如何使超聲(shēng)波設計中應用(yòng)及擴充

1 智(zhì)能超聲波距離(li)提示器

1． 1 什麽是超聲(shēng)波測距

超(chāo)聲波是指超過(guo)人的聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(sheng)波。近二、三十年(nian) ,特别是近(jin)十年來，由于電(dian)子技術及壓電(diàn)陶瓷材料📞的🌈發(fa)展，使超聲檢測(ce)技術得到了迅(xùn)速的發展。超聲(sheng)技術是一門以(yǐ)物理、電子🐕、機械(xie)、及材料學爲基(ji)礎的通用技術(shù)之一。超聲技術(shu)是通過超聲波(bo)産生、傳播🔆及接(jiē)收的物理過程(chéng)而完成的🔴。超聲(shēng)波具有聚束、定(dìng)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(zai)媒質中的傳播(bo)特性 (聲速(su)、衰減、反射、聲阻(zǔ)抗等 )來實(shi)現對非聲學量(liàng) (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(hou)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(dao)不💞同的界面，将(jiāng)産生反射，折射(shè)，繞射，衰減等現(xiàn)👈象，從而使傳播(bō)的聲👨‍❤️‍👨時，振幅，波(bō)形，頻率等發生(sheng)相應變⭐化，測定(dìng)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(qing)況。與傳統超聲(shēng)技術*不同，新的(de)超聲技術具有(you)以下特點：在不(bu)破壞媒質特性(xing)的情況下實現(xian)非接觸性測量(liang)，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(wèi)了研究和利用(yong)超聲波，人們已(yi)經設計和制成(chéng)了😘許多超聲波(bō)發生器。總體上(shang)講，超聲波發生(shēng)器可以分爲兩(liang)大類：一類是🈲用(yong)電器方式産生(shēng)超聲波，一類是(shi)用機械方式🏃‍♂️産(chǎn)生超😘聲波，電器(qi)方式包括壓電(dian)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(qi)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(yong)的是壓電式超(chao)聲波發生器。雅(yǎ)典市超聲波發(fā)生器實際上是(shi)利用壓電晶體(ti)的諧振來工作(zuò)的。

它有兩(liǎng)個壓電晶片和(he)一個共振闆。當(dāng)它的兩極外加(jia)脈沖信号，其頻(pín)率等于壓電晶(jīng)片的固有震蕩(dang)頻率時，壓電晶(jīng)片将會發生共(gong)振，并帶動共振(zhen)闆振動🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，便産生(shēng)✊超聲波。反之，如(rú)🙇‍♀️果兩電極間外(wai)未加電壓，當🔞共(gong)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(yi)義

2.1 超聲波(bō)用于距離測量(liàng)的優勢

由(yóu)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(shuai)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(huò)分界面時會産(chǎn)生反射波，因而(ér)超聲🏃🏻波經常用(yòng)于距離的測量(liang)。超🌈聲波有兩個(gè)特點，一個是能(néng)量♻️大，一個是沿(yán)直線傳播，它的(de)應用就是按照(zhao)這🔴兩個特點展(zhan)㊙️開的。

超聲(shēng)波與一般聲波(bo)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(xiang)性強，可以定向(xiang)傳播，其能量遠(yuǎn)遠大于振幅相(xiàng)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(yì)

本設計采(cǎi)用單片機來實(shí)現智能超聲波(bo)測距，雖其在功(gōng)能上㊙️是不能與(yǔ)商品的，高精度(dù)的智能超聲波(bō)測距儀相比的(de)，但優點在于系(xì)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(yí)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(yong)到了兩個重要(yao)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(yīn)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(què) ,否則測得(dé)的距離顯示會(huì)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(lèi)工作，也*可以實(shí)現電路的功能(neng)，但是要想實♍現(xian)高精♌度要求，有(you)些困難。zui後還是(shì)選擇用單片機(jī)來完成頻率的(de)産生工作。

*個頻率，超聲波(bō)的發射中心頻(pin)率，信号本來就(jiù)是 40kHz，并由單(dān)片機的 P3． 0口輸出。這是(shì)由單片機内部(bu)的定時器由軟(ruǎn)件編程所産生(shēng)，具體💋需要由程(cheng)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(ming)确我們要設計(ji)的超聲波㊙️測距(ju)精度是多少，而(ér)在本設計中，設(she)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(shè)物，再由反射物(wù)反射到接收器(qì)，所傳播的距離(li)爲 2倍測量(liàng)距離，而大家知(zhī)道，聲波在标準(zhun)氣壓下 15℃的(de)傳播速度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計成在(zài)一個時鍾周期(qī)内超聲波所傳(chuan)播的♊距離㊙️爲 0.02mm，這樣便可以(yǐ)計算出定時器(qi)的溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這(zhe)樣在一個時鍾(zhong)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(shi)說，計數器測得(dé)的脈沖數 N即爲被測距離(li)，不過其單位爲(wèi) 0.01m，因此應把(ba)計數顯示器的(de)小數點點在百(bai)位數和個✏️位📐數(shù)之問，那麽示值(zhí)是以“米"爲單位(wei)，其zui大顯示值爲(wei) 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(hào)，超聲波發射端(duān)發出信号，遇到(dào)障礙物返回，被(bèi)♻️接收端接收到(dào)。由單片機計算(suan)出探頭與障礙(ai)物之間的距離(lí)，這🙇‍♀️就是被測距(jù)離。

技術指(zhi)标：

設計精(jing)度爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測量(liàng)距離由 0m至(zhì) 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統(tong)的基本組成包(bao)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集成運(yùn)放 (CX20106)，集成放(fàng)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(zhèng)常、順利的工作(zuò)，就得有一個好(hǎo)的硬件和軟件(jian)。

本方案以(yǐ)單片機 ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通過對其(qi)進行軟件編程(chéng)，實現該單片機(ji)對其外圍✂️電路(lù)的适時控制，并(bing)提供給外圍電(diàn)路各種所需的(de)信号，包括頻率(lü)振蕩信号、數據(jù)處理信号等等(deng)，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(jiē)省㊙️了設計成本(ben)，并且由于是采(cai)用軟⚽件編程技(ji)術，所以其移植(zhí)性能好，在設計(jì)電路時可以将(jiāng)其他更多的💔功(gong)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(she)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(shi)複位，即 Q=0； S=l(R=0)時置位，當上(shang)電複位時， D觸發器 CD4013的(de) Q腳輸出低(di)電平加到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bu)啓動内部計數(shù)器，處于等待狀(zhuàng)态。

在超聲(sheng)波接收端設計(jì)了一個信号放(fàng)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(fàng)大了約👨‍❤️‍👨 20倍(bèi)，這樣經過兩級(ji)放大後，接收到(dao)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(shēng)波轉換爲電信(xin)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(mò)沖。電阻 R11和(he)電位器 R12爲(wei)同相端提供直(zhi)流偏置電位。需(xu)要注意的是這(zhè)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(xiàng)輸入端出現浮(fu)動狀态，而造🚶‍♀️成(cheng)輸入信号不穩(wěn)定。

由于本(běn)超聲波測距系(xi)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(jie)省硬件開銷，本(běn)距離顯示電路(lù)沒有使用譯👄碼(mǎ)器，而是直接有(you)效地利用了單(dān)片機的有限端(duān)口來進行譯碼(mǎ)顯示，但是zui後🈚由(you)于仍然缺少一(yi)個端口，故用到(dào)了一個🔴二一四(sì)譯碼器 74LS139。

經過老師指(zhi)導，對初始設計(jì)方案進行修改(gai)，将原超聲波發(fā)射✉️電路改成用(yòng)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(lù)改成用集成 CX20106，省掉了之前(qian)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(yin)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(dan)片機接口上。這(zhè)些優化大大簡(jian)化了設計的複(fu)雜度和焊接時(shí)的困難度。

在軟件方面采(cai)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(zhōu)期🛀🏻，且明顯地增(zēng)加軟件的可讀(dú)性，便于改進和(hé)擴充。