如何使超聲波設(she)計中應用及擴充(chōng)

1 智能超聲波(bō)距離提示器

1． 1 什麽是超聲(shēng)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(shi)近十年來，由于電(diàn)子技術及壓電陶(táo)瓷材料🔞的發展，使(shǐ)😘超聲檢測技術得(de)到了迅速的發展(zhǎn)。超聲📞技術💛是一門(mén)以物理、電子、機械(xie)、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(shēng)波具😘有聚束、定向(xiàng)及反射、透射等特(tè)性。

超聲檢測(ce)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(duì)非聲學量 (如(ru)密度、濃度、強度、彈(dan)性、硬度、粘度、溫度(dù)、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(shí)遇到不同的界面(miàn)，将産生反射，折射(shè)，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(hua)，測定這些規律的(de)變化，便可得到材(cai)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(zai)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(shi)現在線測量。

1． 2 超聲波發生(sheng)器的種類

爲(wei)了研究和利用超(chao)聲波，人們已經設(she)計和制成了許🌂多(duo)超聲波發生器。總(zǒng)體上講，超聲波發(fā)生器可以分爲兩(liǎng)大類：一類是用電(dian)🏃器方式産生超聲(sheng)波，一類是用機械(xiè)方式産生超聲波(bo)，電器方式包括壓(ya)電型，磁緻伸縮型(xíng)和電動型等；機械(xiè)方式有加爾統笛(dí)，液哨和氣流旋笛(dí)等。它們所産生的(de)超聲波的頻率，功(gōng)率和聲波特性各(gè)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(shì)利用壓電晶體的(de)諧振來工🍉作的。

它有兩個壓電(diàn)晶片和一個共振(zhèn)闆。當它的兩極外(wai)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(dong)共振闆振動，便産(chǎn)生💁超聲波。反之，如(rú)果兩電極間外未(wèi)加電壓，當😄共振闆(pǎn)接🌂受到超聲波時(shi)，将壓迫壓電晶片(pian)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(lí)測量的優勢

由于超聲波頻率(lü)較高，沿直線傳播(bō)，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(fen)界面時會♉産生反(fǎn)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(zhi)線傳㊙️播，它的應用(yong)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(kě)以定向傳播，其能(néng)⛷️量遠遠大于振㊙️幅(fu)相同的一般聲波(bo)，并且具有很高的(de)穿透能力。

2.2 研(yán)究的意義

本(běn)設計采用單片機(jī)來實現智能超聲(sheng)波測距，雖其在功(gōng)能上是不能與商(shang)品的，高精度的智(zhì)能超聲波☔測距儀(yí)相比的，但優點在(zai)于系統規模較小(xiǎo)，器件更換容易，成(chéng)本低，有一定靈活(huo)性。但不适宜用于(yu)測量過于或者過(guò)大的距離，容易産(chan)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(lü) ,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(de)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(gōng)作，也*可以實現電(dian)路的功能，但是要(yào)想實現高精🚶‍♀️度要(yao)求📱，有些困難。zui後🈲還(hai)是選擇用單片機(ji)來完成頻率的産(chǎn)生工作。

*個頻(pin)率，超聲波的發射(shè)中心頻率，信号本(ben)來就是 40kHz，并由(yóu)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(yao)由程序來設定。

第二個頻率就(jiù)是單片機進行數(shù)碼顯示的計數頻(pin)率，在計算之前首(shou)先要明确我們要(yào)設計的超聲波測(cè)距精度❗是多少，而(ér)在本♻️設計中，設計(jì)精度爲 lcm，也是(shì) 0.01m，超聲波發射(she)器的聲波傳播到(dao)反射物，再由反射(shè)物🚶‍♀️反射到接收🈲器(qi)，所傳播的距離爲(wei) 2倍測量距離(lí)，而大家知道，聲波(bō)在标準氣壓下 15℃的傳播速度爲(wei) 341m／ s，因此，我(wo)們要設計成在一(yī)個時鍾周期内超(chao)聲波所💜傳播的距(jù)離爲 0.02mm，這樣便(bian)可以計算出定時(shi)器的溢出頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也(yě)就是 17.05kHz，這樣在(zai)一個時鍾周期内(nei)所測的距離便爲(wèi) 0.01m。 N個周期(qi)所測的距離爲 N×； 0.01m， N個周(zhōu)期有 N個方脈(mo)沖，也就是說，計數(shu)器測得的脈沖數(shu) N即爲被測距(ju)離，不過其單位爲(wèi) 0.01m，因此應把計(ji)數顯示器的小數(shù)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(yao)的實現功能如下(xia)：

由單片機産(chǎn)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(jì)算出探頭與障礙(ai)物☔之間的距離，這(zhè)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(jie)構

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

4.3 系統方案

要使整個系統能(néng)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(piàn)機 ATMEL 89C2051爲核心，通(tong)過對其進行軟件(jian)編程，實現該單片(pian)機對其🌈外圍電路(lu)的适時控制，并提(tí)供給外圍電路各(gè)種所需的信号，包(bao)括頻率振蕩信号(hào)、數據處理信号等(deng)等，大大簡化了💁外(wai)圍電路的設計難(nán)度，同時更重要的(de)是該種設計方案(àn)大大節省了設計(jì)成本，并且由🏒于是(shì)采用軟件編程技(ji)術，所以其移植性(xing)能好，在設計電路(lu)時可以将其他更(gèng)多的🔴功能設計進(jìn)去，而我們在設計(ji)電路闆時就可⛱️以(yǐ)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(di)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(shè)計了一個信号放(fàng)大電路，采用兩㊙️級(ji)同相交❗流放大器(qi)，通過參數設置，每(mei)一級放大了約 20倍，這樣經過兩(liang)級放大後，接收到(dào)的超聲波信号就(jiu)被放大了幾🌐乎是(shi) 400倍，完夠被後(hou)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(hao)後，由放大器放大(da)後再送到由 U1B、 U1C等組成的斯(si)密特整形電路整(zheng)理成規範的方脈(mo)沖。電❄️阻 R11和電(diàn)位器 R12爲同相(xiang)端提供直流偏置(zhi)電位。需要注意的(de)是這兩🐉個直流偏(piān)置🌈電阻的作用是(shi)相當重要的，它可(kě)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(chéng)輸入信号不穩定(ding)。

由于本超聲(sheng)波測距系統精度(dù)要求是 lcm，故本(běn)人在進行距離顯(xian)示電路部分的設(shè)計時用到了三個(ge)數碼管，其可以顯(xiǎn)示範圍爲 0． Olm至 9． 99m，爲(wei)了節省硬件開銷(xiao)，本距離顯示電路(lu)沒有使用譯碼器(qì)，而❤️是直接有效地(di)利用了單片機的(de)有限端口來進行(hang)譯碼顯🌏示，但是zui後(hou)由于仍然缺少一(yī)個端口，故用到了(le)一個二一四譯碼(ma)器 74LS139。

經過(guò)老師指導，對初始(shǐ)設計方案進行修(xiū)改，将原超聲波🐆發(fa)射💁電路改成用芯(xin)片 LM386發射，不使(shǐ)用原有的門控電(diàn)路。原超聲波接收(shou)電路改🏃‍♂️成用集成(cheng) CX20106，省掉了之前(qián)的放大電路。由于(yu)采取了系統優化(hua)方案，大大節省了(le)單片機的接口，原(yuán)本因爲單片機機(jī)接口不夠而擴展(zhan)的 74LS139芯片被省(sheng)略，數碼管位選直(zhi)接接在單片機接(jiē)口上。這些優化大(dà)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(yong) C語言來編寫(xiě)目标系統軟件，會(hui)大大縮短開發周(zhou)期，且明顯地增加(jiā)軟件的可讀性，便(bian)于改進和擴充。