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

1 智(zhi)能超聲(shēng)波距離(lí)提示器(qì)

1． 1 什麽(me)是超聲(sheng)波測距(jù)

超(chao)聲波是(shì)指超過(guò)人的聽(ting)覺範圍(wéi)以上 (16KHZ)的聲(sheng)波。近二(er)、三十年(nian) ,特(tè)别是近(jin)十年來(lai)，由于電(dian)子技術(shu)及壓電(diàn)陶瓷材(cái)料的發(fa)展，使超(chao)聲檢測(cè)技術得(dé)到了迅(xùn)速的發(fa)展。超聲(shēng)技術是(shi)一門以(yǐ)物理、電(dian)子💰、機械(xie)、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(guò)超聲波(bō)産生、傳(chuán)播及接(jiē)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(fan)射、透射(she)等特性(xìng)。

超(chāo)聲檢測(ce)技術是(shì)利用超(chāo)聲波在(zài)媒質中(zhōng)的傳播(bo)特性 (聲速(sù)、衰減、反(fan)射、聲阻(zǔ)抗等 )來實(shí)現對非(fei)聲學量(liang) (如(rú)密度、濃(nóng)度、強度(dù)、彈性、硬(yìng)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(lǐ)是基于(yú)超聲波(bo)在介質(zhì)中傳播(bo)時遇到(dao)不同的(de)界面，将(jiang)産生反(fan)射，折射(she)，繞射，衰(shuāi)減等現(xian)象，從而(er)使傳播(bo)的聲時(shi)，振幅，波(bō)形，頻率(lǜ)等發生(sheng)相應變(biàn)🎯化，測定(ding)這些規(guī)律的變(bian)化，便可(kě)得到材(cái)料的某(mǒu)些性質(zhi)與内部(bu)構造情(qing)況。與傳(chuán)統超聲(sheng)技術*不(bú)同，新的(de)超聲技(jì)術具有(you)以下特(te)點：在不(bu)破壞媒(mei)質特性(xìng)💜的情況(kuang)下實✂️現(xian)非接觸(chu)性測量(liàng)，環境适(shi)應能力(li)🔞強，可🌈實(shi)現在線(xiàn)測量。

1． 2 超聲波(bō)發生器(qi)的種類(lei)

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(duo)超聲波(bō)發生器(qì)。總體上(shàng)講，超聲(shēng)波發生(shēng)器可以(yǐ)㊙️分爲兩(liǎng)大類：一(yī)類是‼️用(yong)電器方(fang)式産生(shēng)超聲波(bō)，一類是(shì)用機械(xiè)方式産(chǎn)生超聲(shēng)波，電器(qi)方式包(bāo)括壓電(diàn)型，磁緻(zhì)伸縮型(xing)和電動(dong)型等；機(ji)械方式(shì)有加爾(er)統笛，液(yè)哨和氣(qì)流旋笛(di)等。它們(men)所産生(shēng)的超聲(shēng)波的頻(pin)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(tong)。目前較(jiào)爲常㊙️用(yòng)的是💘壓(yā)電式超(chao)聲波發(fā)生器。雅(ya)典市超(chao)聲波發(fa)生器實(shi)際上是(shi)利用壓(yā)電晶體(tǐ)的✊諧振(zhen)來工作(zuo)的。

它有兩(liang)個壓電(dian)晶片和(he)一個共(gong)振闆。當(dāng)它的兩(liang)極外加(jiā)脈沖信(xìn)号，其頻(pin)率等于(yú)壓電晶(jing)片的固(gù)有震蕩(dang)頻率時(shí)，壓電晶(jing)片将會(hui)發生共(gong)振，并帶(dai)動共振(zhen)闆振動(dong)，便産生(shēng)超聲波(bo)。反之，如(rú)果兩電(diàn)極間外(wai)未加電(diàn)壓，當共(gòng)振闆接(jie)受到超(chao)聲波時(shi)，将壓🥰迫(pò)壓電晶(jīng)片做震(zhèn)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(yi)義

2.1 超聲波(bō)用于距(ju)離測量(liang)的優勢(shì)

由(yóu)于超聲(shēng)波頻率(lü)較高，沿(yán)直線傳(chuan)播，繞射(shè)小，穿透(tòu)力強📞，指(zhǐ)向性強(qiáng)💁，傳輸過(guo)程中衰(shuai)減少，能(néng)量消耗(hao)緩慢，在(zai)介質中(zhong)傳播的(de)距離較(jiào)遠，遇到(dào)雜質或(huo)分界面(mian)時會産(chǎn)生反射(she)波，因而(ér)超聲⭕波(bo)經常用(yong)于距離(lí)的測量(liàng)。超聲波(bō)有兩個(gè)特點，一(yī)個是能(néng)量大，一(yi)個是沿(yán)直線傳(chuán)♋播，它的(de)應用就(jiù)是按照(zhao)這😍兩個(ge)特點展(zhan)開的。

超聲(shēng)波與一(yi)般聲波(bo)比較，它(ta)的振動(dòng)頻率高(gao)，而且波(bō)‼️長短，因(yin)而具有(you)束射特(te)性，方向(xiang)性強，可(ke)以定向(xiang)傳播，其(qi)能量遠(yuan)遠大于(yú)振💚幅相(xiàng)同的一(yī)般聲波(bō)，并且具(ju)有很高(gao)的🛀🏻穿透(tou)能🔞力。

2.2 研究(jiu)的意義(yi)

本(běn)設計采(cai)用單片(pian)機來實(shí)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(yi)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(cheng)本低，有(yǒu)一定靈(ling)活性🌈。但(dan)不适宜(yi)用于測(cè)量過于(yú)或者過(guo)大的距(ju)離，容易(yì)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(ji)中共用(yòng)到了兩(liǎng)個重要(yào)的頻率(lü) ,爲(wei)了實現(xiàn)輸出頻(pin)率的性(xìng) ,在(zai)設計時(shí)用到了(le)單片機(ji) ,因(yin)爲頻率(lü)發生電(dian)路是整(zhěng)個電路(lù)的核心(xīn) ,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(lí)顯示會(huì)産生很(hěn)大誤差(chà)。在考慮(lǜ)整🌈體方(fāng)案的時(shi)候，也想(xiǎng)到用一(yi)片單片(pian)集成電(diàn)路來完(wan)🌂成頻率(lü)信号的(de)✉️産生及(ji)其分類(lei)工作，也(ye)*可以實(shí)現電路(lu)的功能(néng)，但是要(yao)想實💁現(xian)高精🔞度(dù)要求，有(yǒu)些困難(nan)。zui後還是(shì)選擇用(yong)單片機(jī)來完成(chéng)頻率的(de)産生工(gong)作。

*個頻率(lǜ)，超聲波(bo)的發射(shè)中心頻(pín)率，信号(hao)本來就(jiu)是 40kHz，并由單(dan)片機的(de) P3． 0口輸(shu)出。這是(shi)由單片(pian)機内部(bù)的定時(shí)器由軟(ruǎn)件編程(chéng)所産生(sheng)😘，具體需(xu)要由程(cheng)序來設(shè)定。

第二個(gè)頻率就(jiu)是單片(piàn)機進行(háng)數碼顯(xiǎn)示的計(ji)數頻率(lü)，在計算(suan)之前首(shǒu)先要明(ming)确我們(men)要設計(ji)的超聲(sheng)波測距(jù)精度是(shi)多👣少，而(ér)在本設(shè)計中，設(shè)計精度(dù)爲 lcm，也是 0.01m，超聲(shēng)波發射(shè)器的聲(sheng)波傳播(bō)到反射(she)物，再由(you)反射物(wù)反射到(dao)接👨‍❤️‍👨收器(qì)，所傳播(bō)的距離(li)爲 2倍測量(liang)距離，而(ér)大家知(zhī)道，聲波(bō)在标準(zhun)氣壓下(xia) 15℃的(de)傳播速(su)度爲 341m／ s，因此，我(wǒ)們要設(shè)計成在(zài)一個時(shi)鍾周期(qi)内超聲(shēng)波所傳(chuán)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼播的距(jù)離爲 0.02mm，這樣(yang)便可以(yi)計算出(chu)定時器(qi)的溢出(chu)頻率是(shi) 341／ 0.02=17.05×； 10 ，也就是(shi) 17.05kHz，這(zhè)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(suo)測的距(ju)離爲 N×； 0.01m， N個(ge)周期有(you) N個(ge)方脈沖(chòng)，也就是(shi)說，計數(shu)器測得(de)的脈沖(chòng)數 N即爲被(bei)測距離(lí)，不過其(qi)單位爲(wei) 0.01m，因(yīn)此應把(bǎ)計數顯(xiǎn)示器的(de)小數點(diǎn)點在百(bǎi)位數和(hé)個位數(shù)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(jì)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(bō)發射端(duān)發出信(xìn)号，遇到(dào)障礙物(wu)返回‼️，被(bei)接收端(duān)接收到(dào)。由單片(pian)機計算(suan)出探頭(tóu)與障㊙️礙(ai)物🍓之間(jiān)的距離(li)，這就是(shì)被測距(jù)離。

技術指(zhi)标：

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

4.2 系統(tong)結構

系統(tong)的基本(ben)組成包(bāo)括：單片(pian)機 (89C2051)， LCD(數(shu)碼管顯(xian)示 )，集成運(yùn)放 (CX20106)，集成放(fàng)大器 (LM386)，超聲(shēng)波發射(shè)，接收探(tàn)頭。

4.3 系統方(fang)案

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

本(ben)方案以(yǐ)單片機(ji) ATMEL 89C2051爲(wèi)核心，通(tōng)過對其(qi)進行軟(ruǎn)件編程(chéng)，實現該(gai)單片機(ji)對其外(wai)圍電路(lù)的适時(shi)控制，并(bing)提供給(gei)外圍電(diàn)路各種(zhong)所需的(de)信号，包(bao)括頻✍️率(lü)振🐇蕩信(xìn)号、數據(jù)處理信(xin)号等等(deng)，大大簡(jiǎn)化了外(wai)圍電路(lu)的設計(jì)難度❄️，同(tóng)時更重(zhòng)要的是(shi)該種🌈設(she)計方案(àn)大大節(jie)省🤟了設(shè)計成本(ben)，并且由(you)于是采(cai)用軟🚶‍♀️件(jian)編程技(ji)術🧑🏾‍🤝‍🧑🏼，所以(yǐ)其移植(zhí)性能好(hǎo)，在設🛀計(ji)電路時(shí)可以将(jiang)其他更(geng)多的🐉功(gōng)能設計(jì)進去，而(er)我們在(zai)設計電(dian)路闆💰時(shi)就可以(yǐ)根據自(zì)己的設(she)計目的(de)焊🔅接元(yuán)件。

在初始(shǐ)方案設(shè)計時，我(wo)打算在(zài)超聲波(bō)發射端(duan)使用 RS觸發(fa)器 CD4013作爲門(men)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(shàng)電複位(wei)時， D觸發器(qi) CD4013的(de) Q腳(jiao)輸出低(dī)電平加(jiā)到單片(piàn)機的 P3-3口，不(bu)啓動内(nèi)部計數(shù)器，處于(yú)等待狀(zhuang)态。

在超聲(sheng)波接收(shou)端設計(ji)了一個(gè)信号放(fàng)大電路(lù)，采用兩(liang)級同相(xiang)交流放(fang)大器，通(tong)過參數(shu)設置，每(mei)一級放(fàng)大🛀了約(yuē) 20倍(bei)，這樣經(jīng)過兩級(ji)放大後(hou)，接收到(dào)的超聲(shēng)波信号(hao)就被放(fang)大了幾(jǐ)乎是 400倍，完(wán)夠被後(hou)續檢測(ce)電路檢(jian)測到。接(jie)收傳感(gan)器 L2将反射(she)的超聲(shēng)波轉換(huàn)爲電信(xin)号後，由(yóu)放大器(qì)放大👅後(hòu)再送到(dào)由 U1B、 U1C等(děng)組成的(de)斯密特(te)整形電(dian)路整理(lǐ)成規範(fàn)的方脈(mo)沖。電阻(zǔ) R11和(hé)電位器(qi) R12爲(wèi)同相端(duan)提供直(zhí)流偏置(zhi)電位。需(xu)要注意(yi)的是這(zhe)兩⭐個直(zhí)流偏置(zhi)電阻的(de)作用是(shì)相當重(zhong)要的，它(tā)可以很(hěn)✊好地穩(wěn)定運放(fàng) A741的(de)直流工(gōng)作點，不(bú)緻于使(shǐ)其同相(xiang)輸入端(duan)出現浮(fu)動狀态(tài)🍓，而造📱成(cheng)輸入信(xìn)号不穩(wen)定。

由于本(ben)超聲波(bo)測距系(xi)統精度(du)要求是(shi) lcm，故(gù)本人在(zài)進行距(ju)離顯示(shì)電路部(bu)分的設(she)計時用(yòng)到了三(san)個數碼(ma)👅管，其可(ke)以顯示(shi)範圍爲(wei) 0． Olm至 9． 99m，爲了節(jiē)省硬件(jian)開銷，本(běn)距離顯(xian)示電路(lu)沒有使(shǐ)用譯碼(mǎ)器🏃‍♀️，而是(shì)直接有(you)效地利(lì)用了單(dān)片機的(de)有限端(duan)口來進(jin)✌️行譯碼(ma)顯示，但(dan)是zui後由(you)于仍然(rán)缺少一(yī)個端口(kou)🏃🏻，故用到(dao)了一個(gè)二一四(si)譯碼器(qi) 74LS139。

經過(guò)老師指(zhǐ)導，對初(chu)始設計(ji)方案進(jin)行修改(gǎi)，将原超(chāo)🤩聲波發(fa)射電路(lu)改成用(yong)芯片 LM386發射(shè)，不使用(yòng)原有的(de)門控電(diàn)路。原超(chāo)聲波接(jiē)收電路(lu)改成用(yòng)🏃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(dà)節省㊙️了(le)單片機(ji)的接口(kǒu)，原本因(yīn)爲單片(piàn)機機📐接(jiē)口㊙️不夠(gòu)而擴展(zhan)的 74LS139芯片被(bei)省略，數(shu)碼管位(wei)選直接(jie)接在單(dān)片機接(jiē)口上。這(zhe)些優化(huà)大大簡(jian)化了設(she)計的複(fú)雜度和(hé)焊接時(shi)的困難(nan)度。

在軟件(jian)方面采(cǎi)用 C語言來(lái)編程，用(yong) C語(yǔ)言來編(bian)寫目标(biāo)系統軟(ruan)件，會大(da)大縮短(duǎn)開發周(zhou)期，且明(míng)顯地增(zēng)加軟件(jiàn)的可讀(du)性，便于(yú)改進和(he)擴充。