如何使(shǐ)超聲波設計(jì)中應用及擴(kuò)充

1 智能(néng)超聲波距離(li)提示器

1． 1 什麽是(shi)超聲波測距(jù)

超聲波(bo)是指超過人(rén)的聽覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的(de)聲波。近二、三(sān)十年 ,特(te)别是近十年(nián)來，由于電子(zi)技術及壓電(diàn)陶瓷材料的(de)發展，使超🏃🏻‍♂️聲(shēng)檢測技術得(de)到了迅速的(de)發展。超聲技(ji)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(bō)産生、傳播及(jí)接收的👈物理(li)過程而完成(cheng)的。超聲波具(jù)有聚束、定🈲向(xiang)及反射、透🏃射(she)等特性。

超聲檢測技(jì)術是利用超(chao)聲波在媒質(zhi)中的傳播特(tè)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(du)、強度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫度(dù)、流速、流量、液(ye)🔆位👅、厚度🤞、缺陷(xian)等 )的測(cè)定。它的基本(ben)原理是基于(yu)超聲波在介(jie)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(zhen)幅，波形，頻率(lü)等發生相應(yīng)變化，測定這(zhè)些規律的變(biàn)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(ji)術*不同🏃，新的(de)超聲技術具(ju)有以下特點(diǎn)：在不破壞媒(méi)質特性💘的情(qíng)況下實現非(fei)接觸性測量(liang)🤟，環境适應能(néng)力🔆強，可實現(xiàn)在線⭕測量。

1． 2 超聲(shēng)波發生器的(de)種類

爲(wei)了研究和利(lì)用超聲波，人(ren)們已經設計(ji)和制成了♌許(xu)多超㊙️聲波發(fā)生器。總體上(shàng)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(chao)聲波，一類是(shi)用機🧡械方式(shì)産生超聲波(bō)，電器方式包(bao)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(chan)生的超聲波(bō)的頻率，功✉️率(lǜ)和聲波特📱性(xìng)各不相同，因(yīn)而用途也各(gè)不相同。目前(qián)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(zuo)的。

它有(you)兩個壓電晶(jing)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(diàn)晶片的固有(yǒu)震蕩頻率時(shi)，壓電晶片将(jiang)會發生共振(zhèn)，并帶動共振(zhen)闆振動，便産(chǎn)生超聲波。反(fan)之，如果兩電(dian)極間外🌂未加(jia)電壓，當共振(zhen)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(wèi)點信号，這時(shí)它就成爲超(chao)聲波接受器(qi)了。

2 研究(jiū)的意義

2.1 超聲波用于(yú)距離測量的(de)優勢

由(you)于超聲波頻(pín)率較高，沿直(zhí)線傳播，繞射(she)小，穿透力強(qiáng)，指向性強💚，傳(chuán)輸過程中衰(shuāi)減少，能量消(xiao)耗緩慢，在介(jiè)質中傳播的(de)距離🍓較遠，遇(yù)到雜質或分(fen)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(te)點，一個是能(neng)量大，一個是(shì)沿直線傳⭕播(bo)，它的應用🔴就(jiu)是按照這兩(liǎng)個特點展開(kāi)的。

超聲(shēng)波與一般聲(sheng)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(néng)量遠遠大于(yú)振幅相☎️同的(de)一般聲波，并(bìng)且具有很高(gao)的穿透能💃🏻力(li)。

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(bú)能與商品的(de)，高精度的智(zhì)能超聲波測(ce)距儀相比的(de)🌂，但優點在于(yu)系統規模較(jiào)小，器件更換(huan)容易，成本低(dī)，有一定靈活(huó)性。但不适宜(yi)用于測量過(guò)于或者過大(dà)的距離，容易(yì)産生誤差。

3 研究的關(guan)鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中(zhong)共用到了兩(liang)個重要的頻(pín)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pin)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(lù)的核心 ,有單片機發(fā)生的頻率必(bi)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(huì)産生很大誤(wu)差。在考慮整(zhěng)體方案的時(shi)候，也想到用(yong)一片單片集(ji)成電路來完(wán)💜成頻率信号(hao)的産生及其(qí)分類工作，也(yě)*可以實現電(dian)路的功能，但(dan)是要想實現(xian)高精度要求(qiu)，有些困難。zui後(hòu)還是選擇用(yong)單片機💚來完(wan)成頻率的産(chǎn)生工作。

*個頻率，超聲(shēng)波的發射中(zhōng)心頻率，信号(hao)本來就是 40kHz，并由單片(piàn)機的 P3． 0口輸出。這(zhè)是由單片機(jī)内部的定時(shí)器由軟件編(biān)程所産生，具(ju)體需要由程(cheng)序來設定。

第二個頻(pín)率就是單片(pian)機進行數碼(ma)顯示的計數(shu)頻率，在計算(suàn)之🔴前首先要(yào)明确我們要(yào)設計的超聲(sheng)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(shou)器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(lí)，而大家知道(dao)，聲波在标準(zhǔn)氣壓下 15℃的傳播速度(dù)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(suo)傳播⭐的距離(li)爲 0.02mm，這樣(yang)便可以計算(suan)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(yī)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(shi)說，計數器測(cè)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(bǎ)計數顯示器(qì)的小數點點(diǎn)在百位數和(he)個位💋數☂️之問(wèn)，那🐆麽示值是(shì)以“米"爲單位(wei)，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(jī)産生頻率爲(wei) 40kHz的方波(bo)脈沖信号，超(chao)聲波發射端(duān)發出信号，遇(yu)到障礙物返(fǎn)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(ju)離，這💜就是被(bèi)測距離。

技術指标：

設計精度(dù)爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測(cè)量距離由 0m至 9.99m。

4.2 系統結構(gou)

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(dà)器 (LM386)，超聲(shēng)波發射，接收(shōu)探頭。

4.3 系(xi)統方案

要使整個系(xi)統能夠正常(cháng)、順利的工作(zuò)，就得有一個(ge)好的♋硬件和(he)軟件。

本(běn)方案以單片(piàn)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(wai)圍♍電路的适(shì)時控制，并提(ti)供給外圍電(dian)路各種所需(xū)的信🍓号，包括(kuò)頻率振蕩信(xìn)号、數據處理(lǐ)信号等等，大(da)大簡化了外(wài)圍電路的設(shè)✨計難度，同時(shí)更重要的是(shì)該種設計方(fang)案大大節省(sheng)了設計成🧡本(běn)，并且由于是(shi)采用軟件編(biān)程技術，所以(yǐ)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(jin)去，而我們在(zai)設計電路闆(pan)⛷️時就可以根(gen)據自己的設(she)計目的焊接(jiē)元件。

在(zài)初始方案設(shè)計時，我打算(suan)在超聲波發(fā)射端使用 RS觸發器 CD4013作爲門控(kong)電路，當 R=1； (S=0)時複位(wei)，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(jie)收端設計了(le)一個信号放(fang)大電路，采用(yòng)㊙️兩級同👌相交(jiāo)流放大器，通(tong)過參數設置(zhì)，每一級放大(da)了約 20倍(bei)，這樣經過兩(liǎng)級放大後，接(jie)收到的超聲(sheng)波信号就被(bei)放大了幾乎(hū)是 400倍，完(wan)夠被後續檢(jiǎn)測電路檢測(cè)到。接收傳感(gan)器 L2将反(fǎn)射的超聲波(bō)轉換爲電信(xìn)号後，由放大(dà)器放大後再(zai)送🈲到由 U1B、 U1C等組成(chéng)的斯密特整(zheng)形電路整理(li)成規範的方(fāng)脈沖🛀🏻。電阻 R11和電位器(qi) R12爲同相(xiang)端提供直流(liú)偏置電位。需(xū)要注意的是(shì)這兩個直流(liú)偏置電阻的(de)作用是相當(dang)重要的，它可(kě)以很💋好地穩(wěn)定運放 A741的直流工作(zuò)點，不緻于使(shǐ)其同相輸入(ru)端出現浮動(dong)㊙️狀态，而造成(cheng)輸入信号不(bú)穩定。

由(you)于本超聲波(bo)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(fèn)的設計時用(yong)到🙇‍♀️了三個數(shu)碼管，其可以(yǐ)顯示範圍爲(wei) 0． Olm至(zhi) 9． 99m，爲(wei)了節省硬件(jiàn)開銷，本距離(lí)顯示電路沒(méi)有使用譯碼(mǎ)👨‍❤️‍👨器，而是直✌️接(jie)有效地利用(yong)了單片機的(de)有限端口來(lai)進行譯碼顯(xian)💯示，但是zui後由(you)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(zhi)導，對初始設(shè)計方案進行(háng)修改，将原超(chao)聲波發射電(diàn)路改成用芯(xīn)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(cheng)用集成 CX20106，省掉了之前(qian)的放大電路(lù)。由于采取了(le)系統優化方(fāng)案⛱️，大大節省(sheng)了單片機的(de)接口，原本因(yin)爲單片機機(ji)接口🔞不夠✊而(er)擴展的👅 74LS139芯片被省略(lue)，數碼管位選(xuan)直接接在單(dān)片機接口上(shàng)。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(mian)采用 C語(yǔ)言來編程，用(yòng) C語言來(lai)編寫目标系(xì)統軟件，會大(dà)大縮短開發(fa)周期，且🌏明🙇🏻顯(xian)地✂️增加軟件(jian)的可讀性，便(biàn)于改進和擴(kuò)充。