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(li)提示器

1． 1 什麽是(shì)超聲波測距(jù)

超聲波(bō)是指超過人(rén)的聽覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的(de)聲波。近二、三(sān)十年 ,特(tè)别是近十年(nian)來，由于電子(zi)技術及壓電(diàn)陶瓷材料的(de)發展，使🏃超聲(sheng)檢測技術得(dé)到了迅速的(de)發展。超聲❗技(jì)術🈲是一門以(yi)物理㊙️、電子、機(ji)械、及材料學(xué)爲基礎的通(tong)用技術之一(yi)。超聲技術是(shi)通過超聲波(bo)産生、傳播❌及(ji)接收的物理(lǐ)過程而完成(chéng)的。超聲波具(jù)有聚束、定向(xiàng)及反射、透射(shè)等特性。

超聲檢測技(ji)術是利用超(chāo)聲波在媒質(zhì)中的傳播特(te)性 (聲速(su)、衰減、反射、聲(sheng)阻抗等 )來實現對非(fēi)聲學量 (如密度、濃度(dù)、強度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫度(du)、流速、流量、液(ye)🥵位、厚度🌐、缺💜陷(xiàn)等 )的測(cè)定。它的基本(běn)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(xiàn)象，從而使傳(chuan)播的聲時，振(zhèn)幅，波形，頻率(lǜ)等發生相應(yīng)變化，測定這(zhè)些規⛷️律的變(bian)化，便可得到(dào)材料的某些(xie)性質⁉️與内部(bu)構造情況。與(yu)傳統超聲技(jì)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(qíng)況下實現非(fēi)接觸性測量(liang)，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(wèi)了研究和利(li)用超聲波，人(rén)們已經設計(jì)和制成了許(xu)多😘超聲波發(fa)生器。總體上(shang)講，超聲波發(fā)生器可以分(fen)爲兩大類：一(yi)類是❌用電器(qi)方式産生超(chāo)聲波，一類是(shi)用機械方式(shi)産生超聲波(bo)，電器方式包(bāo)括壓電型，磁(cí)緻伸縮型和(hé)電動型等；機(ji)械方式有加(jia)爾統笛，液哨(shao)和氣流旋笛(dí)等。它們所産(chǎn)生的超聲波(bō)的頻率，功⛷️率(lü)和聲波特性(xing)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(chāo)聲波發生器(qì)。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(you)兩個壓電晶(jīng)片和一個共(gong)振闆。當它的(de)兩極外加脈(mo)沖🎯信号，其頻(pín)率等于壓電(dian)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(zhen)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(zhèn)闆接受到超(chao)聲波時，将壓(yā)迫壓電晶片(pian)做震動，将機(jī)械能轉換爲(wei)點信号，這時(shi)它就成爲超(chāo)聲波接受器(qi)了。

2 研究(jiū)的意義

2.1 超聲波用于(yu)距離測量的(de)優勢

由(you)于超聲波頻(pin)率較高，沿直(zhi)線傳播，繞射(she)小，穿透力強(qiáng)，指向性強，傳(chuán)輸過程中衰(shuai)減少，能量消(xiāo)耗緩慢，在💁介(jiè)質中傳播的(de)距離📧較遠，遇(yu)到雜質或分(fèn)界面時會💰産(chan)生反射波，因(yīn)🔞而超聲❌波經(jing)常用于距👅離(li)的測量。超聲(sheng)波有兩個特(tè)點，一個是能(neng)量大，一個是(shi)沿直線傳播(bō)，它的應用就(jiù)是按照這兩(liǎng)個特點展開(kai)的。

超聲(shēng)波與一般聲(shēng)波比較，它的(de)振動頻率高(gao)，而且波長短(duǎn)，因而具🐇有束(shu)射特性，方向(xiang)性強，可以定(dìng)向傳播，其能(neng)量遠遠大于(yu)振幅相同的(de)一般聲波，并(bìng)且具有很高(gāo)的穿透能力(lì)。

2.2 研究的(de)意義

本(ben)設計采用單(dan)片機來實現(xian)智能超聲波(bo)測距，雖其在(zài)功能上🔆是不(bu)能與商品的(de)，高精度的智(zhì)能超聲波測(cè)距儀相比的(de)，但優🐅點在于(yu)系統規模較(jiào)小，器件更換(huàn)容易，成本低(dī)🌈，有一定靈活(huo)性。但不适宜(yí)用于測量過(guo)于或者過大(da)的距離，容易(yi)産✊生誤差。

3 研究的關(guān)鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中(zhōng)共用到了兩(liang)個重要的頻(pín)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pín)率的性 ,在設計時用(yòng)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(bì)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(huì)産生很大誤(wù)差。在考慮整(zheng)體方💞案的時(shi)候，也想到用(yong)一片單片集(jí)成電路來完(wán)成頻率信号(hao)的💃🏻産生及其(qi)分類工作，也(ye)*可以實現電(dian)路的功⛹🏻‍♀️能，但(dan)是要想實✏️現(xian)高精度要求(qiú)，有些困難。zui後(hou)還是選擇用(yòng)單片機來完(wán)成頻率的産(chǎn)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(pian)機的 P3． 0口輸出。這(zhè)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(chéng)序來設定。

第二個頻(pin)率就是單片(pian)機進行數碼(mǎ)顯示的計數(shù)頻率，在計算(suàn)之前首先要(yào)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(shè)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發射(she)器的聲波傳(chuan)播到反射物(wu)，再由反射物(wu)反✏️射到接收(shōu)🌍器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(lí)，而大家知道(dào)，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(yī)個時鍾周期(qi)内超聲波所(suǒ)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻傳播的距離(lí)爲 0.02mm，這樣(yang)便可以計算(suàn)出定時器的(de)溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在一(yi)個時鍾周期(qī)内所測的距(jù)離便爲 0.01m。 N個周期(qī)所測的距離(lí)爲 N×； 0.01m， N個周期(qī)有 N個方(fang)脈沖，也就是(shì)說，計數器測(ce)得的脈沖數(shù) N即爲被(bèi)測距離，不過(guò)其單位爲 0.01m，因此應把(ba)計數顯示器(qì)的小數點點(diǎn)在百位數和(he)個位數之問(wen)，那麽示值是(shi)以“米"爲單位(wèi)，其zui大顯示值(zhi)爲🔞 9.99m。

4 設計方案

4.1 實現功能(néng)

本設計(ji)主要的實現(xian)功能如下：

由單片機(ji)産生頻率爲(wèi) 40kHz的方波(bo)脈沖信号，超(chāo)聲波發射端(duān)發出信号，遇(yu)到障⚽礙物✔️返(fan)回，被接收端(duan)接收到。由單(dān)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(dù)爲 lcm，也就(jiu)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(bāo)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼(ma)管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大(da)器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收(shou)探頭。

4.3 系(xi)統方案

要使整個系(xi)統能夠正常(chang)、順利的工作(zuò)，就得有一個(gè)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(qí)進行軟件編(bian)程，實現該單(dan)片機對其外(wài)圍電🐇路的适(shi)時控制，并提(tí)供給外圍電(dian)路各種所需(xu)的信号，包括(kuò)頻率振蕩信(xin)号、數據處理(lǐ)信号等等，大(dà)大簡化了外(wài)圍電🍓路的設(shè)計難度，同時(shi)更重要㊙️的是(shì)該種設計方(fāng)案大大節省(shěng)🍓了設計成本(běn)，并且由于是(shi)采用軟件編(bian)程技術，所以(yi)其移植性能(néng)好，在設計電(diàn)路時可以将(jiang)其他更多的(de)功能設計進(jìn)去，而我們在(zai)設計電路闆(pan)時就可以根(gen)據自己的設(shè)計目的焊☂️接(jie)元件。

在(zài)初始方案設(shè)計時，我打算(suàn)在超聲波發(fa)射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控(kong)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(jiao)輸出低電平(píng)加到單片機(ji)的 P3-3口，不(bú)啓動内部計(jì)數器，處于等(děng)待狀态。

在超聲波接(jiē)收端設計了(le)一個信号放(fàng)大電路，采用(yong)兩級同相交(jiao)流放大器，通(tōng)過參數設置(zhì)，每一級放大(dà)了約🔴 20倍(bei)，這樣經過兩(liǎng)級放大後，接(jie)收到的超聲(shēng)波信号就被(bèi)♊放大了幾✍️乎(hu)是 400倍，完(wán)夠被後續檢(jian)測電路檢測(cè)到。接收傳感(gǎn)器 L2将反(fǎn)射的超聲波(bo)轉換爲電信(xìn)号後，由放大(da)器放大後♻️再(zài)送到由 U1B、 U1C等組成(chéng)的斯密特整(zhěng)形電路整理(lǐ)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(xu)要注意的是(shi)這兩🏒個直流(liú)偏置電阻的(de)作用是相當(dāng)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(shi)其同相輸入(ru)端出現浮動(dòng)狀态，而造成(cheng)輸入信号不(bú)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(zài)進行距離顯(xian)示電路部分(fen)的設計時用(yòng)到了三個數(shù)碼💞管，其可以(yi)顯示範圍爲(wei) 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(ma)器㊙️，而🌈是直接(jie)有效地利用(yòng)了單片機的(de)有限端口來(lái)進行譯🙇‍♀️碼顯(xiǎn)示，但是zui後由(yóu)于仍然缺少(shǎo)一個端口，故(gù)用到了一個(ge)🐕二一四譯碼(mǎ)器 74LS139。

經過老師指(zhǐ)導，對初始設(she)計方案進行(háng)修改，将原超(chao)聲波發射電(diàn)路改成用芯(xin)片 LM386發射(she)，不使用原有(you)的門控電路(lù)。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(fang)案，大🛀大節省(shěng)了單片機的(de)接口，原本因(yīn)爲單片機機(jī)接口不夠👉而(er)擴展的 74LS139芯片被省略(luè)，數碼管位選(xuǎn)直接接在單(dan)片機接口上(shang)。這些優😍化大(da)大簡化了設(she)計的複雜度(du)和焊接時的(de)困難度。

在軟件方面(miàn)采用 C語(yǔ)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(kuò)充。