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(bō)距離提示(shi)器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測(ce)距

超(chāo)聲波是指(zhi)超過人的(de)聽覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲波。近(jin)二、三十年(nian) ,特别(bie)是近十年(nián)來，由于電(dian)子技術及(jí)壓電陶瓷(cí)材料的發(fā)展，使超聲(sheng)檢測技術(shu)得到了迅(xun)速的發展(zhan)。超聲技術(shù)是一門以(yi)物理、電子(zi)、機械、及材(cái)料學爲基(jī)礎的♌通用(yong)技術之一(yi)。超聲技術(shu)是通過超(chāo)聲波産生(sheng)、傳播及接(jie)收的物理(lǐ)過程而完(wan)成的☁️。超聲(sheng)波具有聚(jù)束、定向及(ji)反射、透射(shè)等特性。

超聲檢(jian)測技術是(shi)利用超聲(shēng)波在媒質(zhì)中的傳播(bō)特性 (聲速、衰減(jian)、反射、聲阻(zu)抗等 )來實現對(duì)非聲學量(liàng) (如密(mi)度、濃度、強(qiang)度、彈性、硬(ying)度、粘度、溫(wen)度、流速、流(liu)量、液位、厚(hou)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(zhi)中傳✊播時(shi)遇到✂️不同(tong)的界面，将(jiāng)産生反射(she)，折射，繞射(shè)，衰減等現(xiàn)象，從而使(shǐ)傳播的聲(shēng)時，振幅，波(bō)形，頻率等(děng)發生🍓相應(yīng)變化，測定(ding)😍這些規👅律(lü)的變化，便(bian)可🈲得到材(cái)料的某些(xiē)性質與内(nei)部構造情(qíng)況。與💃傳統(tǒng)超聲技術(shù)*不同，新的(de)超聲技術(shu)具有以下(xià)🆚特點：在不(bu)破壞媒質(zhi)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(xian)在線測量(liang)。

1． 2 超聲波發(fa)生器的種(zhǒng)類

爲(wei)了研究和(he)利用超聲(sheng)波，人們已(yi)經設計和(he)制成了許(xǔ)多超聲波(bo)🚩發生器。總(zǒng)體上講，超(chao)聲波發生(shēng)器可以分(fèn)爲兩大類(lèi)：一類是用(yong)電器方式(shì)産生超聲(sheng)波，一類是(shi)用機械方(fāng)式産生超(chāo)聲波，電🐉器(qì)方式包括(kuo)壓電型，磁(ci)緻伸縮🈲型(xing)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(te)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(dian)式💋超聲波(bō)發生器。雅(yǎ)典市超聲(shēng)波發生器(qi)實際上是(shi)利用壓電(dian)晶體🔞的諧(xie)振來工❓作(zuo)的。

它(tā)有兩個壓(yā)電晶片和(he)一個共振(zhen)闆。當它的(de)兩極外✨加(jia)脈沖信号(hào)，其頻率等(deng)于壓電晶(jing)片的固有(you)震蕩頻‼️率(lǜ)時，壓電晶(jīng)片将會發(fa)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(ji)間外未加(jiā)電壓，當共(gong)振闆接受(shou)到超聲波(bō)時，将壓❄️迫(pò)壓電晶片(piàn)做震動，将(jiāng)機械能轉(zhuan)換爲點信(xìn)号，這時它(tā)就成爲超(chao)聲波接🌐受(shòu)器了。

2 研究的意(yì)義

2.1 超(chao)聲波用于(yú)距離測量(liàng)的優勢

由于超(chāo)聲波頻率(lǜ)較高，沿直(zhi)線傳播，繞(rào)射小，穿透(tòu)力🌏強，指向(xiàng)性🈲強🤟，傳輸(shū)過程中衰(shuai)減少，能量(liàng)消耗緩慢(màn)，在介質🚶中(zhong)傳播的距(jù)離較遠，遇(yu)到雜質或(huò)分界面時(shí)會産生反(fǎn)射波，因而(ér)超聲波經(jīng)常♈用于距(jù)離的測量(liang)。超聲波有(yǒu)兩個特點(dian)，一個是能(neng)量大，一個(ge)是沿直線(xiàn)傳✔️播，它的(de)應用就是(shì)按照這🚶‍♀️兩(liǎng)個特點展(zhan)開的。

超聲波與(yǔ)一般聲波(bō)比較，它的(de)振動頻率(lǜ)高，而且波(bō)🌈長短⛱️，因🌈而(ér)具☀️有束射(shè)特性，方向(xiàng)性強，可以(yǐ)定向傳播(bo)，其能🏃‍♂️量遠(yuǎn)遠大于振(zhen)🏒幅相☎️同的(de)一般聲波(bo)，并且具有(you)🛀🏻很高的穿(chuan)透能力。

2.2 研究的(de)意義

本設計采(cǎi)用單片機(ji)來實現智(zhi)能超聲波(bo)測距，雖其(qí)在功✔️能上(shang)是不能與(yǔ)商品的，高(gāo)精度的智(zhì)能超聲波(bō)測距儀相(xiàng)比的，但優(you)🏃點在于系(xi)統規模較(jiao)小，器件更(geng)換容易💃🏻，成(chéng)本低，有一(yi)定靈活性(xìng)。但不适宜(yi)用于測量(liàng)🔴過于或者(zhe)♉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(zhōng)共用到了(le)兩個重要(yao)的頻率 ,爲了實(shi)現輸出頻(pín)率的性 ,在設計(jì)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(he)心 ,有(yǒu)單片機發(fā)生的頻率(lǜ)必須準确(què) ,否則(ze)測得的距(ju)離顯示會(hui)産生很大(da)誤差。在考(kǎo)慮整體方(fāng)案的時候(hòu)，也想到用(yong)一片單片(pian)集成電路(lu)來完成頻(pín)率信号的(de)産生及其(qí)分類工作(zuo)，也*可以實(shí)現電路的(de)功能，但是(shì)要想實🌏現(xian)高精度要(yào)求，有些困(kun)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(bō)的發射中(zhōng)心頻率，信(xin)号本來就(jiù)是 40kHz，并(bìng)由單片機(jī)的 P3． 0口輸出(chū)。這是由單(dān)片機内部(bù)的定時器(qì)由軟件編(biān)程所産生(shēng)⛷️，具體需要(yào)由程序來(lái)設定。

第二個頻(pin)率就是單(dan)片機進行(háng)數碼顯示(shì)的計數頻(pín)率，在🙇‍♀️計算(suàn)之前首先(xiān)要明确我(wo)們要設計(ji)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(shēng)波傳播到(dao)反射物，再(zài)由反射物(wù)反射到接(jie)收器，所傳(chuan)播的距離(lí)爲 2倍(bèi)測量距離(lí)，而大家知(zhi)道，聲波在(zài)标準氣壓(ya)下 15℃的(de)傳播速度(du)爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設計(jì)成在一個(ge)時鍾周期(qī)内超聲波(bō)所傳🏒播的(de)距📞離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算(suàn)出定時器(qì)的溢出頻(pin)率是 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是 17.05kHz，這樣在(zai)一個時鍾(zhong)周期内所(suo)測的距離(lí)便爲 0.01m。 N個周(zhōu)期所測的(de)距離爲 N×； 0.01m， N個周期(qī)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(dān)位爲 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示(shì)器的小數(shù)點點在百(bai)位數和個(gè)位數之問(wen)，那❌麽示值(zhi)是以“米"爲(wei)單位，其zui大(da)顯示值爲(wèi) 9.99m。

4 設計方案(àn)

4.1 實現(xiàn)功能

本設計主(zhu)要的實現(xian)功能如下(xia)：

由單(dān)片機産生(shēng)頻率爲 40kHz的方波(bo)脈沖信号(hao)，超聲波發(fa)射端發出(chu)信号，遇到(dao)障礙物返(fǎn)回✏️，被接收(shōu)端接收到(dao)。由單片機(jī)計算出探(tàn)頭與障礙(ai)物之間的(de)距離，這就(jiù)是被測距(ju)離。

技(ji)術指标：

設計精(jing)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(jī)本組成包(bāo)括：單片機(jī) (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集(ji)成運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波發(fa)射，接收探(tàn)頭。

4.3 系(xì)統方案

要使整(zhěng)個系統能(neng)夠正常、順(shun)利的工作(zuò)，就得有一(yī)個好的硬(ying)件🐇和軟件(jian)。

本方(fāng)案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通過(guo)對其進行(hang)軟件編程(chéng)，實現該單(dan)片機對其(qi)外🌐圍電🔞路(lù)的适時控(kòng)制，并提供(gòng)給外圍電(dian)路各種所(suǒ)需的信号(hao)，包✂️括頻率(lü)振蕩信号(hao)、數據處理(li)信号等等(deng)，大大簡化(hua)了外圍電(dian)路的設🐇計(jì)難度，同時(shí)更重要的(de)是該種設(she)計方案大(dà)大節省了(le)設計成本(běn)，并且由于(yú)是采用軟(ruan)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(ta)更多的功(gong)能設計進(jìn)去，而我🏃‍♂️們(men)在設計電(diàn)路闆時就(jiù)可以根據(ju)自己的設(she)計目的焊(han)♋接元件。

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

在超聲(sheng)波接收端(duan)設計了一(yī)個信号放(fang)大電路，采(cǎi)用兩級同(tong)✊相交流放(fàng)大器，通過(guo)參數設置(zhì)，每一級放(fang)大了約🌈 20倍，這樣(yang)經過兩級(ji)放大後，接(jie)收到的超(chao)聲波信号(hao)就被放大(da)了幾乎是(shi) 400倍，完(wán)夠被後續(xu)檢測電路(lù)檢測到。接(jiē)收傳感器(qi) L2将反(fǎn)射的超聲(sheng)波轉換爲(wèi)電信号後(hòu)，由放大器(qì)放大後再(zài)送到由 U1B、 U1C等(deng)組成的斯(sī)密特整形(xíng)電路整理(lǐ)成規範的(de)方脈沖。電(dian)阻😘 R11和(he)電位器 R12爲同相(xiàng)端提供直(zhí)流偏置電(diàn)位。需要注(zhù)意的是這(zhè)兩個直流(liú)偏置電阻(zu)的作用是(shi)相當重要(yào)的，它可以(yi)很好地穩(wen)定運放 A741的直流(liu)工作點，不(bú)緻于使其(qí)同相輸入(rù)端出現浮(fú)動☀️狀态，而(ér)造☎️成輸入(rù)信号不穩(wen)定。

由(yóu)于本超聲(shēng)波測距系(xì)統精度要(yào)求是 lcm，故本人在(zài)進行距離(lí)顯示電路(lu)部分的設(she)計時用到(dào)⛱️了❓三⭐個數(shu)碼管，其可(kě)以顯示範(fàn)圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wei)了節省硬(yìng)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(dān)片機的有(you)限端口來(lai)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(gai)，将原超聲(shēng)波發射電(dian)路改成用(yong)芯片 LM386發射，不使(shǐ)用原有的(de)門控電路(lù)。原超聲波(bō)接收電路(lu)改成用集(ji)成 CX20106，省(shěng)掉了之前(qián)的放大電(dian)路。由于采(cai)取了系統(tǒng)優化方案(an)，大大節省(shěng)了單片機(ji)的接口，原(yuan)本因爲單(dan)片機機接(jiē)口不夠而(ér)擴展的 74LS139芯片被(bei)省略，數碼(mǎ)管位選直(zhi)接接在單(dān)片機接口(kǒu)上。這些優(yōu)♈化大大簡(jiǎn)化了設計(jì)的複雜度(dù)和焊接時(shí)的困難度(du)。

在軟(ruan)件方面采(cai)用 C語(yǔ)言來編程(chéng)，用 C語(yu)言來編寫(xie)目标系統(tong)軟件，會大(da)大縮短開(kāi)發周期，且(qie)明顯地增(zēng)加軟件的(de)可讀性，便(bian)于改進和(hé)擴充。