如何(he)使超聲(shēng)波設計(jì)中應用(yòng)及擴充(chong)

1 智(zhì)能超聲(sheng)波距離(li)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(sheng)波測距(ju)

超(chao)聲波是(shì)指超過(guo)人的聽(tīng)覺範圍(wei)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二(er)、三十年(nián) ,特(tè)别是近(jìn)十年來(lai)，由于電(dian)子技術(shu)及壓電(diàn)陶瓷材(cái)料的發(fā)展，使💛超(chāo)聲檢測(ce)技術得(de)到了迅(xun)速的發(fā)展。超聲(shēng)技術是(shì)一門以(yǐ)物理、電(dian)子、機械(xiè)、及材料(liào)學爲基(ji)礎的通(tōng)用技術(shu)之一。超(chao)聲技術(shù)是通過(guò)超聲波(bō)産生、傳(chuan)播及接(jie)收的🆚物(wu)理過程(chéng)而完成(cheng)的。超聲(shēng)波具有(yǒu)聚束、定(ding)向及反(fan)射、透射(shè)等特性(xing)。

超(chāo)聲檢測(ce)技術是(shi)利用超(chao)聲波在(zài)媒質中(zhong)的傳播(bo)特🧑🏽‍🤝‍🧑🏻性 (聲速(sù)、衰減、反(fan)射、聲阻(zǔ)抗等 )來實(shi)現對非(fei)聲學量(liàng) (如(rú)密度、濃(nóng)度、強度(du)、彈性、硬(ying)度、粘度(du)、溫度、流(liú)速、流量(liàng)、液位、厚(hòu)度、缺陷(xiàn)等 )的測定(dìng)。它的基(jī)本原理(li)是基于(yu)超聲波(bo)在介質(zhi)中傳播(bo)🌈時遇到(dào)不🙇🏻同的(de)界面，将(jiang)産生反(fǎn)射，折射(shè)，繞射，衰(shuai)減等現(xian)🏃‍♀️象，從而(er)使傳播(bo)的聲時(shi)，振幅，波(bo)形，頻率(lü)等發生(shēng)相應變(biàn)化，測定(ding)這些規(guī)律的變(biàn)化，便可(kě)得到材(cái)料的某(mǒu)些性質(zhi)與内部(bu)構造情(qíng)況。與📐傳(chuán)統超聲(sheng)🔴技術*不(bu)同，新的(de)超聲技(jì)術具有(yǒu)以下特(tè)點：在不(bu)破🐉壞媒(mei)質特性(xing)的情況(kuang)下實現(xiàn)非接觸(chù)性測量(liang)🔞，環境适(shi)應能力(li)🎯強，可實(shí)現在線(xian)測量。

1． 2 超聲波(bo)發生器(qi)的種類(lei)

爲(wèi)了研究(jiū)和利用(yòng)超聲波(bo)，人們已(yi)經設計(ji)和制成(cheng)了許多(duō)❌超聲波(bō)發生器(qì)。總體上(shang)講，超聲(shēng)波發生(shēng)器可以(yǐ)分爲兩(liǎng)大🌍類：一(yī)類是用(yòng)電📱器方(fang)式産生(sheng)超聲波(bō)，一類是(shi)用機🤞械(xiè)方式産(chǎn)生超聲(sheng)波，電器(qi)方式♈包(bao)括壓電(diàn)型，磁緻(zhi)伸縮型(xíng)和電動(dòng)型等；機(jī)械🌈方式(shì)有加爾(ěr)統笛，液(ye)哨和氣(qi)流旋笛(di)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(sheng)波的頻(pin)率，功率(lü)和聲波(bo)特🐪性🧑🏽‍🤝‍🧑🏻各(ge)不相同(tóng)，因而用(yong)途也各(ge)不相同(tóng)。目前較(jiao)爲常用(yòng)的是壓(yā)電式超(chao)聲波發(fa)生器。雅(ya)典市超(chāo)聲波發(fā)生器實(shí)際上♋是(shì)利用壓(yā)電晶體(tǐ)的諧振(zhen)來工作(zuò)的。

它有兩(liǎng)個壓電(diàn)晶片和(he)一個共(gòng)振闆。當(dāng)它的兩(liang)極外加(jia)脈沖信(xin)号，其頻(pín)率等于(yu)壓電晶(jing)片的固(gu)有震蕩(dàng)頻率時(shi)🤩，壓電晶(jīng)片将會(hui)發生共(gong)振，并帶(dài)動共振(zhèn)闆振動(dong)，便産生(sheng)超聲波(bō)。反之，如(ru)果兩電(dian)極間外(wài)未加電(diàn)壓，當💋共(gòng)振闆接(jie)受到超(chāo)聲波時(shi)，将壓迫(pò)壓電晶(jīng)片做震(zhen)動📞，将機(jī)械能轉(zhuǎn)換爲點(dian)信号，這(zhè)時它就(jiù)成爲超(chāo)聲波接(jiē)受器了(le)。

2 研(yán)究的意(yi)義

2.1 超聲波(bo)用于距(ju)離測量(liàng)的優勢(shi)

由(you)于超聲(shēng)波頻率(lǜ)較高，沿(yan)直線傳(chuan)播，繞射(she)小，穿透(tou)力強，指(zhǐ)向性💚強(qiáng)，傳輸過(guò)程中衰(shuāi)減少，能(neng)量消耗(hao)緩慢，在(zai)介質中(zhong)傳👉播的(de)距離較(jiao)遠，遇到(dào)雜質或(huò)分界面(mian)時會産(chǎn)生反射(she)波，因而(er)超聲波(bo)經常用(yòng)于距離(lí)的測量(liang)。超聲波(bo)有兩😍個(gè)特點，一(yi)個是能(neng)量大，一(yī)個是沿(yán)直線傳(chuan)播，它的(de)應用就(jiù)是按照(zhào)這兩個(ge)特點展(zhǎn)開的。

超聲(sheng)波與一(yī)般聲波(bō)比較，它(ta)的振動(dòng)頻率高(gao)，而且波(bō)🥰長短，因(yin)而具有(yǒu)束射特(te)性，方向(xiang)性強，可(kě)以定向(xiang)傳播✔️，其(qi)能量遠(yuan)遠大于(yu)振幅相(xiang)同的一(yi)般聲波(bo)，并且具(jù)有很高(gāo)的穿透(tòu)能力。

2.2 研究(jiū)的意義(yì)

本(běn)設計采(cǎi)用單片(pian)機來實(shí)現智能(neng)超聲波(bō)測距，雖(suī)其在功(gong)能上是(shì)不能與(yǔ)商品的(de)，高精度(dù)的智能(neng)超聲波(bō)測距儀(yi)相比的(de)，但優🚩點(dian)在于系(xì)統規模(mo)較小，器(qì)件更換(huàn)容易，成(chéng)本低，有(yǒu)一定靈(ling)活性。但(dan)不适宜(yí)用于測(cè)量過于(yu)或者過(guò)大的距(jù)離，容易(yi)産生誤(wu)差。

3 研究的(de)關鍵技(ji)術

3.1 頻率發(fā)生

本設計(ji)中共用(yòng)到了兩(liǎng)個重要(yào)的頻率(lǜ) ,爲(wèi)了實現(xiàn)輸出頻(pín)率的性(xìng) ,在(zai)設計時(shí)用到了(le)單片機(jī) ,因(yin)爲頻率(lü)發生電(dian)路是整(zhěng)個電路(lù)的核心(xin) ,有(yǒu)單片機(ji)發生的(de)頻率必(bi)須準确(què) ,否(fǒu)則測得(dé)的距離(li)顯示會(huì)産生很(hěn)大誤差(cha)。在考慮(lü)整體方(fāng)案的時(shí)候，也想(xiang)到用一(yī)片單片(pian)集成電(diàn)路來完(wán)成頻率(lǜ)信号的(de)産生及(jí)其分類(lèi)工作，也(ye)*可以實(shi)現電路(lu)的功💃🏻能(néng)，但是🐕要(yào)想實現(xian)高精度(du)要求，有(you)些困難(nan)。zui後還是(shi)選擇用(yong)單片機(ji)來完成(cheng)頻☎️率的(de)産生工(gong)作。

*個頻率(lü)，超聲波(bō)的發射(shè)中心頻(pin)率，信号(hào)本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dān)片機的(de) P3． 0口輸(shū)出。這是(shì)由單片(piàn)機内部(bu)的定時(shi)器由軟(ruǎn)件編程(chéng)❗所産生(shēng)💃，具體需(xū)要由程(cheng)序來設(shè)定。

第二個(ge)頻率就(jiu)是單片(piàn)機進行(hang)數碼顯(xian)示的計(ji)數頻率(lü)，在計算(suan)之前首(shou)先要明(ming)确我們(men)要設計(ji)的超聲(sheng)波測距(ju)精度是(shi)多少，而(ér)在本設(shè)計中，設(she)計精度(dù)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(sheng)波發射(shè)器的聲(shēng)波傳播(bō)到反射(she)物，再由(yóu)反射物(wu)反射到(dao)接收器(qì)，所傳播(bo)的距離(li)爲 2倍測量(liàng)距離，而(er)大家知(zhi)道，聲波(bō)在标準(zhun)氣壓下(xià) 15℃的(de)傳播速(su)度爲 341m／ s，因此，我(wo)們要設(she)計成在(zài)一個時(shí)鍾周期(qī)内超聲(sheng)波所傳(chuan)播的距(ju)離爲 0.02mm，這樣(yang)便可以(yi)計算出(chu)定時器(qì)的溢出(chū)頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shì) 17.05kHz，這(zhe)樣在一(yi)個時鍾(zhōng)周期内(nèi)所測的(de)距離便(bian)爲 0.01m。 N個(ge)周期所(suǒ)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(yǒu) N個(ge)方脈沖(chòng)，也就是(shi)說，計數(shu)器測得(de)的脈沖(chong)數 N即爲被(bèi)測距離(li)，不過其(qi)單位爲(wèi) 0.01m，因(yin)此應把(ba)計數顯(xian)示器的(de)小數點(dian)點在百(bǎi)位數和(hé)個位數(shu)之問，那(nà)麽示值(zhi)是以“米(mǐ)"爲單位(wei)，其zui大顯(xiǎn)示值爲(wei) 9.99m。

4 設計(ji)方案

4.1 實現(xian)功能

本設(she)計主要(yao)的實現(xian)功能如(ru)下：

由單片(pian)機産生(shēng)頻率爲(wei) 40kHz的(de)方波脈(mo)沖信号(hào)，超聲波(bo)發射端(duān)發出信(xìn)号，遇到(dào)障💃🏻礙物(wù)返回，被(bei)接收端(duān)接收到(dào)。由單片(pian)機計算(suan)出探頭(tou)與障礙(ai)物之間(jiān)的距離(lí)，這就是(shì)被測距(ju)離。

技術指(zhi)标：

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

4.2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的基本(běn)組成包(bao)括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數(shù)碼管顯(xiǎn)示 )，集成運(yùn)放 (CX20106)，集成放(fang)大器 (LM386)，超聲(sheng)波發射(shè)，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fang)案

要使整(zhěng)個系統(tǒng)能夠正(zhèng)常、順利(li)的工作(zuo)，就得有(you)一個好(hǎo)的硬件(jian)和軟件(jiàn)。

本(běn)方案以(yi)單片機(ji) ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通(tōng)過對其(qi)進行軟(ruan)件編程(cheng)，實現該(gai)單片機(ji)對⭕其外(wài)圍💞電路(lù)的适時(shí)控制，并(bing)提供給(gei)外圍電(dian)路各種(zhǒng)所需的(de)信🌏号，包(bāo)括頻率(lü)振蕩信(xìn)号、數據(ju)處理信(xìn)号等🤟等(děng)，大大簡(jiǎn)化了外(wai)圍電🧡路(lu)的設計(ji)難度，同(tóng)時更重(zhòng)要的是(shi)該種設(shè)計方案(àn)大大節(jiē)省🍉了設(she)計成本(ben)，并且由(yóu)于是采(cǎi)用軟件(jian)編程技(ji)術，所以(yi)其移植(zhi)性能好(hǎo)，在設🔞計(jì)電路時(shi)可以将(jiang)其他更(geng)多的功(gōng)能設計(ji)進去，而(ér)我們在(zài)設計電(dian)路闆時(shi)就可以(yi)根據自(zi)己的設(she)計目的(de)♈焊㊙️接元(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設(she)計時，我(wo)打算在(zài)超聲波(bō)發射端(duan)使用 RS觸發(fā)器 CD4013作爲門(mén)控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shi)複位，即(jí) Q=0； S=l(R=0)時置(zhi)位，當上(shang)電複位(wei)時， D觸發器(qì) CD4013的(de) Q腳(jiǎo)輸出低(dī)電平加(jiā)到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nei)部計數(shù)器，處于(yu)等待狀(zhuang)态。

在超聲(sheng)波接收(shou)端設計(jì)了一個(ge)信号放(fàng)大電路(lù)，采用兩(liang)級同相(xiàng)交流放(fàng)大器，通(tong)過參數(shu)設置，每(mei)一級放(fang)大了約(yue) 20倍(bèi)，這樣經(jing)過兩級(jí)放大後(hou)，接收到(dao)的超聲(shēng)波信号(hao)就被放(fàng)大😘了幾(jǐ)🐅乎是 400倍，完(wán)夠被後(hou)續檢測(ce)電路檢(jiǎn)測到。接(jie)收傳感(gǎn)器 L2将反射(shè)的超聲(shēng)波轉換(huàn)爲電信(xìn)号後，由(yóu)放大器(qì)放大後(hou)再👉送到(dao)由 U1B、 U1C等(děng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(lǐ)成規範(fan)的方脈(mo)沖。電阻(zu) R11和(he)電位器(qi) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhi)流偏置(zhi)電位。需(xu)要注意(yi)的是這(zhe)兩個🔞直(zhi)📱流偏置(zhi)電阻的(de)作用是(shi)相當重(zhòng)要的，它(tā)可以很(hěn)好地穩(wen)定運放(fang) A741的(de)直流工(gōng)作點，不(bú)緻于使(shǐ)其同相(xiàng)輸入端(duān)出現浮(fú)動狀态(tài)，而造🔅成(cheng)輸入信(xin)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bo)測距系(xi)統精度(dù)要求是(shì) lcm，故(gù)本人在(zài)進行距(jù)離顯示(shì)電路部(bu)分的設(shè)計時用(yòng)到了三(sān)個✌️數碼(mǎ)👅管，其可(kě)以顯示(shi)範圍爲(wei) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jie)省硬件(jiàn)開銷，本(běn)距離顯(xiǎn)示電路(lu)沒有使(shǐ)用譯碼(mǎ)器，而是(shi)❄️直接有(you)效地利(li)用了單(dān)片機的(de)有限端(duān)口來進(jin)行譯碼(ma)顯🔴示，但(dan)是zui後由(yóu)于仍然(rán)缺少一(yi)個端口(kou)，故用到(dào)了一個(ge)二一四(sì)譯碼器(qì) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhi)導，對初(chu)始設計(jì)方案進(jìn)行修改(gai)，将原超(chao)聲波發(fa)射🔞電路(lù)改成用(yòng)芯片 LM386發射(she)，不使用(yòng)原有的(de)門控電(diàn)路。原超(chao)聲波接(jiē)收電路(lu)改成用(yong)🌈集成🍓 CX20106，省掉(diao)了之前(qian)的放大(dà)電路。由(yóu)于采取(qǔ)了系統(tǒng)優化方(fang)案❌，大🌐大(da)節省🐪了(le)單片機(ji)的接口(kǒu)，原本因(yin)爲單片(pian)機機接(jiē)口不夠(gòu)而擴展(zhan)的✏️ 74LS139芯片被(bèi)省略，數(shu)碼管位(wei)選直接(jiē)接在單(dan)片機接(jiē)口上。這(zhè)㊙️些💰優化(huà)大大簡(jiǎn)化了設(shè)計的複(fu)雜度和(he)焊接時(shi)的困難(nán)度。

在軟件(jian)方面采(cai)用 C語言來(lai)編程，用(yong) C語(yu)言來編(bian)寫目标(biāo)系統軟(ruǎn)件，會大(dà)大縮短(duan)開發周(zhōu)期，且⭕明(míng)❌顯地增(zēng)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻加軟件(jian)的可讀(dú)性，便于(yu)改進和(he)擴充。