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(guò)人的聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(sheng)波。近二、三十年(nián) ,特别是近(jin)十年來，由于電(dian)子技術及壓電(dian)陶瓷材料的發(fa)展❓，使超📧聲檢測(ce)技術得到了迅(xun)速的發展。超聲(shēng)技術是一門以(yi)物理、電子、機械(xiè)、及材料學爲基(ji)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(jiē)收的物理過程(chéng)👈而完成的。超聲(shēng)波具有聚束、定(ding)向及反射、透射(she)等特性。

超(chao)聲檢測技術是(shi)利用超聲波在(zai)媒質中的傳播(bo)特性 (聲速(sù)、衰減、反射、聲阻(zu)抗等 )來實(shi)現對非聲學量(liang) (如密度、濃(nóng)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(yú)超聲波在介質(zhì)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(bō)的聲時，振幅，波(bo)形，頻率等發生(shēng)相應變化，測定(ding)這些規律的變(bian)❄️化，便可得到材(cái)料的👅某些性質(zhi)與内部構造情(qíng)況。與傳統超聲(sheng)技術*不同，新的(de)超聲技術具有(you)以下特點：在不(bu)破壞媒質特性(xìng)的情況下實現(xiàn)🔱非接觸性測量(liàng)💛，環境适應能力(lì)🍉強，可實現在線(xiàn)♻️測量。

1． 2 超聲波發生器(qì)的種類

爲(wei)了研究和利用(yong)超聲波，人們已(yi)經設計和制成(chéng)了許多🏃🏻‍♂️超🎯聲💋波(bo)發生器。總體上(shàng)講，超聲波發生(shēng)器可以分爲兩(liǎng)大類：一類是用(yong)電器方式産生(shēng)超聲波，一類是(shì)用機械方式㊙️産(chǎn)生超聲波，電器(qì)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(qi)流旋笛等。它們(men)所産生的超聲(sheng)😍波的頻率，功🌐率(lü)和聲波特性各(ge)不相同，因而用(yong)途也各不相同(tong)。目前較爲常用(yòng)的是壓電式超(chāo)聲波發生器。雅(yǎ)典市超🛀🏻聲💛波發(fā)生器實際上✉️是(shì)利用壓電晶體(ti)的諧振來工作(zuò)的。

它有兩(liang)個壓電晶片和(hé)一個共振闆。當(dāng)它的兩極外加(jiā)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(zhèn)闆振動，便産生(sheng)超聲波。反之，如(rú)果兩電極間外(wai)未加電壓，當🐪共(gòng)振闆接受到超(chao)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(chāo)聲波接受器了(le)。

2 研究的意(yi)義

2.1 超聲波(bo)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(chuan)播，繞射小，穿透(tou)力強，指向性強(qiang)，傳輸過程中衰(shuai)減少，能量消耗(hào)緩慢，在介質中(zhong)傳播的距離較(jiào)遠，遇到雜質或(huò)分界面時會産(chan)生反射波，因而(ér)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(yan)直線傳播，它的(de)應用就是按照(zhào)這兩個特點展(zhǎn)❤️開的。

超聲(shēng)波與一般聲波(bo)比較，它的振動(dòng)頻率高，而且波(bō)長✨短，因而具有(you)束射特性，方向(xiang)性強，可以定向(xiàng)傳播，其能量遠(yuǎn)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(yì)

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(gong)能🎯上是不能與(yu)商品的，高精度(dù)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(qì)件更換容易，成(chéng)本低，有一定靈(líng)活性。但不适宜(yí)用于測量過于(yu)或者過大的距(jù)離，容易産生誤(wù)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(yao)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(yīn)爲頻率發生電(diàn)路是整個電路(lù)的核心 ,有(yǒu)單片機發生的(de)頻率必須準确(què) ,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(fang)案的時候，也想(xiǎng)到用一片單片(piàn)集成電路來完(wan)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(ji)來完成頻率的(de)産生工作。

*個頻率，超聲波(bo)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(ruǎn)件編程所産生(sheng)，具體需要由程(cheng)序來設定。

第二個頻率就(jiù)是單片機進行(hang)數碼顯示的計(jì)數頻率㊙️，在計算(suàn)之前首先要明(míng)确我們要設計(jì)的超聲波測距(jù)精度是多少，而(ér)😘在本設計中，設(she)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(lí)爲 2倍測量(liàng)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(zài)一個時鍾周期(qi)内超聲波所傳(chuan)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(shì) 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(suo)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(lí)，不過其單位爲(wei) 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(shù)之問，那麽示值(zhí)是以“米"爲單位(wei)，其zui大顯示值爲(wèi) 9.99m。

4 設計(jì)方案

4.1 實現(xiàn)功能

本設(she)計主要的實現(xian)功能如下：

由單片機産生(sheng)頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号(hào)，超聲波發射端(duan)發出信号，遇到(dao)障礙物返回，被(bèi)接收端接收到(dao)。由單片機計算(suàn)出探頭與障礙(ai)物之間的距離(lí)，這就是被測距(ju)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(zhi) 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統(tong)的基本組成包(bao)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼管顯(xian)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fāng)案

要使整(zheng)個系統能夠正(zheng)常、順利的工作(zuo)，就得有一個好(hǎo)的硬件和軟件(jian)。

本方案以(yǐ)單片機 ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通過對其(qi)進行軟件編程(cheng)，實現該單片機(jī)對其外圍電路(lu)的适時控制，并(bing)提供給外圍電(diàn)路各種✨所需😘的(de)信号，包括頻率(lü)振蕩信号、數據(ju)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(zhòng)要的是該種設(shè)計方案大大節(jie)省了設計成本(běn)，并且由☔于是采(cai)用軟件編程技(ji)術，所以其移植(zhí)性能好，在設👄計(jì)電路時可以将(jiāng)其他更多的功(gōng)能設計進去，而(ér)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(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設計時，我(wo)打算在超聲波(bo)發射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shi)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(dī)電平加到單片(pian)機的 P3-3口，不(bú)啓動内部計數(shù)器，處于等待狀(zhuang)态。

在超聲(sheng)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(shu)設置，每一級放(fang)大了約🐆 20倍(bèi)，這樣經過兩級(ji)放大後，接收到(dào)的超聲波信号(hao)就🚶被🧑🏽‍🤝‍🧑🏻放大了幾(jǐ)乎是 400倍，完(wán)夠被後續檢測(ce)電路檢測到。接(jie)收傳感器 L2将反射的超聲(sheng)波轉換爲電信(xìn)号後，由放大器(qi)放大🐪後再送到(dào)由 U1B、 U1C等(deng)組成的斯密特(te)整形電路整理(lǐ)成規範的方脈(mò)沖。電阻 R11和(hé)電位器 R12爲(wei)同相端提供直(zhi)流偏置電位。需(xu)要注意的是這(zhe)兩個㊙️直流偏置(zhi)電阻的作用是(shi)相當重要的，它(ta)可以很好地穩(wen)定運放 A741的(de)直流工作點，不(bú)緻于使其同相(xiang)輸入端出現浮(fu)動狀态，而造成(cheng)輸入信号不穩(wen)定。

由于本(běn)超聲波測距系(xi)統精度要求是(shi) lcm，故本人在(zài)進行距離顯示(shi)電路部分的設(she)計時用到✍️了㊙️三(sān)個數碼管，其可(ke)以顯示範圍爲(wèi) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jiē)省硬件開銷，本(ben)距離顯示電路(lu)沒有使用譯⛹🏻‍♀️碼(mǎ)器，而是直♍接有(you)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(yī)個端口，故用到(dào)了一個二一四(sì)譯碼器 74LS139。

經過老師指(zhi)導，對初始設計(ji)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(she)，不使用原有的(de)門控電路。原超(chāo)聲波接收電路(lù)改成用集成 CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路。由(yóu)于采取了系統(tong)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(jie)口不夠🈲而擴🌂展(zhan)的 74LS139芯片被(bèi)省略，數碼管位(wèi)選直接接在單(dan)片機接口上。這(zhè)些優化🤩大大簡(jian)化了設計的複(fu)雜度和焊接時(shi)的困難度。

在軟件方面采(cǎi)用 C語言來(lai)編程，用 C語(yu)言來編寫目标(biao)系統軟件，會大(dà)大縮短開發周(zhou)期🌈，且明顯地增(zēng)加軟件的可讀(dú)性，便于改進和(hé)擴充。