律(lǜ)的變化，便(bian)可得到材(cái)料的某些(xie)性質與内(nei)部構造情(qíng)況。與傳統(tong)超聲技術(shù)*不同，新的(de)超聲技術(shù)具有以下(xià)特點：在不(bú)破壞媒質(zhi)特性🚶‍♀️的情(qing)況下實現(xiàn)非接觸性(xìng)測量，環境(jìng)适應能力(li)強，可實現(xian)在線測量(liang)。

1． 2 超聲波發(fa)生器的種(zhong)類

爲(wèi)了研究和(hé)利用超聲(sheng)波，人們已(yǐ)經設計和(he)制成了許(xǔ)多超聲波(bo)發生器。總(zǒng)體上講，超(chāo)聲波發生(sheng)器可以分(fen)爲兩大類(lèi)：一類是用(yòng)電器方式(shì)産生超聲(shēng)波，一類🤞是(shi)用機械方(fāng)式🔞産生超(chao)聲波，電器(qi)方式包括(kuò)壓電型，磁(cí)緻伸縮型(xing)和電動型(xing)等；機械方(fāng)式有加爾(er)統笛，液哨(shào)和氣流旋(xuan)笛等。它們(men)所産生的(de)超聲波的(de)頻率，功率(lü)和聲波特(te)性各不相(xiàng)同，因而用(yong)途也各不(bu)相🚩同。目前(qian)較爲常🈲用(yong)的是壓電(diàn)式超聲波(bō)發生器。雅(ya)典市超聲(sheng)波發生器(qì)實際上✨是(shì)利用壓電(dian)晶體的諧(xie)振來工作(zuo)的。

它(ta)有兩個壓(yā)電晶片和(hé)一個共振(zhèn)闆。當它的(de)兩極外加(jiā)脈沖信号(hào)，其頻率等(deng)于壓電晶(jīng)片的固有(yǒu)震蕩頻率(lü)時，壓電晶(jīng)片将會發(fa)生共振，并(bìng)帶動共振(zhèn)闆振動，便(bian)産生超聲(sheng)波。反之，如(rú)果兩電極(jí)間外未加(jiā)電壓，當共(gòng)振闆接受(shòu)到超聲波(bo)時，将壓迫(pò)壓電晶片(pian)做震動，将(jiāng)機械能轉(zhuan)換爲點信(xin)号，這時它(ta)就成爲超(chāo)聲波接受(shou)器了。

2 研究的意(yi)義

2.1 超(chao)聲波用于(yú)距離測量(liang)的優勢

由于超(chāo)聲波頻率(lü)較高，沿直(zhí)線傳播，繞(rào)射小，穿透(tòu)力強🌈，指向(xiàng)性強，傳輸(shū)過程中衰(shuāi)減少，能量(liàng)消耗緩慢(màn)，在介質中(zhōng)傳播的距(jù)離較遠，遇(yù)到雜質或(huò)分界面時(shí)會産生反(fǎn)㊙️射波，因而(ér)超聲波經(jing)常用于距(ju)離的測量(liàng)。超聲波有(you)兩個特點(dian)，一個是能(néng)量大，一個(ge)是沿直線(xian)傳播，它的(de)應用就是(shi)按照這兩(liǎng)個特點展(zhan)開的。

超聲波與(yǔ)一般聲波(bo)比較，它的(de)振動頻率(lǜ)高，而且波(bo)長🏃‍♀️短，因而(er)具有束射(shè)特性，方向(xiang)性強，可以(yǐ)定向傳播(bō)，其能量遠(yuan)遠大于振(zhen)幅相同的(de)一般聲波(bo)，并且具有(yǒu)🏃很高的穿(chuān)透能力。

2.2 研究的(de)意義

本設計采(cai)用單片機(jī)來實現智(zhi)能超聲波(bo)測距，雖其(qí)😄在功㊙️能上(shàng)🙇‍♀️是不能與(yǔ)商品的，高(gāo)精度的智(zhi)能超聲波(bo)測距♊儀相(xiang)比的，但優(you)點在于系(xi)統規模較(jiào)小，器件更(gèng)❓換容易，成(chéng)本低，有一(yi)定靈活性(xìng)。但不适📧宜(yi)用于測量(liàng)過于或者(zhe)過大的距(jù)離，容易産(chǎn)🌈生誤差。

3 研究的(de)關鍵技術(shu)

3.1 頻率(lü)發生

本設計中(zhong)共用到了(le)兩個重要(yao)的頻率 ,爲了實(shí)現輸出頻(pin)率的性 ,在設計(jì)時用到了(le)單片機 ,因爲頻(pín)率發生電(dian)路是整個(ge)電路的核(hé)心 ,有(yǒu)單片機發(fā)生的頻率(lü)必須準确(què) ,否則(ze)測得的距(jù)離顯示會(huì)産生很大(da)誤差。在考(kǎo)慮整體方(fang)案的時候(hòu)，也想到用(yong)一片單片(piàn)集成電路(lù)來完成頻(pín)率信号的(de)産生及其(qí)分類工作(zuò)，也*可以實(shí)現電路的(de)功能，但是(shi)要想實現(xiàn)高精度要(yao)求，有些困(kun)難。zui後還是(shi)選擇用單(dān)片機來完(wan)成頻率的(de)産生✔️工作(zuo)。

*個頻(pín)率，超聲波(bo)的發射中(zhong)心頻率，信(xin)号本來就(jiu)是 40kHz，并(bìng)由單片機(ji)的 P3． 0口輸出(chū)。這是由單(dān)片機内部(bù)的定時器(qì)由軟件編(bian)程所産生(shēng)，具體需要(yao)由程序來(lái)設定。

第二個頻(pin)率就是單(dān)片機進行(hang)數碼顯示(shì)的計數頻(pin)率🔴，在計🔞算(suàn)之前首先(xiān)要明确我(wǒ)們要設計(jì)的超聲波(bo)測距🌈精度(dù)是多📐少，而(ér)在本設計(ji)中，設計精(jing)度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發(fa)射器的聲(sheng)波傳播到(dào)反射物，再(zài)由反射物(wu)反🌈射到💞接(jie)收🧑🏽‍🤝‍🧑🏻器，所傳(chuán)播的距離(li)爲 2倍(bèi)測量距離(li)，而大家知(zhi)道，聲波在(zai)标準氣壓(yā)下 15℃的(de)傳播速度(dù)爲 341m／ s，因此，我(wo)們要設計(ji)成在一個(gè)時鍾周期(qi)内超聲波(bō)所傳播的(de)距離爲 0.02mm，這樣便(biàn)可以計算(suan)出定時器(qi)的溢出頻(pin)率是 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在(zài)一個時鍾(zhong)周期内所(suǒ)測的距離(lí)便爲 0.01m。 N個周(zhou)期所測的(de)距離爲 N×； 0.01m， N個周期(qī)有 N個(ge)方脈沖，也(yě)就是說，計(jì)數器測得(de)的脈沖數(shu) N即爲(wei)被測距離(lí)，不過其單(dān)位爲 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示(shì)器的小數(shù)點點在百(bai)位數和個(ge)🏒位數之📱問(wen)，那麽示值(zhi)是以“米"爲(wei)單位，其zui大(da)顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計方案(an)

4.1 實現(xiàn)功能

本設計主(zhu)要的實現(xiàn)功能如下(xia)：

由單(dān)片機産生(sheng)頻率爲 40kHz的方波(bo)脈沖信号(hao)，超聲波發(fa)射端發出(chu)信号，遇到(dào)障💘礙物返(fǎn)回，被🤟接收(shōu)端接收到(dao)。由單片機(jī)計算出探(tan)頭與障礙(ai)物之間的(de)距離，這就(jiu)是被測距(jù)離。

技(jì)術指标：

設計精(jing)度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測量(liang)距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統的基(jī)本組成包(bāo)括：單片機(jī) (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集(ji)成運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波發(fa)射，接收探(tan)頭。

4.3 系(xi)統方案

要使整(zheng)個系統能(néng)夠正常、順(shùn)利的工作(zuò)，就得有一(yi)個好的硬(yìng)件💃和軟件(jian)。

本方(fang)案以單片(piàn)機 ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通過(guò)對其進行(hang)軟件編程(chéng)，實現該單(dan)片機對其(qí)🌈外🤩圍電路(lù)的适時控(kòng)制，并提供(gong)給外圍電(diàn)路各種所(suǒ)需的信号(hao)，包括頻📐率(lü)振🔴蕩信号(hao)、數據處理(lǐ)信号等等(děng)，大大簡化(huà)了外圍電(dian)路的設計(jì)難度，同時(shí)更重要的(de)是該種🌂設(shè)計方案大(dà)大節省了(le)設計成本(běn)，并且由于(yú)是采用軟(ruan)件編程技(ji)術，所以其(qi)移植性能(neng)好，在設計(jì)電路時可(kě)以将其他(ta)更多的功(gōng)能設計進(jin)去，而我們(men)在設計電(diàn)路闆時就(jiu)可以根據(jù)自己的設(shè)計目的焊(hàn)接元件。

在初始(shǐ)方案設計(jì)時，我打算(suàn)在超聲波(bo)發射端使(shi)用 RS觸(chu)發器 CD4013作爲門控(kong)電路，當 R=1； (S=0)時(shi)複位，即 Q=0； S=l(R=0)時(shí)置位，當上(shang)電複位時(shi)， D觸發(fa)器 CD4013的(de) Q腳輸(shu)出低電平(ping)加到單片(piàn)機的 P3-3口，不啓動(dong)内部計數(shù)器，處于等(deng)待狀态。

在超聲(sheng)波接收端(duān)設計了一(yī)個信号放(fàng)大電路，采(cǎi)用兩級同(tóng)相交👌流放(fàng)大器，通過(guo)參數設置(zhì)，每一級放(fang)大了約 20倍，這樣(yàng)經過兩級(jí)放大後，接(jie)收到的超(chao)聲波信号(hao)就被放大(dà)了幾乎是(shì) 400倍，完(wán)夠被後續(xu)檢測電路(lù)檢測到。接(jiē)收傳感器(qì) L2将反(fǎn)射的超聲(sheng)波轉換爲(wei)電信号後(hòu)，由放大器(qì)放大後💃再(zài)🛀送到由 U1B、 U1C等(deng)組成的斯(sī)密特整形(xíng)電路整理(li)成規範的(de)方脈沖🏒。電(dian)阻 R11和(hé)電位器 R12爲同相(xiang)端提供直(zhí)流偏置電(diàn)位。需要注(zhù)意的是這(zhe)兩個直流(liú)💃偏置電阻(zu)的作用是(shi)相當重要(yào)的，它可以(yǐ)很好地穩(wěn)定運放🧡 A741的直流(liú)工作點，不(bú)緻于使其(qí)同相輸入(rù)端出現浮(fú)動狀态，而(er)造成輸入(rù)信号不穩(wěn)定。

由(you)于本超聲(shēng)波測距系(xi)統精度要(yào)求是 lcm，故本人在(zài)進行距離(lí)顯示電路(lù)部分的設(she)計時用到(dào)了三個數(shu)碼💜管，其可(kě)以顯示範(fan)圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wèi)了節省硬(ying)件開銷，本(ben)距離顯示(shi)電路沒有(yǒu)使用譯碼(mǎ)器，而是直(zhí)接有效地(di)利用了單(dan)片機的有(yǒu)限端口來(lái)進行譯碼(mǎ)顯❤️示，但是(shì)zui後😄由于仍(réng)然缺少一(yi)個端口，故(gu)用到了一(yi)個二一四(si)譯碼器 74LS139。

經(jīng)過老師指(zhi)導，對初始(shi)設計方案(àn)進行修改(gai)，将原超聲(shēng)波發射電(diàn)路改成用(yong)芯片 LM386發射，不使(shi)用原有的(de)門控電路(lù)。原超聲波(bō)接收電路(lu)💚改成⭐用集(ji)成 CX20106，省(shěng)掉了之前(qian)的放大電(dian)路。由于采(cai)取了系統(tǒng)優化方案(an)⭐，大💋大節省(shěng)了單片機(ji)的接口，原(yuán)本因爲單(dān)片機機接(jiē)口不夠而(ér)擴展的 74LS139芯片被(bei)省略，數碼(ma)管位選直(zhí)接接在單(dān)片機接口(kǒu)上。這些優(yōu)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻化大大簡(jiǎn)化了設計(ji)的複雜度(dù)和焊接時(shi)的困難度(dù)。

在軟(ruan)件方面采(cǎi)用 C語(yu)言來編程(cheng)，用 C語(yu)言來編寫(xie)目标系統(tǒng)軟件，會大(dà)大縮短開(kāi)發周期，且(qie)✏️明顯地增(zeng)加軟件的(de)可讀性，便(biàn)于改進和(hé)擴充。