如何(hé)使超聲(sheng)波設計(jì)中應用(yòng)及擴充(chong)

1 智(zhì)能超聲(shēng)波距離(lí)提示器(qi)

1． 1 什麽(me)是超聲(sheng)波測距(jù)

超(chao)聲波是(shi)指超過(guò)人的聽(tīng)覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲(shēng)波。近二(èr)、三十年(nian) ,特(te)别是近(jin)十年來(lái)，由于電(diàn)子技術(shu)及壓電(dian)陶瓷材(cai)料✨的發(fa)⚽展，使超(chāo)👈聲檢測(ce)技術得(dé)到了迅(xùn)速的發(fā)展。超聲(sheng)技術是(shi)一🙇🏻門以(yi)物理、電(dian)子、機械(xiè)、及材料(liao)學爲基(ji)礎的通(tōng)用技術(shù)之一。超(chāo)聲技術(shù)是通過(guo)超聲波(bō)産生、傳(chuán)播及接(jie)收的物(wù)理過程(chéng)而完成(chéng)的。超聲(sheng)波具✍️有(yǒu)聚束、定(dìng)向及反(fǎn)射、透射(shè)等特性(xìng)。

超(chao)聲檢測(ce)技術是(shi)利用超(chao)聲波在(zài)媒質中(zhōng)的傳播(bo)特性💚 (聲速(sù)、衰減、反(fǎn)射、聲阻(zu)抗等 )來實(shi)現對非(fēi)聲學量(liang) (如(rú)密度、濃(nóng)度、強度(du)、彈性、硬(ying)度、粘度(du)、溫度、流(liu)速、流量(liàng)、液位、厚(hou)度、缺陷(xian)等 )的測定(dìng)。它的基(ji)本原理(lǐ)是基于(yú)超聲波(bo)在介質(zhi)中傳播(bō)時遇🔴到(dao)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(ér)使傳播(bō)的聲時(shí)，振幅，波(bo)形，頻率(lü)等發生(shēng)相應變(bian)化，測定(dìng)🐉這些規(gui)律的變(biàn)化，便可(kě)得到材(cai)料的某(mǒu)些性質(zhì)與内部(bu)構㊙️造情(qíng)況。與🙇‍♀️傳(chuan)統超聲(shēng)技術*不(bu)同，新的(de)超聲技(ji)術具有(you)以下📱特(te)點：在不(bu)破壞媒(méi)質特性(xìng)的情況(kuang)下實現(xiàn)非接觸(chu)性測量(liang)，環境适(shi)應能力(lì)強，可實(shí)現在線(xian)測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qì)的種類(lèi)

爲(wei)了研究(jiu)和利用(yong)超聲波(bo)，人們已(yǐ)經設計(ji)和制成(cheng)了✊許多(duō)超聲波(bō)發生器(qi)。總體上(shàng)講，超聲(shēng)波發生(sheng)器可以(yi)分爲🈲兩(liǎng)大類：一(yi)🏃‍♀️類是用(yong)電器方(fāng)式産生(sheng)超聲波(bo)，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(zhì)伸縮型(xing)和電動(dòng)型等；機(ji)械😍方式(shì)有加爾(ěr)統笛，液(ye)哨和氣(qì)流旋笛(di)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(shēng)🏃‍♂️波的頻(pín)率，功🔆率(lǜ)和聲波(bō)特性各(ge)不相同(tóng)，因而🙇‍♀️用(yong)途也各(gè)不相同(tóng)。目前較(jiào)爲常用(yòng)的是💚壓(yā)電式超(chao)聲波發(fa)生器。雅(yǎ)典市超(chāo)♌聲波發(fā)生器實(shi)際上是(shi)利用壓(yā)電晶體(tǐ)💃🏻的諧振(zhèn)來工作(zuò)的。

它有兩(liǎng)個壓電(dian)晶片和(hé)一個共(gòng)振闆。當(dang)它的兩(liǎng)極外加(jia)脈沖🐇信(xìn)号🌈，其頻(pín)率等于(yu)壓電晶(jīng)片的固(gù)有震蕩(dang)頻率時(shi)，壓電晶(jīng)片将會(hui)發生🔴共(gòng)振，并帶(dai)動共振(zhen)闆振動(dòng)👄，便産生(shēng)🔞超聲波(bo)。反之，如(ru)果兩電(dian)極間外(wai)未加電(diàn)壓，當共(gòng)振闆接(jie)受到超(chāo)聲波時(shí)，将壓迫(pò)壓電晶(jing)片做震(zhen)動，将機(ji)械能轉(zhuan)換爲點(dian)信号，這(zhe)時它就(jiù)成爲超(chao)聲波接(jiē)💘受器了(le)。

2 研(yan)究的意(yì)義

2.1 超聲波(bō)用于距(ju)離測量(liàng)的優勢(shi)

由(you)于超聲(sheng)波頻率(lü)較高，沿(yán)直線傳(chuán)播，繞射(she)小，穿透(tou)力強，指(zhǐ)向性強(qiang)，傳輸過(guò)程中衰(shuai)減少，能(néng)量消耗(hao)緩慢，在(zài)介質中(zhōng)傳播的(de)距離⭐較(jiào)遠，遇到(dao)雜質或(huò)分界面(miàn)時會産(chan)生反射(shè)波，因而(er)超聲波(bō)經常用(yong)于距離(lí)的測量(liàng)。超聲波(bō)有兩個(ge)特點，一(yī)個是能(néng)量大，一(yi)個是沿(yan)直線傳(chuan)播，它的(de)應用就(jiu)是按照(zhao)這兩個(gè)特點展(zhan)開的。

超聲(sheng)波與一(yi)般聲波(bo)比較，它(tā)的振動(dòng)頻率高(gāo)，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(yuǎn)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(cai)用單片(piàn)機來實(shi)現智能(neng)超聲波(bō)測距，雖(sui)其在✂️功(gong)能上是(shì)不能與(yǔ)商品的(de)，高精度(dù)的智能(néng)超聲波(bō)測距♊儀(yí)相比的(de)，但優點(diǎn)在于系(xì)統規模(mó)較小，器(qi)件更換(huan)容易，成(chéng)本低，有(yǒu)一定❄️靈(líng)活性。但(dàn)不适宜(yi)用于測(ce)量過于(yu)或者過(guo)大的距(jù)離，容易(yi)産♻️生誤(wù)差。

3 研究的(de)關鍵技(ji)術

3.1 頻率發(fā)生

本設計(jì)中共用(yong)到了兩(liǎng)個重要(yao)的頻率(lǜ) ,爲(wei)了實現(xiàn)輸出頻(pin)率的性(xing) ,在(zai)設計時(shí)用到了(le)單片機(jī) ,因(yīn)爲頻率(lǜ)發生電(dian)路是整(zhěng)個電路(lù)的核心(xīn) ,有(yǒu)單片機(jī)發生的(de)頻率必(bì)須準确(què) ,否(fǒu)則測得(dé)的距離(lí)顯示會(hui)産生很(hěn)大誤差(cha)。在考慮(lü)整體方(fang)💚案✍️的時(shi)候，也想(xiang)到用一(yī)片單片(piàn)集成電(dian)路來完(wan)成頻率(lǜ)信号的(de)産生及(jí)其分類(lei)工作，也(yě)*可以實(shí)現電路(lù)的功能(néng)，但是要(yào)想實現(xian)高精度(dù)要求💜，有(you)些困難(nan)。zui後💛還是(shì)選擇用(yong)單片機(ji)💯來完成(cheng)頻率的(de)産生工(gong)作。

*個頻率(lǜ)，超聲波(bō)的發射(she)中心頻(pin)率，信号(hao)本來就(jiù)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(cheng)所産生(sheng)✉️，具體需(xū)要由程(cheng)序來設(she)定。

第二個(gè)頻率就(jiù)是單片(piàn)機進行(háng)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(shēng)波測距(ju)🔆精度是(shì)多少，而(er)在本設(shè)計中，設(she)計精度(du)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射(she)器的聲(shēng)波傳播(bō)到反射(she)物，再由(yóu)反射物(wù)♉反射到(dào)接收器(qì)，所傳播(bō)的距離(lí)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(shè)計成在(zai)一個時(shi)鍾周期(qī)内超聲(sheng)波所傳(chuan)播🈲的距(jù)離爲 0.02mm，這樣(yang)便可以(yǐ)計算出(chu)定時器(qì)的溢出(chu)頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shi) 17.05kHz，這(zhe)樣在一(yi)個時鍾(zhong)周期内(nèi)所測的(de)距離便(bian)爲 0.01m。 N個(gè)周期所(suǒ)測的距(jù)離爲 N×； 0.01m， N個(gè)周期有(you) N個(gè)方脈沖(chòng)，也就是(shì)說，計數(shu)器測得(dé)的脈沖(chong)數 N即爲被(bèi)測距離(li)，不過其(qí)單位爲(wèi) 0.01m，因(yin)此應把(ba)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(dian)點在百(bǎi)位數和(he)個位♋數(shu)之問🔞，那(nà)麽示值(zhi)是以“米(mǐ)"爲單位(wèi)，其zui大顯(xiǎn)示值爲(wèi) 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(rú)下：

由單片(piàn)機産生(shēng)頻率爲(wèi) 40kHz的(de)方波脈(mò)沖信号(hao)，超聲波(bō)發射端(duān)發出信(xin)号，遇到(dao)障礙🚩物(wu)返回，被(bèi)接收端(duān)接收到(dao)。由單片(pian)機計算(suan)出探頭(tou)與障礙(ài)物🤟之間(jiān)🈲的距💋離(lí)，這就是(shi)被測距(ju)離。

技術指(zhǐ)标：

設計精(jing)度爲 lcm，也就(jiù)是 0.0lm。可測量(liàng)距離由(you) 0m至(zhì) 9.99m。

4.2 系統(tǒng)結構

系統(tǒng)的基本(ben)組成包(bāo)括：單片(piàn)機 (89C2051)， LCD(數(shù)碼管顯(xian)示 )，集成運(yun)放 (CX20106)，集成放(fang)大器 (LM386)，超聲(shēng)波發射(she)，接收探(tan)頭。

4.3 系統方(fang)案

要使整(zheng)個系統(tong)能夠正(zhèng)常、順利(lì)的工作(zuo)，就得有(yǒu)一個好(hǎo)的硬件(jian)和✏️軟件(jiàn)。

本(běn)方案以(yǐ)單片機(jī) ATMEL 89C2051爲(wei)核心，通(tong)過對其(qi)進行軟(ruan)件編程(chéng)，實現該(gai)單片機(jī)對其😄外(wai)🈲圍電路(lu)的适時(shí)控制，并(bìng)提供給(gěi)外圍電(diàn)路各種(zhong)🈲所需的(de)信🔞号，包(bao)括頻率(lü)振蕩信(xin)号、數據(jù)處理信(xin)号等等(deng)，大大簡(jiǎn)化了外(wai)圍電路(lù)的設計(ji)難度，同(tong)時更重(zhong)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(you)于是采(cǎi)用軟件(jiàn)編程技(jì)術，所以(yǐ)其移植(zhi)性能好(hǎo)，在設計(jì)電路時(shi)可以将(jiāng)其他更(gèng)多的功(gōng)能設計(ji)進去，而(ér)我們在(zai)設計電(dian)路闆時(shí)就可以(yǐ)根據自(zi)己的設(she)計目的(de)焊接元(yuán)件。

在初始(shi)方案設(shè)計時，我(wǒ)打算在(zài)超聲波(bō)發射端(duān)使用 RS觸發(fā)器 CD4013作爲門(mén)控電路(lu)，當 R=1； (S=0)時(shí)複位，即(ji) Q=0； S=l(R=0)時置(zhì)位，當上(shang)電複位(wei)時， D觸發器(qì) CD4013的(de) Q腳(jiǎo)輸出低(di)電平加(jiā)到單片(pian)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nèi)部計數(shù)器，處于(yú)等待狀(zhuàng)态。

在超聲(shēng)波接收(shou)端設計(ji)了一個(ge)信号放(fàng)大電路(lù)，采用🈲兩(liang)級同😄相(xiàng)交流放(fang)大器，通(tong)過參數(shù)設置，每(mei)一級放(fang)大了約(yuē) 20倍(bèi)，這樣經(jing)過兩級(ji)放大後(hòu)，接收到(dào)的超聲(sheng)波信号(hao)就被放(fàng)大了🔅幾(jǐ)乎是 400倍，完(wán)夠被後(hòu)續檢測(cè)電路檢(jian)測到。接(jie)收傳感(gǎn)器 L2将反射(she)的超聲(sheng)波轉換(huan)爲電信(xin)号後，由(you)放大器(qì)放大後(hòu)再送到(dào)由 U1B、 U1C等(deng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(lǐ)成規範(fan)的方脈(mò)沖。電阻(zu) R11和(he)電位器(qì) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhi)流偏置(zhì)電位。需(xu)要注意(yì)的是這(zhè)兩個直(zhi)流偏置(zhi)電阻的(de)作用是(shì)相當重(zhòng)要的，它(tā)可以很(hen)好地穩(wěn)定運放(fang) A741的(de)直流工(gong)作點，不(bú)緻于使(shi)其同相(xiang)輸入端(duān)出現浮(fú)動狀🌈态(tài)，而造🏃🏻成(chéng)輸入信(xìn)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bō)測距系(xì)統精度(dù)要求是(shi) lcm，故(gu)本人在(zài)進行距(ju)離顯示(shi)電路部(bù)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(jiē)省硬件(jiàn)開銷，本(běn)距離顯(xiǎn)示電路(lù)沒有使(shǐ)用譯📧碼(mǎ)器♋，而是(shì)直接有(you)效地利(lì)用了單(dan)片機的(de)有限端(duān)口來進(jin)行譯碼(ma)顯示，但(dàn)是zui後由(you)于仍然(ran)缺少一(yi)個端口(kǒu)，故用到(dào)🔴了一個(gè)🥰二一四(si)譯碼器(qì) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhǐ)導，對初(chu)始設計(jì)方案進(jin)行修改(gai)，将原超(chāo)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(dian)路。原超(chao)聲波接(jiē)收電路(lù)改成用(yong)集成 CX20106，省掉(diao)了之前(qián)的放大(da)電路。由(yóu)于采取(qu)了系統(tǒng)優化方(fāng)案，大💰大(da)節💛省了(le)單片機(jī)的接口(kou)，原本因(yīn)爲單片(pian)機機🔞接(jiē)口🚶不夠(gou)🐕而擴展(zhan)的 74LS139芯片被(bei)省略，數(shù)碼管位(wèi)選直接(jie)接在單(dan)片機接(jie)口上✉️。這(zhe)些優化(hua)⛷️大大簡(jian)化了設(shè)計的複(fú)雜度和(he)焊接時(shi)的困難(nan)度。

在軟件(jiàn)方面采(cai)用 C語言來(lai)編程，用(yòng) C語(yǔ)言來編(bian)寫目标(biāo)系統軟(ruǎn)件，會大(dà)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期，且明(míng)顯地增(zeng)加軟件(jiàn)的可讀(dú)性，便于(yú)改進和(hé)擴充。