如何使超聲(sheng)波設計中應用(yong)及擴充

1 智(zhì)能超聲波距離(li)提示器

1． 1 什麽是超聲(sheng)波測距

超(chāo)聲波是指超過(guò)人的聽覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二、三十年(nián) ,特别是近(jìn)十年來，由于電(diàn)子技術及壓電(dian)陶瓷材料的😘發(fā)展，使超🚶聲檢測(cè)技術得到了迅(xun)速的發展。超聲(shēng)技術是一門以(yǐ)🐉物理、電子🏃🏻、機械(xie)、及材料學爲基(jī)礎的🏒通用技術(shù)之一。超聲技術(shu)是通過超聲波(bō)産生、傳播及接(jie)收的物理過程(chéng)而完成的。超聲(sheng)波具有聚束、定(ding)向及反射、透射(she)等特性。

超(chāo)聲檢測技術是(shi)利用超聲波在(zài)媒質中的傳播(bō)特🙇🏻性 (聲速(su)、衰減、反射、聲阻(zǔ)抗等 )來實(shi)現對非聲學量(liang) (如密度、濃(nóng)度、強度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫度、流(liú)速、流量、液📞位🙇🏻、厚(hòu)度、缺陷🈲等 )的測定。它的基(jī)本原理是基于(yu)超聲波在介質(zhi)中傳播🐉時遇到(dào)不同的界面，将(jiāng)産生反射，折射(she)，繞射，衰減等現(xian)象，從而使傳播(bō)的聲時，振幅，波(bo)形，頻率等發生(sheng)相應變化，測定(ding)✌️這些規律的變(bian)化，便可得到材(cái)料的某些性質(zhì)與内部構造情(qíng)況。與傳統超聲(shēng)✔️技術*不同，新的(de)超聲技術具有(yǒu)以下特點：在不(bú)破壞媒質特性(xing)的情況下實現(xiàn)非接觸性測量(liàng)✏️，環境适應能力(li)強，可實現在線(xian)測量。

1． 2 超聲波發生器(qi)的種類

爲(wei)了研究和利用(yong)超聲波，人們已(yǐ)經設計和制成(cheng)了許多超聲波(bo)☔發生器。總體上(shàng)講，超聲波發生(shēng)器可以分爲兩(liǎng)大類：一類是用(yòng)電器方式産生(shēng)超聲波，一類🏃‍♂️是(shì)用機械方式産(chǎn)生超🌈聲波，電器(qi)方式包括壓電(diàn)型，磁緻伸縮型(xing)和電動型等；機(jī)械方式有加爾(ěr)統笛，液哨和氣(qì)流旋笛等。它們(men)所産生的超聲(sheng)波的頻率，功率(lü)和聲波特性各(gè)不相同，因而🤟用(yong)途也各不相同(tóng)。目前較爲常用(yòng)的是壓電式超(chāo)聲波發生器。雅(ya)典市超‼️聲💚波發(fa)生器實際上💘是(shi)利用壓電晶體(ti)的✊諧振來工作(zuo)的。

它有兩(liang)個壓電晶片和(hé)一個共振闆。當(dang)它的兩極外✏️加(jiā)脈🌈沖信号🔴，其頻(pin)率等于壓電晶(jīng)片的固有震蕩(dàng)頻率時，壓電晶(jing)片将會發生共(gong)振，并帶動共振(zhèn)闆振動，便産生(sheng)超聲波。反之，如(rú)果兩電極間外(wài)未加電壓，當共(gòng)振闆接受到超(chāo)聲波時，将壓迫(pò)壓電晶片做震(zhen)動，将機械能轉(zhuǎn)換爲點信号，這(zhe)時它就成✏️爲超(chao)聲波接受器了(le)。

2 研究的意(yì)義

2.1 超聲波(bō)用于距離測量(liang)的優勢

由(you)于超聲波頻率(lǜ)較高，沿直線傳(chuan)播，繞射小，穿透(tou)力強⭕，指向性強(qiang)🏃🏻，傳輸過程中衰(shuāi)減少，能量消耗(hào)緩慢，在介質中(zhōng)傳播的距離較(jiao)遠，遇到雜質或(huo)分界面時會産(chan)生反射波，因而(er)超聲波經常用(yong)于距離的測量(liang)。超聲波有兩個(gè)特點，一個是能(neng)量大，一個是沿(yan)直線傳✔️播，它的(de)應用就是按照(zhào)這💁兩個特點展(zhǎn)開的。

超聲(shēng)波與一般聲波(bō)比較，它的振動(dòng)頻率高，而且波(bo)長短，因而♊具有(yǒu)束射特性，方向(xiàng)性強，可以定向(xiang)傳播，其能量遠(yuan)遠大🤩于振幅相(xiang)同的一般聲波(bo)，并且具有很高(gāo)的穿透能力。

2.2 研究的意義(yi)

本設計采(cai)用單片機來實(shí)現智能超聲波(bō)測距，雖其在功(gong)能上是不能與(yu)商品的，高精度(dù)的智能超聲波(bo)測距儀相比的(de)，但優點在于系(xi)統規模較小，器(qi)件更♊換容易，成(cheng)本低，有一定✉️靈(líng)活性📱。但不适宜(yi)用于測量過于(yu)或者過大的距(jù)離，容易産生誤(wu)差。

3 研究的(de)關鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中共用(yòng)到了兩個重要(yào)的頻率 ,爲(wèi)了實現輸出頻(pín)率的性 ,在(zài)設計時用到了(le)單片機 ,因(yin)爲頻率發生電(diàn)路是整個電路(lù)的核心 ,有(yǒu)單片機發生的(de)頻率必須準确(que) ,否則測得(dé)的距離顯示會(hui)産生很大誤差(chà)。在考慮整⚽體方(fang)案的時候，也想(xiǎng)到用一片單片(piàn)集成電路來完(wan)成頻率信号的(de)産生💜及其分類(lei)工作，也*可以實(shi)現電路的功能(néng)，但是🙇🏻要想實現(xiàn)高精度要求，有(you)些困難。zui後還是(shi)選擇用單片機(ji)來完成頻率的(de)産生工作。

*個頻率，超聲波(bo)的發射中心頻(pín)率，信号本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dān)片機的 P3． 0口輸出。這是(shì)由單片機内部(bù)的定時器由軟(ruan)件編程所産☂️生(sheng)，具體需要由程(chéng)序來設定。

第二個頻率就(jiù)是單片機進行(háng)數碼顯示的計(jì)數頻率，在計㊙️算(suàn)之前首先要明(míng)确我們要設計(jì)的超聲波測距(jù)精度🔴是多少，而(er)在本🍉設計中，設(shè)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲(sheng)波發射器的聲(shēng)波傳播到反射(she)物，再由反射物(wu)反🔅射到接收器(qi)，所傳播的距離(lí)爲 2倍測量(liang)距離，而大家知(zhi)道，聲波在标準(zhǔn)氣壓下 15℃的(de)傳播速度爲 341m／ s，因此，我(wo)們要設計成在(zài)一個時鍾周期(qi)内超聲波所傳(chuán)播的距🐉離🏃🏻‍♂️爲 0.02mm，這樣便可以(yǐ)計算出定時器(qì)的溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這(zhè)樣在一個時鍾(zhōng)周期内所測的(de)距離便爲 0.01m。 N個周期所(suo)測的距離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有 N個(ge)方脈沖，也就是(shì)說，計數器測得(dé)的脈沖數 N即爲被測距離(lí)，不過其單位爲(wèi) 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示器的(de)小數點點在百(bǎi)位數和個👈位⭐數(shu)之問，那麽示值(zhi)是以“米"爲單位(wei)，其zui大顯示值爲(wèi) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xian)功能

本設(shè)計主要的實現(xiàn)功能如下：

由單片機産生(sheng)頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号(hao)，超聲波發射端(duān)發出信号，遇到(dao)障礙物返回，被(bei)接收端接收到(dao)。由單片機計算(suàn)出探頭與障💃礙(ài)物🔞之間的距❄️離(lí)，這就是被測距(jù)離。

技術指(zhǐ)标：

設計精(jīng)度爲 lcm，也就(jiu)是 0.0lm。可測量(liang)距離由 0m至(zhi) 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統(tong)的基本組成包(bāo)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fang)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fāng)案

要使整(zhěng)個系統能夠正(zheng)常、順利的工作(zuo)，就得有一個好(hǎo)的硬件和軟件(jiàn)。

本方案以(yǐ)單片機 ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通過對其(qí)進行軟件編程(chéng)，實現該單片機(ji)對其外圍🈚電路(lu)的适時控制，并(bìng)提供給外圍電(dian)路各種🛀所需的(de)信号，包括頻率(lǜ)振🔞蕩信号、數據(jù)處理信号等⭐等(děng)，大大簡化了外(wài)圍電路的設✊計(jì)難度，同時更重(zhòng)要的是該種設(shè)計方案大大節(jie)省🎯了設計成✍️本(běn)，并且由于是采(cǎi)用軟件編程技(jì)術，所以其移植(zhí)性能好，在設計(jì)電路時可☂️以将(jiang)其他更多的功(gōng)能設計進去，而(er)我們在設計電(dian)路闆時就可🈲以(yǐ)根據自己的設(shè)計目的焊接元(yuán)件。

在初始(shi)方案設計時，我(wo)打算在超聲波(bo)發射端使用✏️ RS觸發器 CD4013作爲門控電路(lù)，當 R=1； (S=0)時(shí)複位，即 Q=0； S=l(R=0)時置位，當上(shàng)電複位時， D觸發器 CD4013的(de) Q腳輸出低(dī)電平加到單片(pian)機的 P3-3口，不(bu)啓動内部計數(shù)器，處于等待狀(zhuang)态。

在超聲(shēng)波接收端設計(jì)了一個信号放(fang)大電路，采用⛹🏻‍♀️兩(liang)級同相交流放(fang)大器，通過參數(shu)設置，每一級放(fang)大了約 20倍(bèi)，這樣經過兩級(jí)放大後，接收到(dào)的超聲波信号(hào)就被放大了幾(jǐ)乎是 400倍，完(wán)夠被後續檢測(ce)電路檢測到。接(jiē)收傳感器 L2将反射的超聲(sheng)波轉換爲電信(xìn)号後，由放大器(qì)放大後再💋送到(dao)由 U1B、 U1C等(deng)組成的斯密特(te)整形電路整理(li)成規範的方脈(mo)沖。電阻 R11和(hé)電位器 R12爲(wèi)同相端提供直(zhí)流偏置電位。需(xū)要注意的是這(zhe)兩個直流偏👉置(zhi)電阻的作用是(shì)相當重要的，它(tā)可以很好地穩(wěn)定運放 A741的(de)直流工作點，不(bu)緻于使其同相(xiang)輸入端出現浮(fú)動狀态，而造成(chéng)輸入信号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波測距系(xì)統精度要求是(shi) lcm，故本人在(zài)進行距離顯示(shì)電路部分的設(she)計時用到了三(sān)💁個🚶‍♀️數碼管，其可(kě)以顯示範圍爲(wèi) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jiē)省硬件開銷，本(běn)距離顯示電路(lù)沒有使用譯碼(ma)器，而是直接有(yǒu)效地利用了單(dān)片機的有限端(duan)口來進🈲行譯碼(ma)顯示，但是zui後由(yóu)于仍然缺少一(yī)個端口，故用到(dào)了一個二一四(sì)♌譯碼器 74LS139。

經過老師指(zhǐ)導，對初始設計(ji)方案進行修改(gai)，将原超聲波發(fa)🤟射電路改成用(yong)芯片 LM386發射(she)，不使用原有的(de)門控電路。原超(chāo)聲波接收電路(lu)改成‼️用集成 CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路。由(you)于采取了系統(tǒng)優化方案💘，大大(da)節省了單片機(ji)的接口，原本因(yīn)爲單片機機接(jie)口不夠而擴展(zhǎn)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數碼管位(wei)選直接接在單(dān)片機接口上🌍。這(zhe)些優化大大簡(jian)化了設計的複(fú)雜度和焊接時(shí)的困難度。

在軟件方面采(cǎi)用 C語言來(lai)編程，用 C語(yǔ)言來編寫目标(biao)系統軟件，會大(dà)大縮短開發周(zhou)期🚩，且明顯地增(zeng)🍉加軟件的可讀(dú)性，便于改進和(hé)擴充。