如何使超聲(shēng)波設計中應用(yòng)及擴充

1 智(zhi)能超聲波距離(lí)提示器

1． 1 什麽是超聲(shēng)波測距

超(chao)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(diàn)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(yi)🐆物理、電子、機械(xiè)、及材料學爲基(jī)礎的通用技🏃術(shu)之一。超聲技術(shù)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(dìng)🛀向及反射、透射(shè)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(bo)特性 (聲速(su)、衰減、反射、聲阻(zu)抗等 )來實(shi)現對非聲學量(liàng) (如密度、濃(nong)度、強度、彈性、硬(ying)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(dào)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(bo)的聲時，振幅，波(bō)形，頻率等發生(shēng)相應變化，測定(ding)這些規律的變(biàn)化，便可得到材(cai)料的某些性質(zhì)與内部構造情(qing)況。與傳統超聲(sheng)⭐技術*不同，新的(de)超聲技術具有(yǒu)以下特點：在不(bu)破💁壞媒質特性(xìng)的情況下實現(xian)非接觸性測量(liàng)，環境适應能力(li)強，可🥰實現在線(xiàn)測量。

1． 2 超聲波發生器(qi)的種類

爲(wèi)了研究和利用(yòng)超聲波，人們已(yǐ)經設計和制成(chéng)了💁許🈲多超聲波(bo)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(yòng)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(xíng)和電動型等；機(ji)械方式有加爾(er)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(lǜ)和聲波特性各(ge)不相同，因而用(yòng)途也各不相同(tóng)。目🍉前較爲常用(yong)的是壓電式超(chāo)聲波發生器。雅(yǎ)典市超聲波發(fa)生器實際上🥰是(shi)利用壓電晶體(tǐ)的諧振來工作(zuò)的。

它有兩(liang)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(jing)片的固有震蕩(dàng)頻率時，壓電晶(jīng)片将會發生共(gòng)振，并帶動共振(zhen)闆振動，便産生(shēng)超聲波。反之，如(ru)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(zhuan)換爲點信号，這(zhè)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(yóu)于超聲波頻率(lǜ)較高，沿直線傳(chuán)播，繞射小，穿透(tou)力強，指💛向性強(qiáng)，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(jiào)遠🐆，遇到雜質或(huo)分界面時會産(chǎn)生反射波，因而(er)超聲🤟波經常用(yòng)于距離的測量(liang)。超🔆聲波有兩個(ge)特點，一個是能(neng)量大，一個是沿(yán)直線傳播，它的(de)應用就是按照(zhào)這兩個特點展(zhan)開的。

超聲(shēng)波與一般聲波(bō)比較，它的振動(dong)頻率高，而且波(bō)長短，因而具有(yǒu)束射特性，方向(xiang)性強，可以定向(xiàng)傳播，其能量遠(yuan)🥰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(yi)

本設計采(cai)用單片機來實(shi)現智能超聲波(bō)測距，雖其在功(gōng)😍能上🙇‍♀️是不能與(yǔ)商品的，高精度(du)的智能超聲波(bō)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(ling)活性。但不适宜(yi)用于測量過于(yú)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(yào)的頻率 ,爲(wèi)了實現輸出頻(pín)率的性 ,在(zai)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(lu)的核心 ,有(yǒu)單片機發生的(de)頻率必須準确(que) ,否則測得(de)的距離顯示會(hui)産生很大誤差(cha)。在考慮整體方(fāng)案🚶‍♀️的時候，也想(xiang)到用一片單片(pian)集成電路來完(wán)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(xian)高精度要求，有(yǒu)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(pín)率，信号本來就(jiù)是 40kHz，并由單(dān)片機的 P3． 0口輸出。這是(shi)由單片機内部(bu)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(jiu)是單片機進行(háng)數碼顯示的計(ji)數頻率，在計算(suan)之前首先要明(míng)确我們要設計(ji)的超聲波測距(ju)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(shēng)波發射器的聲(sheng)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(li)爲 2倍測量(liang)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(wo)們要設計成在(zai)一個時鍾周期(qī)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(suǒ)測的距離爲 N×； 0.01m， N個(ge)周期有 N個(gè)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(li)，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(wèi)，其zui大顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xiàn)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(li)，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(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(bāo)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼管顯(xiǎn)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收探(tan)頭。

4.3 系統方(fang)案

要使整(zhěng)個系統能夠正(zhèng)常、順利的工作(zuo)，就得有一個好(hao)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(cheng)，實現該單片機(jī)對其外圍電路(lù)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(lü)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(zhong)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(cǎi)用軟件編程技(ji)術，所以其移植(zhí)性能好，在設🤟計(ji)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(yi)根據自己的設(shè)計目的👈焊接元(yuan)件。

在初始(shǐ)方案設計時，我(wǒ)打算在超聲波(bō)發射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shí)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(pian)機的 P3-3口，不(bú)啓動内部計數(shu)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(shù)設置，每一級放(fàng)大了約 20倍(bei)，這樣經過兩級(jí)放大後，接收到(dao)的超聲波信号(hào)就被放💁大了幾(ji)乎是 400倍，完(wán)夠被後續檢測(cè)電路檢測到。接(jie)收傳感器 L2将反射的超聲(shēng)波轉換爲電信(xìn)号後，由放大器(qi)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(zhí)流偏置電位。需(xū)要注意的是這(zhè)兩個直流偏✏️置(zhì)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(fú)動狀态，而造成(cheng)輸入信号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波測距系(xi)統精度要求是(shì) lcm，故本人在(zai)進行距離顯示(shì)電路部分的設(shè)計時用到了三(san)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(lu)沒有使用譯碼(mǎ)❓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(yi)個端口，故用到(dao)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(gǎi)，将原超聲波發(fa)射電🏃路改成用(yong)芯片 LM386發射(shè)，不使用原有的(de)門控電路。原超(chao)聲波接收電路(lù)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(yin)爲單片機機接(jiē)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(jiǎn)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(biāo)系統軟件，會大(dà)大縮短開發周(zhōu)期，且明顯👄地增(zeng)加軟件的可讀(du)性，便于改進和(hé)擴充。