如何使(shi)超聲波設計(jì)中應用及擴(kuo)充

1 智能(néng)超聲波距離(lí)提示器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測距(ju)

超聲波(bo)是指超過人(ren)的聽覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的(de)聲波。近二、三(sān)十年 ,特(te)别是近十年(nián)來，由于電子(zǐ)技術及壓電(dian)陶瓷材料的(de)發展，使超聲(shēng)檢測技術得(de)到了迅速的(de)發展。超聲技(ji)術是一🌍門以(yi)物理、電子、機(jī)械、及材料學(xue)爲基礎的通(tong)用技術之一(yī)。超聲技術是(shi)通過超聲波(bo)産生、傳播✨及(ji)接收的物理(li)過程而完成(chéng)的。超聲波具(ju)有聚束、定向(xiang)及反射、透射(she)等特性。

超聲檢測技(jì)術是利用超(chao)聲波在媒質(zhi)中的傳播特(tè)性 (聲速(sù)、衰減、反射、聲(shēng)阻抗等 )來實現對非(fei)聲學量 (如密度、濃度(du)、強度、彈性、硬(ying)度、粘度、溫度(du)、流速、流量、液(yè)位、厚度、缺陷(xiàn)⚽等 )的測(cè)定。它的基本(ben)原理是基于(yú)超聲波在介(jiè)質中傳播時(shi)遇到不同的(de)界面，将産生(sheng)反射，折射，繞(rào)射，衰減等現(xian)象，從而使傳(chuán)播的聲時，振(zhen)幅，波形，頻率(lü)等發生相應(yīng)變化，測定這(zhe)些規律的變(biàn)化，便可🈚得到(dào)材料的某些(xiē)性質與内部(bù)構♻️造情況。與(yu)傳統超聲技(ji)術*不同，新的(de)超聲技術具(jù)有以下特點(diǎn)：在不破⚽壞媒(méi)質特性的情(qing)況下實現非(fei)接觸性測量(liàng)，環境适應能(neng)力強，可實現(xiàn)在線測量。

1． 2 超聲(shēng)波發生器的(de)種類

爲(wei)了研究和利(li)用超聲波，人(rén)們已經設計(ji)和制成了許(xǔ)多超聲波發(fa)生器。總體上(shàng)講，超聲波發(fā)生器可以分(fèn)爲兩大類：一(yī)類是用電器(qì)方式産生超(chao)聲波，一類🌏是(shi)用機械方式(shi)産生超聲波(bo)，電器方式包(bao)括壓電型❄️，磁(ci)緻伸縮型和(he)電動型等；機(jī)械方式有加(jia)爾統笛，液🏒哨(shao)和氣流旋笛(di)等。它們所産(chan)生的超聲波(bo)的頻率，功率(lǜ)和聲波特🌈性(xìng)各不相同，因(yīn)而⛹🏻‍♀️用途也各(gè)不相同。目㊙️前(qian)較爲常用的(de)是壓電式超(chao)聲波發生器(qi)。雅典市超🏃聲(sheng)波發生器實(shí)際上✌️是利用(yong)壓電晶體💞的(de)諧振來工作(zuò)的。

它有(yǒu)兩個壓電晶(jīng)片和一個共(gòng)振闆。當它的(de)兩極外加脈(mò)沖信号，其頻(pín)率等于壓電(diàn)晶片的固有(you)震蕩頻率時(shi)，壓電晶片将(jiang)會發生共振(zhen)，并帶動共振(zhèn)闆振動，便産(chǎn)生超聲波。反(fǎn)之，如果兩電(diàn)極間外未加(jiā)電壓，當共振(zhen)闆接受到超(chāo)聲波時，将壓(yā)迫壓電晶片(piàn)做震動♈，将機(ji)械能轉換爲(wèi)點信号，這時(shí)它就成爲超(chao)聲波接🈲受器(qì)了。

2 研究(jiu)的意義

2.1 超聲波用于(yu)距離測量的(de)優勢

由(yóu)于超聲波頻(pín)率較高，沿直(zhí)線傳播，繞射(she)小，穿透力強(qiang)，指向性強，傳(chuán)輸過程中衰(shuai)減少，能量消(xiao)耗緩慢，在介(jie)質中傳🈲播的(de)距離較遠🐕，遇(yu)到雜質或分(fèn)界面時會⚽産(chǎn)生反✏️射波，因(yīn)而超聲波經(jīng)常用于距離(li)的測量。超聲(shēng)波有兩個特(te)點，一個是能(néng)量大，一個是(shi)沿直線傳✉️播(bō)，它的應用就(jiu)是按照這兩(liǎng)個特點展開(kai)的。

超聲(sheng)波與一般聲(sheng)波比較，它的(de)振動頻率高(gāo)，而且波👌長短(duǎn)，因而💰具有束(shù)射特性，方向(xiàng)性強，可以定(ding)向傳播🌏，其能(néng)量遠遠大于(yú)振🌐幅相同的(de)一般聲波，并(bing)且具有很高(gao)的穿透能力(lì)。

2.2 研究的(de)意義

本(ben)設計采用單(dān)片機來實現(xiàn)智能超聲波(bo)測距，雖其在(zai)功能☔上是不(bú)能與商品的(de)，高精度的智(zhì)能超聲波測(ce)距🐅儀相比的(de)，但優點在于(yu)系統規模較(jiao)小，器件更換(huan)容易，成本低(dī)，有一定靈活(huó)性。但不适宜(yi)用于測量過(guo)于或者過大(dà)的距🌈離，容易(yi)産🌐生誤差。

3 研究的關(guan)鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中(zhōng)共用到了兩(liǎng)個重要的頻(pín)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pin)率的性 ,在設計時用(yong)到了單片機(ji) ,因爲頻(pín)率發生電路(lu)是整個電路(lu)的核心 ,有單片機發(fā)生的頻率必(bi)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(hui)産生很大誤(wù)差。在考慮整(zhěng)😘體方案的時(shí)候，也想到用(yòng)一片單片集(jí)成電路來完(wan)成頻率信号(hao)的🏒産生及其(qí)🈲分類工作，也(yě)*可以實現電(diàn)路的功能，但(dan)是要想實現(xiàn)高精度要求(qiu)❓，有些困難。zui後(hou)還是選擇㊙️用(yòng)單片機來完(wan)成頻率的産(chan)生工作。

*個頻率，超聲(shēng)波的發射中(zhong)心頻率，信号(hào)本來就是 40kHz，并由單片(piàn)機的 P3． 0口輸出。這(zhe)是由單片機(jī)内部的定時(shi)器由軟件編(biān)程所産生，具(jù)🍓體✏️需要由程(cheng)序來設定。

第二個頻(pin)率就是單片(piàn)機進行數碼(ma)顯示的計數(shù)頻率，在🙇‍♀️計算(suan)🔅之🐉前首先要(yao)明确我們要(yào)設計的超聲(shēng)波😘測距❤️精度(du)是多少，而在(zài)本設計中，設(she)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發射(she)器的聲波傳(chuán)播到反射物(wù)，再由反射物(wù)反射到接🐇收(shou)器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(lí)，而大家知道(dao)，聲波在标準(zhun)氣壓下 15℃的傳播速度(du)爲 341m／ s，因此，我們要(yào)設計成在一(yi)個時鍾周期(qi)内超聲波所(suǒ)傳播的距離(lí)爲 0.02mm，這樣(yàng)便可以計算(suan)出定時器的(de)溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在一(yī)個時鍾周期(qī)内所測的距(ju)離便爲 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離(lí)爲 N×； 0.01m， N個周期(qi)有 N個方(fāng)脈沖，也就是(shi)說，計數器測(cè)得的脈沖數(shu) N即爲被(bèi)測距離，不過(guò)其單位爲 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示器(qì)的小數點點(diǎn)在百位數和(he)個位數之問(wèn)📐，那麽示值是(shi)以“米"爲單位(wèi)，其zui大顯示值(zhí)爲 9.99m。

4 設計方案

4.1 實現功能(néng)

本設計(jì)主要的實現(xian)功能如下：

由單片機(jī)産生頻率爲(wèi) 40kHz的方波(bō)脈沖信号，超(chāo)聲波發射端(duan)發出信号，遇(yù)到障礙物返(fǎn)回，被接收端(duān)接收到。由單(dan)片機計算出(chū)探頭與障礙(ai)物🍓之間的距(jù)離，這就是被(bèi)測距離。

技術指标：

設計精度(du)爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測(cè)量距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統結構(gòu)

系統的(de)基本組成包(bao)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大(dà)器 (LM386)，超聲(shēng)波發射，接收(shou)探頭。

4.3 系(xi)統方案

要使整個系(xì)統能夠正常(cháng)、順利的工作(zuo)，就得有一個(ge)🚶好的硬件🔆和(hé)軟件。

本(ben)方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核(hé)心，通過對其(qi)進行軟件編(bian)程，實現該單(dan)片機對其外(wài)圍電路的适(shì)時控制，并提(tí)供給外圍電(diàn)路各種所需(xu)🌈的信号，包括(kuò)頻🎯率振蕩信(xìn)号、數據處理(li)信号等🌂等，大(dà)大😍簡化了外(wài)圍電路的設(she)計難度，同時(shí)更重要的是(shì)該種設計方(fang)案大大節省(sheng)😍了設計成本(běn)，并且由㊙️于是(shì)采用軟件編(biān)程技術，所以(yi)其移植☔性能(neng)好，在設計電(diàn)路時可以✍️将(jiang)其他更多的(de)功能設計進(jin)去，而我們在(zài)設計電路闆(pan)時就可以根(gen)據自己的設(she)計目的焊接(jie)元件。

在(zài)初始方案設(shè)計時，我打算(suan)在超聲波發(fā)射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控(kòng)電路，當 R=1； (S=0)時複位(wèi)，即 Q=0； S=l(R=0)時置位，當上(shàng)電複位時， D觸發器 CD4013的 Q腳(jiǎo)輸出低電平(ping)加到單片機(jī)的 P3-3口，不(bu)啓動内部計(jì)數器，處于等(děng)待狀态。

在超聲波接(jie)收端設計了(le)一個信号放(fang)大電路，采用(yong)兩級同♋相交(jiāo)流放大器，通(tong)過參數設置(zhi)，每一級放大(da)了約🍓 20倍(bei)，這樣經過兩(liang)級放大後，接(jie)收到的超聲(sheng)波信号就被(bèi)放大了幾乎(hu)是 400倍，完(wan)夠被後續檢(jian)測電路檢測(cè)到。接收傳感(gan)器 L2将反(fan)射的超聲波(bo)轉換爲電信(xin)号後，由放大(dà)器放大後再(zai)送到由 U1B、 U1C等組成(cheng)的斯密特整(zheng)形電路整理(li)成規範的方(fang)脈沖。電阻 R11和電位器(qì) R12爲同相(xiàng)端提供直流(liu)偏置電位。需(xū)要注意的是(shi)這兩個直流(liú)偏⭐置電阻的(de)作用是相當(dang)重要的，它可(kě)以很好地穩(wen)定運放 A741的直流工作(zuò)點，不緻于使(shǐ)其同相輸入(ru)端出現浮動(dòng)狀态，而㊙️造成(cheng)輸入信号不(bu)穩定。

由(you)于本超聲波(bō)測距系統精(jing)度要求是 lcm，故本人在(zai)進行距離顯(xian)示電路部分(fèn)的設計時用(yong)到😍了三個數(shu)碼管，其可以(yǐ)顯示範圍爲(wèi) 0． Olm至(zhì) 9． 99m，爲(wèi)了節省硬件(jian)開銷，本距離(li)顯示電路沒(méi)有使用譯碼(mǎ)器🔞，而是直接(jie)有效地利用(yong)了單片機的(de)有限端口來(lai)進行譯碼顯(xiǎn)⛱️示，但是zui後⛱️由(yóu)于仍然缺少(shao)一個端口😄，故(gù)用到了一個(ge)🔴二一四❓譯碼(ma)器✔️ 74LS139。

經過老師指(zhǐ)導，對初始設(she)計方案進行(hang)修改，将原超(chao)聲波發射電(dian)路改成用芯(xin)片 LM386發射(shè)，不使用原有(yǒu)的門控電路(lu)。原超聲波接(jiē)收電路改成(chéng)用集成 CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路(lù)。由于采取了(le)系統優化方(fāng)案，大大節省(sheng)了單片機的(de)接口，原本因(yīn)爲單片機機(ji)接口不夠而(er)擴展的 74LS139芯片被省略(lue)，數碼管位選(xuan)直接接在單(dān)片機接口上(shàng)🌐。這㊙️些優化大(da)🌂大簡化了設(shè)計的複雜度(du)和焊接時的(de)困難度。

在軟件方面(mian)采用 C語(yu)言來編程，用(yòng) C語言來(lai)編寫目标系(xi)統軟件，會大(da)大縮短開發(fā)周期，且明顯(xiǎn)地增加軟件(jian)的可讀性，便(bian)于改進和擴(kuo)充。