如何使超聲波設(she)計中應用及擴充(chōng)

1 智能超聲波(bo)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(sheng)波測距

超聲(sheng)波是指超過人的(de)聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三(sān)十年 ,特别是(shì)近十年來，由于電(dian)子技術及壓電陶(tao)瓷材料的發展🔆，使(shǐ)超♌聲檢測技術得(de)到了迅速的發展(zhǎn)。超聲技術🔴是一🚶門(men)以物理、電子、機械(xiè)、及材料學爲基礎(chu)的通用技術之一(yī)。超聲技術是通過(guo)超聲☀️波産生、傳播(bō)及接收的📞物理過(guò)程而完成的。超聲(sheng)波具有聚束、定🈲向(xiàng)及反射、透射等特(te)性。

超聲檢測(cè)技術是利用超聲(sheng)波在媒質中的傳(chuán)播特性✔️ (聲速(su)、衰減、反射、聲阻抗(kàng)等 )來實現對(duì)非聲學量 (如(ru)密度、濃度、強度、彈(dàn)性、硬度、粘度、溫度(du)、流速、流量、液😄位、厚(hou)度、缺陷等 )的(de)測定。它的基本原(yuán)理是基于超聲波(bo)在介質中傳播時(shí)遇到🌈不同的界面(mian)，将産生反射，折射(she)，繞射，衰減❌等現象(xiang)，從而使傳播的聲(shēng)☂️時，振幅，波形，頻率(lü)等發生相應變化(hua)，測定🔅這些規律的(de)變化，便可得到材(cai)料的某些性質與(yu)内部構造情況。與(yu)傳統超聲技術*不(bú)同，新的超聲技術(shù)具有以下特點：在(zài)不破壞媒質特性(xing)的情況下實現非(fēi)接觸性測量，環境(jing)适應能力強，可實(shi)現在線測量。

1． 2 超聲波發生(sheng)器的種類

爲(wèi)了研究和利用超(chao)聲波，人們已經設(she)計和制成了🎯許多(duo)超🐆聲🛀波發生器。總(zong)體上講，超聲波發(fā)生器可以🍉分爲🐕兩(liang)大類：一👅類是用電(diàn)器方式産生超聲(shēng)波，一類是用機械(xiè)方式産生超聲波(bo)，電器方式包括壓(ya)電型，磁緻伸縮型(xíng)和電動型等；機械(xie)⛷️方式有加爾統笛(di)，液🔴哨和氣流旋笛(dí)等。它們所🎯産生的(de)超聲波的頻率，功(gōng)率和聲波特性各(gè)不相同，因而用途(tú)也各不相同。目前(qián)較爲常用的是壓(yā)電式超聲波發😘生(sheng)器。雅典市超聲波(bō)發生器實際上🐇是(shì)利用壓電晶體的(de)☀️諧振來工作的。

它有兩個壓電(diàn)晶片和一個共振(zhèn)闆。當它的兩極外(wài)加脈沖📧信号，其頻(pin)率等于壓電晶片(pian)的固有震蕩頻率(lü)時🈚，壓電晶片🔆将會(huì)發生🧑🏽‍🤝‍🧑🏻共振，并帶動(dòng)共振闆振動，便産(chǎn)生✨超聲波。反之，如(rú)果兩電極間外未(wei)加電壓，當共振闆(pǎn)接受到超聲波時(shi)，将壓🈲迫壓電晶片(piàn)做震動⭐，将機械能(neng)轉換爲點信号，這(zhe)時它就成💃🏻爲超聲(sheng)波接受器了。

2 研究的意義

2.1 超聲波用于距離(lí)測量的優勢

由于超聲波頻率(lǜ)較高，沿直線傳播(bō)，繞射小，穿透力強(qiáng)👅，指向🏃‍♂️性強，傳輸過(guò)程中衰減少，能量(liang)消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較(jiao)遠，遇到雜質或分(fen)界面時會産生反(fǎn)👣射波，因而超聲🐕波(bo)經常用于距離的(de)測量。超📱聲波有兩(liang)個特點，一個是能(néng)量大，一個是沿直(zhi)線傳❤️播，它的應用(yong)就是按照這兩個(ge)特點展開的。

超聲波與一般聲(shēng)波比較，它的振動(dong)頻率高，而且波長(zhang)短，因而具有束射(she)特性，方向性強，可(ke)以定向傳播✔️，其能(néng)量遠遠大于振幅(fu)相同的一般聲波(bō)，并且具有⭕很高的(de)穿透能✉️力。

2.2 研(yan)究的意義

本(běn)設計采用單片機(jī)來實現智能超聲(sheng)波測距，雖其🌍在🌈功(gong)能上🥰是不能與商(shang)品的，高精度的智(zhì)能超聲波測距儀(yi)相比的，但優點在(zài)于系統規模較小(xiao)，器件更換容易，成(cheng)本低，有一定靈活(huo)性。但不适宜用于(yu)測量過于或者過(guò)大的距離，容易産(chǎn)生誤差。

3 研究(jiū)的關鍵技術

3.1 頻率發生

本(běn)設計中共用到了(le)兩個重要的頻率(lǜ) ,爲了實現輸(shū)出頻率的性 ,在設計時用到了(le)單片機 ,因爲(wei)頻率發生電路是(shi)整個電路的核心(xīn) ,有單片機發(fa)生的頻率必須準(zhun)确 ,否則測得(dé)的距離顯示會産(chǎn)生很大誤差。在考(kao)慮整體方❗案的時(shi)候，也想到用一片(pian)單片集成電路來(lai)完成頻率信号的(de)産生⭕及其分類工(gong)作，也*可以實現電(diàn)☎️路的功能，但是要(yào)想實💋現高精度要(yào)求，有些困難。zui後還(hái)是選擇💚用單片機(ji)來完成頻率的産(chǎn)生工作。

*個頻(pin)率，超聲波的發射(she)中心頻率，信号本(ben)來就是 40kHz，并由(you)單片機的 P3． 0口輸出。這是由(you)單片機内部的定(ding)時器由軟件編程(chéng)💃所☎️産生，具體需要(yào)由程序來設定。

第二個頻率就(jiu)是單片機進行數(shù)碼顯示的計數頻(pin)率，在🏃‍♂️計算之前首(shou)先要明确我們要(yào)設計的超聲波測(cè)距精度是多少，而(ér)在本📞設計中，設計(ji)精度爲 lcm，也是(shi) 0.01m，超聲波發射(shè)器的聲波傳播到(dao)反射物，再由反射(shè)物🌏反射到👌接‼️收器(qi)，所傳播的距離爲(wei) 2倍測量距離(li)，而大家知道，聲波(bō)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wèi) 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計成在一(yi)個時鍾周期内超(chao)聲波所傳播的距(jù)離爲 0.02mm，這樣便(biàn)可以計算出定時(shi)器的溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(ye)就是 17.05kHz，這樣在(zài)一個時鍾周期内(nei)所測的距離便爲(wei) 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離爲 N×； 0.01m， N個周(zhōu)期有 N個方脈(mò)沖，也就是說，計數(shù)器測得的脈沖數(shu) N即爲被測距(ju)離，不過其單位爲(wèi) 0.01m，因此應把計(jì)數顯示器的小數(shu)點點在百位數和(hé)個位數♌之問😍，那麽(me)示值是以“米"爲單(dan)位，其zui大顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計方(fāng)案

4.1 實現功能(neng)

本設計主要(yao)的實現功能如下(xià)：

由單片機産(chǎn)生頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号，超(chāo)聲波發射端發出(chū)信号，遇到障🌍礙物(wu)返⭐回，被接收端接(jie)收到。由單片機計(jì)算出探頭與障礙(ài)物✂️之間🈲的距離，這(zhè)就是被測距離。

技術指标：

設計精度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測(cè)量距離由 0m至(zhi) 9.99m。

4.2 系統結(jie)構

系統的基(jī)本組成包括：單片(piàn)機 (89C2051)， LCD(數碼(ma)管顯示 )，集成(chéng)運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波(bō)發射，接收探頭。

4.3 系統方案

要使整個系統能(neng)夠正常、順利的工(gōng)作，就得有一個好(hao)的📐硬件和軟件。

本方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核心，通(tōng)過對其進行軟件(jian)編程，實現該單片(pian)機對其外圍電路(lu)的适時控制，并提(ti)供給外圍電路各(gè)種所需的信💚号，包(bao)☁️括頻率振🆚蕩信号(hào)、數據處理信号等(děng)🚶‍♀️等，大大簡化了外(wài)圍電路的設計難(nán)度，同時更重要🔆的(de)是該種設計方案(an)大大節省了設計(jì)成本，并且由于是(shi)采用軟件編程技(ji)術，所以其移植性(xìng)能好，在設🈲計電路(lù)時可以将其他更(gèng)多的功能設計進(jin)去，而我🚶們在設計(jì)電路闆時就可🔴以(yǐ)根據自🐕己的設計(ji)目的焊接元件。

在初始方案設(she)計時，我打算在超(chao)聲波發射端使用(yong) RS觸發器 CD4013作爲門控電路，當(dāng) R=1； (S=0)時複位(wèi)，即 Q=0； S=l(R=0)時置(zhi)位，當上電複位時(shi)， D觸發器 CD4013的 Q腳輸出低(dī)電平加到單片機(jī)的 P3-3口，不啓動(dòng)内部計數器，處于(yu)等待狀态。

在(zài)超聲波接收端設(shè)計了一個信号放(fang)大電路，采用兩🔴級(jí)同相交流放大器(qì)，通過參數設置，每(mei)一級放大💁了約 20倍，這樣經過兩(liǎng)級放大後，接收到(dào)的超聲波信号就(jiu)被放大了幾乎是(shì) 400倍，完夠被後(hòu)續檢測電路檢測(ce)到。接收傳感器 L2将反射的超聲(sheng)波轉換爲電信号(hao)後，由放大器放大(dà)後再送到由 U1B、 U1C等組成的斯(sī)密特整形電路整(zhěng)理成規範的方脈(mò)沖。電阻🈲 R11和電(diàn)位器 R12爲同相(xiang)端提供直流偏置(zhi)電位。需要注意的(de)是這兩個直流㊙️偏(pian)置電阻的作用是(shì)相當重要的，它可(ke)以很好地🌈穩定運(yun)放 A741的直流工(gong)作點，不緻于使其(qí)同相輸入端出現(xian)浮動狀态💞，而造成(cheng)輸入信号不穩定(ding)。

由于本超聲(shēng)波測距系統精度(dù)要求是 lcm，故本(ben)人在進行距離顯(xiǎn)示電路部分的設(shè)計時用到了三🤩個(gè)數碼管，其可以顯(xiǎn)示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wei)了節省硬件開銷(xiāo)，本距離顯示電路(lù)沒有使用譯⚽碼器(qi)，而💁是直接有效地(dì)利用了單片機的(de)有限端口來進行(hang)譯碼顯示，但是zui後(hòu)由于仍然缺少一(yī)個端口，故用到❗了(le)一個二一四譯碼(ma)器 74LS139。

經過(guo)老師指導，對初始(shi)設計方案進行修(xiu)改，将原超聲波發(fā)射電路改成用芯(xīn)片 LM386發射，不使(shǐ)用原有的門控電(dian)路。原超聲波接收(shou)電路🧑🏾‍🤝‍🧑🏼改🏃‍♂️成🍉用集🤞成(chéng)💜 CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路。由于(yu)采取了系統優化(hua)方案🌈，大大節省了(le)單片機的接口，原(yuán)本因爲單片機機(jī)🚩接口不夠而擴展(zhan)的 74LS139芯片被省(shěng)略，數碼管位選直(zhi)接接在單片機接(jiē)口上。這些優😄化大(dà)大簡化了設計的(de)複雜度和焊接時(shi)的困難度。

在(zài)軟件方面采用 C語言來編程，用(yong) C語言來編寫(xie)目标系統軟件，會(hui)大大縮短開發周(zhōu)期，且明顯地增加(jia)軟件的可讀性，便(bian)于改進和擴充。