如(rú)何使超聲(shēng)波設計中(zhong)應用及擴(kuo)充

1 智(zhì)能超聲波(bo)距離提示(shi)器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測(ce)距

超(chao)聲波是指(zhi)超過人的(de)聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲波。近(jin)二、三十年(nián) ,特别(bié)是近十年(nian)來，由于電(dian)子技術及(jí)壓電陶瓷(cí)材料的發(fa)展，使超聲(sheng)檢測技術(shu)得到了迅(xùn)速的發展(zhan)。超聲💃技術(shu)是一門以(yǐ)物理、電子(zǐ)、機械、及材(cái)料學爲基(ji)礎的通用(yòng)技術之一(yi)。超聲技術(shù)是通過超(chao)聲波産生(shēng)、傳播及接(jiē)收的物理(li)過程而完(wan)成的。超聲(sheng)波具有聚(ju)束、定向及(ji)反射、透射(she)等特性。

超聲檢(jiǎn)測技術是(shì)利用超聲(shēng)波在媒質(zhi)中的傳播(bo)特性 (聲速、衰減(jiǎn)、反射、聲阻(zu)抗等 )來實現對(dui)非聲學量(liang) (如密(mì)度、濃度、強(qiang)度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫(wēn)度、流速、流(liu)量、液位、厚(hòu)度、缺陷✍️等(deng) )的測(cè)定。它的基(ji)本原理是(shi)基于超聲(sheng)波在介質(zhì)中傳播👨‍❤️‍👨時(shí)遇到🤩不同(tong)的界面，将(jiang)産生反射(shè)，折射，繞射(she)，衰減等現(xian)象，從🏃🏻‍♂️而使(shi)傳播的聲(sheng)😘時，振幅，波(bō)形，頻率等(deng)發生相應(yīng)變🆚化，測定(ding)這些規律(lǜ)的變㊙️化，便(biàn)可得到材(cái)料的某些(xiē)性質與内(nèi)部構造情(qing)況。與傳統(tǒng)超聲技術(shu)*不同✍️，新的(de)超聲技術(shu)具有以下(xia)特點：在不(bu)破壞媒質(zhì)特性❤️的情(qíng)況下實現(xian)非接觸性(xing)測量🏒，環境(jing)适應能力(li)強，可🌈實現(xiàn)在線測量(liang)。

1． 2 超聲波發(fā)生器的種(zhǒng)類

爲(wei)了研究和(hé)利用超聲(shēng)波，人們已(yǐ)經設計和(hé)制成了許(xǔ)多超聲波(bō)🔆發生器。總(zong)體上講，超(chāo)聲波發生(sheng)器可以分(fèn)爲兩大類(lei)：一😍類是🏃用(yòng)電器方式(shi)産生超聲(sheng)波，一類是(shi)用機械方(fāng)式産生超(chāo)聲波，電🈲器(qi)方式包括(kuò)壓電型，磁(cí)緻伸縮型(xíng)和電動型(xing)等；機械方(fāng)式有加✌️爾(er)統笛，液哨(shào)和氣流旋(xuán)笛等。它們(men)所産生的(de)超聲波的(de)頻率，功率(lü)和聲波特(tè)性各不相(xiàng)同，因而用(yòng)途也各不(bú)相❤️同。目♊前(qián)較爲常用(yòng)的是☎️壓電(diàn)式超聲波(bo)發生器。雅(yǎ)典市超聲(sheng)波發生器(qì)實際上🌂是(shi)利用壓電(diàn)晶體的諧(xié)振來工🙇‍♀️作(zuò)的。

它(ta)有兩個壓(ya)電晶片和(he)一個共振(zhen)闆。當它的(de)兩極外加(jiā)脈沖信号(hao)，其頻率等(deng)于壓電晶(jīng)片的固有(yǒu)震蕩頻率(lǜ)時❌，壓電晶(jīng)片将會發(fā)生共振，并(bing)帶動共振(zhèn)闆振動，便(bian)産生超聲(shēng)波。反之，如(ru)果兩電極(jí)間外未加(jiā)電壓，當共(gòng)振闆接受(shòu)到超聲🤩波(bo)時，将壓迫(po)壓電晶🈲片(piàn)做震動✊，将(jiang)機械能轉(zhuǎn)換爲點信(xìn)号，這時它(tā)就成✔️爲超(chāo)聲波接受(shòu)器了。

2 研究的意(yi)義

2.1 超(chao)聲波用于(yú)距離測量(liàng)的優勢

由于超(chao)聲波頻率(lü)較高，沿直(zhí)線傳播，繞(rao)射小，穿透(tòu)力強，指向(xiang)⚽性💔強，傳輸(shu)過程中衰(shuāi)減少，能量(liàng)消耗緩慢(màn)，在介質中(zhōng)傳播的距(jù)離較遠，遇(yù)到雜質或(huò)分界面時(shí)會💋産生反(fǎn)射波，因而(er)超聲波經(jing)常用于距(ju)離的測量(liang)。超聲波有(yǒu)兩個特點(diǎn)，一個是能(néng)量☔大，一個(ge)是沿直線(xian)傳👌播，它的(de)應用就是(shi)按照這兩(liǎng)個特點展(zhan)開的。

超聲波與(yu)一般聲波(bō)比較，它的(de)振動頻率(lü)高，而且波(bo)👅長🌈短，因🌈而(ér)具有束射(shè)特性，方向(xiàng)性強，可以(yi)定向傳播(bō)，其能量遠(yuan)遠大🏃‍♂️于振(zhèn)幅相同的(de)一般聲波(bō)，并且具有(yǒu)很高的穿(chuān)透能力。

2.2 研究的(de)意義

本設計采(cǎi)用單片機(jī)來實現智(zhì)能超聲波(bo)測距，雖其(qi)在🐇功能上(shang)是不能與(yu)商品的，高(gāo)精度的智(zhi)能超聲波(bo)🤟測距☎️儀相(xiàng)比的，但優(yōu)🈲點在于系(xi)統規模較(jiao)小，器件更(geng)換容易，成(chéng)本低，有一(yī)定靈活性(xing)。但不适宜(yi)用于測量(liàng)過于或者(zhě)過大的距(jù)👉離，容易産(chan)生誤差。

3 研究的(de)關鍵技術(shu)

3.1 頻率(lǜ)發生

本設計中(zhong)共用到了(le)兩個重要(yao)的頻率 ,爲了實(shi)現輸出頻(pin)率的性 ,在設計(ji)時用到了(le)單片機 ,因爲頻(pin)率發生電(dian)路是整個(gè)電路的核(hé)心 ,有(yǒu)單片機發(fa)生的頻率(lǜ)必須準确(què) ,否則(zé)測得的距(ju)離顯示會(huì)産生很大(da)誤差。在考(kǎo)慮整🤞體方(fang)案的時🌈候(hòu)，也想到用(yong)一片單片(piàn)集成電路(lu)來完成頻(pín)💋率信号的(de)産生及其(qi)分類工作(zuo)，也*可以實(shí)現電♊路的(de)功能，但是(shì)要想實現(xiàn)高精度要(yào)求，有些困(kùn)難。zui後還是(shì)選擇用單(dan)片機來完(wan)成頻率的(de)産生工作(zuo)。

*個頻(pin)率，超聲波(bo)的發射中(zhōng)心頻率，信(xin)号本來就(jiu)是 40kHz，并(bing)由單片機(ji)的 P3． 0口輸出(chu)。這是由單(dan)片機内部(bu)的定時器(qi)由軟件編(bian)程所✊産生(sheng)，具體需要(yao)由程序來(lái)設定。

第二個頻(pin)率就是單(dān)片機進行(háng)數碼顯示(shì)的計數頻(pín)率，在計算(suàn)之♌前首先(xian)要明确我(wo)們要設計(jì)的超聲波(bo)測距精度(du)是多少，而(ér)🔴在本設計(jì)中，設計精(jing)度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發(fa)射器的聲(sheng)波傳播到(dao)反射物，再(zai)由反射物(wù)‼️反射到接(jie)🚩收器，所傳(chuan)播的距離(li)爲 2倍(bei)測量距離(li)，而大家知(zhī)道，聲波在(zai)标準氣壓(ya)下 15℃的(de)傳播速度(du)爲 341m／ s，因此，我(wo)們要設計(ji)成在一個(gè)時鍾周期(qi)内超聲波(bo)所傳播的(de)距離💃🏻爲 0.02mm，這樣便(biàn)可以計算(suàn)出定時器(qì)的溢出頻(pín)率是 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在(zài)一個時鍾(zhong)周期内所(suǒ)測的距離(li)便爲 0.01m。 N個周(zhōu)期所測的(de)距離爲 N×； 0.01m， N個周期(qi)有 N個(gè)方脈沖，也(yě)就是說，計(jì)數器測得(de)的脈沖數(shù) N即爲(wei)被測距離(li)，不過其單(dan)位爲 0.01m，因此應把(ba)計數顯示(shi)器的小數(shu)點點在百(bai)位數和個(ge)💃位數🌍之問(wen)，那麽示值(zhí)是以“米"爲(wei)單位，其zui大(da)顯示值爲(wei)🛀 9.99m。

4 設計方案(an)

4.1 實現(xiàn)功能

本設計主(zhu)要的實現(xiàn)功能如下(xià)：

由單(dan)片機産生(shēng)頻率爲 40kHz的方波(bō)脈沖信号(hào)，超聲波發(fā)射端發出(chu)信号，遇到(dào)障✏️礙♈物返(fan)🚩回🏃‍♂️，被接收(shou)端接收到(dào)。由單片機(jī)計算出探(tàn)頭與障礙(ài)物之間的(de)距離，這就(jiu)是被測距(ju)離。

技(jì)術指标：

設計精(jīng)度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測量(liang)距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統的基(ji)本組成包(bao)括：單片機(ji) (89C2051)， LCD(數碼管顯(xiǎn)示 )，集(ji)成運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波發(fā)射，接收探(tan)頭。

4.3 系(xì)統方案

要使整(zheng)個系統能(néng)夠正常、順(shun)利的工作(zuò)，就得有一(yī)個好📱的硬(ying)件和軟件(jiàn)。

本方(fāng)案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通過(guò)對其進行(háng)軟件編程(cheng)，實現該單(dān)片機對其(qi)外圍電路(lù)💃的适時控(kong)制，并提供(gong)給外圍電(diàn)路各種所(suo)需的信号(hào)，包括頻👉率(lǜ)振蕩信号(hào)、數據處理(lǐ)信号等等(deng)，大大簡化(hua)了外圍電(diàn)路的設計(jì)難度，同時(shí)更重要的(de)是該種設(shè)計方案大(da)大節省了(le)設計成本(běn)，并且由于(yú)是采用軟(ruǎn)件編程技(ji)術，所以其(qí)移植性能(neng)好，在設計(jì)電路時可(kě)🚩以🚶将其他(tā)更多的功(gōng)能設計進(jin)去，而我❄️們(men)在設計電(diàn)路闆時就(jiu)可以根據(ju)自己的設(shè)計目的焊(hàn)接元件。

在初始(shi)方案設計(ji)時，我打算(suàn)在超聲波(bo)發射端使(shǐ)用 RS觸(chu)發器 CD4013作爲門控(kòng)電路，當 R=1； (S=0)時(shí)複位，即 Q=0； S=l(R=0)時(shi)置位，當上(shang)電複位時(shi)， D觸發(fā)器 CD4013的(de) Q腳輸(shu)出低電平(ping)加到單片(piàn)機的 P3-3口，不啓動(dong)内部計數(shu)器，處于等(děng)待狀态。

在超聲(shēng)波接收端(duān)設計了一(yi)個信号放(fàng)大電路，采(cǎi)用兩💁級同(tong)相交流放(fàng)大器，通過(guò)參數設置(zhì)，每一級放(fang)大了約 20倍，這樣(yang)經過兩級(jí)放大後，接(jie)收到的超(chāo)聲波信号(hao)就被放大(da)了幾乎是(shi) 400倍，完(wán)夠被後續(xù)檢測電路(lu)檢測到。接(jie)收傳感器(qì) L2将反(fǎn)射的超聲(sheng)波轉換爲(wèi)電信号後(hou)，由放大器(qì)放大後再(zài)送📧到由 U1B、 U1C等(deng)組成的斯(si)密特整形(xíng)電路整理(li)成規範的(de)方脈沖。電(diàn)阻 R11和(he)電位器 R12爲同相(xiang)端提供直(zhi)流偏置電(diàn)位。需要注(zhu)意的是這(zhè)兩個直流(liú)偏☎️置電阻(zǔ)的作用是(shi)相當重要(yao)的，它可以(yǐ)很好地穩(wen)定㊙️運放 A741的直流(liu)工作點，不(bú)緻于使其(qi)同相輸入(ru)端出現浮(fú)動狀态，而(er)🤞造成輸入(ru)信号不穩(wěn)定。

由(yóu)于本超聲(sheng)波測距系(xi)統精度要(yao)求是 lcm，故本人在(zài)進行距離(li)顯示電路(lù)部分的設(she)計時用到(dao)了三個數(shù)碼管，其可(kě)以顯示範(fan)圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wèi)了節省硬(ying)件開銷，本(ben)距離顯示(shi)電路沒有(yǒu)使用譯碼(ma)器，而是直(zhí)接有效地(dì)利用了單(dan)片機的有(yǒu)限端口來(lái)進行譯碼(ma)顯示，但🏃‍♂️是(shi)zui後由于仍(réng)然缺少一(yī)個端口，故(gu)用到⭐了一(yi)個🈲二一四(sì)譯碼器 74LS139。

經(jīng)過老師指(zhǐ)導，對初始(shi)設計方案(àn)進行修改(gǎi)，将原超聲(shēng)波發射💯電(diàn)👄路改成用(yong)芯片 LM386發射，不使(shi)用原有的(de)門控電路(lu)。原超聲波(bō)接收電路(lu)⛹🏻‍♀️改成用♍集(ji)成 CX20106，省(sheng)掉了之前(qian)的放大電(dian)路。由于采(cai)取了系統(tong)優化方🔴案(àn)，大大節♋省(sheng)👅了單片機(ji)的接口，原(yuán)本因爲單(dan)片機機👨‍❤️‍👨接(jiē)口不夠而(er)擴展的 74LS139芯片被(bei)省略，數碼(mǎ)管位選直(zhi)接接在單(dan)片機接口(kǒu)上。這些優(yōu)化✌️大大簡(jian)化了設計(jì)的複雜度(du)和焊接時(shí)的困難度(du)。

在軟(ruǎn)件方面采(cǎi)用 C語(yǔ)言來編程(chéng)，用 C語(yǔ)言來編寫(xie)目标系統(tǒng)軟件，會大(dà)大縮短開(kai)發周期，且(qie)明顯地增(zēng)加軟件的(de)可讀性，便(biàn)于改進和(hé)擴充。