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(lí)提示器

1． 1 什麽是(shì)超聲波測距(ju)

超聲波(bo)是指超過人(ren)的聽覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的(de)聲波。近二、三(san)十年 ,特(te)别是近十年(nián)來，由于電子(zi)技術及壓電(dian)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(jì)術是一門以(yi)🐇物理、電子、機(jī)械、及材料學(xue)爲基礎的通(tong)用技術之一(yī)🚩。超聲技術是(shi)通過超聲波(bō)産生、傳播及(jí)接收的物理(lǐ)過程而完成(chéng)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(fei)聲學量 (如密度、濃度(dù)、強度、彈性、硬(yìng)度、粘度、溫度(dù)、流速、流量、液(yè)位、厚度、缺陷(xiàn)等 )的測(ce)定。它的基本(běn)原理是基于(yú)超聲波在介(jie)質中傳👌播時(shí)遇⛱️到不同的(de)界面，将産生(sheng)反射，折射，繞(rao)射，衰減等現(xian)象，從而使傳(chuán)播的聲時，振(zhen)幅，波形，頻率(lǜ)等發生相應(yīng)變化，測定這(zhè)些規律的變(biàn)化，便可🙇🏻得到(dao)材料的😍某些(xiē)性質與内部(bu)構造情況。與(yǔ)傳統超聲技(ji)術*不同🌂，新的(de)超聲技術具(ju)有以下⚽特點(dian)：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(neng)力強，可實現(xian)在線測量。

1． 2 超聲(shēng)波發生器的(de)種類

爲(wèi)了研究和利(lì)用超聲波，人(ren)們已經設計(jì)和制成了許(xǔ)多超聲波發(fā)生器。總體上(shàng)講，超聲波發(fa)生器可以分(fèn)爲兩大類：一(yi)類是用電器(qì)方式産生超(chao)聲波，一類是(shì)用機械方式(shi)産生超聲波(bo)，電器方式包(bāo)括壓電型，磁(ci)緻伸縮型和(hé)電動🤟型等；機(ji)械方式有加(jiā)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(yin)而用途也各(ge)不相同。目前(qian)較爲常用的(de)是壓電式🥵超(chāo)聲波發生器(qi)。雅典市超聲(shēng)波發生器實(shí)際上❌是利用(yòng)壓電晶體的(de)🈲諧振來工⭕作(zuo)的。

它有(you)兩個壓電晶(jīng)片和一個共(gong)振闆。當它的(de)兩極外加脈(mò)沖信号🏃‍♂️，其頻(pín)率等于壓電(dian)晶片的固有(you)震蕩頻率時(shi)，壓電晶片⚽将(jiāng)會發生共振(zhèn)，并帶動共振(zhèn)闆振動，便産(chǎn)生🥰超聲波。反(fǎn)之，如✍️果兩電(diàn)極間外未加(jiā)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(ji)械能轉♈換爲(wèi)點信号🔞，這時(shí)它就成爲超(chāo)聲波接受器(qì)了。

2 研究(jiu)的意義

2.1 超聲波用于(yu)距離測量的(de)優勢

由(yóu)于超聲波頻(pin)率較高，沿直(zhí)線傳播，繞射(she)小，穿透力強(qiang)，指向性強，傳(chuan)輸過程中衰(shuai)減少，能量消(xiao)耗緩慢，在介(jie)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(yin)而超聲波經(jing)常用于距離(li)的測量。超聲(shēng)波有兩個特(tè)點，一個是能(neng)量大，一個是(shi)沿直線傳播(bo)，它的應用就(jiu)是按照這兩(liang)個特點展開(kāi)的。

超聲(sheng)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(shù)射特性，方向(xiang)性強，可以定(dìng)向傳播💁，其能(néng)量遠遠大🌍于(yu)振幅相同的(de)一般聲波，并(bìng)且具有很高(gāo)的㊙️穿透能力(lì)。

2.2 研究的(de)意義

本(běn)設計采用單(dān)片機來實現(xiàn)智能超聲波(bo)測距，雖其🔞在(zài)🈲功能上是💛不(bu)能與商品的(de)，高精度的智(zhi)能超聲波🧡測(cè)距儀相比的(de)✌️，但優點在🌈于(yú)系統規模較(jiao)小，器件更換(huàn)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(da)的距離，容易(yì)産生誤差。

3 研究的關(guān)鍵技術

3.1 頻率發生

本設計中(zhōng)共用到了兩(liǎng)個重要的頻(pín)率 ,爲了(le)實現輸出頻(pín)率的性 ,在設計時用(yong)到了單片機(ji) ,因爲頻(pín)率發生電路(lu)是整個電路(lu)的核心 ,有單片機發(fa)生的頻率必(bì)須準确 ,否則測得的(de)距離顯示會(huì)産生很大誤(wù)差。在考慮整(zheng)體方案的♻️時(shí)候，也想到用(yòng)一片單片集(ji)成電路來完(wan)成頻📱率信号(hao)的産生及其(qí)分類工作，也(ye)*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(sheng)波的發射中(zhong)心頻率，信号(hao)本來就是 40kHz，并由單片(pian)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(shù)頻率，在💋計算(suan)之前首先要(yào)明确我們要(yao)設計的超聲(sheng)波測距精度(dù)是多少，而在(zai)本設計中，設(she)計精度爲 lcm，也是 0.01m，超聲波發射(shè)器的聲波傳(chuán)播到反射物(wu)，再由反射物(wu)反射到接收(shōu)💜器，所傳播的(de)距離爲 2倍測量距離(li)，而大家知道(dào)，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(yi)個時鍾周期(qī)内超聲波所(suǒ)傳播的距離(li)爲 0.02mm，這樣(yang)便可以計算(suàn)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(yi)個時鍾周期(qī)内所測的距(ju)離便爲 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離(li)爲 N×； 0.01m， N個周期(qi)有 N個方(fang)脈沖，也就是(shi)說，計數器測(ce)得的脈沖數(shu) N即爲被(bei)測距離，不過(guo)其單位爲 0.01m，因此應把(bǎ)計數顯示器(qì)的小數點點(dian)在百位數和(he)個位數之問(wèn)，那麽示值是(shì)以“米"爲單位(wèi)，其zui大顯示值(zhí)爲❌ 9.99m。

4 設計方案

4.1 實現功能(neng)

本設計(ji)主要的實現(xiàn)功能如下：

由單片機(ji)産生頻率爲(wèi) 40kHz的方波(bo)脈沖信号，超(chāo)聲波發射端(duan)發出信号，遇(yù)到障❓礙物返(fan)回，被接收端(duān)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(bei)測距離。

技術指标：

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

4.2 系統結構(gòu)

系統的(de)基本組成包(bāo)括：單片機 (89C2051)， LCD(數碼(mǎ)管顯示 )，集成運放 (CX20106)，集成放大(da)器 (LM386)，超聲(sheng)波發射，接收(shou)探頭。

4.3 系(xì)統方案

要使整個系(xì)統能夠正常(cháng)、順利的工作(zuò)，就得有一個(gè)🤞好的硬♌件和(he)⭕軟件。

本(ben)方案以單片(pian)機 ATMEL 89C2051爲核(hé)心，通過對其(qi)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(tí)供給外圍電(dian)路各種所需(xū)💜的信🧑🏾‍🤝‍🧑🏼号，包括(kuò)頻率振蕩信(xin)号、數據處理(lǐ)信号等等，大(da)大簡化了❌外(wài)圍電路的設(she)計難度，同時(shi)更重要的是(shi)該種設計方(fāng)案👄大大節省(sheng)❤️了設計成本(ben)，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(dian)路時可以将(jiāng)其他更多的(de)功能設計進(jìn)去，而我們在(zài)設計電路闆(pan)時就可以根(gēn)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(wèi)，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(jiǎo)輸出低電平(ping)加到單片機(jī)的 P3-3口，不(bu)啓動内部計(jì)數器，處于等(deng)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(zhi)，每一級放大(dà)了約 20倍(bèi)，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(gǎn)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(cheng)的斯密特整(zheng)形電路整理(li)成規範的方(fang)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(xu)要注意的是(shì)這兩個直流(liú)☁️偏置電阻的(de)作用是相當(dāng)重要的，它可(ke)以很🐉好地穩(wěn)定🌈運放 A741的直流工作(zuò)點，不緻于使(shi)其同相輸入(rù)端出現浮動(dong)狀📧态，而造成(chéng)輸入信号不(bú)穩定。

由(yóu)于本超聲波(bō)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(shù)碼🌐管，其可以(yǐ)顯示範圍爲(wèi) 0． Olm至(zhi) 9． 99m，爲(wei)了節省硬件(jian)開銷，本距離(lí)顯示電路沒(méi)有使用譯💋碼(ma)☔器⁉️，而是直接(jie)有效地利用(yong)了單片機的(de)有限端口來(lái)進行譯碼顯(xian)示，但是zui後由(you)于仍然缺少(shao)一個端口🔅，故(gu)用到了一個(gè)二一四⭐譯碼(ma)器 74LS139。

經過老師指(zhǐ)導，對初始設(shè)計方案進行(hang)修改，将原超(chao)聲波🐇發射電(diàn)路改成用芯(xin)片 LM386發射(she)，不使用原有(yǒu)的門控電路(lù)。原超聲波接(jiē)收電路改成(chéng)✨用🤞集☎️成 CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路(lù)。由于采取了(le)系統優化方(fang)♉案🔞，大大🌈節省(shěng)🌂了單片機的(de)接口，原本因(yīn)爲單片機機(ji)接口⛹🏻‍♀️不夠⭕而(ér)擴👣展的 74LS139芯片被省略(lue)，數碼管位選(xuǎn)直接接在單(dan)片機接口上(shàng)。這些優化大(da)🙇🏻大簡化了設(she)計的複雜度(dù)和焊接時的(de)困難度。

在軟件方面(mian)采用 C語(yu)言來編程，用(yong) C語言來(lai)編寫目标系(xì)統軟件，會大(dà)大縮短開發(fā)周期，且明顯(xian)地增加軟件(jiàn)的可讀性，便(biàn)于改進和擴(kuo)充。