如何使超聲波設(she)計中應用及擴充(chong)

1 智能超聲波(bō)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(sheng)波測距

超聲(sheng)波是指超過人的(de)聽覺範圍以上 (16KHZ)的聲波。近二、三(san)十年 ,特别是(shì)近十年來，由于電(dian)子技術及壓電陶(tao)瓷材料的發🔱展，使(shǐ)超聲檢測技術得(dé)到了迅速的發展(zhǎn)。超聲🙇‍♀️技術是一門(men)以物理🤞、電子🌏、機械(xiè)、及材料學爲基礎(chu)的通用技術之一(yī)💚。超聲技術是通過(guo)超聲波産生、傳播(bo)及接收的物理過(guo)程而完成的♉。超聲(sheng)波具🌈有聚束、定向(xiàng)及反射、透射等特(tè)性。

超聲檢測(cè)技術是利用超聲(shēng)波在媒質中的傳(chuan)播特性 (聲速(su)、衰減、反射、聲阻抗(kang)等 )來實現對(dui)非聲學量 (如(rú)密度、濃度、強度、彈(dan)性、硬度、粘度、溫度(du)、流速、流量、液位🐅、厚(hou)度、缺陷等 )的(de)測定。它的基本原(yuan)理是基于超聲波(bo)在介質中傳🥰播時(shi)遇👅到不同的界面(mian)，将産生反射，折射(she)，繞射，衰減等現❌象(xiàng)，從而使傳播的聲(sheng)時，振幅，波形，頻率(lü)等發生🌈相應變化(huà)，測定這些規律的(de)變化，便可得到材(cái)料的某些性質與(yu)内部構造情況。與(yǔ)傳統超聲技術*不(bu)同，新的超聲技術(shu)具有以下特點：在(zài)不破❗壞媒質特性(xing)的情況下實♊現非(fei)接觸性測量，環境(jìng)适應能力強，可實(shí)現在線💞測量。

1． 2 超聲波發生(shēng)器的種類

爲(wei)了研究和利用超(chāo)聲波，人們已經設(shè)計和制成了許多(duō)😍超💰聲波發生器。總(zong)體上講，超聲波發(fā)生器可以💚分爲🈚兩(liǎng)大類：一類是🈲用電(diàn)器方式産生超聲(sheng)波，一類是用機械(xie)方式産生超聲波(bō)，電器方式包括壓(ya)電型，磁緻伸縮😘型(xing)和電動型等；機械(xiè)方式有加爾統笛(di)，液哨和氣流旋‼️笛(di)等。它們所産生的(de)超聲波的頻率，功(gong)率和聲波特性各(ge)不相同，因而🌈用途(tu)也各不相同。目前(qián)較爲常㊙️用的是壓(ya)電式超聲波發生(sheng)器。雅典市超聲波(bō)發生器實際上是(shi)利用壓電晶體🌈的(de)諧振來工作的。

它有兩個壓電(dian)晶片和一個共振(zhèn)闆。當它的兩極外(wài)加脈沖信号，其頻(pín)率等于壓電晶片(pian)的固有震蕩頻率(lǜ)時，壓電晶片将會(huì)發生共振，并帶動(dòng)共振闆振動，便産(chǎn)生超聲波。反之，如(rú)果兩電極間外未(wei)加電壓，當共振闆(pǎn)接受到超聲波時(shí)，将壓迫壓電晶㊙️片(piàn)做震動，将機械能(neng)轉🤞換爲點信号，這(zhè)時它就成♉爲超聲(sheng)波接受器了。

2 研究的意義

2.1 超聲波用于距離(li)測量的優勢

由于超聲波頻率(lü)較高，沿直線傳播(bo)，繞射小，穿透力強(qiang)，指向性♻️強，傳輸過(guo)程中衰減少，能量(liang)消耗緩慢，在介質(zhi)中傳播的距離較(jiao)遠，遇到雜質或分(fèn)界面時會産生反(fan)射波，因而超聲波(bō)經常用于距離的(de)測量。超🔞聲波有兩(liang)個特點，一個是能(néng)量大，一個是沿直(zhí)線傳播，它的應用(yòng)就是按照這兩個(ge)特點展開的。

超聲波與一般聲(shēng)波比較，它的振動(dong)頻率高，而且波長(zhǎng)🌈短，因🔞而具有束射(she)特性，方向性強，可(ke)以定向傳播，其能(neng)量遠遠大于振幅(fu)相同的一般聲波(bō)，并且具有很高的(de)穿透能力。

2.2 研(yan)究的意義

本(ben)設計采用單片機(ji)來實現智能超聲(sheng)波測距，雖其在功(gōng)🤩能上是不能與商(shāng)品的，高精度的智(zhì)能超聲波測距儀(yi)相比的，但優點在(zai)于系統規模較小(xiao)，器件更換容易，成(cheng)本低，有一定靈活(huó)性。但不适宜用于(yú)測量過于或者過(guo)大的距離，容易産(chǎn)生誤差。

3 研究(jiū)的關鍵技術

3.1 頻率發生

本(ben)設計中共用到了(le)兩個重要的頻率(lǜ) ,爲了實現輸(shu)出頻率的性 ,在設計時用到了(le)單片機 ,因爲(wei)頻率發生電路是(shì)整個電路的核心(xīn) ,有單片機發(fā)生的頻率必須準(zhǔn)确 ,否則測得(dé)的距離顯示會産(chǎn)生很大誤差。在考(kǎo)慮整體方案的時(shi)候，也想到用一片(pian)單片集成電路來(lai)完成頻率信号的(de)産生😄及其✍️分類工(gong)作，也*可以實現電(diàn)路的功能，但是要(yào)想實現高精度要(yao)求，有些困難。zui後還(hái)是選擇用單片機(ji)來完成頻率的産(chan)生工作。

*個頻(pin)率，超聲波的發射(shè)中心頻率，信号本(běn)來就是 40kHz，并由(you)單片機的 P3． 0口輸出。這是由(yóu)單片機内部的定(ding)時器由軟件編程(chéng)所産🐆生🌏，具🧡體需要(yào)由程序來設定。

第二個頻率就(jiu)是單片機進行數(shù)碼顯示的計數頻(pín)率，在計算之📞前首(shou)先要明确我們要(yao)設計的超聲波🌈測(cè)距精度是多🌐少，而(er)在本設計中，設計(jì)精度爲 lcm，也是(shì) 0.01m，超聲波發射(shè)器的聲波傳播到(dào)反射物，再由反射(shè)物反射到接👨‍❤️‍👨收器(qi)，所傳播的距離爲(wèi) 2倍測量距離(li)，而大家知道，聲波(bō)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wèi) 341m／ s，因此，我(wo)們要設計成在一(yi)個時鍾周期内超(chao)聲波所💰傳播的🚩距(ju)離爲 0.02mm，這樣便(biàn)可以計算出定時(shi)器的溢出頻率是(shì) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(ye)就是 17.05kHz，這樣在(zai)一個時鍾周期内(nèi)所測的距離便爲(wèi) 0.01m。 N個周期(qī)所測的距離爲 N×； 0.01m， N個周(zhou)期有 N個方脈(mo)沖，也就是說，計數(shu)器測得的脈沖數(shù) N即爲被測距(ju)離，不過其單位爲(wei) 0.01m，因此應把計(ji)數顯示器的小數(shu)點點在百位數和(he)個位數之問♍，那麽(me)示值是以“米"爲單(dan)位，其zui大顯示值爲(wei) 9.99m。

4 設計方(fang)案

4.1 實現功能(neng)

本設計主要(yào)的實現功能如下(xià)：

由單片機産(chan)生頻率爲 40kHz的(de)方波脈沖信号，超(chao)聲波發射端發出(chū)信号，遇到障礙物(wù)返回，被接收端接(jie)收到。由單片機計(ji)算出探頭與障🚶‍♀️礙(ài)物之間的距離，這(zhe)🈲就是被測距離。

技術指标：

設計精度爲 lcm，也就是 0.0lm。可測(ce)量距離由 0m至(zhì) 9.99m。

4.2 系統結(jié)構

系統的基(jī)本組成包括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成(chéng)運放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲波(bo)發射，接收探頭。

4.3 系統方案

要使整個系統能(neng)夠正常、順利的工(gong)作，就得有一個好(hao)的硬件和🚶‍♀️軟件。

本方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核心，通(tōng)過對其進行軟件(jiàn)編程，實現該單片(pian)機對📞其外圍電路(lù)🈲的适時控制，并提(ti)供給外圍電路各(ge)種⭐所需的信号，包(bāo)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼括頻🌈率振蕩信号(hao)、數據處理信号等(deng)等，大大簡化了外(wai)圍電❓路的設‼️計難(nan)度，同時更重要的(de)是該種🔞設計方案(an)大大節省⛷️了設計(ji)成本，并且由⁉️于是(shi)采用軟件編程技(ji)術❌，所以其移植性(xìng)能好，在設計電路(lù)時可以将其他更(gèng)多的功能設計進(jin)去✉️，而我們在設計(jì)電路闆時就可以(yi)根據自己的設計(ji)目的焊♈接元件。

在初始方案設(she)計時，我打算在超(chao)聲波發射端使用(yong)💃 RS觸發器 CD4013作爲門控電路，當(dang) R=1； (S=0)時複位(wei)，即 Q=0； S=l(R=0)時置(zhi)位，當上電複位時(shi)， D觸發器 CD4013的 Q腳輸出低(dī)電平加到單片機(jī)的 P3-3口，不啓動(dòng)内部計數器，處于(yu)等待狀态。

在(zai)超聲波接收端設(she)計了一個信号放(fang)大電路，采用兩級(jí)👄同相交流放大器(qì)，通過參數設置，每(měi)一級放大🛀🏻了約 20倍，這樣經過兩(liǎng)級放大後，接收到(dao)的超聲波信号就(jiù)🔆被放大了幾乎是(shi) 400倍，完夠被後(hòu)續檢測電路檢測(ce)到。接收傳感器 L2将反射的超聲(shēng)波轉換爲電信号(hào)後，由放大器放大(dà)後再送到由 U1B、 U1C等組成的斯(si)密特整形電路整(zhěng)理成規範的方脈(mò)沖。電阻 R11和電(dian)位器 R12爲同相(xiàng)端提供直流偏置(zhi)電位。需要注意的(de)是這兩個直♋流偏(pian)置電阻的作用是(shì)相當重要的，它可(ke)以很好地穩定運(yùn)放 A741的直流工(gong)作點，不緻于使其(qí)同相輸入端出現(xiàn)浮動狀态，而造成(cheng)♌輸入信号不穩定(ding)。

由于本超聲(shēng)波測距系統精度(du)要求是 lcm，故本(ben)人在進行距離顯(xiǎn)示電路部分的設(shè)計時用到了三個(gè)數碼管，其可以顯(xian)示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wèi)了節省硬件開銷(xiāo)，本距離顯示電路(lu)沒有使用譯碼器(qì)，而是直接有效地(dì)利用了單片機的(de)有限端口🌈來進行(hang)譯碼顯示，但是zui後(hòu)由于仍然缺少一(yī)個端口🔴，故用到了(le)一個✍️二一四譯碼(mǎ)器 74LS139。

經過(guò)老師指導，對初始(shi)設計方案進行修(xiu)改，将原超聲波💘發(fā)射電路改成用芯(xīn)片 LM386發射，不使(shǐ)用原有的門控電(diàn)路。原超聲波接收(shōu)電路改成用集成(chéng) CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路。由于(yu)采取了系統優化(huà)方案，大😍大節省了(le)單片機的接口，原(yuan)本因爲單片機機(ji)接口不夠而擴展(zhǎn)的 74LS139芯片被省(sheng)略，數碼管位選直(zhí)接接在單片機接(jiē)口上。這些優化大(da)大簡化了設計的(de)複雜度和焊接時(shi)的困難度。

在(zai)軟件方面采用 C語言來編程，用(yòng) C語言來編寫(xie)目标系統軟件，會(hui)大大縮短開發周(zhōu)期，且明顯地✏️增加(jiā)軟件的可讀性，便(biàn)于改進和擴充。